AaronBrandt,BusinessTeamLeaderforMechanizedSystemsatHypertherm,Inc.
大多数制造厂和钢加工中心必须具备穿孔金属板的能力。加工速度快代表着高生产效率和收益，由於使用等离子系统穿孔速度和切割速度较快并且精加工出的产品光洁，所以等离子系统取代火焰切割系统成为最理想的切割系统。
尽管等离子系统有许多优势，但是生产实践中已经发现，使用等离子系统很难针对超过1.25英寸厚的金属材料进行穿孔加工。不仅如此，工厂操作人员也经常发现割炬堵满易损件熔渣，或是易损件上附有一层熔渣。
现如今，经过等离子割炬及易损件方面的改进，等离子穿孔能力正得到显着提高。那麽，传统穿孔技术对穿孔有哪些限制？特别是针对厚金属材料的切割，将如何改进等离子系统从而使其成为理想的切割系统？这将是本文着重关注的。
穿孔工艺及相关注意事项
1.穿孔工艺理论
使用等离子割炬进行穿孔时，等离子弧贴在金属板的上表面，并且传递足够的能量将上表面的金属熔化。通常会使用非载流冷空气和等离子保护气将这些熔渣吹走。之後，等离子弧转移到孔底，继续加深熔化金属板直到将其穿透，穿孔工艺结束。
2.几种穿孔技术的注意事项
a.稳定穿孔方法
通常割炬在整个固定穿孔过程中保持在制造商推荐的穿孔高度。这是本行业中使用的最简单并且最直接的穿孔技术。本技术的问题在於对割炬及易损件的损坏以及运行成本高。
b.低弧转移/拉弧方法
使用低弧转移/拉弧方法，在等离子弧转移到金属板时提升割炬，以实现拉弧。使用此方法，虽然可以降低对割炬及易损件的影响，但是穿孔时间将会延长，并且不是所有升降体和控制器都可以使用该技术。
c.移动穿孔方法
使用移动穿孔技术，割炬定位到距目标穿孔点一定距离的金属板上。操作工使用此技术时需确保引入电缆长度足够长以穿透整个材料。另外还需特别注意大量的火花飞溅到切割床上，从而可能引发火灾。
d.双弧穿孔技术
通过将割炬定位到金属板上系统最大弧转移高度以开始双弧穿孔工艺。虽然该技术可以很大程度上增大等离子系统的穿孔能力，但是依然有缺点。该技术将增大穿孔和原材料浪费且会延长穿孔时间。
等离子穿孔的实际操作问题
上述的穿孔工艺理论很好，但是，随着穿孔的开始且逐步加深，会出现4个问题限制该工艺。
首先是将能量传递到孔底的相关问题。等离子弧的能量随着孔不断加深而减少，并且需要传递到孔底和孔周围，从而扩大了金属板上表面的孔，并且降低了穿孔速度。随着孔不断加深和扩大，割炬和工件间的距离也变长，从而需要增大弧压，否则等离子弧有可能熄灭。即使电源电压足够维持等离子弧燃烧，但长时间穿孔使得割炬一直接触熔化的热钢材，易损件有可能开始熔化，尤其是保护帽。
第二，清除孔中熔渣用流体动力学问题。冷等离子气体和保护气体本该将熔渣从孔和工件中吹掉。但是，随着孔加深，很难做到这点。结果在孔底形成一个熔池。
第三，穿孔厚金属材料时产生的熔渣问题，这也是最严重的问题。大多数割炬头都会卷起。由於割炬直接贴在要穿孔的金属上，熔化掉的金属以及产生的热量将返回到割炬。随着割炬温度，尤其是保护帽温度不断升高，熔化掉的金属很容易附着在割炬上。这样会将更多的热传递给保护帽，致使熔渣和热量不断堆积。不断增多的熔渣将会堵塞排气孔和主孔，并且影响割炬初始高度感应。所有这些都将降低穿孔能力和切割质量。最终，保护帽乃至喷嘴都可能熔化掉。
第四，就是熔化掉的金属即使未使割炬卷起，也经常会使金属板上表面翘起。金属板上表面穿孔边缘附近通常会出现明显的熔池。熔池覆盖金属板的面积很大，并且相当厚。如果在变硬後的熔渣上移动割炬，则可能会损坏割炬头（尤其是保护帽）。带电压控制的割炬升降体能够将割炬提升至高於此熔池从而防止实际接触。但是在切割过程中提升割炬，则可能导致割炬移过熔池时切割边缘出现条纹。解决此问题最好的办法就是切割时提供足够长的引入电缆，以防止割炬路径通过熔池。一般来讲，建议引入电缆与切割材料厚度相等。
解决实际操作之难题
让等离子穿孔实际操作问题“迎刃而解”非常重要，而用户公司通过使用等离子切割系统取代切割速度慢且成本昂贵的切割系统，可以顺利地改良自身生产效率，从而稳步扩大自己的客户群和业务范围。
针对穿孔厚金属板或能量传递到孔底的问题，HPRXD的物理结构可以解决。
对於穿孔厚金属板时清除孔内熔渣的问题，则可以通过不同的穿孔技术解决。稳定穿孔、低弧转移/拉弧穿孔、移动和双弧穿孔技术可以帮助清除熔渣。
针对穿孔厚金属板时熔化的金属附着在割炬和易损件，尤其是保护帽的问题，虽然确实无法阻止熔渣接触割炬，幸运的是海别得的工程师找到了阻止熔渣附着在上面的方法：工程师们发现通过降低保护帽的温度可以减小熔化的金属在保护帽上的附着，通过使用不同的冷却方法进行多次试验之後，最终成功地将内置循环冷却系统直接连接到保护帽後部，使保护帽接触熔渣的部位由冷却液冷却。
试验过程中，海别得的工程团队使用水作为冷却液，使用冷却器/加热器控制温度。在实验室使用海别得新系统—高性能HPR400XD穿孔1.5英寸厚低碳钢板进行试验，得出3种不同的温度：38°F（约3.3℃）、85°F（约29.4℃）和135°F（约57.2℃）。该试验中使用了400A氧气切割系统，进行了300次穿孔。在每25次穿孔後，将保护帽和保护罩进行称重，以计算保护帽上堆积的熔渣。反复进行了300次穿孔，得到了上述温度。
上述试验结果是变化的。保护帽温度（使用冷却液）保持在135°F时，整个试验过程中产生熔渣总重198g（如下图中a所示）。保持在85°F时，经过300次穿孔产生的熔渣重量相对明显减少到175g（如下图中b所示）。保护帽温度降低到38°F时，出现了重大变化，在这个温度仅有31g熔渣（如下图中c所示）。
穿孔试验结果对比图
将这项PowerPierce强力穿孔保护帽技术应用到等离子割炬及易损件设计中，实践验证等离子穿孔能力获得了很大提高。海别得等离子系统现在能够穿孔2英寸厚低碳钢。另外，专业的水冷保护帽技术可以防止其被熔化，从而延长易损件使用寿命。