工作中的等离子切割机

　　现代工业需要对重型金属以及合金进行加工：日常活动所必需的工具及运输载体的制造都离不开金属。例如，起重机、汽车、摩天大楼、机器人以及悬索桥都是由xx加工成型的金属零部件构成的。原因很简单：金属材料非常坚固和耐久。对于大多数制造而言，特别是在满足大型和/或坚固性方面，金属材料自然成为合理的选择。

　　有趣的是金属材料的坚固性同时也是它的缺点：由于金属非常不容易损坏，那么要将其加工成特定的形状就非常困难。当人们需要加工一个大小和强度与飞机机翼一样的部件时，如何实现xx的切割与成型呢？绝大多数情况下，这都需要求助于等离子切割机。尽管这听起来像是科幻小说中的东西，但实际上自第二次世界大战以来，等离子切割机就已有了广泛的应用。

　　理论上讲，一台等离子切割机的原理非常简单。它是通过操控现知宇宙中最普遍的物质形态之一进行加工的。本文中，我们将揭开等离子切割机神秘的面纱，看看这种最为神奇的工具是如何塑造我们周围的世界的。

　　二战中，美国的工厂生产装甲、武器和飞机的速度比轴心国快5倍。这些都多亏了私营工业在大规模生产领域所做的巨大革新。

　　如何更有效的切割和连接飞机的部件就引发了其中一部分技术革新。许多生产xx飞机的工厂采用了一种新的焊接方法，该方法涉及到惰性气体保护焊的使用。突破性的发现在于通过电流电解的气体可以在焊接点附近形成一道屏障，以防止氧化。该新方法使得焊缝更加整齐，连接结构的强度更坚固。

　　二十世纪六十年代初，工程师们又有了新的发现。他们发现加快气流速度和缩小气孔有助于提高焊接温度。新的系统可以得到比任何商用焊机更高的温度。事实上，在这样的高温下，此工具并不再起到焊接的作用。相反，它更像是一把锯，切割坚韧的金属如同热刀切黄油一般。

　　等离子电弧的引入革命性地提高了切具的速度、准确性以及切割种类，并且可应用于各种金属。下一节，我们将介绍该系统背后的科学原理。等离子切割机可以很容易地穿透金属还要归功于等离子状态的独特性质。那么什么是等离子状态呢？

　　世界上的物质一共有四种状态。在我们日常生活中所接触的物质大多是固态、液态或是气态的。物质的状态由物质分子间的相互作用决定。以水为例：

　　固态的水就是冰。冰是由电中性的原子按六角晶格排列而成的固体。由于分子间的相互作用稳定，因此呈保持形状的固态。

　　液态的水就是可以饮用的状态。分子之间仍然保持着作用力，但相互之间以缓慢的速度移动。液体有固定的体积，但没有固定的形状。液体的形状根据盛其器皿的形状改变而改变。

　　气态的水则为水蒸气。水蒸气中，分子高速运动，相互之间没有联系。由于分子之间没有作用力，因此气体没有固定的形状和体积。
当气体达到极高温度时，就进入了等离子态。能量开始使分子与分子之间彻底分离，原子开始***。通常的原子由原子核（参见原子理论）中的质子和中子，以及包围在原子核周围的电子组成。等离子态时，电子从原子中分离出来。一旦热能使电子脱离了原子，电子就开始了高速的运动。电子带负电，剩下的原子核带正电。这些带正电的原子核就称为离子。
　　当高速运动的电子撞击到其他的电子或是离子时，将释放出巨大的能量。正是这些能量使等离子态有着特殊的性质，从而有了令人难以置信的切割能力。

　　等离子态常识宇宙中几乎99%的物质是等离子态。由于其极高的温度，在地球上并不常见；但在类似太阳这样的天体上是非常常见的。地球上，闪电中具有这种状态。等离子切割机并不是{wy}一种操控等离子能量的装置。霓虹灯、荧光灯和等离子显示器等等，都是依靠等离子状态工作的。这些装置应用的是“冷态”的等离子态。尽管冷态的等离子态不能用于切割金属，但仍然有相当多应用。
在等离子切割机内部，电极位于中心，喷嘴就在其下方。橙色的零件是涡流环，使等离子体通过时高速旋转形成涡流。

　　等离子切割机的外形和尺寸多种多样。有用机器人手臂控制xx切割的巨型等离子切割机，也有在手工作坊中使用的精简的手持式等离子切割机。无论尺寸大小，所有的等离子切割机都是基于相同的原理，结构设计也大致相同。

　　等离子切割机工作时，通过一个狭小的管道送出如氮气、氩气或氧气的压缩气体。管道的中间放置有负电极。在给负电极供电并将喷嘴口接触金属时，就形成了导通的回路，电极与金属之间就会产生高能量的电火花。随着惰性气体流过管道，电火花即对气体加热，直至其达到物质的第四种状态。这一反应过程产生了一束等离子体流，温度高达约摄氏16,649度，流速高达6,096米/秒，可使金属迅速变为熔渣。

　　等离子体本身有电流流过。只要持续给电极供电并且保持等离子体与金属接触，那么产生电弧的周期就是连续的。为能够在确保这种接触的同时避免氧化以及其他等离子体尚不可知的特性引起的损坏，切割机喷嘴装有另外一组管道。这组管道持续放出保护气体以保护切割区域。保护气体的气压可以有效的控制柱状等离子体的半径。