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等离子切割机原理

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精确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

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和强度与飞机机翼一样的部件时，如何实现精确的工作中的等离子切割机

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。许多生产军用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。

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1980年的等离子切割系统

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。

水分子得到热量（折算为能量）的多少决定了它们的性质也决定了它们的状

态。简单的说，更多的热量（更多的能量）使得水分子到达了摆脱相互之间化学

键作用的临界状态。低热量状态下，分子间紧密结合，呈固态。吸收更多的热量，

分子间的作用力减弱，呈液态。再吸收更多的热量，分子间几乎失去了作用力，

呈气态。那么如果继续对气体加热将会发生什么呢？这将使其达到第四种状态等

离子态。

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，原子开始分裂。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