船舶与海洋工程实习专题切割技术.docx

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船舶与海洋工程实习专题切割技术

实习专题

---船舶生产过程中的切割技术概况

2014年3月5日

摘要：

板材的切割是船舶建造过程中最重要的环节之一，切割质量的高低不仅对其后焊接的难易程度和质量的好坏产生重要的影响，也会影响船舶建造的美观和板材的利用率，减少材料的浪费，降低成本。

因此，在船舶生产过程中对切割技术的重视显得尤为重要。

伴随着制造业的迅速发展，切割技术也得到了飞速的改进和提高。

当然，任何技术都是在不断发展中慢慢成熟起来的，自然的切割技术也有待更一步的发展，更重要的是，我国在制造业领域的切割技术与国外相比还有一定的差距，一般船厂里面最先进的切割设备都是从国外引进的。

这也不难看出我国船舶制造业对国外先进切割技术的依赖，所以，与焊接技术一样，切割技术在国内的发展有待更进一步的改进和提高。

本文主要以三种热切割方法：

氧气切割、等离子弧切割、激光切割为研究对象，着重介绍了其原理、优缺点、适用范围以及发展现状等。

1.引言

从船舶建造流程看，船舶切割过程中主要集中在材料加工这个环节上，是贯穿于船舶建造的全过程。

一艘舰船从下料到建成，切割技术在建造过程中的应用和地位是极其重要的。

随着切割过程中所使用的能源来分，可分为热切割、动能切割、机械切割等几个主要类别。

在船舶切割中，主要采用热切割，其他切割方法由于成本、切割速度和切割条件等方面的限制而很少使用，热切割方法中的三种典型切割方法氧燃气切割、等离子弧切割和激光切割在船舶工业中应用最为广泛，这三种切割方法有各自的优点和缺点。

21世纪是一个倡导绿色环保的时代，由于我国经济的迅速崛起和船舶制造业的蓬勃发展，必然对切割技术提出更多的要求，为了保护环境，也提高切割质量和降低船舶在实际建造过程中的成本，国内外的研究者们都做出了自己的努力。

2.氧气切割

2.1.氧气切割的概念和原理

氧气切割也叫火焰切割，它是用可燃气体同氧混合燃烧所产生的火焰熔化金属并将其吹除而形成切口。

可燃气体一般用乙炔气，也可用石油气、天然气或煤气。

具体是用氧/燃气火焰将钢预热到燃点，再向其喷射高能量氧，使其与钢结构发生化学反应生成铁的氧化物（又称熔渣），高能量氧吹掉切口处的熔渣。

所用燃气种类不同，对切割质量、预热次数、切割厚度会产生影响。

此方法用于切割厚度在610mm以内的含铁金属、中低合金钢。

利用燃气瓶、氧气瓶和焰炬，可以随时随地完成对钢（非铁质金属如铝、不锈钢除外）的切割。

此方法可轻易地切割很厚的金属，通过选择不同的焰炬，还可以对其进行硬钎焊、软钎焊、熔焊，气刨，预热和弯曲金属等操作。

当然，氧气切割在用途广泛的同时，由于气压、割嘴高度、以及预热时间等因素影响，整体切割材料变形尺度较大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低，同时由于切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。

2.2.氧气切割的优缺点

2.2.1优点

（1）火焰切割可以切割很厚的碳钢，它的切割范围很广，可以切6mm—200mm厚的钢板；

（2）火焰切割设备的价格比较低，同时前期投入成本也较低。

2.2.2缺点

（1）切割所需预热和穿孔时间长，切割速度慢；

（2）切割时的热变形大，尤其在切割（0.5-6mm）的薄板时，切割精度不高；

（3）无法对铜，铝等有色金属和不锈钢进行切割；

（4）燃烧燃料的方式对环境污染较严重，不环保。

数控火焰切割薄板（0.5-6mm）在切割领域已经逐步被等离子切割替代，但是在切割厚板和中板方面，数控火焰切割仍然不可替代，并且火焰切割以其价格的优势，在薄板切割中仍占有一定的市场份额。

2.3.氧气切割工艺和切割过程

2.3.1切割工艺

（1）根据切割钢板的厚度安装适当孔径的割嘴；

（2）将氧气和燃气压力调至规定值；

（3）用切割点火器点燃预热焰，接着慢慢打开预热氧气阀，调节火焰白心长度，使火焰成中性焰，预热起割点；

（4）在切割起点上只用预热焰加热，割嘴垂直于钢板表面，火焰白心尖端距钢板表面1.5～2.5mm；

（5）当起点达到燃烧温度（辉红色）时，打开切割氧气阀，瞬间就可进行切割；

（6）在确认已割至钢板下表面后，就沿着切割线以适当的速度移动割嘴继续往前切割；

（7）切割终了时，先关闭切割氧气阀，再关闭预热焰的氧气阀。

2.3.2切割过程

⑴预热气割开始时，利用气体火焰（氧乙炔焰或氧丙烷焰）将工件待切割处预热到该种金属材料的燃烧温度——燃点（对于碳钢约为1100～1150℃）。

⑵燃烧喷出高速切割氧流，使已达燃点的金属在氧流中激烈燃烧，生成氧化物。

⑶吹渣金属燃烧生成的氧化物被氧流吹掉，形成切口，使金属分离，完成切割过程。

2.4.氧气切割精度与切割质量

气割精度是指被切割完的工作几何尺寸与其图纸尺寸对比的误差关系，切割质量是指工件切割断面的表面粗糙度、切口上边缘的熔化塌边程度、切口下边缘是否有挂渣和割缝宽度的均匀性等。

影响钢板火焰切割质量的三个基本要素（气体、切割速度、割嘴高度）

1.气体

（1）氧气氧气是可燃气体燃烧时所必须的，以便为达到钢材的点燃温度提供所需的能量；另外，氧气是钢材被预热达到燃点后进行燃烧所必须的。

切割钢材所用氧气必须要有较高的纯度，一般要求在99.5%以上，一些先进国家的工业标准要求氧气纯度在99.7%以上。

氧气纯度每降低0.5%，钢板的切割速度就要降低10%左右。

如果氧气纯度降低0.8%-1%，不仅切割速度下降15%-20%，同时，割缝也随之变宽，切口下端挂渣多并且清理困难，切割断面质量亦明显劣变，气体消耗量也随着增加。

显然，这就降低了生产效率和切割质量，生产成本也就明显地增加了。

⑵可燃性气体火焰切割中，常用的可燃性气体有乙炔、煤气、天然气、丙烷等，国外有些厂家还使用MAPP，即：

甲烷+乙烷+丙烷。

一般来说，燃烧速度快、燃烧值高的气体适用于薄板切割；燃烧值低、燃烧速度缓慢的可燃性气体更适用于厚板切割，尤其是厚度在200mm以上的钢板，如采用煤气或天然气进行切割，将会得到理想的切割质量，只是切割速度会稍微降低一些。

相比较而言，乙炔比天然气要贵得多，但由于资源问题，在实际生产中，一般多采用乙炔气体，只是在切割大厚板同时又要求较高的切割质量以及资源充足时，才考虑使用天然气。

⑶火焰的调整通过调整氧气和乙炔的比例可以得到三种切割火焰：

中性焰（即正常焰），氧化焰，还原焰。

2.切割速度

钢板的切割速度是与钢材在氧气中的燃烧速度相对应的。

在实际生产中，应根据所用割嘴的性能参数、气体种类及纯度、钢板材质及厚度来调整切割速度。

切割速度直接影响到切割过程的稳定性和切割断面质量。

如果想人为地调高切割速度来提高生产效率和用减慢切割速度来最佳地改善切割断面质量，那是办不到的，只能使切割断面质量变差。

过快的切割速度会使切割断面出现凹陷和挂渣等质量缺陷，严重的有可能造成切割中断；过慢的切割速度会使切口上边缘熔化塌边、下边缘产生圆角、切割断面下半部分出现水冲状的深沟凹坑等等。

3.割嘴与被切工件表面的高度

3.等离子弧切割

3.1等离子弧切割的概念和原理

用等离子弧作为热源，借助高速热离子气体（如氮、氩及氩氮、氩氢等混合气体）熔化金属并将其吹除而成割缝。

同样条件下等离子弧的切割速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。

常见的有小电流等离子弧切割、大电流等离子弧切割和喷水等离子弧切割3种。

等离子弧切割的工作原理与等离子弧焊相似，但电源有150伏以上的空载电压,电弧电压也高达100伏以上。

割炬的结构也比焊炬粗大，需要水冷。

等离子弧切割一般使用高纯度氮气作为等离子气体，但也可以使用氩或氩氮、氩氢等混合气体。

一般不使用保护气体，有时也可使用二氧化碳作保护气体。

3.2等离子弧切割的优点与缺点

3.2.1优点

（1）切割领域宽，可切割所有金属板材；

（2）切割速度快，效率高，切割速度可达10m/min以上；

（3）切割精度比火焰切割高，水下切割无变形，精细等离子切割则精度更高；

3.2.2缺点

（1）切割20mm以上钢板比较困难，需要很大功率的等离子电源，成本较高；

（2）切割厚板时，切割垂直度差，割口成V型。

等离子在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光的污染，有效地改善工作场合的环境。

采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过150mm，拓宽了数控等离子切割机切割范围。

3.3等离子弧切割的应用范围

等离子切割配合不同的工作气体可以切割各种氧气切割难以切割的金属，尤其是对于有色金属（不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳；其主要优点在于切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达气割的5～6倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。

目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度可达150mm，采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的精度下限（±0.2mm）。

由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割（通常厚板打孔时间长），而精细等离子切割机切割精度可达激光切割的下限，切割表面质量近似，但切割成本远低于激光切割，约为其1/3，最大切割厚度可达25mm，因此用精细等离子切割机来取代价格昂贵的激光切割机，有利于以最经济的方式对用量较大的中、薄板实施高速精细切割。

3.4等离子弧切割设备的发展趋势

1.等离子弧切割电源必然走向逆变化我国目前虽然已有一些逆变等离子弧切割电源产品问世,但应用覆盖面还不大。

随着逆变式电源的可靠性日益提高和成本降低,会逐渐被人们热衷接受的。

因为除了它的轻巧节能等优势外,还有逆变式切割电源很容易制作成电流可调和恒流特性。

这是当前整流电源难于做到的。

因此它的切割性能和操作性能都会获得提高。

2.割炬的开发研究是发展等离子弧切割的最关键问题之一,重点要研究如下项目:

引弧和稳弧的可靠性引弧可靠是实现切割的首要条件。

引弧后在切割过程中要求稳弧,这都与割炬喷嘴设计合理有关。

耐久性目前应用最大的空气等离子弧割炬电极烧损太快,这虽与电极材料的改进有关,但必须从割炬设计来加强电极冷却,减少引弧冲击电源或电极周围输送少量非氧化性化体等措施加以研究解决。

进一步提高切割能力和精度目前等离子弧切割最大钢板厚度为2X（玩叨左右,远不如氧气切割,切割精度不如激光切割。

这就要求设计新型割炬来提高对电弧的压缩。

3.向机械化、自动化迈进提高切割质量和效率都必须免除依赖人的影响因素。

小批量切割采用低成本行走机构,要求高精度或批量大的切割采用数控切害。

这是必须的发展趋势。

4.开发非转移型弧等离子切割以适应非导体材料的切割因现在工业产品中有大量有机玻璃,耐火板等新型塑料和合成材料需要切割。

5.开发绿色等离子弧切割法等离子弧切割光辐射强,噪声大,还常产生氮化物,臭氧等洋丁害气体和烟尘,因此开发绿色等离子弧切割法也是今后的发展方向。

新近开发的加水帘水射切割法和水下等离子弧切割法都是值得的。

4.激光切割

4.1激光切割的概念与原理

利用激光束作为热源（激光源）进行的切割。

其温度超过11000℃，足以使任何材料气化。

激光切割的切口细窄、尺寸精确、表面光洁，质量优于任何其他热切割方法。

激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。

能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。

此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。

利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

4.2激光切割的优点与缺点

4.2.1优点

（1）切割质量好，切口宽度窄，精度高，切口表面粗糙度好，切缝一般不需要再加工即可焊接；

（2）切割速度快，热影响区小，变形极小；

（3）清洁、安全、无污染。

4.2.2缺点

（1）激光切割目前只适合于薄板切割（通常厚板打孔时间长）；

（2）激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。

从目前激光切割应用情况来看,越来越多的企业将采用CO2激光切割技术。

CO2激光切割广泛应用于12mm厚的低碳钢板、6mm厚的不锈钢板及20mm厚的非金属材料。

对于三维空间曲线的切割,在汽车、船舶、航空工业中也开始获得了应用。

4.3激光切割技术的应用和发展

激光切割技术在美国、日本、欧洲等工业发达国家得到了广泛应用,尤其是水切割技术应用发展更快,目前水切割的材料已多达500多种。

这种切割技术应用领域遍及机械、汽车、飞机、船舶、建筑、采矿、化工、医疗等许多工业部门。

除了主要用于金属、非金属以及复合材料的切割外,它们还用于超硬材料的加工。

在材料加工方面,激光系统发展十分迅速,例如激光在焊接、打孔、热处理等方面日益得到广泛应用。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。

不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

我国在激光切割系统研究方面取得了一定的成果,如已研制成功二氧化碳数控激光切割机等,但总体技术水平与工业发达国家还有很大差距。

我国在激光切割技术应用方面,与工业发达国家的差距更大.国外激光切割占整个激光加工的62.5%,国内激光加工还主要是热筛和焊接,而国内激光切割所占份额很小.我国少数单位引进了激光切割系统,第一汽车制造厂应用国产500W纵向二氧化碳激光数控切割机切割20多种形状复杂的金属零件,取得了良好的技术经济效果。

4.4激光切割的主要特性

1.切缝窄工件变形小

激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。

这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。

随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。

切边受热影响很小，基本没有工件变形。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。

钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。

切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。

进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

2.无接触加工

激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。

首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供⑴狭的直边割缝；⑵最小的邻近切边的热影响区；⑶极小的局部变形。

其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着⑴工件无机械变形；⑵无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；⑶切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。

再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而⑴与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；⑵由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；⑶与计算机结合，可整张板排料，节省材料。

3.适应性和灵活性

与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。

首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。

激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。

5.总结

本文参考相关文献，主要对船舶建造过程中常应用的三种热切割方法进行介绍和总结，不难看出：

每种切割方法都有自己的优缺点，各自适用的范围和切割质量也不尽相同。

在切割精度方面，等离子切割和激光切割是优于氧气切割的，但二者会受到切割厚度的限制，氧气切割就能很好的在厚板的切割中发挥作用，但是其切割精度和对环境的污染存在一定的影响。

等离子切割与激光切割相比，成本更低，也能达到一般板材的切割精度和要求，所以等离子切割在船舶制造领域中应用是最广泛的。

激光切割技术在各方面的性能都是非常不错的，只是费用较高，也会提高船舶制造的成本，但是随着其技术的改进和发展，成本会相应的降低，激光切割技术的应用范围也会不断扩大。

总的来说，各种切割技术都有一定的优势和弊端，有待更进一步的研究和发展。

近年来，随着各种切割技术的发展，极大的促进和满足了船舶制造业切割工序的技术改进。

新技术发展将进一步提高切割速度，改善切割质量。

目前来看，不仅国外厂商，国内业界公司，也已瞄准了切割技术趋势和机遇，急起直追，不断加大技术推广和研发的力度。

参考文献

[1]赵家瑞.等离子弧切割技术的发展趋势.现代焊接,2001.No.1.

[2]SteveHidden[美国],汤明春译.等离子弧切割与氧气切割的选择.国外机车车辆工艺,2009.5.

[3]王永飞.等离子切割技术概况及应用.柳州柳工挖掘机有限公司.

[4]徐路宁,王霄,张永康.激光切割板材的工艺处理.应用激光.2002,22（6）.

[5]华林,王华昌.激光切割与水切割技术.机械制造.