切割分类

常用切割及分类 第1章    概  述 切割是焊接生产备料工序的重要加工方法，包括冷、热两类切割，而热切割又有气体火焰切割、电弧切割、等离子弧切割和激光切割等各种工艺方法。目前各种金属和非金属材料的切割已经成为现代工业生产(特别是焊接生产)中的一个重要工序，因为被焊工件所需要的几何形状和尺寸，绝大多数是通过切割方法来实现的。切割技术被广泛应用在国民经济建设的各个领域中。 1．1 切割方法的分类及发展 1．1．1 切割方法的分类特点 近年来，切割技术的开发和应用取得了长足的发展，切割技术已经从传统的火焰切割发展到包括等离子切割、激光切割、高压水射流切割等在内的现代切割技术。现代材料切割的方法有很多种，大致可归纳为冷切割和热切割两大类。 冷切割是在常温下利用机械方法使材料分离，如剪切、锯切(条锯，圆片锯、砂片锯等)、铣切等，也包括近年来发展的水射流切割。 热切割是利用热能使材料分离，最常见的有气体火焰切割、等离子弧切割和激光切割等。现代焊接生产中钢材的切割主要采用热切割。 热切割按物理现象可分为燃烧切割、熔化切割和升华切割三类，所有切割方法都是混合型的。燃烧切割是材料在切口处采用加热燃烧、产生的氧化物被切割氧流吹出而形成切口；熔化切割是材料在切口处主要采用加热熔化、熔化产物被高速及高温气体射流吹出而形成切口；升华切割是材料在切口处主要采用加热汽化、汽化产物通过膨胀或被一种气体射流吹出而形成切口。 按照所用能源不同，热切割方法可分类如下。 (1)采用气体火焰的热切割 ①气割 采用气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使其燃烧并放出热量实现切割。 ②氧—熔剂切割 在切割氧流中加入纯铁粉或其他熔剂，利用它们的燃烧和造渣作用实现气割。 (2)采用气体放电的热切割 ①电弧—氧切割 利用电弧加切割氧进行切割，电弧在空心电极与工件之间燃烧，由电弧和材料燃烧时产生的热量使材料能通过切割氧进行连续燃烧，熔融物被切割氧排出．反应过程沿移动方向继续进行而形成切口。 ②电弧—压缩空气气刨 利用电弧及压缩空气在面进行切割，由电弧和材料燃烧时产生热量使材料能够连续地熔化及燃烧。反应过程沿移动方向继续发展，由压缩空气流驱除熔融物及熔渣而形成切口。 ③等离子弧切割 利用等离子弧的热能实现切割。 a. 转移弧等离子弧切割，工件处于切割电流回路内，被切割的材料必须是导电的。 b．工件不需处于切割电流回路内，可以切割导电的及不导电的材料。 (3)利用束流的热切割 ①激光切割 利用激光束的热能实现切割。 ②电子束切割 利用电子束的能量将被切割材料熔化，熔化物蒸发或靠重力流出而产生切口。 根据切割过程所用能源对切割方法的分类及适用材料见表1．1。 表1．1中有些切割方法兼用两种能源，如电弧—氧切割法，既利用电弧热，又利用氧化反应热。氧作辅助气体激光切割金属时，既利用光能，也利用化学反应热。 热切割是焊接生产中最常用的金属切割加工方法，热切割方法的分类、定义及其适用范围见表1．2。 第2章 气体火焰切割 利用气体火焰的热能将金属材料分离的方法称为气体火焰切割法，简称气割。气割是金属在纯氧中燃烧并借助高速氧流动量排除熔渣的化学和物理作用相结合的过程。气割除了必须使用氧气外，还必须使用可燃气体，如乙炔、液化石油气、天然气等。气体火焰切割是焊接生产中备料工序应用最广泛的切割方法，一般结构钢是气割加工的主要对象。气体火焰切割被广泛应用在冶金、机械、电力、石油化工、锅炉及压力容器、车辆、造船等几乎所有的产业部门。 2．1 气体火焰切割原理、分类及特点 2．1．1 气体火焰切割原理 气割是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使预热处金属燃烧并放出热量实现切割的方法。最常见的气体火焰切割是氧—乙炔火焰切割。 钢材的气割是利用气体火焰(称预热火焰)将钢材表面加热到能够在氧气流中燃烧的温度(即燃点)，然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热，借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直至工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。 钢材气体火焰切割的原理如图2．1所示。 气体火焰切割的实质是被切割的材料在纯氧中燃烧的过程，不是熔化过程。钢材气割时铁与氧的反应有以下几种形式，这些反应都是放热反应。 因此从宏观上来说，气体火焰切割是钢中的Fe在高纯度氧中燃烧的化学过程和借助切割氧流动量排除熔渣的物理过程相结合的一种加工方法。整个气体火焰切割过程可分为互有关联的四个阶段： ①起割点处的金属表面用预热火焰加热到燃点，随之在切割氧中开始燃烧反应； ②燃烧反应向金属下层进展； ③排除燃烧反应生成的熔渣，沿厚度方向割开金属； ④利用熔渣和预热火焰的热量将切口前缘的金属上层加热到燃点，使之继续与氧产生燃烧反应。 上述过程不断重复，金属切割就连续地进行。 并非所有的金属都可以进行气割加工，只有满足以下条件的金属才能顺利地实现气割。 ①金属能同氧发生剧烈的燃烧反应并放出足够的反应热。这种燃烧热除了补偿辐射、导热和排渣等热散失外，还必须保证将切口前缘的金属表层迅速且连续地预热到其燃点。否则，生成热低，气割不能正常进行。气割低碳钢时所需的热量，金属燃烧产生的热量占70％左右，而预热火焰供给的热量仅占30％左右。所以，金属氧化生成热的作用是相当大的。 ②金属的燃点应比熔点低，否则不能实现氧气切割，而变成熔割。气割时金属在固态下燃烧才能保证切口平整。如果燃点高于熔点，金属在燃烧前已经熔化，切口质量很差，严重时切割无法进行。 ③燃烧生成的氧化物熔渣的熔点应比金属熔点低，且流动性好。氧化物的熔点低于金属的熔点，则生成的氧化物才可能以液体状态从切口中被纯氧吹除。否则，氧化物会比液体金属先凝固，而在液体金属表面形成固态薄膜，或黏度大，不易被吹除，而且阻碍下层金属与氧接触，使切割过程发生困难。 ④金属的热导率不能太高。如热导率过高，预热火焰热和燃烧反应热会迅速散失，使气割过程不能开始或中途中断。 常见金属及其氧化物的熔点、燃烧热及气割性见表2．1。 在金属材料中低碳钢符合上述条件，气割性能良好。铁虽然其熔点略低于氧化物的熔点，但氧化反应热较大，特别是熔渣的黏度低、流动性好，易于被切割氧流吹除。一般碳素结构钢因主要成分是铁，气割性良好，是气割加工的主要对象。另外，钒也屑气割加工性良好的金属。 高碳钢、铸铁、高铬钢、铬镍不锈钢等氧化物的熔点均高于材料本身的熔点，铸铁中的硅氧化物黏度很大，所以它们很难气割。铜及其合金因反应热很少，而热导率又高，也不可气割。铝虽然氧化反应热很高，但金属氧化物Al2O3的熔点高出其熔点2倍，而且燃点接近 第3章 电弧切割 电弧切割技术由于其设备简单、成本较低、快速方便等优点，被广泛应用于能源、机械等工业部门的实际生产中。同时随着等离子和激光切割法的推广应用，常用的电弧切割在大规模生产中基本被淘汰，电弧—氧切割和熔化极电弧切割等方法已经转向水下切割。但是在实际生产中电弧切割仍以其简便实用的特点，在零部件的切割、焊前接头的表面处理等方面被广泛使用。 3．1 电弧切割的分类及特点 3．1．1 电弧切割的分类 现在适用于各种材料的电弧切割加工方法主要是按照切割过程中所使用的能源分类的，即采用电能。其中有些切割方法兼有两种能源，如电弧—氧切割法，既利用电弧热，又利用氧化反应热。电弧切割主要分为电弧—氧切割、钨极电弧切割(TIG切割)、熔化极电弧切割(MIG切割)、金属极电弧切割、碳极电弧切割、电弧锯切割及阳极切割等。 3．1．2 电弧切割的原理 电弧切割主要是利用焊接电源，并借助于电极或气体与工件间电弧产生的热量进行熔割的方法。下面介绍儿种常用的电弧切割方法的原理及特点。 (1)电弧—氧切割法 电弧—氧切割是利用中空的管状割条与工件间产生的电弧热和从割条内喷出的氧气与金属反应热进行切割的方法。切割速度比气割快，但切割面质量差。 (2)钨极电弧切割(TIG切割)法 钨极电弧切割是利用TIG焊接装置借助于钨极与工件间电弧热量进行熔化切割的方法。切割的成本比较高，效率比较低。 (3)熔化极电弧切割(MIG切割)法 熔化极电弧切割是利用MIG焊接装置借助于熔化极与工件间电弧的热量进行熔化切割的方法。目前主要用于水下切割，切割的效率比较高，切割面质量比较高。 (4)电弧锯切割 电弧锯切割主要是利用高速运动的圆盘或带状电极与工件间产生的大电流电弧使工件熔-化，并借助于电极的运动将熔化金属除去的切割方法。切割面质量高，切割效率较高。 (5)阳极切割 阳极切割是采用手工电弧焊设备，将直流电源的正极接在待切割的工件上，负极与切割盘相连进行切割的一种方式。 3．1．3 电弧切割的应用范围 电弧切割主要用于各种金属材料的切割，不适用于塑料、陶瓷等材料的切割：其中电弧—氧切割、熔化极电弧切割目前主要用于水下切割，是十分有效的方法，在陆上基本上已经不使用。电弧锯切割主要用于核电站的核反应堆中不锈钢零部件的解体，而阳极切割适用于加工高硬度淬火钢、硬质合金等。 3．2 电弧切割的设备 3．2．1 电弧切割设备原理及组成 电弧切割设备的组成根据切割原理的不同，其设备也不同，下面介绍几种常用的金属极电弧切割方法的设备组成。金属极电弧切割和刨槽是利用金属电极与工件间的电弧热局部熔化工件井利用气流的动量排除熔渣进行切割或刨槽的加工方法。 (1)电弧—氧切割法 电弧切割法是兼有电弧热和氧化反应热的切割方法，原理示意见图3．1。工艺中采用外涂药皮的空心割条，内通氧气。电弧起预热火焰的作用，从割条内芯喷出的氧流使金属燃烧并起排除熔渣的作用，实现金属的切割。 电弧—氧切割法也可用于切割碳钢，但主要是切割不锈钢及有色金属材料，在切割有色金属时，割条的熔融金属起到氧—熔剂切割中熔剂的作用。 (2)熔化极电弧切割 熔化极切割方法主要有以下三种方法。 ①惰性气体熔化极电弧切割法(MIG切割法) M1G切割法工作原理如图3．2所示，MIG切割法是采用普通MIG焊接装置进给实芯焊丝，利用丝极与工件间产生的电弧热局部熔化工件，而熔融金属由保护气体流排除。MIG电弧切割法可用于切割铝及铝合金、铜及铜合金、不锈钢和蒙乃尔合金等。 ②喷水式熔化极电弧切割法 a. 切割方法及应用。喷水式熔化极电弧切割是用压力水代替MIG电弧切割中的气体进行切割的方法，切割示意如图3．3所示。该切割方法的特点是熔融金属为高速喷出的水射流所击，并 第4章 等离子弧切割 等离子切割是利用高能量密度的等离于弧和高速的等离子流，将熔化金属从割口处吹走，形成连续割口。等离子弧切割速度快，没有氧—乙炔切割时对工件产生的燃烧，因此工件获得的热量相对较小，工件变形也小，适合于切割各种金属材料。但由于等离子弧流速高，噪声、烟气和烟尘严重，工作卫生条件较差。等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊及切割。厚度25mm以下的碳钢板切割时，等离子弧切割比氧—乙炔切割快5倍左右，而对于厚度大于25mm的板切割时，氧—乙炔切割速度快些。 4．1 等离子弧切割的特点及分类 4．1．1 等离子弧切割的特点 等离子弧是利用等离子枪将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。等离子弧切割是用非常热的高速射流来进行的，将电弧和惰性气体强行穿过小直径孔以产生这种高速射流。电弧能量集中在一个小区域内，使板材熔化，高温膨胀的气体射流迫使熔化金属穿过切口。切割碳钢或铸铁时，在气流中加入氧气，还可以提供额外的切割能量。 等离子弧切割方法具有切割厚度大、机动灵活，装夹工件简单及可以切割曲线等优点。与氧—乙炔焰切割相比，等离子弧能量集中、切割变形小、起始切割时不用预热，能切割几乎所有的金属，而且切割碳钢的速度比氧气切割快。但是由于割口较宽，所以被熔化掉的金属较多，板材较厚时切口不如氧—乙炔切割的那样光滑平整。为了保证切口的侧面平行，需要用专门的割嘴。为了获得一定的坡口成形，还需要专门的切割技术。 等离子弧切割的特点主要有： ①能切割氧气难以切割的各种金属材料(利用等离子弧还能切割某些非金属材料)； ②切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割法的5～6倍： ③切割面光洁，热变形小，尤其适合加工各种成形零件； ④切口宽度和切割面斜角较大，但切割薄板时采用特种切割割炬或工艺可获得接近垂直的切割面； ⑤切割厚板的能力不及气割。 等离子弧切割的缺点是：切割公差大，切割过程中产生弧光辐射、烟尘及噪声等。与氧—乙炔焰相比，等离子弧切割设备贵，切割用电源空载电压高，不仅耗电量大，而且在割枪绝缘不好的情况下易对操作人员造成电击。 切割用的等离子弧是利用特种割炬对电弧进行压缩形成的。等离子弧切割要求很高的电弧电压，因而需要有很高空载电压的专用电源。根据被切割的材料及厚度，所需的功率在25—200kW之间。切割电流的范围为30一1 000A。通常使用氩或氮与氢的混合气体，割炬必须用水冷却。 有手工切割用的等离子弧割炬，对手工等离于弧切割的技术要求与手工氧—乙炔切割时相似，但为了能调节更多的参数，需要较多的训练。切割薄板时，因为移动速度不需那样仔细控制，故切割质量较好。 等离子弧切割用得更多的是机械式的自动化设备，割炬和其他附件与手工等离子弧切割所用的相同，行走系统是自动化的。割炬的移动机构与氧—乙炔切割时所用的相似，但要求有较高的移动速度。多割炬设备需要为每个割炬附加电源和控制箱。此外，为了吸收噪音和烟尘，可以使用水套或水箱。 4．1．2 等离子弧切割的工作原理 切割用等离子电弧温度一般在10 000—14000℃之间，远远超过所有金属以及非金属的熔点。因此能够切割绝大多数金属和非金属材料。这种方法诞生于20世纪50年代，最初用于切割氧—乙炔火焰无法切割的金属材料，如铝合金及不锈钢等。随着这种切割方法的发展，其应用范围已经扩大到碳钢和低合金钢。 等离子弧割枪的基本设计与等离子电弧焊枪相似。用于焊接时，采用低速的离子气流熔化母材以形成焊接接头；用于切割时，采用高速的离子气流熔化母材并吹掉熔融金属而形成切口。切割用离子气焰流速度及强度取决于离子气种类、气体压力、电流、喷嘴孔道比及喷嘴至工件的距离等参数。 等离子弧割枪的基本构造如图4．1所示。 用等离子弧切割时只采用直流正接的电流极性，即工件接电源的正极。切割金属时采用转移弧，引燃转移弧的方法与割枪有关。割枪分为有维弧割枪及无维弧割枪两种，有维弧割枪的电路接线见图4．2，无维弧割枪的电路接线无电阻支路，其余与有维弧割枪的电路接线相同。 图4．2中电阻的作用是限制维弧电流，将维弧电流限制在能够顺利引燃转移弧的最低值。高频引弧器用来引燃维弧。引弧时，接触器触点闭合，高频引弧器产生高频高压引燃维弧。维弧引燃后，当割枪接近工件时，从喷嘴喷出的高速等离子焰流接触到工件便形成电极至工件间的通路，使电弧转移至电极与工件之间，一旦建立起转移弧，维弧自动熄灭，接触器触点经一段时间延时后自动断开。 无维弧割枪引弧后，将喷嘴与工件接触，高频引弧器引燃电极与喷嘴之间的非转移弧。非转移弧引燃后，迅速将割枪提起距工件3—5mm，使喷嘴脱离导电通路，电弧便转移至电 第5章 激光切割 激光切割是材料加工中一种先进的和应用较为广泛的切割工艺。它是利用高能量密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的加工方法。采用激光切割技术可以实现各种金属、非金属板材、复合材料及碳化钨、碳化钛等硬质材料的切割，在国防建设、航空航天、工程机械等领域获得了广泛应用。 5．1 激光切割原理、分类及特点 5．1．1 激光切割原理及分类 (1)激光切割的原理 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光切割的原理见图5．1。 (2)激光切割的分类 激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。 1)激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使愠度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。 激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。 2)激光熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、Hc、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1／10。 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。 3)激光氧气切割 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1／2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。 激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。 4)激光划片与控制断裂 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。 控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。 5．1．2 激光切割的特点 激光切割与其他热切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面。 (1)切割质量好 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。 ①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±O．05mm。 ②切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。 ③材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为的长方形。 激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表5．1，切割材料为6．2mm厚的低碳钢板。 (2)切割效率高 由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就町适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。 (3)切割速度快 用功率为1 200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm／rain；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1 200cm／min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省丁上、下料的辅助时间。 (4)非接触式切割 激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。 (5)切割材料的种类多