第34卷第1期 2015年3月 武汉轻工大学学报 Vo1.34No.1 Mall".2015 Journal of Wuhan Polytechnic University 文章编号:2095-7386(2015)01-0037-05 DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.01.009 数控火焰切割面质量影响因素分析 陈攀,王继焕,夏小明 (武汉轻工大学机械工程学院,湖北武汉430023) 摘要:针对数控火焰切割过程中切割面出现的质量缺陷,对影响切割面质量的主要因素进 行了探讨与分析。提高切割用氧气纯度及稳定性、正确选择切割参数、改善被切钢板表面状态 以及提高切割平台的平稳性等,均是提高切割面质量的有效途径。 关键词:数控火焰切割;切割面;质量;因素;分析 中图分类号:TG 481 文献标识码:A Analysis of factors affecting the quality of steel plate cutting surface CHEN Pan,WANG Ji—huan,XIA Xiao—ming (School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China) Abstract:To solve the quali ̄defects in steel plate cutting surface,various factors affecting its quality were ana- lyzed and discussed.It has been concluded that several effective approaches can be taken to raise the level of the cutting surface quali ̄by improving the puri ̄and stability of the used oxygen,choosing the cutting parameters cot— rectly,improving the steel plate surface condition,and enhancing the stability of the cutting tblae. Key words:CNC flame cutting;cutting surface;quality;factors;analyse 1 引言 数控火焰切割机因为加工成本低,加工厚度大 (切割厚度最大可达300 mm),广泛应用于造船、海 2钢板切割面质量缺陷 2.1切割面上边缘缺陷 洋钻井平台、矿山机械、桥梁建筑和钢结构等行业。 但在实际切割中,钢板切割表面常常出现边缘塌陷、 上边缘塌边。切割面上边缘熔化速度过快,无 法及时冷却凝固,融化的金属流动,导致上边缘塌 边 ¨。 上边缘出现大量水滴状金属颗粒。在切割面上 边缘钢材因为融化后没有被及时吹除,在各种力的 平面度差、表面粗糙、形成裂纹等缺陷。在钢结构生 产中钢板切割是首道工序,其切割面质量的优劣直 接影响板件的拼合、焊接质量以及产品的整体性能。 因此提高数控火焰钢板切割面质量具有重要的意 义。本文针对数控火焰切割过程中切割面出现的质 量缺陷,对影响切割面质量的主要因素进行了分析, 对提高切割面质量的有效途径进行了探讨。 收稿日期:2014.12-09. 作用下待冷却后形成了大量水滴状的金属颗粒。 上边缘呈现房檐状。在切割面上边缘,形成了 外形如房檐的凸出塌边。 2.2切割面平面度缺陷 上边缘凹陷。切割面上边缘各处存在凹陷和不 同程度的熔化塌边。 作者简介:陈攀(1988一),男,硕士研究生,E-mail:godandman@126.com. 通信作者:王继焕(1956-),女,教授,E—mail:wangjihuan@whpu.edu.cn. 基金项目:武汉轻工大学2013年研究生创新基金项目(2013cx025). 38 武汉轻工大学学报 2015正 切割面中部凹陷。在整个切割面上都存在凹 陷,中间部位凹陷明显。 下边缘成圆角。切割面下边缘成圆角状,并且 各处存在不同程度的熔化。 呈现大的波纹形状。切割断面凹凸不平明显, 形状类似波动较大的水面。 引入点或引出点有凹痕。切割面引人点或引出 点由于切割停顿而过度受热,导致钢板无需切割部 分融化出现弧坑。 2.3切割面粗糙度缺陷 割纹后拖量过大。切割面割纹向后偏移量偏 大,并且随着偏移量大小的变化出现深浅不一的凹 陷。 出现超前割纹。在切割面上边缘或下边缘处, 割纹出现了一定程度的超前量,导致切割面粗糙。 2.4切割面挂渣缺陷 下边缘挂渣。切割氧压力不足,无法完全吹除 融化金属,残留融化金属冷却后在切割面下边缘形 成连续的挂渣。 切割面整体挂渣。整个切割面上都存在挂渣, 下半部分挂渣特别厉害 J。 2.5切割面垂直度缺陷 割缝呈喇叭状。割缝从上往下收缩或从下往上 收缩。 切割断面呈坡口状,其法线与钢板表面不平行, 有角度偏差。 2.6切割面裂纹缺陷 切割面上出现肉眼可见的裂纹,或在切割面附 近未加工钢材的内部出现脉动裂纹。 3影响钢板切割面质量的主要因素 3.1气体 3.1.1切割用氧气 当采用含量为99%的瓶装氧气切割钢板时,切 割面质量较差,不仅表面非常粗糙、挂渣严重,而且 会产生上边缘熔化塌陷等现象,严重时会出现切割 不连续。对于厚度在6_30 mm的钢板,切割速度 只能够达到标准的60%-_90%,而对于厚度在30 mm以上的钢板,切割速度甚至仅为标准的20%一 60%。当采用纯度达99.5%以上的液态氧进行切 割时,切割面质量显著提高,其表面光滑、挂渣极少, 而且切割速度大为提高 J。对于纯度为99.5%的 切割用氧气,当其纯度降低0.5%,则钢板切割速度 降低10%左右,当其纯度降低0.8%一l%,则钢板 的切割速度降低15%_20%,同时,不仅割缝随之 变宽,切割面质量明显恶化,而且气体消耗量也随着 增加。钢板切割用氧气纯度必须达标,不能低于 99.5%,一些工业发达国家切割用氧气的纯度要求 在99.7%以上。根据技术资料,钢板切割速度与氧 气纯度的函数关系(以氧气纯度99.5%时的切割速 度为1)如图l所示。从图中可知:氧气纯度由99. 5%提高到99.8%,即提高0.3%,气割速度可以提 高约12%[ 。 1.5 1.4 屙 0.8 1O0.0 99.8 99.6 99.4 99,2 99.O 98.8 98.6 98.4 氧气纯度/% 图1 氧气纯度对钢板气割速度的影响 切割用氧气压力的稳定性对钢板切割面质量也 非常重要,当氧气压力波动时,切割面质量明显恶 化。切割时如果氧气压力值较规定的值低,不仅切 割速度会降低,而且会造成切割面粗糙、挂渣等问 题,严重时可能造成切割中断。如果氧气压力值较 规定的值高,不但不能够提高切割速度,还会造成切 割面质量下降、挂渣难以清除。 瓶装氧,氧气在压缩充瓶的过程中无法避免空 气和水分的混入,其纯度最高一般只能达到99.5%, 并且随着使用,瓶中的压力不断下降,难以保证切割 用氧气压力的连续稳定。液氧站,大量储存着采用 液态空气分馏法产生的液态氧,其纯度可以达到 99.8%甚至更高,同时采用液氧储存罐和气化器装 置供氧,可以保证切割用氧气压力的连续稳定。 液氧站供氧和瓶装氧供氧相比,不仅能大幅度 提高切割面质量,提高生产效率,同时还能降低成 本 。对于大中型钢结构生产厂家,建造液氧站来 供应切割用氧气,虽然一次性投资较大,不过从长远 来看,其综合经济指标增效显著。 3.1.2预热用燃气 火焰切割用燃气一般为乙炔、丙烷、石油气、天 然气等几种。乙炔、丙烷燃烧速度快、燃烧值高,切 割较厚钢板时容易造成切割面融化坍塌,若改用石 油气、天然气等燃烧速度慢或燃烧值低的混合气体 切割,切割面不仅几何形状好,而且粗糙度小。几种 1期 陈攀,王继焕,夏小明:数控火焰切割面质量影响因素分析 39 常见的火焰切割用燃气的主要性质如表1所示 。 表1火焰切割用燃气的主要性质 在过去相当长一段时间里,切割钢板时大多采 用乙炔作为切割燃气。近年来,因为丙烷价格便宜、 气源充足、使用安全,并且氧一丙烷切割面质量优于 氧.乙炔切割,所以丙烷很适合代替乙炔作为切割燃 气。由于我国西气东输二线工程于2012年年底全 面竣工以及近年来我国相关配套设施的不断建设完 善,天然气的获取Et趋方便,价格较乙炔也便宜很 多,同时在天然气中添加一定比例的添加剂可以有 效改善天然气的燃烧性能,氧一天然气切割面质量也 优于氧一乙炔切割,因此用天然气代替乙炔切割钢板 非常有意义…。 3.1.3预热火焰的调整 通过调整氧气和燃气的混合比例能够得到三种 预热火焰:氧化焰,中性焰,还原焰。 钢板的厚度在200 mm以下,选用轻微的氧化 焰或者中性焰预热切割,能够获得较好的切割质量。 对厚度较大的钢板则选用火焰较长的还原焰进行预 热切割,便于割透,同时避免切割面上边缘被熔塌。 预热火焰的功率一般随着钢板厚度增大而增大,在 对碳含量或合金元素含量较高的钢板进行切割时, 由于它们的燃点较高,故预热火焰功率也要相对增 大。 切割氧和预热火焰对钢板切割面质量起着主导 作用,是火焰切割中的关键因素。切割氧的纯度、压 力和流量,预热火焰的性质及功率对切割面质量都 有重大影响 。切割氧的压力过高会导致切割面 上边缘凹陷、割缝从下往上收缩、切割面中部凹陷、 切割面下边缘成圆角。切割氧压力过低则会导致切 割面呈现出大的波纹形状、切割面后托量过大、切割 面下边缘挂渣。预热火焰太强会导致切割面上边缘 塌边、切割面上边缘出现水滴状金属颗粒、切割面上 边缘呈现房檐状、切割面引入点或引出点出现凹痕。 因此,控制切割氧的各种相关参数,选用合适的预热 火焰,对提高钢板切割面质量非常关键。 3.2切割参数 3.2.1割嘴型号 选择割嘴型号时必须注意3点要素。首先,必 须知道切割时采用的是何种割炬。割炬不同,需要 的氧气流量不同,需要的割嘴配置形式也不同。其 次,需要考虑切割时使用的是何种燃气 J。燃气种 类不同,其燃烧速度不同,火焰的温度和热传导率也 不同,选择的割嘴必须要与切割用燃气的种类相匹 配。同时,组合式割嘴预热时可以产生较多的火焰, 而整体式割嘴则适用于多种燃气¨ 。最后,必须考 虑具体切割时钢板的材质和厚度。割嘴的大小决定 于钢板的厚度,同时,钢板材质不同,切割难易程度 不同,选用的割嘴必须与钢板材质相适应。 3.2.2割嘴到钢板表面的距离 割嘴到钢板表面的距离(即割嘴高度)由钢板 厚度与预热火焰共同决定。割嘴到钢板表面的距离 过小,不仅会使切割面上边缘产生融化坍塌及增碳 现象,而且容易导致熔渣在飞溅时堵塞割嘴。割嘴 到钢板表面的距离过大会导致:热能流失增加,减弱 预热火焰对切口前沿的预热效果,致使预热不充分; 切割氧动能降低,导致排渣困难,恶化切割面质量; 进入切口的切割氧纯度降低,造成割纹后托量和切 I:3宽度有所增大 。不同种火焰燃烧的温度分布 不同,距离钢板表面的距离也不同,一般预热火焰的 焰心距离钢板表面2_4 mm为宜,同时可以用电容 调高装置或其他自动调高装置对此距离进行自动控 制。 3.2.3割嘴中线与钢板表面垂直度 切割时,割嘴中线与钢板表面不垂直会造成切 割面倾斜,形成断面坡口。为解这一问题,首先需保 证割嘴的质量,选取合适大小的割嘴,然后需正确安 装割嘴,使用校正尺对割枪从三个方向进行校正,从 而确保割嘴中线垂直于钢板表面。经常使用铜针对 割嘴内腔的渣滓进行清除,从而保证气流通畅,如果 发现割嘴损伤严重则予以更换,以保证火焰中线与 钢板表面垂直¨ 。 3.2.4切割速度 钢板的切割速度与钢板的燃烧速度相对应。实 际操作中,切割速度的选择与钢板厚度、材质,割嘴 型号,燃气种类等都有关,一般是随着钢板厚度的增 大而减慢。如果切割速度过慢会造成切割面上边缘 融化塌边、切割面下半部分产生类似水冲后的沟壑 凹陷。如果切割速度过快会造成切割面出现挂渣, 严重时会导致切割不透、切割中断 。 在现场切割操作时,可通过观察切口中熔渣火 花的喷出方向来调整切割速度。切割速度偏慢,钢 板切口中熔渣火花的喷出方向与切割方向相同。当 提高切割速度时,熔渣火花的喷出方向会朝反向偏 1期 陈攀,王继焕,夏小明:数控火焰切割面质量影响因素分析 41 化皮与铁锈会在切割面形成水滴状金属颗粒,并且 造成切割面下边缘挂渣。所以,有必要在切割前对 钢板表面进行除锈处理 。一般采用的方法是先 对钢板表面喷丸除锈或抛丸除锈,然后喷上防锈漆。 3.4切割平台 切割平台的平稳性对钢板切割面质量也具有直 接影响。在火焰切割中,钢板是直接放在切割平台 上的,若切割平台部分位置凹凸或倾斜将导致放置 其上的钢板不在水平面上,从而导致切割面的倾斜。 同时由于长期使用,切割平台上用来支撑钢板的格 栅损坏严重,会导致切割平台的部分位置凹凸不平 或倾斜以及切割平台刚度和强度的下降,以致无法 保证钢板在切割过程中的水平和稳定。 切割平台模块化设计可以有效保证切割过程中 平台的平稳性,将切割平台基座和格栅分开制造,然 后组装,在工作中格栅如被损坏,只要更换损坏的格 栅即可¨ 。也可以用不锈钢椎柱代替格栅支撑钢 板,从而减少钢板支撑体与切割火焰的接触,降低其 损坏的可能性 。 3.5引割方式 数控火焰切割钢板时引割方式一般有两种,分 别为直线引入与直线+圆弧引人_l 。其中直线引 入常采取垂直割边的方式引入,但这样往往会导致 在引人位置的切割面出现弧坑,严重影响钢板切割 面质量,此种引入一般适合于有两条直边连接的零 件,这时产生的缺陷最少。而直线+圆弧引入在割 人(出)钢板前(后)会有一段切人(出)弧,割炬沿 着被切割边的切线方向逐渐地逼近,从而实现切口 截面的平滑过渡,这样不会由于过度燃烧而在切割 面上产生弧坑,一般适合于弧边零件 。 4 结束语 影响钢板切割面质量的主要因素是切割气体、 切割参数、钢板成份及表面状态、切割平台、引割方 式等,这些因数若控制不当,会导致切割面出现各种 质量缺陷。因此,针对数控火焰切割机切割面存在 的质量缺陷,通过分析影响切割面质量的相关因素 可知:提高切割用氧气纯度及稳定性、正确选择切割 参数、改善被切钢板表面状态以及提高切割平台的 平稳性等,均是提高切割面质量的有效途径。 提高数控火焰切割机切割面的质量还有许多技 术问题亟待解决,譬如:切割用氧气和燃气的纯度和 压力控制、切割火焰的形态参数控制、钢板厚度自动 检测、割嘴自动换装和清洗、各种割切参数自动调整 等等。随着科学技术的迅速发展,数控火焰钢板切 割技术必将日趋完善。 参考文献: [1] 胡安岭.全国钢结构学术年会论文集一加工制 造篇[C].北京:中国钢结构协会出版社, 2009:226. 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