切割技术讲座

切割技术讲座 哈尔滨焊接研究所切割中心韩永馗 目录 大厚度切割技术 高新技术在切割领域的应用 切割技术概述 主要切割工艺设备及应用 切割技术展望 1 切割技术概述 我们所讨论的切割技术 热切割 热切割方法分类 几种常见切割方法的原理 特点及用途 切割技术发展概要 切割是一种物理动作 狭义的切割是指用刀等利器将物体 如食物 木料等硬度较低的物体 切开 广义的切割是指利用工具 如机床 火焰等 使物体 固体材料 在压力或高温等能量的作用下分离断开 切割在人们的生产 生活中有着重要的作用 1切割技术概述 我们所讨论的切割技术主要针对机械加工制造行业中金属材料的热切割技术和非热切割技术 不包括机械切割技术 如剪切 锯切和铣切等 热切割技术包括 氧气切割技术 等离子切割技术 激光切割技术 电弧切割技术等 非热切割技术 水射流切割技术 1 1我们所讨论的切割技术 热切割 就是利用热能使材料分离的切割 也就是说利用化学反应能 电能和光能的切割法在实施切割时都伴有热过程 一般统称为热切割 现在工业上应用的热切割法主要有 氧气切割 等离子切割 激光切割等 1 2热切割 1 3热切割方法分类JB T10045 1 1999 热切割 1 3 1按物理现象 1 3 2按加工方法 1 3 3按能源 11 1 4几种常用切割方法的原理 特点及主要用途 早在19世纪末和20世纪初期 利用氢 氧火焰和氧 乙炔火焰已开始进行焊接和钢板的熔割 但真正利用铁 氧燃烧反应原理的氧气切割法的工业应用 通常认为是从1905年起始的 也就是说 热切割技术发展至今已经有109年的历史 1890年 英国人ThomasFletcher 托马斯弗莱彻 用氢 氧焰熔割钢板成功 1900年 美国技术员Coleman 科尔曼 提出用中空碳棒内通氧气的电弧 氧熔割金属方法 1901年 德国技术员ErnitHenner 欧尼赫内尔 获得氧矛打孔专利 1904年 比利时人FelixJottrand 菲利克斯基奥特兰 设计出有专用切割氧通道的氢 氧焰氧气切割炬 1 5切割技术发展概要 4 20 2020 1 5切割技术发展概要 1905年 FelixJottrand的氢 氧焰氧气切割炬获得专利 利用铁 氧燃烧反应的氧气切割法开始进入工业应用 开启了切割技术新纪元 1906年 HansMuller 汉斯穆勒 在美国推广应用氧矛切割法 1909年 德国技术员Bollweg获得水下氧气切割专利 1921年 美国Himes 海姆斯 制成第一个等离子弧割炬 1938年 美国林德公司开发出附加铁粉的氧 熔剂气割法 并用于切割铸铁和高合金钢 18 8型和20 50型不锈钢 1943年 比利时人F C Danhier 达尼耶 开发出用中空电极棒内通氧气的电弧 氧切割法并获取专利 1945年 电弧 氧切割法获得工业应用 经改进的外涂绝缘层的割条制成并用于水下切割 1949年 比利时技术员Leduc 莱杜克 和Aubry 奥布里 开发的附加磨粒的氧 熔剂气割法获得专利 并用于切割铸铁和高合金钢 1950年 美国开发出空气碳弧气刨法 1955年 美国林德公司研制成功等离子切割机 等离子切割法进入工业应用 当时用于切割铝合金 1960年 美国人Mainan研制出第一台红宝石激光器 AliJavan研制出第一台连续发光型氖 氦气体激光器 1968年 原民主德国的Mansfield公司与Manfredv Ardenne研究所联合研制出空气等离子切割机 并投入工业应用 1 5切割技术发展概要 4 20 2020 1 5切割技术发展概要 1970年 英国联合碳化物公司推出水再压缩等离子切割机 1971年 英国人Houldcroft在激光束中附加辅助气体实现了激光切割 第一台CO2气体激光切割机投入使用 1971年 英国制成第一台水射流切割机 并获实际应用 1975年 日本奥里京电气公司推出氧等离子切割机 1982年 附加磨料型水射流切割机研制成功 2 主要切割工艺技术及应用 氧气切割 等离子切割 激光切割 水射流切割 4 20 2020 2 1氧气切割技术 氧气切割简称气割 也称氧 火焰切割 它具有设备简单 灵活方便 质量好等优点 它适用于切割厚度较大 尺寸较长的钢材 如大块钢板 铸钢件 锅炉 钢结构架 切割原理 气割是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰热能将工件切割处预热到一定温度后 喷出高速切割氧流 使金属剧烈氧化并放出热量 利用切割氧流把熔化状态的金属氧化物吹掉 而实现切割的方法 金属的气割过程实质是铁在纯氧中的燃烧过程 而不是熔化过程 4 20 2020 2 1氧气切割技术 由于切割方法利用了氧化作用 过薄或过窄的材料容易因热而产生变形大 气割加工可以手动进行 也可以应用于自动化生产 手动加工时 工人需要在整个过程中需要佩戴防护面具 气割的设备简单 操作灵活方便 可用于切割碳钢和普通低合金钢 准确地切出直线 圆以及各种复杂的形状 切割厚度的范围较大 同时还易于实现自动化 特别是随着数控技术和光电跟踪技术以及更高质量割嘴的应用 这种趋势越来越明显 氧气切割的条件 1 金属的燃烧点应低于其熔点 2 金属氧化物的熔点应低于金属的熔点 3 金属燃烧时要放出足够的热量 4 金属的导热性不能过高 5 生成的氧化物流动性要好 2 1氧气切割技术 4 20 2020 4 20 2020 气割实例 4 20 2020 2 1氧气切割技术 经济效益 相比其他切割金属的手段 这种热切割对生产来说是非常经济的 单件价格与资金投入 手工气割要求简单便捷 自动化切割一般不需要模具 按要求的外形信息可由CAD文件等直接导入进行切割 通常来说这种切割方法生产成本相对较低 切割速度 生产的速度取决于要加工的材料种类和它的厚度 整个加工可以手动进行 也可以高度自动化 可单割炬切割也可多割炬同时作业 切割速度相比其他切割工艺较慢 气割主要用于中厚板的切割 4 20 2020 2 1氧气切割技术 切割表面质量 由于切割速度和材料厚度等诸多条件限制 因此这种切割技术可以形成不同精细程度的切割表面 一般来说 中性火焰的调节以及根据切割板厚选择合适的切割速度即我们常说的切割工艺控制 在工艺控制较好的条件下 气割的切割表面质量是比较好的 种类 加工形状的复杂程度 气割工艺非常适合厚重的金属材料 厚度在6毫米以下的金属会在加热后容易产生变形 同样的情况 也会在加工比较窄的材料时发生 加工形状的复杂程度主要取决于数控设备的性能 相对与等离子弧切割来说 气割的准备工序 调火 相对复杂 4 20 2020 2 1氧气切割技术 加工尺寸范围 手动操作此工艺的话 对所切割材料的尺寸是没有限制的 而对于自动化加工来说 能加工的材料范围会受加工机械尺寸的限制 切割材料 单纯气割可切割的材料限于碳钢及合金钢等金属材料 典型产品 机械 压力容器 造船 冶金 建筑等诸多行业的零部件的毛坯加工和成品切割加工 相似工艺 等离子弧切割 激光切割 4 20 2020 2 1氧气切割技术 切割优点适应中厚金属板材切割 适应徒手加工或者自动化加工 经济性好 适应多种燃气切割 受地域限制少 切割缺点相对于等离子和激光切割技术切割速度低 切割变形较大 氧 丙烷火焰现场切割 4 20 2020 2 2等离子切割技术 等离子切割又叫做等离子弧切割 工作原理 等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化 和蒸发 并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法 4 20 2020 等离子切割产品实例 4 20 2020 2 2等离子切割技术 经济效益 一般由数控设备和机器人等机械承载 由CAD文件确定 因此此项技术可以用来处理单件材料或被用于大规模生产 单件价格与资金投入 由于不需要制作模具 而且切割形状是由计算机控制的 因此资金投入量较低 切割速度 等离子一般进行薄板切割 切割厚度一般不超过50mm 切割速度受工件厚度限制 切割普通碳素钢薄板时 速度可达气割法的5 6倍 且切割面光洁 热变形小 热影响区较小 4 20 2020 2 2等离子切割技术 切割表面质量 等离子切割以其优良的加工质量而著称 种类 加工形状的复杂程度 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 由于等离子切割质量较好 多数不需要再加工 因此 等离子切割可进行较复杂形状的切割 4 20 2020 2 2等离子切割技术 加工尺寸范围 一般用于自动化加工 能加工的材料范围会受加工机械尺寸的限制 切割材料 切割领域宽 几乎可切割所有金属材料 典型产品 多用于不锈钢和铝 铜 钛 镍的切割 需要高质量切割的行业领域 如汽车 航空等领域 相似工艺 激光切割 4 20 2020 2 2等离子切割技术 切割优点切割领域宽 几乎可切割所有金属板材 切割速度快 效率高 切割速度可达10m min以上 切割精度比火焰切割高 水下切割变形小 精细等离子切割则精度更高 切割缺点切割中厚以上钢板比较困难 需要很大功率的等离子电源 成本较高 切割厚板时 垂直度差 割口成V型 等离子现场切割 4 20 2020 2 3激光切割技术 激光切割是热切割中的新贵 其发展得益于激光器的发展 目前多用于薄板精密零件的加工 工作原理 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 4 20 2020 激光切割产品实例 4 20 2020 2 3激光切割技术 经济效益 适合小批量生产 设备价格及生产成本均较高 单件价格与资金投入 由于不需要制作模具 而且切割图形由计算机控制 因此单件资金投入量较低 切割速度 由于其能量的集中性 相比前两种切割工艺 激光切割速度是最快的 4 20 2020 2 3激光切割技术 切割表面质量 切割表面质量非常好 在木材上加工后会留下灼烧的痕迹 加工金属材料则无需加工后期处理 不过 由于抛光的金属表面会降低激光的切割效率 在进行切割加工之前 金属材料最好不要进行抛光处理 种类 加工形状的复杂程度 取决于辅助加工的机械 可以选择水平的激光切割或者多维度的激光切割头 这样就可以加工出复杂的立体形态 这种方法就被称为激光束加工 4 20 2020 2 3激光切割技术 加工尺寸范围 一般用于自动化加工 能加工的材料范围会受加工机械尺寸的限制 切割材料 经常使用在各种坚硬的钢材上 比如不锈钢或者高碳钢 由于铜 铝 金和银等材料的导热性能较好 因此这些材料相对比较难以进行切割 非金属材质也可以用激光切割 这些材料包括木材 纸张 塑料或者陶瓷 玻璃和陶瓷尤其适合用激光来进行切割 而其他的切割方式都很难在这两种材质上切割出很复杂的形状来 典型产品 模型零件 外科手术用具 木质玩具 金属网或过滤网 经过激光切割的陶瓷可以作为工业绝缘体 而激光切割的玻璃或金属则可以用来生产家具 相似工艺 水射流切割 模切 电子束加工 等离子弧切割 4 20 2020 2 3激光切割技术 切割优点无需模具 只要很少的固定 而且可以提供连续的 高精度的切割 适合较多种的材料 切割表面无需后期加工 切割速度快 切割缺点对于可加工材料的厚度要求很高 如果超过许可的厚度 会出现很严重的问题 对于大批量生产来说比较耗时 因此激光切割更加适合单件加工或小批量生产 激光现场切割 4 20 2020 2 4水射流切割技术 水射流切割又称液体机械加工 通常划分为是热切割工艺的一种 工作原理 超高压水射流切割机是普通的水通过一个超高压加压器 将水加压至300MPa 然后通过通道直径为0 3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流 在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料 如纸类 海绵 纤维等 若混入一定比例的磨料可增加其切割力 则几乎可以切割任意材料 4 20 2020 水射流切割产品实例 4 20 2020 2 4水射流切割技术 经济效益 水射流切割不需要模具 对于独立项目和大规模生产都十分适合 单件价格与资金投入 不需要模具 可从软件直接导入 而且不需要单件的附加投入 因此初期准备的费用很低 切割速度 因其切割范围包括软材料和硬材料 其切割速度根据材料不同差别很大 一般来说软体材料切割速度较快 陶瓷 大理石等非金属材料在切割时速度也较快 4 20 2020 2 4水射流切割技术 切割表面质量 经过加工后的表面会有条状割纹 但是不会留下类似激光切割的灼烧痕迹 种类 加工形状的复杂程度 可以用来加工复杂而精准的形状 但是由于加工的水压很高 厚度不足的片材可能会在切割时出现变形的情况 4 20 2020 2 4水射流切割技术 加工尺寸范围 大部分的工业切割作业都是在切削床上进行的 因此可以进行作业的材料尺寸会受到限制 标准的材料大小可以达到3米 3米 厚度的最高限视材料而定 切割材料 可以处理的材料种类很多 玻璃 塑料 陶瓷 石头 甚至是纸张 还可以用来切割三明治和其他食物 但是吸水材料是不适合用水射流切割进行处理的 典型产品 装饰性的石板或岩石 水射流切割在水下同样有效 相似工艺 模切 这种技术也可以作为与激光切割相对的冷处理手段 4 20 2020 2 4水射流切割技术 切割优点这是冷加工手段 不会加热被处理的材料 没有物理模具接触 所以切割边缘不会变形 可以在任何材质 任何厚度的材料上加工出很精巧的细节 加工过程不会产生污染环境的废物 切割缺点在切割比较厚的的材料时 射流可能会在割穿材料时偏离原来的路径 水射流现场切割 3 大厚度切割技术 大厚度切割应用领域 大厚度切割设备 大厚度割炬割嘴实例 按照热切割行业的惯例 通常将切割厚度超过300mm钢材统称为大厚度切割 随着大厚度切割技术的发展 行业内做了如下细分 切割厚度300 1000mm钢材称为大厚度切割 切割厚度大于1000mm钢材称为超大厚度切割 国内外超大厚度的火焰切割技术装备水平是德国 韩国 日本 意大利等国家可以实现2000mm的大厚度火焰切割 日本则已经实现了3500mm厚度的优良切割 国内目前的切割设备能力能达到3500mm 实现了机械化切割 切割质量和厚度均接近国外先进国家的水平 3500mm切割录像 3大厚度切割技术 4 20 2020 3 1大厚度切割应用领域 大厚度火焰切割 主要应用于大型铸件的冒口 水口以及锻件的头部和尾部的余料切断 大厚度精密切割 主要用于有切割形状要求并且切割断面要求较高 切割后不进行机械加工或少加工的大型零部件 例如船用发动机曲拐外形的切割 海洋平台桩腿齿条切割 大型吊钩的外形切割等等 特殊材料大厚度切割 不锈钢 铸铁等特殊材料的大厚度切割通过使用氧 熔剂切割的方法可以实现切割 从而达到减少加工工作量 提高生产效率 降低成本的目的 4 20 2020 3 2大厚度切割设备 4 20 2020 3 3大厚度切割实例 4 20 2020 3 4大厚度割炬割嘴实例 4 高新技术在切割领域的应用 数控技术在切割领域的应用 机器人技术在切割领域的应用 激光技术在切割领域的应用 随着计算机技术 机器人技术 图像信息技术 数据采集处理技术 激光技术 红外线测距等技术的不断发展 热切割技术也随之进行了一次次的革新 高新技术在热切割领域得到了广泛的应用 现在我们谈的热切割技术再不是简单机具甚至手工操作的概念 而是高智能化 高精度 高效率的集成化切割设备 4高新技术在切割领域的应用 4 20 2020 4 1数控技术在切割领域的应用 利用数字程序驱动机床运动从而带动装备的切割工具对物体进行切割 这种机电一体化的切割技术就称之为数控切割技术 1958年英国氧气公司试制成功了世界上第一台数控切割机 开创了数控切割的新纪元 数控切割是相对于手工切割及半自动切割而言的 此以 发达国家相继开展了对数控切割的技术 工艺 相关配套软件和设备的深入开发研究 经过50多年的不懈努力 已向市场推出了各种类型 功能齐全的系列化数控切割产品 如今 针对不同的工件对象 为满足各种材质的切割性能和精度要求 可选用火焰 等离子弧 激光等与之相适应的切割工艺 真正达到了全面满足客户需求 4 20 2020 4 1数控技术在切割领域的应用 我国数控切割技术开发研制是在20世纪80年代初 伴随着微电子技术的成熟并获得广泛应用的基础上开始的 历经30多年的持续发展 取得了可喜的成就 目前国产数控切割产品的种类和规格已相当齐全 其中部分产品在技术 性能 指标和功能上均已接近或达到国际同类产品的水平 造船业和炼钢铸锻业是我国引入数控切割技术最早 获益最大的行业 30多年来 数控切割在国内许多行业得到了迅速发展和广泛应用 这种高新技术彻底改变了以往手工和半自动切割的低效率状况 从根本上解决了长期困扰我国基础制造业过程中下料切割工段的瓶颈问题 成为我国钢材总量快速增长的助推器 4 20 2020 数控切割设备实例 4 20 2020 4 2机器人技术在切割领域的应用 现代工业发展越来越迅速 工业生产自动化进程正逐步渗透到生产的每一个领域 工业机器人作为自动化的尖端产品 也融入切割发展的队伍当中 现代工业有很多方面需要用到空间切割 首先 从钢铁切割生产上来看 随着数控机床的普遍应用 钢板下料生产速度得到大幅度提高 但是数控机床只能垂直切割 对于需要坡口切割的板材则不能达到要求 现阶段大部分钢板坡口加工多采用切割小车或手工操作 切割精度低且切割效果不好 其次 从非金属切割生产来看 现代汽车工业迅猛发展 但是顶棚 仪表板等空间变曲线非金属切割生产大多数依赖手工制造 相对于焊接机器人在汽车工业的应用广泛 简单的非自动化切割严重影响了整体的生产效率 4 20 2020 4 2机器人技术在切割领域的应用 机器人这种高新技术带给切割领域的进步不仅仅是效率方面的提高 而是从平面到空间 从简单到复杂的质的变化 综观全国的切割设备制造行业 机器人空间切割设备制造还处于起步阶段 随着现代工业发展进程加快 生产制造对效率 精度要求越来越高 机器人空间切割设备将会逐步显示出其应用价值 成为行业设备改革道路上的主力军 4 20 2020 机器人技术在热切割领域应用实例 4 20 2020 4 3激光技术在切割领域的应用 激光技术是融合了光 电 机 材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术 作为一种高新技术它与现代数控技术和机器人技术相结合构成的切割领域的激光切割技术 它的应用突破许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈 在能源 钢铁冶金 船舶与汽车制造 电子电气工业 航空航天等国民经济支柱产业发挥了不可替代的作用 我国激光切割机发展较晚 但随着十几年的发展也逐步赶上日本等发达国家 随着国内激光产业的飞速发展 相关的激光技术与激光产品也日趋成熟 在激光切割机领域 目前呈现出YAG固体激光切割机 CO2激光切割机双足鼎力 光纤激光切割机作为最新的技术渐渐崭露头角并呈现出强劲的发展后势 4 20 2020 激光切割技术在热切割领域应用实例 5 我国热切割行业发展现状和展望 取得的成绩 存在的问题 今后发展方向与展望 4 20 2020 5 1取得的成绩 由于我国上世纪中期工业发展落后 热切割技术起步较晚 加上国外对该行业的核心技术均采取技术保密 很长时间里我国的切割技术处于落后水平 建国初期连简单的手工焊割炬都做不好 经过几十年的发展 我国的切割行业已具有一定规模 目前 全国每年生产的手工割炬已达近百万套 切割机的规格品种已有20多种 年产量数千台 并实现了出口销售 从事切割行业相关人员达数万人 并在切割技术上取得了一定的进步和成绩 我国实现了氧气切割燃气多元化应用 切割设备自动化转型等 火焰切割实现了精密切割工作法 实现成品切割 达到表面质量优秀的一级品标准 自主研发了系列数控火焰 等离子 激光切割机 各种机器人切割机等已经形成规模 超大厚度火焰切割设备的成功研制 使我国向国际基础制造强国迈进了坚实的一步 切割工具和机器产品的标准化 系列化工作已经开展 并正在逐步完善中 我国每年定期主办的北京埃森焊接切割展览会已发展成为与德国埃森展并列国际焊接切割领域的大型展览会 4 20 2020 5 2存在的问题 尽管我国焊接切割行业发展势头强劲 但客观来讲 我国与欧美 日本等发达国家还是有一定的差距 具体来说 火焰切割多是作为毛坯下料的手段 没有质量要求和检查制度 热切割技术还未受到足够重视 全国从事专业研究的人员较少 科研工作不多 这些都严重阻碍了我国热切割技术的发展 此外 由于热切割仅作为下料手段 对精度要求低 加工余量过大 材料浪费严重 在能源方面 国外已走上发展多能源切割之路 与之相比 我国能源虽然已经基本减少氧乙炔切割的使用 但切割能源基本以液化石油气等几种燃气为主 没有完全实现多元化发展 此外 切割生产的机械化程度偏低 由于我国人口众多 劳动力相对廉价 许多企业认识不到机械化的广阔前景 手工操作仍为主要的生产方式 我国每年生产的手工割炬高达百万套 而各种切割机的年产量仅为几千台 在某些适宜应用机器切割的领域仍在应用手工割炬 此外 割炬和切割机的品种少 机器的制造精度不高 切割机制造企业与火焰切割设备制造企业的生产能力和技术力量都比较薄弱 4 20 2020 5 3今后发展方向与展望 焊接与切割均属于基础装备制造工艺 提高其发展水平对我国工业发展将产生重要影响 加强热切割技术的研究 推动切割生产技术由毛坯下料向成品切割的方向转