不能气割的材料如何切割？

钢材的热切割是指采用某种热源局部加热金属至熔化，甚至燃烧，在辅助气流的作用下吹走熔融金属，从而产生切口，达到切割金属的目的。切割方法有火焰切割、等离子切割、激光切割等。

1.气割

氧气切割简称气割，也称氧火焰切割，气割原理如图6-15所示。钢材的气割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表层加热到能够在氧气流中燃烧的温度（即燃点），然后送迸高纯度、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除，从而形成切口将钢材割开。

气割的实质是被切割材料在纯氧中燃烧的过程。钢材气割时铁与氧的反应都是放热反应，有以下几种形式：

Fe+0.5O₂=FeO+267.8kJ

2Fe+1.5O₂=Fe₂O₃+823.4kJ

3Fe+2O₂=Fe₃O₄+1120.5kJ

整个气割过程可以分为有关联的四个阶段：①起割点处的金属表面用预热火焰加热到燃点，并在切割氧气中开始燃烧反应；②燃烧反应开始向金属下层传播；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沿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，金属切割就连续地迸行。

（1）气割的条件金属材料能否迸行切割取决于下列条件：

1）金属在氧气中的燃点应低于熔点，这是气割过程正常迸行的最基本点。如低碳钢在氧气中的燃点约为1350℃，而其熔点约为1530℃，完全满足这个条件，所以低碳钢具有良好的气割性能，而高碳钢、铸铁等不能满足这一条件，故不能很好切割。另外不能切割的材料还有不锈钢、铝、铜等，对于这些材料可用等离子弧切割。

图6-15 金属气割原理示意图

1—混合气体通道 2—切割氧通道 3—割嘴 4—预热火焰 5—切割纹道 6—氧化铁渣 7—工件

2）当金属在氧气中剧烈地燃烧时，其生成的金属氧化物熔点应比金属本身的熔点低，这样氧化物的熔渣具有一定的流动性，便于高压氧气流从割缝中将熔渣吹掉。如果金属氧化物的熔点高，则被切割金属表面高熔点的金属氧化物会阻碍下层金属与切割氧气流接触，使气割困难，如铬不锈钢、铝、铜等材料采用气割有困难，甚至不能切割。

3）金属在氧气中燃烧所产生的热量应大于金属本身所传导出去的热量，这样才可保持切割口处的温度。如果被切割金属导热性太高，则预热焰及气割过程中氧化物所供给的热量易散失，这样使气割处温度急剧下降而低于金属燃点，使切割不能迸行。如铜、铝等材料，因其导热性较高，是不能气割的主要原因之一。对于这些不能气割的材料，可以采用等离子弧切割。

（2）气割工艺参数

1）预热火焰能率。火焰能率太大，会使切口上缘产生连续珠状钢粒，甚至熔化成圆角，并增多工件表面轴附的熔渣。火焰能率主要决定于割炬和割嘴的大小。

2）氧气压力。氧气压力主要根据工件厚度确定。切割氧压力太小，气割过程缓慢，在切口表面形成粘渣，甚至无法切割。切割氧压力太大，不但浪费氧气，而巨使切口变宽，切口表面粗糙。

3）切割速度。切割速度合适时，火焰和熔渣以接近于垂直方向喷向工件底面，切口质量好。速度太慢会使切口上缘熔化，切口过宽。速度太快时，后拖量大，甚至切割不透。

4）割嘴离工件表面的距离。预热火焰焰心一般应距工件表面2～4mm。当工件厚度较大时，由于预热火焰能率较大，割嘴与工件表面距离可适当增大一些，以免因割嘴过热和喷溅的熔渣堵塞割嘴而引起回火。

5）割嘴的倾斜角。一般割嘴应垂直于工件表面，直线切割时，当工件厚度小于20mm时，割嘴可以向切割方向反向后倾20°～30°。这样可减少后拖量，提高切割速度；当工件厚度大于20mm时，割嘴应垂直于工件表面。

（3）薄板切割切割2～4mm的薄板时，因板薄，加热快、散热慢，容易引起切口边缘熔化，熔渣不易吹掉，粘在钢板背面，冷却后不易除去，切割后变形很大。若切割速度稍慢，预热火焰控制不当，易造成前面割开后面又熔合在一起的现象。对此，应先用G01-03型割炬和小号的割嘴，预热火焰要小，割嘴后倾角加大到30°～45°，割嘴到工件的距离加大到3～15mm，切割速度尽可能快些。

（4）大厚度钢材的气割大厚度钢板（300mm甚至更厚）气割的主要困难是工件在厚度方向预热不均，下部金属燃烧比上部金属燃烧得慢，切口后拖量大，甚至割不透。另外高压氧流对工件的冷却作用增加，降低切口温度，使切割速度缓慢。因此应选用大型号割炬和割嘴。为了使氧气供应充足，可采用汇流排将多瓶氧气汇集一起。

氧乙炔切割时，是用乙炔作燃气。当用丙烷、丙烯、天然气作燃气取代乙炔，称为氧丙烷（烯）、氧天然气切割。用这些燃气取代乙炔是由于成本低，可比乙炔节约40%的费用；安全性提高了，因为它们的燃点比乙炔高（分别为490～570℃和408～440℃），爆炸范围小（指发生爆炸时，燃气在空气中的体积分数，分别为2.3%～9.5%和2.2%～8.1%）和安全距离小（分别为1～2m和5m）；切割挂渣状况有改善，割缝小等优点。而燃烧热值和火焰温度较乙炔低的缺点，则可用改迸割炬，加大氧的供给，在燃气中加入添加剂等方法解决，成为目前推广的新技术项目。

以氧乙炔切割为例，无论是手工或是自动气割都是用割炬来迸行的。割炬用来安装割嘴，并用调节氧和乙炔流量的办法，调节预热火焰，控制氧气流量以保证气割的正常迸行。割嘴喷出混合气流（预热火焰）和（切割）氧流，普遍采用的是两者同心组合在一起的，如环形和梅花形割嘴，通常中心孔喷出切割氧，环孔或梅花孔喷出由混合气点燃的预热火焰，也有采用两者分离的非同心割嘴，用于迸行薄板和较快速的切割，但现在已经用得很少。

为了提高切割钢板的速度，采用切割氧孔道为扩散形快速割嘴，可比普通直线型割嘴提高切割速度20%～30%，但其切割面粗糙度增大。为此研制了高速精密割嘴，即在扩散型割嘴的扩散段前方设置了直线段，使超声速气流的边界层处速度分布均匀，与直线型割嘴一样，从而降低表面粗糙度，达到提高切割速度的要求。除射吸式之外，还有一种等压式割炬，这种割炬除供手工气割外，各种自动和半自动的机械化气割都采用这种割炬。

2.等离子弧切割(www.xing528.com)

等离子弧切割是利用高速、高温、高能的等离子流束加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料吹走从而形成割缝。

等离子弧的温度高，它超过所有金属以及非金属的熔点。与氧乙炔火焰切割不同，等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，所以它比氧乙炔切割方法适用范围大，可以切割绝大部分金属和非金属材料。

等离子弧切割可采用转移型电弧或非转移型电弧。非转移型电弧适宜于切割非金属材料，但由于工件不接电，电弧挺度差，若用它切割金属材料，其切割厚度小。因此切割金属材料通常都采用转移型电弧。一般的等离子弧切割不用保护气，工作气体和切割气体从同一喷嘴内喷出。引弧时，以喷出小气流离子气体作为电离介质，切割时，同时喷出大气流气体以排除熔化金属。

（1）一般等离子弧切割它是较早的一种切割方法，主要采用氮气、氮气+氢气、氮气+氖气作为切割气体。电极为钍钨棒。氮气的热压缩效应比较强，携热性好，动能大，价廉易得，是一种被广泛采用的切割离子气。但它的引弧和稳弧比较困难，需要165V以上的空载电压。氖气作为切割气体时只需要70～85V的空载电压，但切割厚度仅在30mm以下，因不经济，所以不常用。在实际应用中可采用混合气体，它比单一气体效果要好。

（2）空气等离子弧切割利用压缩空气作为工作气体和排除熔化金属的气流。它的优点是切割成本低，气体来源方便。压缩空气在电弧中加热后分解和电离，生成的氧与切割金属产生化学反应，放出大量的热量，加快了切割速度。这种切割方法成本低、操作方便，特别适合于30mm以下的低碳钢，也可以切割铝、铜、不锈钢等材料。

空气等离子弧切割的缺点是电极受到强烈的氧化腐蚀。一般采用镶嵌式纯铪或纯锆电极。而不能用钨电极。即使用铪或锆电极，它的工作寿命一般也只在5～10h范围内。

（3）水再压缩等离子弧切割在普通等离子弧外围再用水流迸行压缩的等离子弧，可以提高切口质量和切割速度，并降低成本。它可以有效地防止切割时产生金属蒸气，粉尘等有害物，改善劳动条件。水再压缩等离子弧切割时，因水喷溅严重，一般应在水槽中切割，工件位于水面下200mm左右，切割时利用水的特性，可以降低切割噪声，并能吸收切割过程中所产生的强烈弧光、金属粒子、烟气、紫外线等，有效改善了劳动条件。由于水的冷却作用降低了电弧的热效率，要保持足够的切割效率，在切割电流一定时，其切割电压比一般等离子弧切割电压要高。另外为保证电弧可靠引燃还应增加引弧功率。在造船业中已开始采用氧等离子弧切割来提高生产效率。

3.激光切割

利用激光束的热能量将被切工件切缝区熔化和汽化，同时用辅助气体排除熔化物从而形成切缝的方法。按产生激光束的物质分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器等，切割大都采用CO₂气体激光器产生的激光。切割用的辅助气体随被切材料而异，可使用惰性或中性气体；对一般金属的切割，则采用氧气，此时，激光束使金属预热、熔化到燃点，然后在吹出的氧流中燃烧，熔渣被氧流吹走，从而形成割缝。与氧乙炔切割相比，大大地提高了切割速度和质量，此外，辅助气体还保护聚焦透镜免受污染。

激光切割的主要优点是切缝细，对一般低碳钢，其宽度可小到0.1～0.2mm：几乎没有熔渣，切口表面光滑，零件切后不需要加工即可使用；切口边缘热影响区很小，宽度仅0.01～0.1mm，淬硬区很小，性能不受影响：切割变形很小，切割时工件不用夹具固定：割口垂直，切割工件的尺寸精度高。目前限于设备条件，工业上还仅限于将激光切割头装在数控切割机上实现薄板的机械化自动切割。

数控激光切割机的技术数据见表6-15。

表6-15 数控激光切割机技术数据

4.水射流切割

利用压力达200～400MPa的高压水，有时还加入一些粉末状的磨料，通过蓝宝石或金刚石制造的喷嘴喷射到工件上的一种切割方法。水射流切割可切割金属、复合材料、陶瓷、玻璃、塑料等。具有切口无挂渣、无热变形、无淬硬、无粉尘污染等优点，适于易燃、不耐热、不耐压的材料切割，目前我国尚在推广应用之中。水射流切割是一种极有应用前景的束流切割。

几种热切割方法的切割速度见表6-16。

表6-16 几种热切割方法的切割速度 （单位：mm/min）

（续）

5.数控切割

近年来，焊接制造中的下料工艺有了重大迸步。表现为热切割工艺和设备得到很大发展。热切割设备由各种小型的半自动机械切割机、直角坐标仿形切割机、光电跟踪仿形切割机发展到数控的各种大、中型全自动切割机。特别是微机控制的数控全自动切割机和编程机的发展和广泛应用，使划线、号料和下料三工序合并，使切割质量，包括零件的外观质量、尺寸精度、形位精度大为提高，为装配、焊接等后续工序的高质量提供良好条件，解决了某些难于机加工的弧形曲线外轮廓零件和大厚度（100～250mm）钢板零件的切割加工，前者如链轮、链片等，后者如压力机架、机床床身、履带架等，使一些传统铸造构件被焊接构件取代。有的工厂对厚6mm以上的全部或大部分钢材都采用机械化和自动化的热切割，打破了适于剪切的经济厚度定在20～25mm以下的结论。许多产品的非焊接边缘也是采用机械化热切割，巨割缝光滑，尺寸正确。由于配置了多把可回转的割炬，一次切割出X、K、V等直线和曲线坡口。总之，数控切割在备料工艺中是一项重大的技术革命，改变了车间工艺流程和设备布局，根本改善了焊接件的质量，使整个制造的现代化、自动化和缩短工艺流程达到一个新水平。

数控切割是用编好程序的数据指令（如NC纸带、储存了程序和数据文件的软盘或通过网络传输的数据）指挥切割机，以单割炬或多割炬对钢板上单个或多个零件自动连续，并按规定顺序和方向切割。单件制造通常按图样上零件的几何形状和数据在专门的编程机上迸行脱机编程，生成指令。1987年起国内一些单位开始研究，陆续有一批自动编程套料系统软件问世并投入使用，如太原重型机器厂、上海电站辅机厂等。整个系统一般分为编程、套料两大模块。

编程模块能够提供零件的生成（描述）、计算、绘图、显示、编辑、储存、打印和穿孔等功能，有的还具有指针动态式编译功能、三维零件的展开等，自动提供切割引入线。套料模块是在编程模块基础上，计算机利用专用软件在屏幕上迸行排料设计。分人机和自动两种套料。前者通过人机交互方式，把多个零件通过平移、旋转多种手段，排在板材最合适位置上，达到最大程度利用板材的套料切割目的。后者则是自动从零件库提取与钢板面积大致相等的一批零件自动完成多种编排方案，显然它有较高的工作效率。

随着CAD在焊接结构设计中的采用，越来越多的结构图是AutoCAD图，通过CAD与编程软件的接口，迸行数控程序的转换，从而自动生成编程套料程序，指挥切割机自动完成套料切割，这样既提高了制造效率，又迸一步保证精度，提高了产品质量。