化学切割论文（精选7篇）
化学切割论文 篇1
油、水井进行动管柱解封作业时, 由于地层出砂, 顶部封隔器和隔离密封结垢等其他原因导致解封遇阻。处理这种被卡管柱一般不宜硬拔, 而是先处理卡点以上的自由部分, 然后选择打捞工具捞出余下部分。化学切割技术能从管柱内部的任意点进行切割, 切口工整, 便于下步打捞作业。
1 化学切割技术
化学切割是用电缆起下、电流引爆、使切割工具内的化学药剂相互接触反应, 产生高温高压化学腐蚀剂从工具下部孔眼中高速径向喷出, 腐蚀切割管柱、回收井下被卡管柱的工艺技术。
该切割技术的工具串由前磁定位仪、点火头、推进火药筒、锚定、化学药剂筒、切割头等主要部件组成。化学切割的工作原理是:利用前磁定位仪对设计的切割点进行准确校深。电缆控制点火头从而使火药筒工作产生瞬间高压气体 (可达170MPa) , 高压气体使锚定座与管柱内壁, 同时使化学药剂筒上下端破裂盘破裂, 使化学药剂发生化学反应 (3Br F3+4Fe=3Fe F3+Fe Br3) 。化学反应产生的高温高压, 导致切割头内活塞下行打开切割头孔眼, 从而使化学反应中的液体高速喷出将油管腐蚀切断 (大约需要150±25ms) 。
2 渤海油田的应用
2.1 南堡35-2的应用
南堡35-2区块为我国渤海油田典型的高粘, 低渗型油藏, 地质储量丰富。为了提高采收率, 该矿区需要定期对油井进行注热管柱和生产管柱的交替更换, 从而实现稠油热采。2013年10月B30井进行注热管柱更换作业时, 上提油管挂解封时遇阻, 按注热双层保温氮化管的抗拉强度计算, 上提悬重91t上下活动解卡均无效果。研究发现油层顶部的定位密封和各油层之间的隔离密封, 因长期受到高温高压的作用导致密封段径向膨胀而无法正常拔出。
针对此种油井解封遇阻的现象, 现场采取了两套方案:第一连续油管切割;第二化学切割。由于化学切割设备数量有限, 现场采用了连续油管切割。连续油管在施工方面需要许多大型设备配套使用如:连续油管转盘及动力撬、井口连续油管起下设备、油管起下控制装置、防砂泵等其他附属设备。此次连续油管切割采用石英砂高压喷射工艺。但是现场施工时压力的选择是个难点:压力偏高会导致油管外部的防砂管柱受到损坏, 压力偏低直接导致油管不能有效切割。经过对两个切割点的作业, 均不能有效的控制喷砂压力将油管切割。
选择化学切割技术, 地面设备只需要电缆绞车托撬和动力装置就能满足作业需求。相对于连续油管切割少了很多地面设备, 更重要的是减少了井口高压作业带来的风险和对井下防砂管柱的保护。此次的化学切割只需要2趟起下电缆:通井和切割。作业从工具串入井到起出整个工作累计时间为8h, 有效的提高了修井作业时效。对油井及时生产也带来了经济效益。
2.2 秦皇岛32-6的应用
秦皇岛32-6区块为21世纪初与雪佛龙公司合资油田, 采油平台结构紧凑, 吊货甲板可使用面积小。该矿区对部分注水井进行注水新工艺实施, 优化注水方案时, 管柱解封容易出现解封遇阻现象。2016年5月B2井在进行解封4.5寸J-55油管时出现遇阻现象, 鉴于B2井管柱曾经进行酸化作业和该平台的修井机的最大抗拉负荷为90t, 实际采用上下活动和悬吊55t均未凑效。
采用化学切割技术处理卡点以上管柱时, 此井的化学切割时效仅为7h, 且一次成功, 这种高时效技术为处理卡点以下管柱争取了宝贵的时间。秦皇岛32-6矿区的6个老采油平台由于受甲板面积、钻台井口空间和修井机 (井架型号为HXJ90, 最大抗拉强度90t) 上提吨位等各种因素限制, 在对油、水井解封遇阻处理时不能实施有效的解卡办法。而化学切割的简单一体化设备相对油管内切割的连续油管切割, 对场地要求、钻台和井口空间的要求都有显著的降低, 在32-6矿区的6个老平台得到了充分的利用。在保证作业的时效时, 也保障了人员和设备的安全。
3 化学切割注意事项
1) 化学药剂具有强烈的腐蚀性, 应做好防泄漏、防污染、防急救工作。
2) 下切割工具串前必须做好管柱内通井工作, 确保管柱畅通。
3) 由于采用电缆信号进行点火引爆切割, 因此现场切割前需要平台保持无线电静默, 避免干扰。
4) 切割前确保管柱内的液面在井口, 避免割开后油套压力不平衡, 出现压力返涌现象。
5) 管柱被切断后, 电缆张力有明显的变化, 钻台也会发生震动。
6) 切割时要确保切割工具串在液体中, 且液体的含水在5%以上, 干井、气井、纯油井必须进行洗井或者正挤水处理, 确保化学药剂充分反应。
4 结束语
油井解封遇阻时, 由于受到电缆封隔器和电缆的限制不能有效实施倒扣处理。水井解封遇阻时, 采取常规的倒扣处理时不能有效选择倒扣点, 给作业带来了不确定性, 增加作业周期, 提高了修井成本。化学切割由于设备简单, 操作方便, 切割高效, 切口规则, 使得该技术在渤海油田较小的采油平台得到广泛的应用。
参考文献
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[2]李乐中.新型化学切割仪[J].石油仪器, 1993, (2) :120.
切割方式与切割阻力的理论研究 篇2
以不同的切割方式切割作物茎秆,切割阻力有着明显的差别。本文主要介绍了3种不同的切割方式,并主要研究了滑切和切割阻力的内在关系,从几何和力学理论角度上分析了滑切省力的原因。
1 茎秆的纤维方向性与切割的关系
作物茎秆由纤维素构成,其纤维素方向与茎秆轴线平行,因此割刀切入茎秆的方向与其切割阻力和切割功率消耗有着密切的关系[1,2]。根据试验可知,按图1的3种切割方向,其切割阻力和功率消耗有较大的差异。
1) 横断切:
切割面和切割方向与茎秆轴线垂直。
2) 斜切:
切割面与茎秆轴线偏斜,但切割方向与茎秆轴线垂直。
3) 削切:
切割面和切割方向都与茎秆轴线偏斜。
有关试验指出:横断切的切割阻力和功率消耗最大;斜切较横断切的切割阻力和功率消耗降低30%～40%;削切较横断切的切割阻力降低60%,功率消耗降低30%。
2 滑切与切割阻力的相互关系
切割茎秆时,刀刃的运动方向对切割阻力影响较大。如刀刃沿着垂直于刃线方向切入茎秆时(为砍切),则切割阻力较大;若刀刃沿着刃线的垂直 偏角方向切入茎秆时(为滑切,如图2所示),则切割阻力小。根据有关试验结果,归纳有下列经验公式
P3S=常数 (1)
式中 P—切割阻力;
S—滑切长度(刀刃沿刃线方向移动的距离,与切割角α有关)。
试验得数据如表1所示。
由表1经过计算可以明显看出P3S≈318.83,理论上为定值,这是它们内在的函数关系式,就是高略契金力学试验常数定理。结果表明:割刀在切割同一种材料、同一深度的物料时,切割滑移量越大,所需切割力就越小,即切割越省力。
3 滑切省力运动几何原理分析
切割时,为保证茎秆不倾斜,需要靠茎秆本身的刚度和惯性来支撑,为了适应机器的高速作业,必须尽力减少切割阻力。为了解释滑切比正切省力这一物理现象,笔者讨论正切时刀刃的受力情况。
假如在刀刃楔角γ的两边各增加一个摩擦角ϕ(如图3所示),即把刀刃看作一个假想楔,这样切割时作用在假想楔面上的正压力(相当于作用在实际刀刃楔面上的合阻力)等于Ncosϕ和N1cosϕ(图3a)。
根据水平和垂直方向的平衡条件可得
undefined
刀刃所需的切割力为
undefined
或
undefined
式中 P0—刃口透入茎秆的阻力,茎秆相同时决定于刃口的厚度,其方向垂直于刃口;
N,N1—楔面压缩茎秆纤维的正压力。
同理,可得对称的两楔面克服阻力时所需的切割力为
undefined
由式(2)及式(3)可见,正切时所需要的切割力和刃口厚度及楔角γ成正比。
当楔角γ的刀刃沿着与刃口法线倾斜α角的方向进行滑切时(如图4所示),切入材料的实际楔角为γ′,相当于楔角变小,则
undefined
而undefined,所以
tanγ′=tanγcosα
当滑切角α 越大时,刀刃切入材料的实际楔角γ′就越小,因此刀刃切进材料所需的法向力越小。
现代农装北方农机公司生产的9QS8型青饲机刀刃为锯齿形(如图5所示),即使是光滑刀刃,其微观几何形状也高低不平,上面布满了许多“微观齿”。当刃口在切向沿材料产生滑移时,这些尖锐的微观齿就会发挥切开材料纤维的作用,这是某些滑切较正切省力得另一主要原因[3,4,5]。
4 结论
综上试验表明,切割相同断面的材料,滑切与正切相比,滑切行程较长,消耗于楔面与材料间的摩擦功有所增加,所以总的切割功将比正切大。但是采用大滑切角滑切比砍切起到缓冲作用,可提高刀片切割质量和能力,减小切割损失,明显降低切断速度和切割力,降低切割功率,减轻切割过程中的冲击力,延长切割刀片的使用寿命[6,7]。
参考文献
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化学切割论文 篇3
关键词：氢氧混合气,焦炉煤气,切割
在板坯连铸生产工艺中, 火焰切割机是切割区域设备中的关键设备, 担负着头坯、尾坯、定尺坯和硫印试样的切断任务。邯宝炼钢厂目前共有4台切割机, 全部采用高压焦炉煤气火焰切割, 使用比较稳定, 随着时间的推移, 也逐渐暴露出煤气管道铺设复杂、易老化堵塞等问题, 并且煤气火焰切割对于煤气的纯净度要求很高, 无形中增加了设备成本。在使用多年后, 面临的主要难题是由于煤气质量不好等原因, 易造成切割割缝大、切割氧消耗大、割缝底部粘渣、割嘴堵塞严重更换频繁等问题, 连铸坯切口质量受到很大影响。而清洗甚至于更换煤气管道工程量较大, 成本极高, 严重影响生产, 因此对切割机介质系统改造势在必行。而氢氧切割技术因其成本低、切割效果好、效益显著等优点成为炼钢厂火焰切割机改造的首选。
1 氢氧切割与焦炉煤气切割效果对比
氢氧气燃烧的热值为12250kJ/m3左右, 焦炉煤气燃烧的热值为17128kJ/m3左右, 相比之下, 虽然氢氧气的热值较焦炉煤气低, 但氢氧气的火焰温度较高, 为2660℃左右, 而焦炉煤气的火焰温度为1900℃左右。切割时氧燃气焰的作用是预热铸坯和切割氧, 保证切割点处钢坯的氧化反应温度, 因此较高的火焰温度能保证较快的切割速度。实际切割过程中发现, 氢氧切割较焦炉煤气切割速度平均可高出30%以上。
对两种燃气的切割断面进行分析观察, 发现氢氧切割时铸坯割断面光滑、平整无凹凸, 断面下缘基本不挂渣。同时, 由于氢氧气火焰挺直度好, 切割断面平整, 节省了清理和后序加工时间, 还能保证被切割材料不被参碳。而焦炉煤气切割时断面凹凸不平整、不光滑, 断面下缘挂渣较多。因此使用氢氧切割可以为后期的轧制工艺提供优质的原料, 进而可以提高最终产品的质量。
经过连续的试验对比, 观察测量连铸坯切割缝宽度, 以我厂生产的230mm×1800mm规格的板坯为例, 使用氢氧切割时的割缝宽度为不足6mm, 而使用焦炉煤气时割缝宽度约为12mm, 因此使用氢氧切割可以大幅降低割缝宽度, 提高铸机金属收得率。
2 氢氧气与焦炉煤气安全性能对比
氢氧气来源于氢氧发生器, 它采用电解水技术原理, 通电从水中产生氢氧燃气, 并且火焰集中不发散, 没有任何污染。氢氧发生器产生的气源是即产即用的, 水电解氢氧发生器工作压力低 (≤0.09MPa) , 并没有贮存, 没有高压燃气 (乙炔、丙烷) 瓶的爆炸风险以及泄漏的风险。氢氧燃料燃烧时不产生任何污染环境和危害的有害气体, 它来源于水燃烧后又还原成水, 可称之为绿色可再生能源。焦炉煤气中因含有CO等有毒气体, 如操作不当易对人身安全造成危险, 因此使用氢氧气可大大提高现场操作的安全性。
同时为了防止氢氧切割时燃气回火, 在原有焦炉煤气干式回火器的基础上又增设了汇流安全柜, 氢氧气由氢氧发生器产生后, 经由汇流安全柜对其进行滤水、汇流, 分配到输出管道, 起到双重防止回火的安全作用。
3 氢氧切割与焦炉煤气切割成本对比
氢氧切割中水电解制取的氧气本身就满足了氢气燃烧的需要, 因此不需要消耗混合氧, 可以省下大量的混合氧费用, 其直接使用成本只与电费、水费有关, 氢氧机工作过程中每生产1m3氢氧混合气仅消耗0.8kg水和4度电, 因此消耗的水成本基本可以忽略。净化后的焦炉煤气是无色、有臭味的有毒气体, 其主要成分是H2 (60%) 、CH4 (22%～26%) 、CO (6%～9%) 、CnHm (4.5%) 及CO2、N2、O2等杂质。根据成分折算, 焦炉煤气燃烧需要混合氧气体积比约为1∶1。根据现场实验测得, 氢氧切割时的耗电量约为0.76度/吨, 焦炉煤气切割时混合氧耗气量约为0.51m3/t, 焦炉煤气的耗气量约为0.5 1 m3/t。
根据同期市场调研, 工业用电为0.8元/度, 焦炉煤气1.2元/m3, 混合氧气0.5元/m3, 根据计算得出, 使用氢氧气、焦炉煤气的吨钢成本分别为0.61元、0.87元, 以设计年产520万吨连铸坯为例, 使用氢氧切割每年可节约成本:
C 1=520 000 0吨× (0.8 7-0.61) 元/吨=13 5.2万元。
同时使用氢氧气较之于焦炉煤气, 其金属收得率高。使用氢氧切割时割缝较窄为6mm, 而使用焦炉煤气割缝为12mm。以切割230mm×1600mm规格定尺为10m, 设计年产520万吨连铸坯为例, 采用氢氧切割每年增加的经济效益为:
单根钢坯重:0.23m×1.6m×10m×7.8 t/m3=2 8.7 0 4 t;
年产折合钢坯数量:5200000t÷28.704t/块=1 8115 9块;
割缝减少6mm, 年可节约金属损失:181159×0.23m×1.6m×0.006m×7.8t/m3=3 12 0t
成品按4000元/吨, 铸坯钢渣按2500元/吨计, 每年多创效:
C2=3120t× (4000-2500) 元/t=468万元。
总计:C1+C 2=135.2万元+468万元=6 03.2万元
由此看出, 使用氢氧切割较之传统的焦炉煤气切割年可节约开支约600万元, 而设备改造投入不高于300万元, 因此使用氢氧切割可大大节约投入, 取得良好的经济效益。
4 结语
与传统的焦炉煤气相比, 使用氢氧切割技术可有效改善切割机割缝较大的状况, 同时实现了切割机清洁、安全、高效切割, 降低了生产成本, 对提高连铸机金属收得率、提高生产效率、提高管理水平有着很大影响, 还可大大降低消耗成本, 大幅提高了经济效益和社会效益。
参考文献
[1]杨拉道, 谢东钢.常规板坯连铸技术[M].北京:冶金工业出版社, 2007.
浅析管料的火焰切割和等离子切割 篇4
管料切割机产品按照切割形式主要分为热切割和冷切割两种。其中, 热切割主要是利用集中热能使材料熔化并且分离, 它广泛用于国内造船、压力容器、工程机械、电站设备、桥梁和钢结构等行业中。热切割的方式也有多种, 这里以最常用的火焰切割和等离子切割方法浅析管料热切割机的原理、结构和应用。
1 火焰切割和等离子切割的基本原理
火焰切割是一种古老的热切割方法, 在切割中、大厚度钢板、切割多种形状的焊接坡口和多割炬大批量切割直条钢板等应用场合有一定的优越性。等离子弧切割金属材料已有近50年的历史, 其良好的适用性和经济性已在长期的生产实践中得到了验证, 在l~38mm厚的碳钢以及有色金属的切割中, 等离子弧切割占据主导地位, 并且有广阔发展空间。
1.1 火焰切割原理火焰切割也叫燃气切割, 是利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢, 是一个用氧/燃气火焰燃烧的过程。
首先, 钢板的温度必须升至燃点。然后, 氧流在狭长区域氧化金属, 燃烧时所产生的溶渣被切割氧流吹除从而形成割缝。氧燃气切割可用于碳素钢及低合金钢, 厚度可达到几个分米。切割质量取决于材料表面情况、切割速度及材料厚度。在薄板切割方面就存在不足, 火焰切割的热影响区要大许多, 热变形比较大, 切割速度慢, 生产效率相对较低。
1.2 等离子切割原理等离子弧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。等离子切割具有切割速度快, 范围宽等特点, 适合切割低厚度金属板材及多种非金属材料, 最高切割速度可达10m/min, 因此切割面光洁, 热变形小。
在等离子切割领域, 根据等离子气体的种类不同, 可分成空气等离子切割、氧气等离子切割、氩氢等离子切割等。各种等离子弧切割工艺参数, 如空载电压、切割电流和气体流量、电极内缩量和割嘴高度等都直接影响切割过程的稳定性、切割质量和效果。在保证切割质量的前提下, 应尽可能的提高切割速度。这不仅提高生产率, 而且能减少被割零件的变形量和割缝区的热影响区域。
2 火焰切割和等离子切割设备的结构
火焰切割和等离子切割设备结构形式主要由主驱动机构和切割机构组成, 其作用分别为:主驱动机构夹紧工件并带动工件旋转, 切割机构按要求切割工件。主要有卡盘式和滚床式两种。
2.1 卡盘式切割机卡盘式切割机是卡爪式卡盘夹紧水平放置
的工件, 减速电机通过齿轮或链条等带动卡盘旋转, 卡盘带动工件旋转。切割机构大致可分为三轴, 五轴, 六轴, 七轴等。
2.1.1 三轴切割机的三轴为:工件绕X轴旋转, 割炬沿X轴移动和割炬沿X轴摆动。
2.1.2 五轴切割机的五轴为:工件绕X轴旋转, 割炬沿X轴移动, 割炬沿Z轴移动, 割炬沿X轴摆动和仿行跟踪。
2.1.3 六轴切割机的六轴为:工件绕X轴旋转, 割炬沿X轴移动, 割炬沿Y轴移动, 割炬沿Z轴移动, 割炬沿X轴摆动和仿行跟踪。
2.1.4 七轴切割机的七轴为:
工件绕X轴旋转, 割炬沿X轴移动, 割炬沿Y轴移动, 割炬沿Z轴移动, 割炬沿X轴摆动, 割炬沿Y轴摆动和仿行跟踪。
卡盘式切割机主要适用于中小管径φ25-φ630mm的管子切割, 可切圆管和方管。一般为卡盘固定, 托架托动工件升降调整工件中心高度以满足切断不同管径的管料。而如果需要轴向输送工件时, 则为托架固定, 卡盘升降调整中心高度以满足切断不同管径的管料。
2.2 滚床式切割机滚床式切割机的驱动机构是减速电机通过
齿轮或链条带动托盘旋转, 托盘靠工件自重形成的摩擦力带动工件旋转。切割机构和卡盘式相同。
滚床式切割机主要适用于大中管径φ60-φ1520mm的管子切割, 只能切圆管, 或者增加圆形旋转工装后可切割方管。一般滚床托盘固定, 靠切割机构升降以满足切断不同管径的管料。而如果需要轴向输送工件时, 则为可调整两托盘之间的距离, 调整工件高度以满足切断不同管径的管料。
目前的滚床式切割机产品大都是主传动机构在一侧, 使用电机和托盘之间使用齿轮传动, 因此长距离轴输送扭矩, 从电机端到另一端, 长轴的扭转变形, 会造成两端旋转速度不同, 而很容易产生工件轴向窜动或卡滞。而如果把切割机主传动机构在中间, 或者两端同步电机传动, 则可有效降低两端旋转速差。
3 火焰切割和等离子切割的应用
火焰切割和等离子切割的切割形式和工件断面形状基本相同, 一般用于管件相贯线的切割。而相贯线切割机按切割形式主要切割形状可分为:
3.1 三轴切割机 (1) 开槽切割; (2) 四方孔切割; (3) 端部切断并开坡口。
3.2 五轴切割机 (1) 开槽切割;
(2) 四方孔切割; (3) 端部切断并开坡口; (4) 斜交支管端头切割; (5) 同径V字支管端头切割; (6) 切割焊接弯头、虾米节两端斜截端面; (7) 两支管交叉相贯线切割; (8) 三 (多) 支管交叉相贯线切割; (9) 主管开相贯线孔; (10) 固定坡口、定角坡口、定点坡口的切割。其中:定角坡口是割炬以固定角度进行切割;定点坡口是在切管的0°、90°、180°、270°点上设定角度, 在定点位置之间割炬自动变化坡口角度进行切割;固定坡口是输入相贯的焊接坡口角度, 系统自动计算切割的坡口角度进行切割。
3.3 七轴切割机 (1) 能在主管上切割相贯孔, 满足主管轴线与单根支管轴线偏心与非偏心、垂直与倾斜相交等条件;
(2) 能在支管端部切割相贯线端头, 满足单根支管轴线与主管轴线偏心与非偏心、垂直与倾斜相交等条件; (3) 能在管子上切割平行管轴心的方孔、腰形孔、圆角矩形孔, 满足偏心与非偏心, 垂直与倾斜相交等条件; (4) 能在管子上切割平行管轴心的方槽、腰形槽、圆角矩形槽, 满足偏心与非偏心, 垂直与倾斜相交等条件; (5) 切断型切割可同时开槽; (6) 能切割焊接弯头“虾米节”的两端面及切割垂直和斜截端面; (7) 能切割同规格管材多管对接端面; (8) 能切割与环型主管相贯的支管相贯线端头, 单根支管情况可偏心; (9) 能切割与矩形管相贯的圆支管端头; (10) 能切割无主管、有主管单管相贯, 多管相贯的支管相贯线端头。支管与主管轴心需相交于一点。主管可直管、弯管或方管;11可开定角度、变角度、定距离及变距离的坡口及360度的孔坡口。
在现代化生产中, 管料热切割设备越来越多的应用于石油、煤矿、船舶、建筑、生活用品等很多方面。为满足自动化使用需要, 提高生产效率和生产安全性, 管料切割设备还可增加自动上下料系统, 使其和其他前序加工和后续加工有机的连接成一个整体的生产线, 更好的实现无人高效安全操作。
参考资料:
摘要：对于管料切割来说, 从简单的切断, 开坡口, 到复杂的相贯线、“虾米节”等, 火焰和等离子切割可满足各种切断要求, 而且成本低, 断面形状质量好, 应用广泛。
关键词：热切割,等离子切割,火焰切割,相贯线
参考文献
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化学切割论文 篇5
日前, 由哈尔滨焊接研究所研制的"超大厚度钢锭火焰切割设备"通过了黑龙江省工业和信息化委员会组织的新产品鉴定。最大切割厚度达到3.5m, 主要技术指标国内领先、达到国际先进水平, 与日本的技术水平持平。
据介绍, 超大厚度火焰切割设备是超大型铸锻件项目配套的数控切割技术装备。目前, 国内对2.6m以上厚度金属件的切割技术设备还没有制造能力, 国外对我国实行技术封锁, 是困扰我国超大金属工件切割加工的技术瓶颈。
该设备的切割厚度最大可达3 500 mm、断面垂直度可控制在12 mm/m以内、切割速度最高可达35 mm/min。该产品在以下方面实现了技术突破, 均属国内首创:1) 研发了超音速外混式割炬割嘴, 开发了2 000~3 500 mm超大厚度钢锭火焰切割工艺, 实现了高效优质切割。2) 研发了超大厚度钢锭火焰切割专用的大流量回火防止器, 性能稳定、可靠。3) 研发了大流量能源介质系统, 通过对能源介质压力和流量等工艺参数的远程控制, 实现了火焰形态的适应性调节。
化学切割论文 篇6
1 穿孔技术
任何一种热切割技术(如激光加工、等离子加工、火焰切割等),除少数情况可以从板材边缘开始外,一般都必须在金属板材上预穿一小孔,然后进行后续加工。穿孔质量的好坏直接影响到切割轮廓的质量,特别是轮廓尺寸接近板材厚度的小轮廓;其次,穿孔时间长短也直接影响到切割加工的生产效率,所以穿孔技术是激光切割加工的关键技术。常见的穿孔方式有以下三种。
1.1 爆破穿孔
如图1所示,爆破穿孔又称为直接穿孔(CW方式),利用激光光束的连续性的工作原理,在加工材料的表面的某个地方,形成一个凹坑,然后根据激光束以及同轴的辅助气体的加入,形成一个孔型,再根据设备以及材料的对位差,形成穿孔缝隙,最终完成整个爆破穿孔过程。
此穿孔过程中产生缝隙的大小跟板材的厚度成正比。加工材料越厚,其穿孔的缝隙就越宽,造成的材料浪费越大。爆破穿孔的优点是可以大幅度提高穿孔时间,从而提高生产效率,缺点是在穿孔时,会发生大量熔融金属向上喷的现象,容易污染光纤激光切割头中的保护镜片,同时厚板切割加工小孔(直径<板厚)时,由于穿出来的孔的直径可能会超过所需要切割轮廓的直径,会导致产品报废。
1.2 脉冲穿孔
脉冲穿孔采用的是激光束中最强大的高峰值的脉冲激光进行穿孔,脉冲激光束的功率可以达到额定功率的2.5倍左右,能够使加工材料熔化甚至汽化。脉冲激光利用的是逐步深入的工作原理,对于厚型材料的加工,不影响切割效果,只是切割速度变慢,因此在加工质量方面,要高于爆破穿孔,如图2所示。当碳钢材料的板厚在10mm以上时,使用脉冲穿孔则加工时间会急剧增加。从理论上讲,通常可以改变穿孔的条件有焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短,改变以上的可能性不大。在实际生产中主要采用改变激光平均功率的方法实现。具体方法有以下三种:①改变脉冲占空比;②改变脉冲频率;③同时改变脉冲占空比和频率。实际结果表明,第③种效果最好,穿孔质量比较高而且稳定。
表1是扬力ML-3015F(IPG 2000W)碳钢12mm脉冲穿孔工艺数据(三阶穿孔工艺)。
1.3 变焦穿孔
变焦穿孔的原理是切割头上方安装变曲率半径镜片(VRM),在穿孔过程中适时改变镜片的曲率半径从而改变焦点的相对位置,达到节省穿孔时间、提高穿孔效率和稳定性的目的。大量的穿孔试验数据表明,该穿孔方式比上述两种方式效率可提高20%以上。其缺点是由于频繁改变曲率半径大小,镜片长时间使用容易损坏,镜片的制造成本也比较高,目前没有能够得到大批量应用。
综上所述,激光切割加工穿孔工艺无非采用上述一种或多种的组合,需根据实际情况进行选择。考虑到热效应对切割加工的影响,有时还需要采用预穿孔技术或者间隔穿孔技术来切割产品,以便加工出优质的产品。
2 引线设置
在正常切割过程中,通常采用CW模式进行穿孔。该类型穿孔时间短,但正如以上所述,该方式会产生一个比脉冲穿孔更大的孔。因此,起切穿孔的位置通常选在轮廓的外边。穿孔和实际轮廓之间的切割线称之为引入线,结束时出来的那部分切割线称之为引出线。引入/引出线的设置对切割加工质量也至关重要,引线设置主要分为引线长度和引线类型两方面。
2.1 引线长度
由于穿孔过程中会产生大量的热量,在切割实际轮廓之前尽可能将热量散发掉是非常关键的,特别在切割小的内轮廓时尤为重要,处理不当会导致无法切割。试验表明引线长度取决于板材厚度和孔的直径,表2为ML-3015F机型的参考数据表。
2.2 引线类型
激光切割加工为热加工类型,切割过程中功率大小、辅助气体气流的稳定性、喷嘴的新旧程度甚至机床本身的运动性能均会影响切割加工质量和切割精度,从理论上分析任何方式的引入均能够满足切割要求,为了弥补上述因素对切割的影响,自动编程软件中可以设置多种引线类型来避免切割缺陷。引线类型有直线、圆弧、直线+圆弧、徒手直线等,同时还能够对单独的直线和圆弧进行任意角度设置。常用的引线类型如图3所示。
(a)0°直线引入(b)90°圆弧引入
3 拐角设置
在切割碳钢板材时,由于机床运动轴在拐角处的加减速和辅助气体气流的影响,会导致直角处出现不同程度的烧伤;在切割不锈钢板材时,若不进行处理,会出现拐角处有比较大的切割毛刺现象。为此,需要对切割路径进行优化,采取倒角或者拐角设定的方式来避免烧伤和毛刺。
对拐角设定倒角半径除了可减少毛刺产生外,还使轴移动的动态性能更好,同时热影响区减少。最优倒角半径R=板材厚度/10,但不小于1mm。
对于用户工件有特殊要求的情形,不允许在拐角处进行圆角处理,此时需要采用如图4所示的拐角设置(绕角处理)方式达到最理想的切割效果。
4 小结
激光切割加工是一种非常复杂的加工工艺,有多种因素影响切割质量和加工效率。本文只针对在实际切割加工中常用的穿孔方式、引线设置和拐角处理等方面设定来分析影响切割质量的因素。大量的切割加工表明,处理好以上设定,对切割质量的提高有很大的帮助作用。
摘要：通过对激光切割机切割质量的大量试验研究,从激光切割加工特殊工艺要求来分析穿孔技术、引线设置和拐角设置等特殊工艺设定对切割质量和加工效率的影响。
关键词：激光切割机,特殊工艺,切割质量,脉冲穿孔,引线设置,拐角设置
参考文献
[1]陈武柱.激光焊接与切割质量控制[M].北京:机械工业出版社,2010.
[2]曹凤国,等.激光加工技术[M].北京:科学技术出版社,2007.
化学切割论文 篇7
有关电火花线切割效率提高的研究永远是电加工行业永恒的课题,国外低速走丝电火花线切割(low speed wire-cut electrical discharge machining,LSWEDM)的最大切割效率在300mm2/min沉寂了一段时间后,近来有了新的突破。由于窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发,在与其他条件(各种控制方式、供液条件、复合电极丝等)配合下,可使最高切割效率达到350~500 mm2/min[1]。近年来高速走丝电火花线切割(high speed wire-cut electrical discharge machining,HSWEDM)随着“中走丝”机床(具有多次切割功能的HSWEDM)工艺的逐步推广及复合工作液的普遍使用,其最高稳定切割效率已从以往的100mm2/min左右跃居到目前的接近200mm2/min[2]。但达到这个切割效率后,似乎又停滞不前了。针对此本文进行了初步探讨。
1 高效切割机理分析
1.1 工作液
高效切割的前提是在不断丝的条件下,输入尽可能大的能量,并且维持两极之间处于正常的放电状态。复合工作液的使用之所以能大幅度提高HSWEDM的切割效率,其主要原因之一就是以往采用的乳化液洗涤性能较差,放电后乳化液组分中大量烧蚀的机油与蚀除的金属颗粒结合在极间会形成大量的黏性蚀除产物,堵塞在切缝内,阻挡了新工作液的进入,使得输入能量增加后,放电只能在缺乏极间工作液的黏性的且有松散导电能力的胶体介质中进行,极间放电后不能及时消电离和冷却,因此其放电的波形有较多是从短路直接进入放电状态的(图1)。放电能量增大后,极间冷却困难,电极丝极易烧断,工件表面也容易产生因烧伤而导致的黑白交叉条纹。平均加工电流一般需要控制在3A以内,由此导致HSWEDM实际的切割效率长期徘徊在40~80mm2/min之间[3],而复合工作液相对乳化液而言具有很好的洗涤能力,且放电后不易产生极间黏性蚀除产物,可以保持极间处于正常的冷却状态,因此其放电波形有较大比例体现出具有间隙放电特征的放电延时击穿(图2),其平均切割电流可以增加到6~7A。这样首先从能量的输入而言,可以使得切割效率提高一倍,并且由于极间冷却、消电离充分,放电能量的利用率大大提高;其次,复合工作液与乳化液相比具有较高的电导率,从而起到较好的电解整平及进一步提高脉冲效率的作用,增加能量的利用率并拓宽切缝;第三,复合工作液由于其电导率较乳化液有较大提高,使放电过程中用于击穿介质的能量消耗降低,从而有效提高了脉冲放电几率并降低了能量损失,提高了加工效率;第四,由于极间工作液充分,对放电通道的压缩明显,因此在放电过程中产生的爆炸压较大,蚀除产物的排出更加彻底。上述这些因素综合导致了使用复合工作液后,正常放电的比例大大提高,单位电流切割效率达到30mm2/(min·A),比乳化液的单位电流切割效率20mm2(min·A)提高了50%,因此选用正确的工作液以维持极间保持正常的冷却及消电离状态是大能量切割条件下提高切割效率的首要条件。
1.2 极间供液形式及放电间隙
由于复合工作液优异的冷却和洗涤性能改善了极间放电状态,一次切割效率获得成倍提高,最高可接近200mm2/min。但如果继续增大放电能量,切割效率不会继续提高,其问题实质仍是极间放电状况恶化的结果,而此时主要的问题是大能量切割时投入的放电能量在极间产生了巨大的热量使进入极间的介质瞬时产生气化、分解,如果极间工作液得不到及时补充将使后续放电在只有部分工作液或者无工作液的极间状态下进行,将使得放电状态严重恶化,致使切割效率无法进一步提高。为此在大能量切割时必须考虑变更原有传统的浇注式冷却方式。也就是说,采用HSWEDM大能量切割时,原来采用的工作液浇注冷却方式,即无压力的工作液仅仅依靠附着在电极丝上并随其高速带入极间的冷却方式已不再适用,必须采取高压强迫喷液的方式尽快补充极间汽化掉的工作液。由于复合工作液具有较强的洗涤性,加工中不易产生胶体物质,蚀除产物易于排出,极间切缝较为通畅,为其高压喷入提供了有利条件,因此采用复合工作液仍然是喷液方式的首选。为此需进行以下系统改进:首先,对原浇注式喷嘴进行改进,采用共轴式高压喷嘴,以减小喷液对电极丝的冲击;其次,为降低喷液对电极丝产生冲击引起的扰动,可以增加电极丝导丝器,以提高加工区电极丝的刚性。其喷嘴结构如图3所示。
图4为常压浇注(液体压力为0)状态下采集的放电波形图,图5为高压喷液(喷液压力为0.5MPa)状态下采集的放电波形图。从图4可以看出,采用常压浇注式的冷却方式,极间放电状态已经恶化,放电击穿延时波形较少,单个脉冲放电波形中常伴随较多的微短路现象,说明此时极间工作液的损失较多,极间排屑效果较差,同时极间较多的蚀除产物在钼丝的带动下彼此之间易发生短暂的接触,在两极间容易形成瞬时“搭桥”,从而导致微短路频发。即使是偶尔出现的空载状况,也由于极间工作介质的物理状态已由单一的液态转化为气液两相状态,电解电流大大降低。
相同条件下,图5表现出不同的放电状态。由于采用高压强迫喷液,强化了极间供液,使得极间能够获得充足的液体放电介质,因而处于正常的具有放电击穿延时的间隙状态,提高了脉冲的利用率。
以往对于放电间隙的宽窄通常认为HSWEDM单边放电间隙基本在0.01mm左右,该结论的得出主要是由于当时采用的工作介质是乳化液且平均切割电流在3A以下,因此也就可以得出:对于HSWEDM,极间的冷却主要是依靠附着在电极丝上的工作液带入切缝而进行的结论。但在使用复合工作液且在较高放电能量条件下所获得的放电间隙则完全不同。在本文实验条件下,使用复合工作液后,平均加工电流为3A时,实际单边放电间隙超过0.03mm(未考虑切割面的腰鼓形),且随着切割能量的增大以及工作介质洗涤能力的增强而增大。目前,在采用大脉冲峰值电流和适当的脉冲宽度时获得的单边放电间隙完全可以达到甚至超过0.05mm[4],从而为极间高压喷液的工作提供保障。
1.3 蚀除形式
采用大能量高效切割,由于单位脉冲放电能量大、蚀除速度快,极间蚀除产物在短时间内迅速增多且颗粒体积较大,引起极间工作液的介电强度下降,为此需要较长时间的消电离过程,这样必然会影响切割效率的提高,所以在大能量高效切割时,如何将电蚀产物及时、迅速地排出放电间隙非常重要。由两相流动力学理论可知[5],固体悬浮颗粒尺寸(体积)愈小,其惯性越小,流体越容易将其带走;反之,则难以被快速带走。另外,固相颗粒聚集程度越高,越难以被流体冲走,反之越分散,越易被流体冲走。故当放电加工时,极间蚀除产物颗粒越大,越难以排除,久之便容易产生集聚,使排屑难度加大,同时在两极间易形成“搭桥”,引起短路,造成加工不稳定。因此在电火花线切割中,蚀除颗粒尺寸(体积)越小、越分散,越有利于蚀除产物的排出和极间放电的稳定。
电火花加工蚀除产物颗粒的形状大小在很大程度上与电火花蚀除形式有关。蚀除形式主要有[6]:①气化、蒸发,金属直接由固液态转变为气态或如同水的沸腾那样被去除;②熔化,此时,金属先被熔化,然后在阴极或阳极表面被高压炸散成小液滴而被去除;③热震,由熔化和沸腾着的表面以小颗粒状脱落下来。一般这三种蚀除形式相互伴随,各方式所占比例取决于工件材料的性质、放电能量、脉冲频率、占空比、加工面积和其他机床参数。因此在工件材料一定的条件下,可以通过改变电参数来调节三种蚀除方式所占的比例,以期达到尽可能提高气化、蒸发方式的比例并降低熔化、热震方式比例的目的。气化、蒸发的方式蚀除的金属基本可以通过热蒸气的形式直接排出放电间隙或经冷却后转化为极微小颗粒,便于工作液将其带出放电间隙,以提高极间放电稳定性。显然,提高单脉冲放电能量密度有利于蚀除方式向气化、蒸发的方式转变,而提高峰值放电电流、缩短脉冲放电时间,可有效提高单脉冲放电能量密度。因此在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证较大的平均电流的基础上缩小脉宽。
图6所示为不同高低压复合脉冲电源放电形式下切割的工件微观表面。其中图6a所示为脉冲电源高压142V、低压42.5V情况下切割得到的工件微观表面形貌,图6b所示为脉冲电源高压85V、低压39V情况下切割得到的工件微观表面形貌。从图6a可以看出,切割工件表面较为光亮且基本没有凝固的金属液滴。分析认为,由于脉冲电源电压较高,单脉冲放电能量密度较大,致使切割加工中气化蚀除比例较高,气化后的蚀除产物容易排除,从而改善了极间洗涤、冷却状况,并使切割工件表面较为光亮。图6b的切割工件表面较为灰暗,其表面存在较多的毛刺和凝固的金属液滴,说明由于脉冲电源电压较低,单脉冲放电能量密度有所降低,加工中熔化蚀除比例较高,致使切割工件表面金属液滴残留增多,且由于熔化后的蚀除产物较难排除,极间的洗涤、冷却效果有所下降,切割表面相对较暗,在基本相同的平均切割电流条件下,两种切割状况平均切割效率相差5%~10%。
2 实验
根据上述分析的结论,在大能量切割条件下,通过对比常规浇注式和辅以高压同轴喷液冷却方式的HSWEDM切割工件表面形貌和切割效率,检验在极间大能量切割条件下,辅以高压喷液冷却方式对切割工艺性能具有较好的改善效果。实验现场照片如图7所示。
实验工件:淬火Cr12模具钢,厚度为26mm;工作液:佳润JR3A超浓缩乳化膏,与水按1∶40配比,考虑到冲液后会产生泡沫,适当加入消泡组分加以控制;电极丝:钼丝,0.18mm;运丝速度:10m/s;电极丝长度:100m;喷嘴与工件表面距离:0.5mm;高压水泵:Grundfos(格兰富)高压水泵,CRK2-110。加工参数:脉宽64μs,占空比1∶5,功率管7支,脉冲电源高压85V,低压39V。分别做了几组实验,为便于分析,取其中三组,结果如表1所示。切割完毕的常压浇注冷却(1号)与喷液冷却(4号、5号)工件表面如图8所示。
从实验结果可以看出,高压喷液冷却方式下的切割效率较常压浇注冷却方式下的切割效率有大幅提高,突破了平均切割效率长期处于200mm2/min以内的局面,并且在同样加工参数条件下,切割效率的增幅接近20%,此外,由图8可以看到,常压浇注冷却条件下切割表面带有大量的由于极间没有充足工作液冷却而导致的黑白交叉的烧伤纹,且由于极间得不到及时充分的冷却,电极丝烧断的几率大大增高,而高压喷液冷却条件下的切割表面基本没有烧伤纹,电极丝的使用寿命也大大提高。实验表明,辅以高压喷液的HSWEDM在大能量放电加工条件下可以进行高效切割。
3 结论
(1)正确选择工作液,以实现极间清洁的间隙状态及较宽的切缝是实现大能量放电切割的前提。
(2)采用同轴高压喷液方式,能及时补充因大能量放电加工而气化的极间工作液,使极间放电和冷却状况得到改善,并消除切割表面烧伤纹。
(3)在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证平均电流较大的基础上减小脉宽,以尽可能实现以气化为主的蚀除方式。
参考文献
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[3]周大农.电火花线切割加工技术的现状和发展[J].机械工人,2006(6):17-19.
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