等離子切割工藝在低合金高強鋼上的應用

Dirk OTT，張 敏

(維克多科技(中國)公司，上海 201103)

1 低合金高強鋼的概念

低合金高強鋼(HSLA)或稱為微合金鋼是專用于在常規狀態下較常規碳鋼能提供更好的機械性能和(或)更大的抗環境腐蝕性，因其設計就是為了滿足特定機械性能需求而僅非化學成分構成。

HSLA的碳含量比較低，w(C)=0.05% ～ 0.25%，目的是能產生足夠的可鍛造性和可焊接性，錳含量至多為2.0%，還有少量不同比例組合的鉻、鎳、鉬、銅、氮、釩、鈮、鈦和鋯成分。

HSLA材料常用于轎車、卡車、吊車、輪船、橋梁、過山車以及其他專門處理大量應力，或需要較好強度—重力比的結構中。在同一強度下HSLA鋼通常比碳鋼輕20%～30%。

HSLA可以分為以下幾類:

(1)耐候鋼。被指定用來展現優良的抗環境腐蝕性。

(2)控軋鋼。根據預先確定的軋制方案進行熱軋處理，目的在于開發高成形性奧氏體結構，以便冷卻過程中可轉化為極細的等軸狀鐵素體結構。

(3)珠光體降低鋼。由細晶鐵素體和析出硬化相來加強硬度，但因碳含量非常低，因此在微結構中幾乎或根本沒有珠光體。

(4)微合金鋼。通過添加微量的鈮、釩和(或)鈦元素，改良了粒度和(或)析出硬化。

(5)針狀鐵素體鋼。非常低的碳含量具有足夠的淬硬性，在冷卻過程中可轉變成非常細的高強度針狀鐵素體結構，而非常規的多邊形鐵素體結構。

(6)雙相鋼。經加工成為含有高碳馬氏體均勻分布小區域的鐵素體微結構，這樣產品既有低屈服強度又有高加工硬化率，從而提供優良的成形性高強度鋼。

2 HSLA鋼板特性解析

HSLA鋼板特性非常重要，應根據特定的應用場合選擇適合的性能。表1列出了HSLA的分級和主要特性，表2列出碳鋼鋼板的特性。控制粒度對屈服應力和沖擊轉變溫度(ITT)有著非常重要的影響。

表1 典型HSLA材料特性

表2 典型低碳鋼材料特性

材料特性不僅取決于材料合金，還受到粒度微結構的嚴重影響。如圖1所示，粒度值增加，屈服應力會增加(正斜率屈服應力線)。而此時，沖擊轉變溫度則減少，如圖所示的負斜率曲線(鋼板由韌性到脆性斷裂過渡時的溫度)。因此根據應用要求需要計算出屈服應力和沖擊轉變溫度之間的平衡點。

3 如何切割HSLA鋼板

切割HSLA鋼板的實用工藝有四種。

(1)等離子切割。

圖1 粒度微結構對HSLA屈服應力的影響

等離子切割工藝可以切割所有導電材料，如鋼板、不銹鋼板、鋁板等，碳鋼切割厚度0.5～50 mm，不銹鋼切割厚度可達160 mm。在等離子切割工藝中，可以使用空氣、O2、N2、Ar/H2或者其他混合氣體，氣體以很高速度從割嘴吹出，同時通過割嘴電極在工件表面形成電弧，部分氣體轉化成等離子。高達30 000℃的等離子氣熔化被切割金屬，并快速移動將被熔化的金屬水從切割口吹走。

(2)火焰切割。

在火焰切割工藝中，視氣體不同，割炬可釋放高達3 500℃的熱量來加熱低碳鋼(其他金屬不能真正被切割)達到熔點溫度，然后一股氧氣瞄射金屬，將金屬燃燒成氧化物，以熔渣的形態從切口流出。

(3)激光切割。

激光切割使用波長為488～10 600 nm的光能以及不同種類氣體(如N2、O2、空氣)來切割所有種類的金屬材料以及木材、玻璃、纖維等非金屬材料。如二氧化碳激光、固態(YAG)激光、光纖激光和半導體激光。

激光切割的功率消耗約為等離子切割的兩倍，且需要高壓力高容量的N2來切割有色金屬(氣體使用量是等離子切割的約35倍)，切割中厚板時的使用成本很高。激光切割薄板的速度很高，但是板材厚度大于10 mm時，切割速度大幅度下降，穿孔時間延長。

(4)水刀切割。

水刀是能夠切割多種材料的工業切割工具，它使用極高壓力的水流切割較軟材料，如木材或橡膠，或者采用水和研磨劑的混合體切割較硬材料，如金屬或花崗巖石材。在機械部件的制造中通常采用水刀切割工藝。當被切割材料對其他切割工藝中產生的高溫非常敏感時，水刀就是最佳的切割方法。水刀切割廣泛應用于各個行業的切割、成型和鉸孔作業中，如采礦、航天等。

水刀切割工藝的缺點是切割金屬的速度極其緩慢，而且需要不斷向高壓射流中添加研磨材料，因此產量偏低，磨料成本較高，導致小時成本非常高。等離子切割可獲得與水刀切割相似的切割質量，但是切割速度較快，生產成本極低。因此在很多情況下是水刀切割的絕佳替代技術。

上述四種切割工藝匯總對照如表3所示。

表3 切割工藝對照

表4是對四種切割工藝性能的匯總排序，1最好，4最差。熱影響區(HAZ)是在HSLA大量應用時的關鍵指標，因為在很多情況下必須消除HAZ以達到最佳的可焊性。盡管水刀切割工藝在熱影響區上能提供最佳表現性能(無熱影響區)，但其對厚板的超慢切割速度無疑限制了這種工藝的實際使用。激光切割僅次于水刀切割位居第二位，且是薄板材切割當仁不讓的優選工藝，但因其初期投資較高，很多潛在用戶都不會選擇激光切割。于是等離子切割工藝因其良好性能和靈活性成為切割HSLA的首選。

表4 切割工藝性能

20 mm厚度HSLA板材的等離子切割效果如圖2所示，右圖能清晰地看出HAZ(熱影響區)非常小，切割表面光滑無掛渣，切割角度接近90°。工件是由維克多(Victor Thermal Dynamic)等離子切割設備Ultra－Cut 200 XT完成，切割電流200 A，等離子氣為O2，保護氣為空氣。

圖2 HSLA(20 mm)實際切割效果

4 等離子工藝切割HSLA的系統要求

等離子切割系統由電源、氣體控制箱、割炬和CNC數控系統組成。

4.1 等離子電源系統

等離子電源是根據等離子弧產生的原理設計。等離子電源以壓縮空氣為工作氣體，以高溫高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬局部熔化，并同時用高速氣流將已熔化的金屬吹走，形成狹窄的割縫，從而達到切割目的。

等離子電源設計采用創新的逆變技術，串行輸入/輸出信號連接技術實現等離子電源、CNC控制系統和氣體控制之間無限溝通，系統的整體效率大大提高。微處理器控制設備可實時提供詳細操作信息。在高度集成的等離子切割系統中，此信息可以直接顯示在CNC控制系統中，方便使用者準確實時了解當前系統運行狀況。

維克多高精度等離子自動切割系統切割質量可達ISO9013三級甚至更佳(見表5)。切割HSLA鋼板幾乎無掛渣，表面光滑，切割角度小于3°(數據源于以往切割實踐)

4.2 割炬與易損件

割炬是產生等離子弧并進行切割的關鍵部位。割炬電極一般采用間接水冷式鎢極，工作氣體可使用O2、N2、空氣或Ar/H2混合氣，而保護氣體可用O2、N2、Ar或水。現代割炬具有更強的穿孔能力，所產生的高密度電弧大大改善了切割質量，實現小割縫、平整切口、材料變形小的效果。新的快速卡座技術使易損件更換便捷并達到歷史上最短時間，大大縮短因為更換易損件引起的停機時間。

表5 ISO9013:2002(E)規范

維克多XTremeLife技術使易損件使用壽命得到最大的延長。長壽命需要對割炬的流量控制以及對電源輸出的精細控制。如現有新型300/400A電極帶有多片鉿嵌入設計(見圖3)，有助于在較高電流情況下延長部件壽命。新型雙片式噴嘴(見圖4)可以持續對孔道整體進行冷卻，以確保在整個易損件的使用周期內都能獲得最佳切割質量。

圖3 多片鉿嵌入設計

圖4 內部冷卻結構

4.3 高度調節控制

高度調節控制是利用等離子電源的基本恒電流特性，通過檢測等離子弧電壓的變化，來測定等離子切割過程的割炬高度變化，實現對切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有初始自動定位、開機穿孔與斷弧提升功能、割炬防撞、給定與實際弧壓顯示監控、手動與自動操作等。

維克多高度調節控制的一大改進就是通過更精確的電壓控制實現最優的HSLA鋼板切割質量，電壓控制精度提高到±0.5 V。CNC控制系統中的智能邏輯不僅節約時間，而且改善性能。智能化工藝參數提高割炬的再次穿孔能力(即割炬穿孔后再次升高)。通過使用更強電機，實現更迅捷的行走控制。在高度集成的系統里，通過CNC內置專家系統使高度調節控制更為便捷快速。

4.4 CNC控制系統

為了實現高速、高精度曲面輪廓精加工，必須提高微小輪廓線段的解釋處理能力和伺服驅動性能。維克多CNC系統已具有足夠高的數據處理速度，精確控制切割臺行走軌跡，確保高精度、可重復性、速度以及加速，從而達到最優的HSLA鋼板切割質量。

在等離子切割工藝中，切割碳鋼可使用O2或空氣作為等離子氣。盡管空氣比O2便宜，但與使用O2相比有明顯的弊端。使用空氣作為等離子氣，切割表面硝化物濃度含量非常高，因此需要做焊前二次處理，增加了工作量和成本。如使用O2則大多數情況無需再做二次處理。在切割HSLA板材時，大多數情況下需要去除熱影響區。

為了獲得最佳精度、最低的切割成本和最少的二次處理，需要使用高精度等離子切割系統(如維克多Ultra－Cut XT高精度等離子切割系列)。高精度的等離子切割系統的另一個優點受到高度約束的等離子弧導致更小的切縫寬度和切割表面上更小的斜度，這將導致更小的熱影響區。配備專業的高度控制器和CNC數控系統能實現最佳的切割效果。特別是在高耐磨鋼和彈道鋼切割應用上，高度控制是在起弧時避免損壞等離子割炬消耗件的關鍵要素。高度控制可實現穿孔、回縮、升降延遲等功能以優化穿孔性能。如果CNC數控系統無縫集成于等離子切割系統，那么通過改進引線的進出以及優化孔洞切割質量等條件會近一步提高切割性能。

5 結論

一套集成等離子系統無論在性能、切割成本、還是用戶友好方面都是切割HSLA(低合金高強鋼)的最佳選擇。其他切割工藝雖可提供較好的切割性能，卻有不同的弊端，如靈活性低、切割速度慢、或首次投資費用高等。