高速旋轉氧電弧干式切割裝置設計

朱安康 徐俊濤 趙先銳 杜訓柏 朱征宇

摘要：水下切割技術作為海洋工程結構維修安裝的一門重要技術，得到了越來越廣泛的重視和應用。美國Broco公司研制的專用水下割條利用高壓氧氣作為電弧氣體介質實現水下切割過程，切割效果好，效率高。為了切口面光滑程度，本文研制了一種能夠實現高速旋轉電弧切割的割槍裝置，并在干式環境下做切割試驗。試驗結果表明：高速旋轉的氧電弧能略微提高切口面光滑程度，但由于割條略有彎曲以及割槍整體裝配程度不高，導致割條以及電弧偏心，形成一定的公轉效應，導致切口割渣在電弧偏心力作用下甩向工件正面，從而造成表面成形較差，不過氧化割渣容易去除。

關鍵詞：高速旋轉;氧電弧;干式切割

中圖分類號：TG444+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0077-02

0? 引言

海洋工程結構制造是國家實施“一帶一路”、“沿海戰略開發”等國策的一項重大產業。水下切割屬于沉船打撈、海洋平臺拆除等海工結構水下作業當中一項極為關鍵的技術。美國Broco公司研制的專用水下割條利用高壓氧氣作為電弧氣體介質實現對鋼板進行熔化和氧化，并利用高速氧氣和電弧粒子流吹除割渣，從而實現水下切割過程，切割效果好，效率高。但其氣體和電弧粒子流不穩定，容易造成切口面光滑程度不夠，切割質量有待提高。本文研制了一種能夠實現高速旋轉電弧切割的割槍裝置，并在干式環境下做切割試驗，以期利用高速旋轉氣流和電弧提高切口表面光滑度，為后續水下高速旋轉氧電弧水下切割試驗研究提供基礎。

1? 裝置結構設計

整個切割裝置原理如圖1所示，割槍結構如圖2所示，實物割槍如圖3所示，電機轉速調節電圖如圖4所示。割槍裝置主要由旋轉電極盤、割條聯軸器、氣管接頭、直流無刷電機、饋電箱體、電纜接口等部分組成。

其工作原理是，直流無刷電機帶到旋轉電極盤進行高速旋轉，進而通過割條聯軸器帶動割條和電弧進行高速旋轉。直流無刷電機可通過電機轉速控制器進行調節。實測轉速可達8000RPM。氣管接頭接入高壓氧氣，其流量通過氧氣閥調節，利用流量檢測儀進行實際流量測量。氣體經過直流無刷電機的空心軸，再經過割條后噴出，隔條下端口形成切割電弧。饋電箱體則通過電纜接口接入外部電纜，內部通過電刷實現旋轉饋電過程。

電路工作原理如下：LM317為穩壓管，為NE555定時器提供5V電壓，直流電機接24V開關穩壓電源，通過NE555構成PWM脈沖調制電路，YPI17575C為MOS管，改變電位器電壓值，通過NE555改變電容C8充放電時間來改變MOS管導通角，從而改變PMW的占空比，進而改變直流電機兩端電樞電壓，達到電機轉速調節目的。

2? 切割試驗

試驗參數如表1所示，采用手工切割，引弧電流為120A，切割電流為280A，電弧旋轉速度3000rpm，切割氧氣流量為100L/min。試樣尺寸為100*60*6，材質為普通Q235低碳鋼板。割槍角度略微后傾10-15度。

3? 結果討論

切口面圖片如圖5所示，切口正面如圖6所示。從圖中可以看出，切口2相比較切口1，切口面光滑程度略有提高，但是切口2的寬度相比較切口1寬，同時切口2正面割渣較切口1正面割渣多。如前所述，切口2相比較切口1，切口面光滑程度略有提高是因為電弧旋轉粒子對切口面起到了切向沖擊作用。但由于割條略有彎曲以及割槍整體裝配程度不高，導致割條以及電弧偏心，形成一定的公轉效應，導致切口2割渣在電弧偏心力作用下甩向工件正面，從而造成表面成形較差，不過好在氧化割渣非常容易去除，輕輕敲擊即可去除切口2正面割渣。

4? 結論

①所研制的高速旋轉氧電弧切割裝置能實現穩定的干式環境切割過程。

②高速旋轉氧電弧干試切割較不旋轉電弧條件下能略微提高切口面光滑程度。

③高速旋轉氧電弧干試切割較不旋轉電弧條件下，割口寬度略高且表面割渣較多。

參考文獻：

[1]梁孝巨，劉世明.高效率電弧—氧水下切割研究[J].華南工學院，1979（01）.

[2]吳毅雄，俞尚知，姜煥中，俞海良.水下電弧切割現象和工藝參數的研究[J].上海交通大學學報，1981（08）.

[3]陳曉強，馬震，汪福強.水下高壓氧電弧切割參數對切口質量的影響[J].金屬加工，2014（08）.

[4]Danchenko， M.E， Underwater arc cutting with a cored electrode[J]. Welding International， 1989， Vol.3， No.7：562-563. 10.1080/09507118909446610.

[5]Asit Kumar Parida， Numerical and experimental analysis of specific cutting energy in hot turning of Inconel 718[J]. cutting journal， 2009（14）.

[6]Kang-Yul Bae， A study on prediction of the size of heat affected zone in oxy-ethylene flame cutting of steel plates[J]. welding and cutting， 2015（39）.

[7]Hamasaki，-M.; Tateiwa，-F.; Kanatani，-F.; Yamashita， -S， A consumable electrode water jet cutting technique is described[J]. Koon-Gakkai-Shi，1984， Vol.10， No.1， 18-23.