通過優化火焰切割工藝提升火焰切割效率

易翰林，李劍，羅鑫偉

（株洲聯誠集團控股股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

火焰切割是利用氧、燃氣通過割嘴加熱鋼板，使之局部達到熔點狀態，然后利用高壓氧射流切割的一種方法[1]。火焰切割是相對傳統的切割方法，因其在切割成本較低的情況下能獲得較大的經濟效益，被廣泛應用于基礎加工工業。宏觀地看，在一定的應用領域，火焰切割仍然是一個需要發展和革新的工業加工技術[2]。

當前，在滿足穩定的工藝、成熟的操作技能和最佳的設備狀態的前提下，對下料切割進行提升的難度越來越大，可提升的空間越來越小。火焰切割工藝適用于厚板下料，由于其切割速度較慢、打孔時間較長等特點，在追求提升速度和縮短打孔時間比較困難的情況下，對于切割路線和切割技巧的進一步優化是我們工藝研究的方向。本文主要根據火焰切割的生產經驗，總結了火焰切割的工藝要點，闡述了幾種優化火焰切割方式的方法，減少打孔數，縮短切割打孔總時間，進而縮短切割工序時間，提高生產效率。

1 切割工藝要點

1.1 切割氣體的選擇

選擇合適的切割氣體，是有效保證切割質量的前提。切割燃氣一般有乙炔、丙烷、丙烯、特利氣等，不同的氣體成本不一，燃燒特性也不同。企業一般傾向于選擇成本較低，又能很好地保證切割質量的切割氣體，氧氣和丙烷是目前很多制造企業的選擇。氧氣為助燃氣體，為鋼板達到燃燒溫度提供所需的能量，氧氣的純度一般應至少大于99.5%，純度低于標準值，切割質量差且不連續，純度越高，切割效果越好。而丙烷燃點高，不易回火，安全性優，且切割效果好，燃燒后很少留下雜質，成本相對較低，為切割“性價比”較高的燃氣。生產切割過程中，還應設置合適的氣體壓力。氣體壓力過大，則產生浪費現象；氣體壓力過小，則存在切割不透的問題。切割前應根據工件厚度不同進行選擇，板厚越大，氣體壓力相應增加。

1.2 割嘴型號的選取

選擇合適的割嘴型號，應與割炬類型、板材厚度、切割燃氣等因素相匹配。根據割炬類型的不同，割嘴分為等壓式割嘴和射吸式割嘴。板厚不同，割嘴的型號不同，應根據不同的板厚范圍匹配選擇合適的割嘴型號。而燃氣的燃燒速度直接影響火焰的溫度和熱傳導率，所以割嘴還應匹配切割燃氣的特性[3]。因此，選取割嘴型號必須綜合考慮割炬、板厚、燃氣等影響因素，并在使用前檢查完好性。

1.3 割嘴與工件距離的調節

板材厚度越大，由于切割速度變慢，為防止割縫上緣熔化，預熱火焰應短些，距離適當減小，以保證切割氧的垂直度和純度；板材厚度越小，距離則適當增大，防止切口邊緣熔化甚至產生“窩火”現象。一般來說，割嘴與切割工件的距離應控制在3～5 mm，但實際切割過程中，要具體根據鋼材質量、表面狀況（是否有氧化皮等）靈活掌握。

1.4 切割順序的合理選擇

合理的切割順序有利于板材得到均勻受熱，內應力相互抵消，從而減少配件的熱變形[4]。套料過程中，切割程序按“先大后小，自下而上”編制，對于窄長件且長度大于2000 mm的零件，應避免最后一道切割邊在板料邊沿切割，減少產生切割變形的可能性，優選切割順序及路徑如圖1所示。多割嘴同時切割時，應在編程時注意，將最外邊一個零件考慮通過單割嘴切割來滿足路徑要求。

圖1 切割順序示意圖

1.5 其他

火焰切割的工藝參數的選擇應綜合考慮設備性能、材料特性（材質、厚度、表面狀況等），以及生產過程中的實際情況的影響。影響火焰切割質量的因素還有很多，比如切割速度、切割平臺、零件的輪廓尺寸等。切割速度一般隨板材厚度的增大而變慢；切割平臺則應注重穩定性，剛度、強度、平穩度滿足要求，并定期進行清理，從而保證零件在切割過程中不產生傾斜變形；零件的輪廓尺寸則對切割技巧提出了要求，對于長寬比例小于4:1的零件應采用連續切割工藝，限制多余的熱輸入量，盡量減少打孔。而對于窄長件、長寬比例大于4：1的產品，應根據控制變形程度要求，選擇合適的過橋點形式，控制切割熱變形。

2 切割工藝方法優化

對于企業來說，如何用較低的制造成本投入轉化為較高的生產效益是個值得不斷探究的課題。火焰切割技術相對成熟，在設備、工藝要求滿足的情況下，對常規的切割工藝進行改進優化，在保證切割質量的前提下，能夠提高切割效率，節省企業制造成本。以下結合生產實例，介紹幾種切割工藝優化的方法。

2.1 單邊串割法

單邊串割法是針對不共邊的配件一種較好的減少打孔數的切割方法。編制切割程序時，把單件配件排成一列，從第一個配件的左邊進入切割，完成后整個過程無需抬槍再進行打孔，直接利用直行切割引入到下一個配件的切割入口點，如圖2所示。

圖2 切割原理圖

該方法的特點是每一列配件只有第一件切割時需要打一個孔，其他無需再進行打孔，實際切割如圖3所示。

圖3 實際切割圖

2.2 間隙串割法

間隙串割法是針對不共邊的配件另一種較好的減少打孔數的切割方法。把配件排成一列，設置適當的排版間隙。從第一件配件進入切割，完成后抬槍跨過配件，直到第二個配件與第一個配件的交接處，利用第一個配件切割后留下的間隙直接切割引入，進行第二個配件的切割，不需要再進行打孔，如圖4所示。

圖4 切割原理圖

該方法的特點是每列配件只有第一件切割時需要打一個孔，其他無需再打孔，實際切割如圖5所示。

圖5 實際切割圖

2.3 中間串割法

中間串割法是針對可以共邊的配件，將公共邊排成一列串聯切割的方法。排版時，把2件配件共邊排成一行，公共邊保持一列進行排版。從第一對配件的中間共邊處進入切割，完成后沒有抬槍，直接利用直行切割引入到下一對配件共邊處的切割入口點，如圖6所示。

圖6 切割原理圖

該方法的特點是每兩列配件只有第一對切割時需要打一個孔，其他無需再進行打孔，實際切割如圖7所示。

圖7 實際切割圖

2.4 Z形串割法

Z形串割法是針對方正直邊配件的一種減少打孔數的方法。編制程序時，把配件共邊排成一個方陣，從方陣的右下角第一件配件進入切割，打孔后從右下角1處進行切割，第二個配件則是從第一個的配件右上角進入而不需要再進行打孔，依次類推下去，如圖8所示。

圖8 切割原理圖

此方法的特點是每個方陣配件只有第一件切割時需要打一個孔，其他無需再進行打孔，但是此方法具有一定的局限性，只適用于方正直邊的配件，實際切割如圖9所示。

2.5 數據統計

以上方法在太原局DJ4機車項目中進行了應用實施，根據對該項目一個批次（10臺車）改善前后的數據統計分析可知，切割優化后一個批次減少了打孔數2209個，節省切割時間106.8 h，如表1所示。改進方法的應用實施，不僅節省了人工成本，同時降低了設備和易損件的損耗。

3 結語

火焰切割作為傳統的切割方式之一，在軌道交通裝備制造業中應用較為普遍。影響火焰切割的因素很多，穩定的火焰切割質量，需要匹配適宜的設備、輔助裝置、切割工藝等進行保證。對于企業來說，在保證切割質量的前提下，如何在成熟的工藝上做進一步的發掘和創新來提升切割效率、節省制造成本，是一個需要不斷研究的課題。本文總結了火焰切割的工藝要點，同時列舉了幾種優化火焰切割方式的方法，應用實施后均取得了良好的效果，希望這些方法對切割下料從業者有一定的參考價值。