船体构件切割工艺

7.4.2　船体构件切割工艺

7.4.2.1　船体构件切割工艺的分类和应用

随着新材料和新能源不断地被人们开发和利用，各种切割方法也在不断地更新和改进。

按照切割过程中所使用的能源来分，可分为热切割、动能切割、机械切割等几个主要类别，详细分类如图7.4－2所示。

图7.4－1　船体构件边缘加工（切割）工艺体系

图7.4－2　切割方法分类

船体构件切割，主要采用机械切割和热切割并以热切割为主。热切割方法中又以氧气火焰切割、等离子弧切割和激光切割在船舶工业中应用最为广泛。这三种切割方法有各自的优点和缺点，都有应用，但侧重场合不同。

激光切割主要适合于中薄板材高精度、高速度切割的场合。当需要一定的切割精度和高切割速度，而材料品种又多时，则以等离子弧切割法较为合适。在切割碳素钢的厚度规格较多（包括30mm以上较厚板）并欲减少设备投资时，采用氧气火焰切割较好。另外，在需要少量切割时，氧气火焰切割因为设备投资少、轻便灵活而成为不可替代的切割方法。

船体构件切割可分为内场切割和外场切割。内场切割一般在厂房内进行，主要是各种大型的自动切割机和数控切割机。外场切割一般在露天环境或在船上进行，一般采用氧气火焰切割，大多使用割炬和小型的半自动切割设备。

7.4.2.2　机械切割工艺及装备

机械切割是指被切割的金属受到剪刀给予的超过材料极限强度的机械力的挤压而发生剪切变形并断裂分离的工艺过程，这个过程大致可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个连续发生的阶段。

常用于剪切直线边缘构件的加工机床主要有斜刃龙门剪床和压力剪切机（或联合剪冲机）。

压力剪切机主要用来剪切短直线，有时也用来剪切较长的直线或缓曲线，但其速度慢，操作复杂、而且切割质量较差。

斜刃龙门剪床是用来剪切长直边构件的专用设备，对于中、薄板的直线剪切尤为适宜，其最大优点是精度高、速度快。龙门剪床的剪刀板比较长，一般为1.5～5.2m，最长可达8.3m。剪床的下刀板成水平位置，固定在床身上，上刀板倾斜成一定的角度作上下运动。在上剪刀下剪以前，剪床的压紧装置将板料自动压紧，以免钢板产生移动或翻转。所以，用龙门剪床剪切长直线时，可以获得比较高的精度。

龙门剪床的传动方式有机械传动和液压传动两种。有的龙门剪床其工作台可以回转，以便将构件的边缘直接剪切出焊接坡口。

中、小型船厂，造船所用的钢板都不太厚，龙门剪床乃是直边构件边缘剪切高效而经济的加工设备。若再配备适当的上料、送料、定位和落料的辅助装置，将会进一步提高其加工效率。

7.4.2.3　氧气火焰切割（气割）工艺及装备

1）氧气火焰切割原理

氧气火焰切割是利用铁在氧气中的燃烧反应和反应热来进行切割的方法。现在主要采用的是氧乙炔或氧丙烷气割，也开始采用氧天然气气割，其实质是使被割金属在氧气中燃烧。气割的过程由三个阶段组成：金属的预热、金属的燃烧、氧化物的排除。

预热是用调节好的预热火焰加热金属，使割缝起点的温度逐步上升，直至达到被割材料的燃点；燃烧是用放出高速的纯氧流使金属在纯氧中燃烧——剧烈氧化；并将燃烧生成的熔渣——金属氧化物迅速吹除掉而形成割缝。同时，由于金属的燃烧放出大量的热，利用钢材的导热性，使热量不断地预热待割部分的钢材至燃点温度，使上述过程连续不断地进行，最后将金属分离，达到切割的目的。图7.4－3为氧气火焰气割示意图。

图7.4－3　氧气火焰气割示意图

气割是金属在一小束高速氧流下剧烈燃烧的过程，而不是熔化过程。因此，不是所有的金属都可以进行气割的，即使能气割的金属，其气割性能也是各不相同的。从气割原理来看，只有满足下列条件的金属才能气割。

—金属在氧气中的燃点必须低于其熔点，以保证氧气切割的燃烧过程。

—燃烧产生的金属氧化物的熔点必须低于金属的熔点，且氧化物具有良好的流动性。

—金属在氧气中的燃烧应是放热反应，并能放出较大的热能。

—金属的导热性不应太高。

—金属中阻碍气割进程和提高钢的淬硬性杂质要少。

船用低碳钢和低合金钢均能满足上述条件，具有良好的可气割性。对于其他材料，则必须了解其性能是否符合上述条件，然后决定能否选用气割方法。显然，用气割的方法不能切割不锈钢、铸铁、铜、铝及铝合金等有色金属，更不能切割非金属。

2）氧气火焰切割设备

与机械切割相比，氧气火焰切割设备简单，操作灵便性好，最大切割厚度大，尤其能够切割各种曲形零件，成为厚和超厚钢板的优选切割方法。但切割速度低（一般在1m/min以下），切割变形大，尺寸精度不高。20世纪40年代通过割炬和割嘴的改进，并研制出扩散型等新型快速割嘴，使切割的速度和质量有了进一步的提高和改善。50年代中期至60年代又相继开发出了各种机械化、自动化切割设备，特别是数控切割机的出现，使切割质量和效率大幅度提高，实现了各种形状复杂的成形零件的自动切割，且切割后不需再进行后加工。

20世纪60年代末、70年代初，适用于碳素钢、切割中薄板速度大大高于氧气火焰切割的等离子弧切割工艺开始投入工业应用。氧气火焰切割独占的局面被打破，其应用范围也随之减小。从今后发展趋势来看，氧气火焰切割将继续被等离子弧切割和激光切割所代替而逐步缩小其应用范围。但是气割设备价格低、轻便灵活，在以下几种场合还具有一定的优越性并将继续得到应用。

—在厚度为100mm以上钢材的切割中，只有氧气火焰切割才能胜任；

—在使用多割炬同时切割同形零件或含公共切割线的矩形零件的场合（如在整张钢板上切割板条），仍具有良好的经济性；

—切割焊接坡口；

—切割各种型钢。

船厂常用的气割设备，按照切割割嘴的运动轨迹控制及驱动方式的不同，可分为以下几种：

（1）手工气割炬。

（2）半自动气割机。

半自动气割机由切割部分（包括割嘴、气体管路及其调节装置等）、动力部分（行走电动机和减速装置等）和辅助设备（轨道、割圆圆规、靠模等）三部分组成。具体有手扶式半自动气割机、型钢气割机、仿形气割机、型钢气割机、多向气割机和管子气割机等。

用半自动气割机切割钢板时，割嘴可以处于垂直位置，也可以倾斜一定的角度以便切割出V型或X型坡口。小车的行车速度就是切割速度，能进行无级调速。其割缝光洁，切割精度高，与自动气割机相比，它还具有设备简单，便于移动，容易操作，适应性强，投资小，易于扩大施工面等优点。尤其是近年来研制的各种小型轻便半自动切割机更是如此，因此，被我国船厂广泛采用。

（3）门式切割机。门式切割机是加工大规格钢板的板边及焊接坡口和切割板条的大型门架式自动切割设备。因其切割精度高，也称高精度门式切割机。

门式切割机是装有驱动装置的门型机架和割炬组、轨道等组成。装在门型机架上的切割装置之间的间距，可按被切割构件的尺寸进行调整。同时也能沿前后方向微调割炬间的间距。供切割板边各种焊接坡口的割炬组，一般安装在扇形导板上，以便于按要求设定割炬角度，一次割出V型、X型、K型、Y型等焊接坡口。

门式切割机背面通常设多个垂直割炬，用于切割板条，也称多头切割装置。切割时，由电动机驱动门型机架以一定的速度沿导轨作直线运动（运动速度等于切割装置的切割速度），切割装置随门型支架的运动而切出一条或数条高精度的直线割缝，如图7.4－4所示。

图7.4－4　门式自动气割机图

应用高精度门式自动切割机切割直边构件，不仅加工精度高，切割速度快，而且还能将边缘切割和开坡口一次完成，代替了原来刨边机的全部工作内容。因此，门式气割机作为替代机械刨边或铣边加工的一种有效设备而获得广泛应用。

国外有的船厂为进一步提高生产效率，还试制了多门式切割机，七门式切割机便是一例。该机导轨长77m，工作总长度为60m，有三座主门（工作宽度2×2 600mm），每座主门都可同时加工两块板的纵边，还有四座辅门，辅门上的割炬能沿辅门横向移动，依照顺序加工三对板的前后横边。这样，该机就可以同时加工六块宽2 600mm、长20m的钢板，可大大提高生产效率。

（4）光电跟踪切割机。光电跟踪切割机是利用光电原理自动跟踪样板图上的线条或图形边缘、同时带动割炬进行仿形切割的一种自动化气割设备。由光电跟踪机构与切割执行机构两部分组成，它一般是作为内场切割设备来使用。

线条的跟踪方法基本上有两种，一为光量感光法，一为脉冲相位法，国内多数采用后一种方法。

光电跟踪切割机有以下几种类型：

—按跟踪原理分为单光点边缘跟踪和双光点线跟踪。

—按跟踪装置驱动方式分为小车式（摩擦驱动式）和坐标式。

—按切割机的结构形式分为门架式、单臂式和双臂式。

光电跟踪切割机可根据仿形图切割不同厚度、任意形状的船体构件，切割质量较好，不用号料即可切割出构件形状，用多割炬组可以同时割出焊接坡口，并且仿形图可以复制，供建造同一船舶的各船厂使用。但是，仿形图的绘制技术要求较高，图纸的变形、老化和损坏都会影响切割件精度。同时，在切割船体外板等构件时，因其不能划出船体构件上的各种安装线、检验线和有关标记，因此，需要在切割完毕后进行二次号料。

船厂目前使用的1∶1光电跟踪切割机，跟踪机构可直接跟踪构件底图上的线条。其跟踪机构和执行机构可同时安放于切割平台上，只要将底图铺放在图板上即可进行跟踪切割，故操作非常方便。而且切割机的机架上装有数套割炬，可同时切割出多个同样构件。

这种光电跟踪切割机主要用来切割肘板等小型构件，作为大型数控切割机的补充。

（5）数控火焰切割机。数控切割机是计算机程序控制的自动化切割设备，简称CNC切割机。通常由机械传动装置、自动控制系统、伺服驱动系统和支持软件等组成，分为数字控制部分和切割执行部分。它是把被切割的构件用图形处理语言编成构件切割程序，通过船厂的局域网将切割指令输入到控制装置中去（也有以磁盘作为切割指令的载体），以控制执行机构进行切割的一种自动化切割设备。

数控切割机控制部分既可采用专用数控装置，也可采用微型电子计算机。目前国内数控切割机的控制多采用逐点比较法和数字积分器法这两种插补方法。

数控切割机执行部分是一台带一套割炬或数套割炬的切割装置。其机架多为悬臂式结构、门式结构或桥式结构。其切割热源根据不同需要既可采用氧乙炔或氧丙烷等化学热源，也可采用等离子弧或激光等物理热源。

数控切割机的割炬除在控制装置的控制下能作平面移动外，还具有自动升降和旋转等功能，因而能切割不同厚度和任意形状的船体构件；若装上多割嘴割炬，即可切割焊接坡口，若配置有划线装置，则还能在钢板上号料。

（6）型钢数控切割机。型钢数控切割机上的每个切割装置都装有高度传感器，能模拟腹板和翼板面的状态自动调节割嘴高度。切割机的纵向驱动采用齿轮齿条啮合方式，而切割装置的驱动采用丝杆传动方式。

这种切割机主要适用于型钢加工量大的场合，能自动切割大型角钢、球扁钢和扁钢。不但可以加工型钢端部边缘及V形坡口，也可以加工出型钢中的各种减轻孔、漏水孔及管子和电缆穿孔等。

7.4.2.4　高能物理热切割工艺及装备

1）等离子弧切割工艺及装备

等离子弧切割是利用“机械压缩”、“热收缩”和“磁压缩”等离子电弧所形成的高温、高速等离子流作为热源，将被切割的金属局部加热熔化，并同时用高速等离子将已熔化的金属吹掉，而形成狭窄割缝的工艺过程，是一种熔融切割工艺，其典型装置如图7.4－5所示。

图7.4－5　典型等离子发生装置示意图

处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体”。这种已完全电离的气体不再由原子、分子构成，而是由带正电的离子和自由电子组成，其整体保持着电中性。利用一定的装置可以得到高速高温的等离子流，流速达300～1 500m/s，温度达15 000～33 000℃。这种高速高温的等离子流从喷嘴孔喷射到初切割构件表面后，使割缝处温度迅速升高而熔化。同时，高速飞出的粒子具有相当大的动能，产生较强的冲力，将被熔化的金属冲走而达到切割的目的。

高温等离子切割的过程是靠金属熔化来实现的，与氧气火焰切割有本质的不同，不受材料熔点高低的限制。在现代造船业已成为一种有效的切割方法，现在船厂使用的数控切割机多数搭载的是等离子弧切割系统。

等离子弧切割虽然具有氧气火焰切割不可比拟的优点，但如果直接在空气中工作，则会产生较大的噪声、大量的粉尘、耀眼的弧光以及NOX等有害气体，对操作人员的安全和环境十分有害。为解决这一矛盾，发展了水下等离子弧切割技术。水下等离子切割机的等离子弧是在水中进行切割，用水将等离子弧柱与周围环境相隔离而达到环保的目的。

水下等离子弧切割系统由电源、冷却水循环系统、供气系统、高频发生器、割炬，割炬高度控制系统、充水平台和控制系统等组成，它的工作气体一般使用氮气或氧气。

等离子弧切割是在1955年投入工业应用的，以惰性气体Ar（氩）作为工作气体，后逐步开发出用N₂（氮）、N₂＋H₂（氮＋氢）等作为工作气体的切割方法。当时，主要用于切割不锈钢、铜、铝及其合金等，成为一种切割有色金属的有效方法而获得推广。20世纪60年代后期，开发出了空气等离子弧切割方法，用于切割碳素钢薄板，不仅切割质量良好，而且切割速度比氧气火焰切割快得多，因此，很快得到工业应用。随后，又研制成功了更适合于碳素钢切割的氧气长寿命等离子弧切割。

目前，常用的等离子弧切割方式为双气体等离子切割，采用不同的气体和气体组合，可适用于不同材质的切割，以获得更好的表面切割质量和切割速度。水射流等离子切割则通过水来进一步压缩等离子弧，提高其温度和能量密度，改善切割工艺。近年来，随着精细等离子切割技术逐渐成熟并得到应用，使等离子弧切割在切割表面垂直度、粗糙度得到很大的改善，可接近于激光切割的效果。割缝也显著减小。

尽管水下切割可极大地减少环境污染，但也存在着不易观察，切割速度较低，钢板易锈等缺点，所以目前随着干式抽风平台和除尘装置的逐步完善，船厂还是较多地采用干式切割来提高生产效率。

数控等离子弧切割是一项发展迅速的新技术，它所产生的温度为一般电弧的5～6倍，其切割速度是氧气火焰切割的3～6倍。切割质量好，可切割的材料种类多，尤其擅长于切割薄板。随着等离子技术发展，等离子切割机也能切割较厚的钢板，如瑞典ESAB公司制造的数控等离子切割机可切割4～30mm厚度的金属板材，配以水池即能取得稳定的割弧和防止污染的良好效果。上海船舶工艺研究所采用美国HYPERTHERM公司的HPR400型电源的数控等离子切割机具有优质、高速、高效率、低成本、长寿命等优良品质，可切割32mm厚的碳钢，切割不锈钢和铝板可达50mm，若附加辅助电源，切割厚度可达75mm。

目前，国内外大型船厂都配备了数控等离子切割机，用于船用板材的切割，尤其在切割25mm以下钢板时，与火焰切割相比具有显著的切割效率和质量的优势，因此，数控等离子切割机已经成为船厂必备的主力机型。

图7.4－6　激光切割装置示意图

2）激光切割工艺及装备

激光切割是利用高能量密度激光束的加热作用使材料汽化、熔化或剧烈氧化来进行切割作业的工艺方法。

激光切割是由激光器所发生的水平激光束先经45°全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功率密度高达10⁶～10⁹ W/cm²。处于其焦点处的被切割构件表面受到高功率密度的激光光斑照射，会产生高达10 000℃以上的局部高温，使材料瞬间熔化甚至汽化，随着割嘴的移动，在材料上形成割缝，同时用一定压力的辅助气体将割缝处的熔渣吹除，从而使材料被切割，其示意装置如图7.4－6所示。

激光切割装置由激光电源、激光发生器、折射反射镜组、气体控制组件和激光割炬组成。

激光切割技术的应用始于20世纪70年代后期，主要用于金属薄板的切割，与氧气火焰切割、等离子弧切割相比，它具有速度更快、割缝更窄（约0.2～0.3mm），热影响区更小（宽度约0.1mm），割缝边缘垂直度好，切割边光洁度高、无易耗品损耗，环境污染小等特点。激光切割精度在已知的所有热切割设备中是最高的。激光切割既可以切割金属材料，又可以切割各种非金属材料，是一种能实施高精度、高速度的自动化切割方法，应用范围很广。

目前，美国海军在激光技术应用于造船方面的研究处于领先地位，美国、德国、日本、俄罗斯、英国、丹麦、芬兰和瑞典等国的一些船厂都已经应用激光切割机。近年来，激光已向大功率发展，日本生产的数控激光切割机，能高质量地切割厚度达32mm的低碳钢，当切割厚度为12mm时的速度约为2.5m/min，与现有的等离子弧切割机相当。

数控激光切割机以其高效率、高质量、高精度的特点，逐渐被国内厂家所认识，目前，也有不少船厂已经应用数控激光切割机切割船用钢板。尽管数控激光切割将是未来造船钢板切割的发展方向，但国内商品化的激光切割机的研制还落后于发达国家，在激光源、切割质量、整机稳定性等方面与国外相比尚有一定差距。

7.4.2.5　水射流动能切割工艺及装备

近年来，一项新的切割技术，即水射流切割技术渐露头角。水射流主要用于热切割无法进行或者需要采用昂贵的机械切割工具及割缝需要磨光的场合。

水射流切割的原理是将水加压到数百兆帕的高压，然后高压水通过一个特殊设计的，孔径极小的喷嘴，以大约3倍音速喷射出来所形成的、具有极高动能的水射流可以用来切割各种材料。水射流切割分为纯水水射流切割和添加磨料的水射流切割。

随着水射流切割能力的提高，水射流几乎能切割一切材料，如特种钢、钛、铜、铝、铅、玻璃、橡胶、塑料、陶瓷和天然岩石等。水射流切割与其他切割方法相比，具有以下特点：

（1）切割时不产生热量，因此，不会影响金属特性。

（2）可得到高质量的割缝，不会产生任何毛刺、挂渣，割缝边缘平直，表面光滑。

（3）水射流切割所形成的割缝较窄，可大幅度提高零件尺寸精度和材料利用率。

（4）水射流切割不会产生环境和冶金污染（如用于铝－钢层压板等双金属切割）。

（5）水射流切割生产效率高，可切割特殊规格大厚度钢板而不需要多道工序加工。

纯水射流主要用来切割纸、木板、橡胶、皮革、塑料等软性层压材料，还可采用多层叠合切割。而添加磨料的水射流切割主要用来切割钛、铝合金、不锈钢、高强钢、陶瓷、花岗石等硬性材料。水射流切割通常采用计算机控制系统进行平面和全位置的成形切割。切割指令可通过计算机编程系统产生，也可以采用光电跟踪头直接从图纸上取得切割信息。

水射流切割技术已经在造船业得到实际应用。1984年，美国某海军船厂从美国流体系统（Flow systems）公司购置了一台型号为PASER的数控水射流切割装置。该厂应用该装置对水面舰艇和潜艇的零件切割，最大可切割178mm厚的钢板，和手工切割相比，减少了90%的作业时间。

随着我国造船工业的发展，水射流切割作为一种绿色切割工艺，将在船厂中得到应用。