切割對象
激光切割工藝用途非常廣泛,可以高速、經濟、精密地切割多種金屬和非金屬材料(金、銀、玻璃、石材等除外),目前激光切割主要用于切割形狀復雜的薄板及中板工件。等離子切割能夠高速、經濟地切割全部導電材料,目前廣泛用于切割中厚低碳鋼板、不銹鋼板、銅板和鋁板等,在我國等離子切割薄板也有較多應用。
磨料水射流切割,本質上不受冶金學和材料力學等因素的影響。與激光、等離子切割相比,最大特點是不受材料限制,適用于任何材料。磨料水射流切割的典型材料為:較厚的鈦鎳合金、鎢鉬合金等熱敏材料;銅鋁等貴重材料;玻璃、石材等脆性材料;石墨/環氧樹脂等韌性復合材料;裝甲鋼板、工程陶瓷等硬質材料以及隕石等特殊材料,甚至用來切割彈藥進行處廢。
磨料水射流切割與激光、等離子切割具有互補性。一般來說,不適于激光、等離子切割的材料,可以采用磨料水射流切割。磨料水射流與激光、等離子相比,在切割材料時無熱、無煙、無味、無毒、無火花,利于環境保護,適合在有防爆要求或易燃的危險場合下工作。
切割性能
切割性能包括切割質量和切割能力兩大要素。為了統一評價磨料水射流、激光、等離子等切割方法的斷面質量,需要制定與切割方法無關的斷面質量標準,但目前尚無此標準。本文的研究分析用切割斷面在無熔渣條件下,以包括變形在內的切割精度和切口寬度表示切割質量;以切割板厚和切割速度表示切割能力。
以切割金屬為例進行比較分析。根據大量切割工藝實驗結果,整理繪制出三種切割方法對金屬的切割質量曲線(圖2a)和切割能力曲線(圖2b)。
![]() 圖2 三種切割方法的切割性能
(a)切割質量曲線 (b)切割能力曲線
切割精度以等離子、磨料水射流、激光切割的順序提高,切口寬度以同樣順序變窄。因此在三種切割方法中,激光切割金屬質量最好,磨料水射流切割居中,等離子切割次之。
切割板厚以激光、等離子、磨料水射流切割的順序增加,切割速度則是激光、等離子切割較快,而磨料水射流切割較慢。由于等離子切割板厚明顯高于激光切割,僅略低于磨料水射流切割,可見,等離子對金屬的切割能力最強。
在圖3a、b中,分別用磨料水射流和激光對不同金屬材料進行切割速度比較。
![]() 圖3 兩種切割方法的切割速度比較
(a)磨料水射流切割速度(水壓350MPa)
(b)激光切割速度(激光器功率1.5KW)
磨料水射流與激光切割相同的金屬材料,切割速度有所不同,這主要取決于被切材料對動能和熱能的吸收程度。
磨料水射流切割速度與材料硬度有關,以切割金屬為例,按碳素工具鋼<不銹鋼≤普通結構鋼<鋁鎂合金的順序,材料越軟切速越快。
激光切割速度主要取決于被切材料的熔點、熱傳導率和對激光的吸收率,以鋁鎂合金<不銹鋼<碳素工具鋼<普通結構鋼的順序變化,幾乎與材料硬度無關。
圖4為磨料水射流切割典型脆性材料玻璃和花崗巖的最大切割速度。這類在熱應力下即可破碎或對激光吸收率極低的非金屬材料,不宜用激光或等離子切割。
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