切割对象
激光切割工艺用途非常广泛,可以高速、经济、精密地切割多种金属和非金属材料(金、银、玻璃、石材等除外),目前激光切割主要用于切割形状复杂的薄板及中板工件。等离子切割能够高速、经济地切割全部导电材料,目前广泛用于切割中厚低碳钢板、不锈钢板、铜板和铝板等,在我国等离子切割薄板也有较多应用。
磨料水射流切割,本质上不受冶金学和材料力学等因素的影响。与激光、等离子切割相比,最大特点是不受材料限制,适用于任何材料。磨料水射流切割的典型材料为:较厚的钛镍合金、钨钼合金等热敏材料;铜铝等贵重材料;玻璃、石材等脆性材料;石墨/环氧树脂等韧性复合材料;装甲钢板、工程陶瓷等硬质材料以及陨石等特殊材料,甚至用来切割弹药进行处废。
磨料水射流切割与激光、等离子切割具有互补性。一般来说,不适于激光、等离子切割的材料,可以采用磨料水射流切割。磨料水射流与激光、等离子相比,在切割材料时无热、无烟、无味、无毒、无火花,利于环境保护,适合在有防爆要求或易燃的危险场合下工作。
切割性能
切割性能包括切割质量和切割能力两大要素。为了统一评价磨料水射流、激光、等离子等切割方法的断面质量,需要制定与切割方法无关的断面质量标准,但目前尚无此标准。本文的研究分析用切割断面在无熔渣条件下,以包括变形在内的切割精度和切口宽度表示切割质量;以切割板厚和切割速度表示切割能力。
以切割金属为例进行比较分析。根据大量切割工艺实验结果,整理绘制出三种切割方法对金属的切割质量曲线(图2a)和切割能力曲线(图2b)。
图2 三种切割方法的切割性能
(a)切割质量曲线 (b)切割能力曲线
切割精度以等离子、磨料水射流、激光切割的顺序提高,切口宽度以同样顺序变窄。因此在三种切割方法中,激光切割金属质量最好,磨料水射流切割居中,等离子切割次之。
切割板厚以激光、等离子、磨料水射流切割的顺序增加,切割速度则是激光、等离子切割较快,而磨料水射流切割较慢。由于等离子切割板厚明显高于激光切割,仅略低于磨料水射流切割,可见,等离子对金属的切割能力最强。
在图3a、b中,分别用磨料水射流和激光对不同金属材料进行切割速度比较。
图3 两种切割方法的切割速度比较
(a)磨料水射流切割速度(水压350MPa)
(b)激光切割速度(激光器功率1.5KW)
磨料水射流与激光切割相同的金属材料,切割速度有所不同,这主要取决于被切材料对动能和热能的吸收程度。
磨料水射流切割速度与材料硬度有关,以切割金属为例,按碳素工具钢<不锈钢≤普通结构钢<铝镁合金的顺序,材料越软切速越快。
激光切割速度主要取决于被切材料的熔点、热传导率和对激光的吸收率,以铝镁合金<不锈钢<碳素工具钢<普通结构钢的顺序变化,几乎与材料硬度无关。
图4为磨料水射流切割典型脆性材料玻璃和花岗岩的最大切割速度。这类在热应力下即可破碎或对激光吸收率极低的非金属材料,不宜用激光或等离子切割。
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