水切割技術在鈦材切割加工中的應用

　　稀有金屬與硬質合金水切割技術在鈦材切割加工中的應用舒春桃（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙410011）于鈦材切割的差異性，并分析了兩種不同切割方式對鈦材化學成分、力學性能和可加工性能的影響，進而為水切割技術的推廣應用提供依據。

　　1前言鈦和鈦合金由于具有密度?。s4. 470MPa）、比強度大、耐腐蝕性能好等特點，在有色冶金工業(yè)的鎳、鈷、鋅、銅等冶煉項目中得到了廣泛的應用，有色冶煉廠的耐腐蝕反應器及其內部的攪拌器全部或部分使用鈦材制成。然而，鈦的化學性質活潑，在大氣中室溫下較穩(wěn)定，在200300C以下按拋物線規(guī)律與氧化合生成致密的保護膜，加熱至250C左右開始吸氫；在400C以上對氧、氫、氮均具有較高的化學活性；溫度達到600C時就急劇氧化、氮化及吸氫；高于1 000C以上開始與碳化合。因此，在鈦材切割加工過程中，溫度的控制直接影響到鈦材的理化性能。

　　鈦材切割下料方法有：火焰切割、金屬帶鋸切割、砂輪鋸片切割、剪板機剪切、激光切割、等離子切割和水切割等。由于鈦在600C時就急劇氧化、氮化及吸氫，鈦材的切割下料一般不宜采用火焰切割。

　　剪板機剪切鈦板容易變形，不易調直平整，而金屬帶鋸和砂輪鋸片多用于鈦棒管材下料，故鈦板材下料多采用剪切、激光、等離子和水切割等方法。由于受現有激光技術的限制，大多數激光切割設備無法切割厚度大于12mm的金屬板材。同時，激光切割設備投入較大，這也在較大程度上限制了該設備的推廣使用，故對厚度小于12mm的鈦板材首先考慮采用剪板機直接剪切，而對于厚度大于12mm的鈦板材，國內絕大多數是采用等離子切割。由于等離子切割是種熔化切割法，切割過程使鈦材的熱影響區(qū)大量吸氫和碳化，以致鈦材的理化性能發(fā)生惡變。而水切割技術是一種冷加工方法，具有切割時工件溫度較低，無熱影響區(qū)和熱變形等特點，在鈦材切割加工中得到快速發(fā)展。本文將介紹水切割技通訊作者：舒春桃（1966-），高級工程師，主要從事冶金設備設計，E-mail：術在鈦材切割加工中的應用特點，并與等離子切割進行比較分析，為水切割技術的推廣應用提供依據。

　　2水切割技術水切割技術是20世紀70年代發(fā)展起來的冷切割新工藝。1971年，高壓水射流（Wateret，簡稱W）切割機在美國問世，成功地切割了多種非金屬軟材料。1983年，磨料射流（AbrasiveWateret，簡稱AW）切割技術首次在美國進入實用階段，用以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性材料。水切割技術自誕生之日起就倍受人們的關注，并得到了飛速發(fā)展，其以眾多特點成為21世紀切割領域的發(fā)展方向。

　　2.1工作原理水切割是將普通的水增壓到400MPa或者更高，通過極小的噴嘴噴射出來，產生道流速約為三倍音速（1000m/s）的水射流，用這種高速密集的水射流進行切割。磨料射流切割則是往水射流中混入磨料粒子，經混合管形成磨料射流，在冷狀況下用磨料射流進行切割。

　　2.2技術特點水切割技術的主要特點有如下五個方面：1）切割范圍廣，能切割各種非金屬材料，又能切割各種硬、脆、韌性材料，如鈦合金、啕瓷、玻璃、復合材料等。（2）切割精度高，其切面平滑，沒有熱影響區(qū)和分層現象，因此一般不需要后序精加工，降低了加工成本；由于切縫很窄，提高了材料利用率。（3）生產效率高，水切割系統可配置多個噴嘴進行切割，工件直接切割成規(guī)定尺寸，消除了中間工序和輔助時間，提高了生產效率。（4）適應性好，切割可從工件上任意點開始，在任意方向上進行；可以加工常規(guī)工藝難以加工的部位；易于結合CNC技術實現復雜形狀零件的多品種小批量生產。（5）操作環(huán)境清潔安全，切割時無塵無味、無毒、無火花、振動小、噪聲低，特別適合惡劣的工作環(huán)境和有防爆要求的危險環(huán)境。2.3鈦材水切割工藝水切割技術由于在切割過程中不產生熱影響區(qū)，也不會引起材質的變化，所以對于易受高溫影響而使材質惡化的鈦及鈦合金來說是一種較為理想的切割方法。鈦材切割一般采用加磨料型高壓水射流切割法，表1為一例采用高壓水射流切割鈦材的工藝參數。從表1中數據可知，水切割速度快、精度高，切口寬度窄，僅為2.3mm，提高了材料的利用率；切口質量好，切割面粗糙度僅為2040m；加工工件毛刺少，毛刺高度<0.1mm.表1鈦材的水切割工藝參數1板厚/mm切口寬度/mm切割面粗糙度/Mm毛刺高度/mm磨料耗量/（kg.m磨料孔直徑/mm t噴出壓力245MPa，噴射水量6L min-1，磨料為4硅砂，噴嘴與工件間距1.0mm 3水切割與等離子切割的技術差異水切割屬于冷態(tài)切割，無熱變形，切割面質量好，無需二次加工（若有需要也很容易實現）。而等離子切割有明顯的熱效應，精度低，切割表面不容易再進行二次加工。

　　3.1切割速度及精度分別采用水切割技術（WP402水射流切割機）與等離子切割技術（CNCTMC數控精密等離子切割機）對厚度為20mm的TA2鈦板進行切割，兩種切割技術的切割速度和精度如表2所示。從表2中數據可知，雖然水切割的切割速度小于等離子切割，但水切割的各項精度均高于等離子切割，將有利于后續(xù)加工質量的提高。

　　表2采用不同切割技術的鈦材切割速度及精度切割技術板厚切割速度直線切割精度重復切割精度切邊垂直度圓孔W= 16mm）切割精度表面粗糙度及a水切割等離子切割不成形3.2切割質量水切割機切割的樣品形貌如（a）和（b）所示。由圖可見，切口整齊平正且無熱影響區(qū)及變形，d=16mm的圓孔上下尺寸誤差為0.1mm，切割樣品的尺寸精度達IT11級。等離子切割機切割的樣品形貌如（c）和1（d）所示。由圖可見，切口粗糙且碳化吸氫嚴重，切口上方熔化掛渣，上寬下窄，工件轉角塌棱，無法切割d<25mm的通孔。

　　3.3切割前后鈦材化學成分的變化分別從水切割和等離子切割鈦材TA2樣品的邊緣3mm處取樣，進行化學成分分析。表3所示表3鈦材TA2切割前后的化學成分鈦材狀態(tài)未加工水切割加工后等離子切割加工后為鈦材TA2切割前后的化學成分。從表3中數據可知，鈦材經水切割后，其化學成分的變化極小，理化性能可基本保持不變；而鈦材經等離子切割后，其化學成分變化較大，則理化性能也將隨之發(fā)生變化。3.4可加工性能鈦材切割前后的加工性能如表4所示。該表以鈦材TA2進行水切割和等離子切割，比較切割加工前后鈦材的二次加工性，發(fā)現水切割鈦材加工性與原始狀態(tài)樣；等離子切割鈦材因切割表面含有硬度較高的氫、氧化物和碳化物而難以進行二次加工。

　　從表4可知，經水切割后鈦的加工性能基本不發(fā)生表4鈦材TA2切割前后的加工性能二次加工材料狀態(tài)硬度切削指數熱加工性冷加工性焊接性能變形抗力變形能原始出廠狀態(tài)（700 C退火，空冷）水切割加工后等離子切割加工后十表示加工性能好，△表示加工性能般，X表示加工性能差；切削指數以TA2出廠狀態(tài)（退火）為100；加工條件：刀具材料min-、切削深度2mm，進刀量0. r-、濕式切割；壽命判定標準：VB變化，而經等離子切割后鈦的加工性能變差，硬度增大，切削指數降低。

　　4結論鈦材水切割下料加工在常溫冷態(tài)條件下進行，整個下料加工過程對鈦材的理化性能沒有任何影響。這種方法有效避免了等離子切割高溫熔化過程所造成鈦材熱影響區(qū)的吸氫、吸氧、吸氮及碳化合等變化。

　　水切割下料加工的鈦材工件，切口整齊平正，切邊垂直度<.5°，切口表面粗糙度只a =12.5ym；能直接完成圓孔等各種異形加工；形位公差精度可控制在0.1mm以內，能滿足絕大多數鈦設備的加工要求。

　　水切割技術具有不產生熱影響區(qū)及變形，無需二次加工，不產生具有毒性的氣體和粉塵，可切割加工1200mm厚的任何材料等特點。如果考慮二次加工因素，水切割零件的下料加工相對時間也不比等離子切割長，而且能做到緊密排料，減少廢品，充分提高材料的利用率和生產率。