水切割技术在钛材切割加工中的应用

优胜编程龚老师

水切割技术在钛材切割加工中的应用

稀有金属与硬质合金水切割技术在钛材切割加工中的应用于钛材切割的差异性，并分析了两种不同切割方式对钛材化学成分、力学性能和可加工性能的影响，进而为水切割技术的推广应用提供依据。

　　1前言钛和钛合金由于具有密度小（约4. 470MPa）、比强度大、耐腐蚀性能好等特点，在有色冶金工业的镍、钴、锌、铜等冶炼项目中得到了广泛的应用，有色冶炼厂的耐腐蚀反应器及其内部的搅拌器全部或部分使用钛材制成。然而，钛的化学性质活泼，在大气中室温下较稳定，在200300C以下按抛物线规律与氧化合生成致密的保护膜，加热至250C左右开始吸氢；在400C以上对氧、氢、氮均具有较高的化学活性；温度达到600C时就急剧氧化、氮化及吸氢；高于1 000C以上开始与碳化合。因此，在钛材切割加工过程中，温度的控制直接影响到钛材的理化性能。

　　钛材切割下料方法有：火焰切割、金属带锯切割、砂轮锯片切割、剪板机剪切、激光切割、等离子切割和水切割等。由于钛在600C时就急剧氧化、氮化及吸氢，钛材的切割下料一般不宜采用火焰切割。

　　剪板机剪切钛板容易变形，不易调直平整，而金属带锯和砂轮锯片多用于钛棒管材下料，故钛板材下料多采用剪切、激光、等离子和水切割等方法。由于受现有激光技术的限制，大多数激光切割设备无法切割厚度大于12mm的金属板材。同时，激光切割设备投入较大，这也在较大程度上限制了该设备的推广使用，故对厚度小于12mm的钛板材首先考虑采用剪板机直接剪切，而对于厚度大于12mm的钛板材，国内绝大多数是采用等离子切割。由于等离子切割是种熔化切割法，切割过程使钛材的热影响区大量吸氢和碳化，以致钛材的理化性能发生恶变。而水切割技术是一种冷加工方法，具有切割时工件温度较低，无热影响区和热变形等特点，在钛材切割加工中得到快速发展。本文将介绍水切割技通讯作者：舒春桃（1966-），高级工程师，主要从事冶金设备设计，E-mail：术在钛材切割加工中的应用特点，并与等离子切割进行比较分析，为水切割技术的推广应用提供依据。

　　2水切割技术水切割技术是20世纪70年代发展起来的冷切割新工艺。1971年，高压水射流（Wateret，简称W）切割机在美国问世，成功地切割了多种非金属软材料。1983年，磨料射流（AbrasiveWateret，简称AW）切割技术首次在美国进入实用阶段，用以切割各类金属或非金属、塑性或脆性材料。水切割技术自诞生之日起就倍受人们的关注，并得到了飞速发展，其以众多特点成为21世纪切割领域的发展方向。

　　2.1工作原理水切割是将普通的水增压到400MPa或者更高，通过极小的喷嘴喷射出来，产生道流速约为三倍音速（1000m/s）的水射流，用这种高速密集的水射流进行切割。磨料射流切割则是往水射流中混入磨料粒子，经混合管形成磨料射流，在冷状况下用磨料射流进行切割。

　　2.2技术特点水切割技术的主要特点有如下五个方面：
1）切割范围广，能切割各种非金属材料，又能切割各种硬、脆、韧性材料，如钛合金、啕瓷、玻璃、复合材料等。
（2）切割精度高，其切面平滑，没有热影响区和分层现象，因此一般不需要后序精加工，降低了加工成本；由于切缝很窄，提高了材料利用率。
（3）生产效率高，水切割系统可配置多个喷嘴进行切割，工件直接切割成规定尺寸，消除了中间工序和辅助时间，提高了生产效率。
（4）适应性好，切割可从工件上任意点开始，在任意方向上进行；可以加工常规工艺难以加工的部位；易于结合CNC技术实现复杂形状零件的多品种小批量生产。
（5）操作环境清洁安全，切割时无尘无味、无毒、无火花、振动小、噪声低，特别适合恶劣的工作环境和有防爆要求的危险环境。

2.3钛材水切割工艺水切割技术由于在切割过程中不产生热影响区，也不会引起材质的变化，所以对于易受高温影响而使材质恶化的钛及钛合金来说是一种较为理想的切割方法。钛材切割一般采用加磨料型高压水射流切割法，表1为一例采用高压水射流切割钛材的工艺参数。从表1中数据可知，水切割速度快、精度高，切口宽度窄，仅为2.3mm，提高了材料的利用率；切口质量好，切割面粗糙度仅为2040m；加工工件毛刺少，毛刺高度<0.1mm.表1钛材的水切割工艺参数1板厚/mm切口宽度/mm切割面粗糙度/Mm毛刺高度/mm磨料耗量/（kg.m磨料孔直径/mm t喷出压力245MPa，喷射水量6L min-1，磨料为4硅砂，喷嘴与工件间距1.0mm 3水切割与等离子切割的技术差异水切割属于冷态切割，无热变形，切割面质量好，无需二次加工（若有需要也很容易实现）。而等离子切割有明显的热效应，精度低，切割表面不容易再进行二次加工。

　　3.1切割速度及精度分别采用水切割技术（WP402水射流切割机）与等离子切割技术（CNCTMC数控精密等离子切割机）对厚度为20mm的TA2钛板进行切割，两种切割技术的切割速度和精度如表2所示。从表2中数据可知，虽然水切割的切割速度小于等离子切割，但水切割的各项精度均高于等离子切割，将有利于后续加工质量的提高。

　　用不同切割技术的钛材切割速度及精度切割技术板厚切割速度直线切割精度重复切割精度切边垂直度圆孔W= 16mm）切割精度表面粗糙度及a水切割等离子切割不成形3.2切割质量水切割机切割的样品形貌如（a）和（b）所示。由图可见，切口整齐平正且无热影响区及变形，d=16mm的圆孔上下尺寸误差为0.1mm，切割样品的尺寸精度达IT11级。等离子切割机切割的样品形貌如（c）和1（d）所示。由图可见，切口粗糙且碳化吸氢严重，切口上方熔化挂渣，上宽下窄，工件转角塌棱，无法切割d<25mm的通孔。

　　3.3切割前后钛材化学成分的变化分别从水切割和等离子切割钛材TA2样品的边缘3mm处取样，进行化学成分分析。钛材TA2切割前后的化学成分钛材状态未加工水切割加工后等离子切割加工后为钛材TA2切割前后的化学成分。从数据可知，钛材经水切割后，其化学成分的变化极小，理化性能可基本保持不变；而钛材经等离子切割后，其化学成分变化较大，则理化性能也将随之发生变化。3.4可加工性能钛材切割前后的加工性能。该表以钛材TA2进行水切割和等离子切割，比较切割加工前后钛材的二次加工性，发现水切割钛材加工性与原始状态样；等离子切割钛材因切割表面含有硬度较高的氢、氧化物和碳化物而难以进行二次加工。

　　经水切割后钛的加工性能基本不发生表4钛材TA2切割前后的加工性能二次加工材料状态硬度切削指数热加工性冷加工性焊接性能变形抗力变形能原始出厂状态（700 C退火，空冷）水切割加工后等离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；切削指数以TA2出厂状态（退火）为100；加工条件：刀具材料min-、切削深度2mm，进刀量0. r-、湿式切割；寿命判定标准：VB变化，而经等离子切割后钛的加工性能变差，硬度增大，切削指数降低。

　　4结论钛材水切割下料加工在常温冷态条件下进行，整个下料加工过程对钛材的理化性能没有任何影响。这种方法有效避免了等离子切割高温熔化过程所造成钛材热影响区的吸氢、吸氧、吸氮及碳化合等变化。

　　水切割下料加工的钛材工件，切口整齐平正，切边垂直度<.5°，切口表面粗糙度只a =12.5ym；能直接完成圆孔等各种异形加工；形位公差精度可控制在0.1mm以内，能满足绝大多数钛设备的加工要求。

　　水切割技术具有不产生热影响区及变形，无需二次加工，不产生具有毒性的气体和粉尘，可切割加工1200mm厚的任何材料等特点。如果考虑二次加工因素，水切割零件的下料加工相对时间也不比等离子切割长，而且能做到紧密排料，减少废品，充分提高材料的利用率和生产率。