Dirk OTT，張 敏

(維克多科技(中國(guó))公司，上海 201103)

1 低合金高強(qiáng)鋼的概念

低合金高強(qiáng)鋼(HSLA)或稱為微合金鋼是專用于在常規(guī)狀態(tài)下較常規(guī)碳鋼能提供更好的機(jī)械性能和(或)更大的抗環(huán)境腐蝕性，因其設(shè)計(jì)就是為了滿足特定機(jī)械性能需求而僅非化學(xué)成分構(gòu)成。

HSLA的碳含量比較低，w(C)=0.05% ～ 0.25%，目的是能產(chǎn)生足夠的可鍛造性和可焊接性，錳含量至多為2.0%，還有少量不同比例組合的鉻、鎳、鉬、銅、氮、釩、鈮、鈦和鋯成分。

HSLA材料常用于轎車、卡車、吊車、輪船、橋梁、過(guò)山車以及其他專門處理大量應(yīng)力，或需要較好強(qiáng)度—重力比的結(jié)構(gòu)中。在同一強(qiáng)度下HSLA鋼通常比碳鋼輕20%～30%。

HSLA可以分為以下幾類:

(1)耐候鋼。被指定用來(lái)展現(xiàn)優(yōu)良的抗環(huán)境腐蝕性。

(2)控軋鋼。根據(jù)預(yù)先確定的軋制方案進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，目的在于開發(fā)高成形性?shī)W氏體結(jié)構(gòu)，以便冷卻過(guò)程中可轉(zhuǎn)化為極細(xì)的等軸狀鐵素體結(jié)構(gòu)。

(3)珠光體降低鋼。由細(xì)晶鐵素體和析出硬化相來(lái)加強(qiáng)硬度，但因碳含量非常低，因此在微結(jié)構(gòu)中幾乎或根本沒(méi)有珠光體。

(4)微合金鋼。通過(guò)添加微量的鈮、釩和(或)鈦元素，改良了粒度和(或)析出硬化。

(5)針狀鐵素體鋼。非常低的碳含量具有足夠的淬硬性，在冷卻過(guò)程中可轉(zhuǎn)變成非常細(xì)的高強(qiáng)度針狀鐵素體結(jié)構(gòu)，而非常規(guī)的多邊形鐵素體結(jié)構(gòu)。

(6)雙相鋼。經(jīng)加工成為含有高碳馬氏體均勻分布小區(qū)域的鐵素體微結(jié)構(gòu)，這樣產(chǎn)品既有低屈服強(qiáng)度又有高加工硬化率，從而提供優(yōu)良的成形性高強(qiáng)度鋼。

2 HSLA鋼板特性解析

HSLA鋼板特性非常重要，應(yīng)根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)合選擇適合的性能。表1列出了HSLA的分級(jí)和主要特性，表2列出碳鋼鋼板的特性?？刂屏６葘?duì)屈服應(yīng)力和沖擊轉(zhuǎn)變溫度(ITT)有著非常重要的影響。

表1 典型HSLA材料特性

表2 典型低碳鋼材料特性

材料特性不僅取決于材料合金，還受到粒度微結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重影響。如圖1所示，粒度值增加，屈服應(yīng)力會(huì)增加(正斜率屈服應(yīng)力線)。而此時(shí)，沖擊轉(zhuǎn)變溫度則減少，如圖所示的負(fù)斜率曲線(鋼板由韌性到脆性斷裂過(guò)渡時(shí)的溫度)。因此根據(jù)應(yīng)用要求需要計(jì)算出屈服應(yīng)力和沖擊轉(zhuǎn)變溫度之間的平衡點(diǎn)。

3 如何切割HSLA鋼板

切割HSLA鋼板的實(shí)用工藝有四種。

(1)等離子切割。

圖1 粒度微結(jié)構(gòu)對(duì)HSLA屈服應(yīng)力的影響

等離子切割工藝可以切割所有導(dǎo)電材料，如鋼板、不銹鋼板、鋁板等，碳鋼切割厚度0.5～50 mm，不銹鋼切割厚度可達(dá)160 mm。在等離子切割工藝中，可以使用空氣、O2、N2、Ar/H2或者其他混合氣體，氣體以很高速度從割嘴吹出，同時(shí)通過(guò)割嘴電極在工件表面形成電弧，部分氣體轉(zhuǎn)化成等離子。高達(dá)30 000℃的等離子氣熔化被切割金屬，并快速移動(dòng)將被熔化的金屬水從切割口吹走。

(2)火焰切割。

在火焰切割工藝中，視氣體不同，割炬可釋放高達(dá)3 500℃的熱量來(lái)加熱低碳鋼(其他金屬不能真正被切割)達(dá)到熔點(diǎn)溫度，然后一股氧氣瞄射金屬，將金屬燃燒成氧化物，以熔渣的形態(tài)從切口流出。

(3)激光切割。

激光切割使用波長(zhǎng)為488～10 600 nm的光能以及不同種類氣體(如N2、O2、空氣)來(lái)切割所有種類的金屬材料以及木材、玻璃、纖維等非金屬材料。如二氧化碳激光、固態(tài)(YAG)激光、光纖激光和半導(dǎo)體激光。

激光切割的功率消耗約為等離子切割的兩倍，且需要高壓力高容量的N2來(lái)切割有色金屬(氣體使用量是等離子切割的約35倍)，切割中厚板時(shí)的使用成本很高。激光切割薄板的速度很高，但是板材厚度大于10 mm時(shí)，切割速度大幅度下降，穿孔時(shí)間延長(zhǎng)。

(4)水刀切割。

水刀是能夠切割多種材料的工業(yè)切割工具，它使用極高壓力的水流切割較軟材料，如木材或橡膠，或者采用水和研磨劑的混合體切割較硬材料，如金屬或花崗巖石材。在機(jī)械部件的制造中通常采用水刀切割工藝。當(dāng)被切割材料對(duì)其他切割工藝中產(chǎn)生的高溫非常敏感時(shí)，水刀就是最佳的切割方法。水刀切割廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的切割、成型和鉸孔作業(yè)中，如采礦、航天等。

水刀切割工藝的缺點(diǎn)是切割金屬的速度極其緩慢，而且需要不斷向高壓射流中添加研磨材料，因此產(chǎn)量偏低，磨料成本較高，導(dǎo)致小時(shí)成本非常高。等離子切割可獲得與水刀切割相似的切割質(zhì)量，但是切割速度較快，生產(chǎn)成本極低。因此在很多情況下是水刀切割的絕佳替代技術(shù)。

上述四種切割工藝匯總對(duì)照如表3所示。

表3 切割工藝對(duì)照

表4是對(duì)四種切割工藝性能的匯總排序，1最好，4最差。熱影響區(qū)(HAZ)是在HSLA大量應(yīng)用時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下必須消除HAZ以達(dá)到最佳的可焊性。盡管水刀切割工藝在熱影響區(qū)上能提供最佳表現(xiàn)性能(無(wú)熱影響區(qū))，但其對(duì)厚板的超慢切割速度無(wú)疑限制了這種工藝的實(shí)際使用。激光切割僅次于水刀切割位居第二位，且是薄板材切割當(dāng)仁不讓的優(yōu)選工藝，但因其初期投資較高，很多潛在用戶都不會(huì)選擇激光切割。于是等離子切割工藝因其良好性能和靈活性成為切割HSLA的首選。

表4 切割工藝性能

20 mm厚度HSLA板材的等離子切割效果如圖2所示，右圖能清晰地看出HAZ(熱影響區(qū))非常小，切割表面光滑無(wú)掛渣，切割角度接近90°。工件是由維克多(Victor Thermal Dynamic)等離子切割設(shè)備Ultra－Cut 200 XT完成，切割電流200 A，等離子氣為O2，保護(hù)氣為空氣。

圖2 HSLA(20 mm)實(shí)際切割效果

4 等離子工藝切割HSLA的系統(tǒng)要求

等離子切割系統(tǒng)由電源、氣體控制箱、割炬和CNC數(shù)控系統(tǒng)組成。

4.1 等離子電源系統(tǒng)

等離子電源是根據(jù)等離子弧產(chǎn)生的原理設(shè)計(jì)。等離子電源以壓縮空氣為工作氣體，以高溫高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬局部熔化，并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走，形成狹窄的割縫，從而達(dá)到切割目的。

等離子電源設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的逆變技術(shù)，串行輸入/輸出信號(hào)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)等離子電源、CNC控制系統(tǒng)和氣體控制之間無(wú)限溝通，系統(tǒng)的整體效率大大提高。微處理器控制設(shè)備可實(shí)時(shí)提供詳細(xì)操作信息。在高度集成的等離子切割系統(tǒng)中，此信息可以直接顯示在CNC控制系統(tǒng)中，方便使用者準(zhǔn)確實(shí)時(shí)了解當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

維克多高精度等離子自動(dòng)切割系統(tǒng)切割質(zhì)量可達(dá)ISO9013三級(jí)甚至更佳(見(jiàn)表5)。切割HSLA鋼板幾乎無(wú)掛渣，表面光滑，切割角度小于3°(數(shù)據(jù)源于以往切割實(shí)踐)

4.2 割炬與易損件

割炬是產(chǎn)生等離子弧并進(jìn)行切割的關(guān)鍵部位。割炬電極一般采用間接水冷式鎢極，工作氣體可使用O2、N2、空氣或Ar/H2混合氣，而保護(hù)氣體可用O2、N2、Ar或水?，F(xiàn)代割炬具有更強(qiáng)的穿孔能力，所產(chǎn)生的高密度電弧大大改善了切割質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)小割縫、平整切口、材料變形小的效果。新的快速卡座技術(shù)使易損件更換便捷并達(dá)到歷史上最短時(shí)間，大大縮短因?yàn)楦鼡Q易損件引起的停機(jī)時(shí)間。

表5 ISO9013:2002(E)規(guī)范

維克多XTremeLife技術(shù)使易損件使用壽命得到最大的延長(zhǎng)。長(zhǎng)壽命需要對(duì)割炬的流量控制以及對(duì)電源輸出的精細(xì)控制。如現(xiàn)有新型300/400A電極帶有多片鉿嵌入設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)，有助于在較高電流情況下延長(zhǎng)部件壽命。新型雙片式噴嘴(見(jiàn)圖4)可以持續(xù)對(duì)孔道整體進(jìn)行冷卻，以確保在整個(gè)易損件的使用周期內(nèi)都能獲得最佳切割質(zhì)量。

圖3 多片鉿嵌入設(shè)計(jì)

圖4 內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)

4.3 高度調(diào)節(jié)控制

高度調(diào)節(jié)控制是利用等離子電源的基本恒電流特性，通過(guò)檢測(cè)等離子弧電壓的變化，來(lái)測(cè)定等離子切割過(guò)程的割炬高度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有初始自動(dòng)定位、開機(jī)穿孔與斷弧提升功能、割炬防撞、給定與實(shí)際弧壓顯示監(jiān)控、手動(dòng)與自動(dòng)操作等。

維克多高度調(diào)節(jié)控制的一大改進(jìn)就是通過(guò)更精確的電壓控制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的HSLA鋼板切割質(zhì)量，電壓控制精度提高到±0.5 V。CNC控制系統(tǒng)中的智能邏輯不僅節(jié)約時(shí)間，而且改善性能。智能化工藝參數(shù)提高割炬的再次穿孔能力(即割炬穿孔后再次升高)。通過(guò)使用更強(qiáng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)更迅捷的行走控制。在高度集成的系統(tǒng)里，通過(guò)CNC內(nèi)置專家系統(tǒng)使高度調(diào)節(jié)控制更為便捷快速。

4.4 CNC控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)高速、高精度曲面輪廓精加工，必須提高微小輪廓線段的解釋處理能力和伺服驅(qū)動(dòng)性能。維克多CNC系統(tǒng)已具有足夠高的數(shù)據(jù)處理速度，精確控制切割臺(tái)行走軌跡，確保高精度、可重復(fù)性、速度以及加速，從而達(dá)到最優(yōu)的HSLA鋼板切割質(zhì)量。

在等離子切割工藝中，切割碳鋼可使用O2或空氣作為等離子氣。盡管空氣比O2便宜，但與使用O2相比有明顯的弊端。使用空氣作為等離子氣，切割表面硝化物濃度含量非常高，因此需要做焊前二次處理，增加了工作量和成本。如使用O2則大多數(shù)情況無(wú)需再做二次處理。在切割HSLA板材時(shí)，大多數(shù)情況下需要去除熱影響區(qū)。

為了獲得最佳精度、最低的切割成本和最少的二次處理，需要使用高精度等離子切割系統(tǒng)(如維克多Ultra－Cut XT高精度等離子切割系列)。高精度的等離子切割系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)受到高度約束的等離子弧導(dǎo)致更小的切縫寬度和切割表面上更小的斜度，這將導(dǎo)致更小的熱影響區(qū)。配備專業(yè)的高度控制器和CNC數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最佳的切割效果。特別是在高耐磨鋼和彈道鋼切割應(yīng)用上，高度控制是在起弧時(shí)避免損壞等離子割炬消耗件的關(guān)鍵要素。高度控制可實(shí)現(xiàn)穿孔、回縮、升降延遲等功能以優(yōu)化穿孔性能。如果CNC數(shù)控系統(tǒng)無(wú)縫集成于等離子切割系統(tǒng)，那么通過(guò)改進(jìn)引線的進(jìn)出以及優(yōu)化孔洞切割質(zhì)量等條件會(huì)近一步提高切割性能。

5 結(jié)論

一套集成等離子系統(tǒng)無(wú)論在性能、切割成本、還是用戶友好方面都是切割HSLA(低合金高強(qiáng)鋼)的最佳選擇。其他切割工藝雖可提供較好的切割性能，卻有不同的弊端，如靈活性低、切割速度慢、或首次投資費(fèi)用高等。