杜 亮 袁 萍

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

切割与焊接是船舶建造不可或缺的工序，生产过程中的变形控制对船舶产品的精度控制至关重要.长期以来，对于船舶焊接变形控制的研究较为深入广泛，而切割方式对板材及构件应变的积聚影响等却鲜有报道.现阶段船舶板材及构件的热切割方式多为氧-乙炔切割、等离子切割、激光切割等[1]，船体分段的边缘修整等大多也采用热切割或产生热效应的机械磨削.由于热影响区的存在，切割(或修整)后板材存在残余应力与热变形，且切割过程中产生的化合气雾、金属和漆膜尘屑对工人健康及环境都有着不利影响.对于4 mm以下的薄板，其热切割方式产生的热变形对切割精度已呈显性影响.因此，在薄板切割中采用冷切割技术以消除热应变对板材造成的影响具有工程现实意义.

1 设备构成及系统工作原理

船板常用的冷切割方式有机械剪切(或磨削)与磨料水射流切割，但机械剪切通常适用于长度较短的直线或缓曲线边缘切割，机械磨削对板材边缘的高速摩擦仍可产生热滞留.磨料水射流切割技术分为前混合式磨料水射流切割和后混合式磨料水射流切割[2]两种类型.后混合式磨料水射流切割连续切割时间长，但所需切割压力高，设备笨重，只能以固定机床的方式进行切割，且造价昂贵；前混合磨料水射流切割的磨料与水混合更充分，所需切割压力小，操作便捷，但受磨料罐容积限制，连续切割时长通常低于45 min，无法长时间切割[3-5].因此，欲将磨料水射流切割技术用于船舶建造中，还需根据船舶建造的特点与需求进行优化.

另外，船舶建造过程中除构件边缘加工需要进行切割外，还有分段边缘修割等现场修整作业需机动性、灵活性好的手持切割设备进行切割，这就要求磨料水射流切割设备需兼备数控切割与手工切割两种功能.故可利用射流泵抽吸原理进行磨料混合实现连续切割[6]，在此基础上，采用便携式装置设计，增加手持式切割喷枪，以满足不同工况的切割需求.

便携式磨料水射流切割设备主要由高压水生成装置、磨料添加装置，以及磨料射流切割装置组成，见图1.

图1 便携式磨料水射流切割设备示意图

1.1 高压水生成系统

高压水生成系统产生切割用高压水，由球阀、稳压水箱、过滤器、柱塞泵、电机、止回阀和泄压阀、压力表及节流阀等元器件组成，工作原理见图2b).水流先经过一级过滤器流入稳压水箱进行初过滤，流入稳压水箱的水再经过过滤器进行二级过滤，其中，过滤后的水少部分用于回流调压，大部分经过柱塞泵增压后生成高压水.系统集成置于带滚轮的推车中，见图2a)，便于设备转场，扩大设备的工作范围.

图2 高压水生成系统

1.2 磨料添加系统

磨料添加系统主要由磨料罐、截止阀和射流泵组成，见图3.高压水系统生成的高压水流经过射流泵后，磨料在自重及射流泵的作用下被抽吸与水混合形成磨料水射流混合液体，通过磨料罐磨料添加口不断加入磨料以实现连续切割.同样，为提高设备的便携性，将磨料罐置于可移动的平板小车上，可在不同工作地点进行作业.

图3 磨料添加系统

1.3 磨料水射流切割系统

磨料水射流切割系统主要由截止阀、点光源、手持喷枪、控制机构、磨切割喷嘴，以及工作台组成，见图4b).当截止阀2打开，截止阀1闭合时，控制台控制喷嘴运动轨迹，实现数控切割；切割后的磨料水混合液与切屑经磨料和水循环处理装置后，将磨料、切屑以及水过滤分离后循环利用，降低切割成本.当截止阀1打开，截止阀2闭合时，工人用手持喷枪进行修割作业，手持喷枪上的点光源为工人提供参照，使移动方向与切割线保持一致，以减少操作失误.射流泵出口端与手持喷枪磨料射流入口端之间由20 m长的高压管连接，可以提高设备切割范围.

图4 磨料水射流切割系统

2 系统参数选取及喷嘴优化

2.1 系统主要参数

系统主要参数取值见表1.

表1 系统主要参数取值表

2.2 射流泵参数选择

射流泵结构见图5.

图5 射流泵结构示意图

射流泵将磨料与水充分混合，在设计射流泵时，应在给定的工作条件下得到尽可能高的效率.使射流泵效率最高的压力比h、流量比q和面积比m称为射流泵的最优参数.可采取已知最优面积比my和经验公式取值的方法进行射流泵的初步设计[7]，基于此，选取射流泵参数α为13°、d2为1 mm、L0为3 mm、dm为6 mm、dh为19 mm、Lh为34 mm、θ为8°，与面积比m呈函数关系的射流泵其他参数取值如表2.

表2 射流泵其他参数取值表

在Fluent中，通过固液两相流数值模拟结果，选取面积比m=4的射流泵，该参数下数值模拟得到的扩散管后管道压力为23.2 MPa，磨料体积分数为4.01%.

2.3 喷嘴的优化设计

磨料切割喷嘴是磨料水射流切割系统的重要组成部分，其结构形式及参数选择将直接影响磨料水射流切割质量与效率.采用性能较好的流线型喷嘴，其结构见图6.

图6 流线型喷嘴结构图

影响流线型喷嘴性能参数有：磨料喷嘴出口直径d0、磨料喷嘴收缩角α、过渡比d1/d、圆柱段长度l0和扩散角θ.由于影响喷嘴性能因素很多，为得到优化后的流线型喷嘴结构参数，可采取正交实验的方法[8].在确定磨料喷嘴出口直径为1 mm的情况下，对收缩角α、过渡比d1/d、圆柱段长度l0和扩散角θ四种因素进行分析.按照L9(34)，Fluent中在切割压力为23.2 MPa，磨料体积分数为4.01%的条件下，对流线型喷嘴进行数值模拟，计算磨料距喷嘴出口6 mm的速度值来评价喷嘴性能，得到结果见表3.

表3中k1，k2，k3是因素磨料喷嘴收缩角α、过渡比d1/d、圆柱段长度l0和扩散角θ在1，2，3水平下得到磨料速度的平均值.当参数不同时，磨料在喷嘴出口6 mm处的速度最大值与速度最小值相差高达30 m/s，说明合理的喷嘴参数选择在一定程度上可以提高磨料水射流的切割能力.极差值表明，四个因素当中，对磨料水射流切割能力影响程度从高到低依次是过渡比d1/d、喷嘴收缩角α、扩散角θ和圆柱段长度l0，由此可确定流线型喷嘴的最优参数磨料喷嘴出口直径d0为1 mm，喷嘴收缩角α为13°，过渡比d1/d为0.5，圆柱段长度l0为4 mm，和扩散角θ为27°.

表3 正交实验结果表

3 板材切割实验

为验证热切割和冷切割方式对板材边缘加工的影响，用现有磨料水射流切割设备切割厚度为2 mm和3 mm的Q235钢板和5083铝合金板，用氧-乙炔切割厚度为4 mm和6 mm的Q235钢板(氧-乙炔无法切割铝合金板)，均切割成300 mm×30 mm规格的板条，并用红外线温度计记录切割前后的温度变化[9-10].

3.1 磨料水射流切割与氧-乙炔切割

以磨料水射流为例，在钢板和铝合金板材上预先画好三条切割线与测温点，见图7.

图7 切割线与测温点示意图

在切割前，用温度计记录切割前的板材温度，在切割完成后，立即测量各点温度，重复三次取平均值作为各点温度数据并绘制成图，得到切割前板材初始温度为19.0 ℃(磨料水射流切割)和30.0 ℃(氧-乙炔切割)下的温度分布图，见图8.

图8 不同切割方式下温度分布图

不同切割方式下的切割断面见图9.

图9 不同切割方式下板材切割断面图

3.2 结果分析

Q235钢在温度为100 ℃时的热传导率为48.85 W/(m·K)，5083铝合金在温度为25 ℃时的热传导率为156 W/(m·K).受实验条件限制，氧-乙炔切割实验中所用的板材厚度和磨料水射流切割不同，但材质相同，而传导率是材料的固有属性,与厚度无关.因此,在板材厚度不同材料相同的情况下所得到的温度验证分析结果仍具有可靠性[11].

由图8a)可知，在磨料水射流切割时，板材温度几乎没有变化，温度上升不超过3 ℃；在相同材料的情况下，3 mm厚的板温度略高于2 mm厚的板.由图8b)可知，氧-乙炔切割完后板材温度在260 ℃以上，6 mm厚板的温度明显高于4 mm厚的板.因此，从温度热效应滞留上面来看，磨料水射流切割技术要明显优于氧-乙炔切割.

图9a)～b)中磨料水射流切割的5083铝合金及Q235钢断面光滑整洁，无明显变形，图9c)氧-乙炔切割断面中，由于板厚度较大，虽无明显热变形但断面处留有熔渣.就切割质量上来看，磨料水射流切割技术优于氧-乙炔切割技术.

切割过程中，磨料水射流切割2 mm,厚Q235钢时切割速度为700 mm/min，切割3 mm厚Q235钢时切割速度为460 mm/min，氧-乙炔切割4 mm厚Q235钢时切割速度为500 min/min，虽然没有直接得到磨料水射流切割4 mm厚Q235钢时的切割速度，但可以推算出在切割4 mm厚Q235钢时的切割可能在200～300 mm/min.因此，在切割速度上来说磨料水射流切割技术要低于氧-乙炔切割.此外，切割过程中，氧-乙炔切割时会产生化合气雾等有害物质，而磨料水射流切割中由于水的作用，产生的灰尘切屑并未直接排放到大气中，而是与水混合一起留在切割平台，改善了工人工作环境.

实验结果表明，磨料水射流切割技术在切割相同厚度板材时，其切割效率低于热切割方式，但磨料水射流切割技术和热切割方式相比，热应变小、无化合气雾、熔渣等有害物质，在热效应滞留、切割质量和改善工人工作环境上优势明显，能有效提高船用薄板切割质量，在船用薄板切割中进行应用与推广具有一定价值与意义.

4 结 束 语

目前常用的热切割方式已无法满足薄板切割的精度要求，本文提出的基于射流泵原理混合磨料的便携式磨料水射流切割系统设计方案旨在解决薄板在热切割加工时产生的热应变等问题，便携式和手持喷枪的设计提高了设备的使用范围，可适用薄板边缘数控切割、船体分段边缘修割等不同的生产环节和工况条件.