熱切割行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

(機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150028)

熱切割行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展

荊文王智新于浩楠林思

(機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱150028)

從熱切割應(yīng)用較廣的四種加工工藝：氧氣切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割論述了國內(nèi)熱切割行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。針對國內(nèi)熱切割行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢，提出了現(xiàn)階段國內(nèi)熱切割行業(yè)存在的問題，提出實現(xiàn)國內(nèi)熱切割行業(yè)提質(zhì)升級，應(yīng)加大基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)、基礎(chǔ)領(lǐng)域研究，強(qiáng)化基礎(chǔ)能力，增加核心基礎(chǔ)零部件及高技術(shù)附加值產(chǎn)品的研發(fā)投入，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管，注重原始創(chuàng)新、加大知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度。應(yīng)以“中國制造2025”為抓手推動行業(yè)提質(zhì)升級，堅決淘汰倒退、落后的產(chǎn)品和技術(shù)，加快新舊動能轉(zhuǎn)換，促進(jìn)國內(nèi)熱切割行業(yè)向中高端發(fā)展。

熱切割行業(yè)現(xiàn)狀發(fā)展趨勢提質(zhì)升級

0 序 言

熱切割作為一種現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的加工手段，是與焊接相輔相成的基礎(chǔ)工藝，它的發(fā)展水平一直是影響和衡量一個國家基礎(chǔ)加工制造水平的重要指標(biāo)。隨著國家對基礎(chǔ)裝備制造相關(guān)行業(yè)的重視以及大型艦船、海洋工程、軌道車輛、工程機(jī)械、石油石化等重大領(lǐng)域的迅速發(fā)展，自主發(fā)展和其它行業(yè)帶動作用共同推動了熱切割技術(shù)的蓬勃爆發(fā)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 氧氣切割

氧氣切割技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的切割加工碳鋼和低合金鋼的熱切割方法。丙烷、丙烯、石油氣、天然氣及混合型燃?xì)獾刃滦腿細(xì)庖呀?jīng)替代乙炔氣成為切割工藝中的主要燃?xì)?。新型燃?xì)獾膽?yīng)用降低了氧氣切割的應(yīng)用成本，提高了生產(chǎn)安全穩(wěn)定性，并且更為清潔環(huán)保。割炬、割嘴等氧氣切割工具的研究改進(jìn)，以及各種機(jī)械化、自動化切割設(shè)備的研究、發(fā)展及應(yīng)用，尤其是數(shù)控切割機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得氧氣切割的精度、質(zhì)量和效率有了更大幅度提高[1]。

國內(nèi)制造業(yè)及艦船、海工、石化等重點行業(yè)發(fā)展迅速，鋼材的加工量巨大，氧氣切割的應(yīng)用仍然十分廣泛。同時相關(guān)的氧氣切割工藝、裝備的研發(fā)、應(yīng)用也隨之持續(xù)進(jìn)行。目前國內(nèi)氧氣切割工藝、裝備技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并在大厚度精密切割、超大厚度極限切割等高質(zhì)量、高水平的切割加工領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平[2-4]。

1.2 等離子弧切割

等離子弧切割技術(shù)可用于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁及其合金等有色金屬的切割加工，在1～50 mm低碳鋼、1～80 mm不銹鋼板材的高速、高質(zhì)量切割加工應(yīng)用廣泛，是應(yīng)用量同氧氣切割同樣巨大的鋼材切割加工的主要手段。

等離子弧切割自投入工業(yè)應(yīng)用以來經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展，小電流等離子切割、非高頻引弧等離子切割、水再壓縮等離子切割、水下等離子切割、精細(xì)等離子切割等[5-6]。

國內(nèi)等離子弧切割機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用以300 A以下的中小電流為主，而300 A以上的大電流等離子切割電源及配套核心部件主要由海寶、凱爾貝等國外公司生產(chǎn)。

國內(nèi)熱切割市場上的精細(xì)等離子切割主要應(yīng)用海寶、林肯凱博等國外知名品牌提供的精細(xì)等離子電源、數(shù)控系統(tǒng)、調(diào)高系統(tǒng)和專門的精細(xì)小孔切割編程軟件等。

國內(nèi)有江陰市六和智能設(shè)備有限公司研發(fā)了國內(nèi)首臺的數(shù)字化精細(xì)等離子弧切割系統(tǒng)LH-270A，其主要技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

1.3 激光切割

激光切割具有熱變形和熱影響區(qū)小、切割精度高、又適合于柔性生產(chǎn)等特點，在加工各種金屬和非金屬的高精度零件中應(yīng)用量大，廣泛應(yīng)用于石油機(jī)械、紡織機(jī)械、工程機(jī)械、核工業(yè)、航空航天、船舶、汽車制造等行業(yè)。

近幾年來，國內(nèi)激光切割設(shè)備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，高功率光纖激光器被大量應(yīng)用，從普通幅面到超大幅面、從平面(二維)到坡口和曲面(三維)，都有成熟商品化產(chǎn)品。光路設(shè)計、切割工藝控制技術(shù)都很成熟，在驅(qū)動方面普遍采用高速伺服系統(tǒng)，在性能與價格方面都已經(jīng)具備較強(qiáng)的競爭力。

目前全球激光切割設(shè)備主要由德國TRUPMF、瑞士BYSTR-ONIC和意大利PRIMA占據(jù)主要份額。國內(nèi)激光切割企業(yè)主要有：深圳大族激光公司、上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪公司、奔騰楚天公司、武漢法利萊公司、蘇州領(lǐng)創(chuàng)公司及中小激光企業(yè)近百家。與美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)的激光切割設(shè)備仍然存在一定的差距，國產(chǎn)設(shè)備仍然只能占領(lǐng)國內(nèi)中低端市場。激光切割設(shè)備中的高功率激光器、激光加工專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、高度跟蹤系統(tǒng)等核心技術(shù)以及高端激光切割設(shè)備仍然依賴進(jìn)口，制約了國內(nèi)激光切割產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展。

1.4 水射流切割

水射流切割主要應(yīng)用于航空航天、汽車制造、船舶制造等行業(yè)中的復(fù)合材料的切割加工，在玻璃、建材、造紙、皮革和食品行業(yè)也有應(yīng)用。切割加工過程中不產(chǎn)生熱影響、不改變被加工材料的材質(zhì)，精度也較高，是氧氣切割、等離子弧切割、激光切割等利用熱源進(jìn)行切割工藝方法的有效補(bǔ)充。

1.5 數(shù)控切割

國內(nèi)數(shù)控切割設(shè)備以二維坐標(biāo)為主，可根據(jù)用戶需求及工藝需要搭載不同的熱切割工藝。國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)控切割機(jī)制造廠家500余家，便攜式數(shù)控切割機(jī)年產(chǎn)可達(dá)2萬臺，輕型、大型龍門數(shù)控切割機(jī)年產(chǎn)約1萬臺，各種數(shù)控切割機(jī)的產(chǎn)銷量和保有量居世界第一。

隨著國內(nèi)二維坐標(biāo)數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展，國內(nèi)數(shù)控切割設(shè)備出現(xiàn)了兩極化發(fā)展：一是輕量化，向低成本、輕量化、專業(yè)技術(shù)發(fā)展，如利用高強(qiáng)度型材制造的單懸臂便攜式數(shù)控切割機(jī)，該類設(shè)備重量輕、成本低，但運(yùn)行精度及切割加工質(zhì)量和效率并未下降，能夠滿足低成本要求的簡單切割下料加工；另一是高集成度、高利潤、高技術(shù)、多工序多工藝復(fù)合化發(fā)展，如多種類型的專機(jī)化新產(chǎn)品，如平板坡口切割、管板切割一體、等離子鉆切一體等高端熱切割裝備，滿足高質(zhì)量、高效率、復(fù)雜的切割成形加工的需求。

2 發(fā)展趨勢

2.1 產(chǎn)線化

生產(chǎn)制造單一切割機(jī)的廠家非常少，越來越多的企業(yè)根據(jù)市場與技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)制造以熱切割加工為中心、上下料于一體的產(chǎn)線化產(chǎn)品。

各類型鋼約占鋼材總量46%，目前主要采用手工和機(jī)械切割，很少使用數(shù)控或機(jī)器人切割，市場前景廣闊。型鋼切割生產(chǎn)線實現(xiàn)型材的定位、標(biāo)記、切割等功能，實現(xiàn)在型材端部切割特定形狀端面及焊接坡口等成型切割。切割加工的型材主要包括：H型鋼、矩形管、槽鋼、T型材、球扁鋼、角鋼、扁鋼等。主要切割：切角、切斷、切特定形狀孔、切流水孔、切安裝孔。主要生產(chǎn)企業(yè)有：寧波金鳳、濟(jì)南艾西特、德州凱斯銳等。

寧波金鳳球扁鋼機(jī)器人切割生產(chǎn)線：采用高精度ABB機(jī)器人系統(tǒng)、海寶HPR260XD精細(xì)等離子、自動上下料、除塵系統(tǒng)以及球扁鋼自動套料軟件組成。

濟(jì)南艾西特型材機(jī)器人切割生產(chǎn)線：由上下料系統(tǒng)、機(jī)器人、等離子、除塵系統(tǒng)等七部分組成，適用于H型鋼、矩形管、方管、槽鋼、角鋼等型材的多種形狀切割。

FastCAM MultiBOT切割機(jī)械臂、江蘇博大型鋼切割機(jī)：由切割機(jī)械臂、多軸數(shù)控系統(tǒng)、智能切割軟件組成，可切割圓管方管坡口、管子坡口、型鋼坡口。

哈爾濱行健機(jī)器人切割機(jī)：采用機(jī)器人視覺識別技術(shù)，開發(fā)了六軸聯(lián)動坡口切割機(jī)器人設(shè)備，自動切割三維曲面坡口。應(yīng)用于壓力容器封頭、球形儲罐及其他曲面鋼板的測量、劃線和二次坡口加工。

2.2 復(fù)合化

復(fù)合加工中心的優(yōu)勢在于能將多種加工手段集于一體，同時完成后續(xù)焊接工藝的劃線工序，尤其適合厚板大幅面的加工，以高速機(jī)車的制造和發(fā)展為例，在高速機(jī)車的制造中，存在有大量的鈑金加工結(jié)構(gòu)件、焊接件。特別是機(jī)車構(gòu)架的橫梁、端梁，零件上孔群多，加工繁瑣，采用數(shù)控等離子鉆銑切一體化復(fù)合加工裝備可以一次加工完成，不僅大大提高了加工效率，同時由于一次裝夾加工成型，采用軟件套料板材加工，零件的加工精度和材料的利用率也得到了相應(yīng)的提高。

鉆切復(fù)合一體機(jī)是平板切割向智能化、冷熱加工一體化發(fā)展的高精度加工裝備。一次裝夾即可完成鉆孔、切割等多道工序，實現(xiàn)跨平臺多功能集成，無需后續(xù)的手工或機(jī)械二次加工，減少輔助工序時間，降低人力成本，提高產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率。

江蘇博大、無錫華聯(lián)等多家大中型切割機(jī)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)了平面鉆切復(fù)合機(jī)。

2.3 專機(jī)化

在鋼構(gòu)工程、石油石化、船舶制造、風(fēng)電、核電等大型工程關(guān)鍵構(gòu)件的切割加工，需要對切割設(shè)備進(jìn)行專機(jī)化設(shè)計，針對不同的加工對象而定向開發(fā)的切割專機(jī)或工作站。

隨著管道輸送及各類管絎架結(jié)構(gòu)在能源、壓力容器、石化、海洋工程、造船、電力、交通運(yùn)輸及鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用，進(jìn)一步促進(jìn)了國內(nèi)管加工技術(shù)的快速發(fā)展。管件的下料尺寸、坡口切割精度直接影響管件的焊接質(zhì)量。為提高管件下料精度和設(shè)備的自動化程度，針對不同管件、不同切割形式專業(yè)化設(shè)計的各類管件切割專機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。此類切割專機(jī)包括：數(shù)控曲面切割機(jī)、數(shù)控相貫線切割機(jī)、相貫線切割生產(chǎn)線、管道預(yù)制生產(chǎn)線、移動式管件加工站等。目前國內(nèi)各大切割生產(chǎn)企業(yè)都進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)：江蘇博大、寧波金鳳、上海通用、無錫華聯(lián)等。

3 存在問題及建議

3.1 基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)、基礎(chǔ)領(lǐng)域研究

熱切割是多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到了物理學(xué)的多個分支，包括：燃燒學(xué)、氣體射流動力學(xué)、等離子物理學(xué)、流體力學(xué)等，以及電氣控制、計算機(jī)軟件等多種學(xué)科。熱切割應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的幾種工藝方法：氧氣切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割，其相關(guān)的工藝及裝備均是多領(lǐng)域?qū)W科交叉復(fù)合的成果。

各種熱切割工藝的理論基礎(chǔ)研究如等離子弧的產(chǎn)生及控制、各種熱切割工藝的微觀機(jī)理及其與切割質(zhì)量的關(guān)系等，以及等離子電源、割炬、激光切割高功率發(fā)生器等關(guān)鍵零部件的研發(fā)都需要基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的大量深入研究?；A(chǔ)學(xué)科的投入不足，基礎(chǔ)領(lǐng)域的研發(fā)力度弱是制約國內(nèi)熱切割技術(shù)發(fā)展的重要因素。

3.2 關(guān)鍵零部件、高技術(shù)附加值產(chǎn)品研發(fā)

國內(nèi)熱切割技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，是熱切割設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)大國。但從市場結(jié)構(gòu)來看，國內(nèi)熱切割行業(yè)仍處于國際分工的中低端，量大而不強(qiáng)，國外品牌仍然占據(jù)了國內(nèi)市場中高端的主要份額。

國內(nèi)搭載等離子弧切割、激光切割等熱切割工藝的二維坐標(biāo)數(shù)控龍門切割機(jī)、三維坐標(biāo)機(jī)器人柔性切割系統(tǒng)、多種類型的切割專機(jī)等熱切割裝備的研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用量居世界前列。但等離子弧切割系統(tǒng)中的電源本體、割炬、數(shù)控系統(tǒng)、調(diào)高系統(tǒng)等，激光切割系統(tǒng)中的高功率激光器、激光加工專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、高度跟蹤系統(tǒng)等核心零部件以及高水平、高技術(shù)附加值的切割裝備仍然為國外品牌占據(jù)，仍然依賴進(jìn)口。這嚴(yán)重制約了國內(nèi)熱切割行業(yè)向高水平、高技術(shù)附加值方向發(fā)展，制約了國內(nèi)熱切割行業(yè)的提質(zhì)升級。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管

由于市場準(zhǔn)入門檻不斷降低，越來越多的資本進(jìn)入熱切割行業(yè)，使得國內(nèi)熱切割市場不斷活躍，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。由于技術(shù)水平不足，仿冒知名企業(yè)產(chǎn)品，應(yīng)用落后甚至倒退的技術(shù)生產(chǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)品等等現(xiàn)象尤其突出。這種情況下，需要在市場準(zhǔn)入門檻降低的同時強(qiáng)化熱切割產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管。建立完善的熱切割標(biāo)準(zhǔn)化體系，以標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，建立企業(yè)技術(shù)同盟協(xié)同質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)及政府部門，利用規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管，打擊淘汰劣質(zhì)、仿冒、技術(shù)落后、倒退的產(chǎn)品，維護(hù)市場健康良性的發(fā)展。

3.4 原始創(chuàng)新、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)

創(chuàng)新是促進(jìn)企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量，促使行業(yè)品質(zhì)升級的重要力量。長期以來，國內(nèi)熱切割行業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)模式是依靠學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，采用引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新的模式來發(fā)展的。如等離子切割電源、割炬及其備件、激光切割高功率激光器等核心技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用目前均依賴國外進(jìn)口，國內(nèi)產(chǎn)品對其進(jìn)行學(xué)習(xí)改進(jìn)并應(yīng)用。這在一定時期內(nèi)促進(jìn)了國內(nèi)熱切割行業(yè)技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展。

國際化的今天，國內(nèi)熱切割產(chǎn)品和技術(shù)要走出國門、面向國際，舊有模式不足以維持國內(nèi)熱切割行業(yè)的快速發(fā)展。目前要研發(fā)高端熱切割裝備需要的核心部件如等離子切割系統(tǒng)中的電源、割炬等，激光切割系統(tǒng)中的高功率激光器、控制系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)等均為國外品牌壟斷，鼓勵企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)向基礎(chǔ)領(lǐng)域和核心零部件加大研發(fā)投入，并維護(hù)其創(chuàng)新利益。促進(jìn)國內(nèi)熱切割行業(yè)提質(zhì)升級、向國際市場中高端邁進(jìn)，原始創(chuàng)新是不可或缺的主要驅(qū)動力量。在這個基礎(chǔ)上，加大知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度，維護(hù)國內(nèi)熱切割行業(yè)的創(chuàng)新動力是十分必要的。

4 結(jié) 論

目前，國內(nèi)的熱切割裝備與國外先進(jìn)品牌差距仍然較大，等離子和激光切割裝備尤為突出。國內(nèi)應(yīng)用的設(shè)備和技術(shù)多為進(jìn)口，自主研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、使用壽命短，與國外先進(jìn)品牌差距較大，仍然停留在較低級階段。要縮短與國際先進(jìn)水平的差距提升國內(nèi)熱切割產(chǎn)品質(zhì)量和行業(yè)等級，任重而道遠(yuǎn)。

在中國制造走向世界的今天，熱切割作為中國制造業(yè)的核心基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，關(guān)系到中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的進(jìn)程。認(rèn)真貫徹以習(xí)近平同志為核心的黨中央加快建設(shè)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署，落實新發(fā)展理念，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，以“中國制造2025”為抓手推動行業(yè)提質(zhì)升級，堅決淘汰倒退、落后的產(chǎn)品和技術(shù)，加快新舊動能轉(zhuǎn)換，促進(jìn)國內(nèi)熱切割行業(yè)向中高端發(fā)展。

[1] 梁桂芳.切割技術(shù)手冊[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

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TG481

2017-07-07

國家科技重大專項基金資助項目(2014ZX04014-051)

荊 文，1985年出生，碩士，工程師。主要從事焊接國際合作、科研管理、焊接行業(yè)服務(wù)等工作，已發(fā)表論文4篇。