高速旋轉(zhuǎn)氧電弧干式切割裝置設(shè)計

朱安康 徐俊濤 趙先銳 杜訓(xùn)柏 朱征宇

摘要：水下切割技術(shù)作為海洋工程結(jié)構(gòu)維修安裝的一門重要技術(shù)，得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用。美國Broco公司研制的專用水下割條利用高壓氧氣作為電弧氣體介質(zhì)實現(xiàn)水下切割過程，切割效果好，效率高。為了切口面光滑程度，本文研制了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)電弧切割的割槍裝置，并在干式環(huán)境下做切割試驗。試驗結(jié)果表明：高速旋轉(zhuǎn)的氧電弧能略微提高切口面光滑程度，但由于割條略有彎曲以及割槍整體裝配程度不高，導(dǎo)致割條以及電弧偏心，形成一定的公轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致切口割渣在電弧偏心力作用下甩向工件正面，從而造成表面成形較差，不過氧化割渣容易去除。

關(guān)鍵詞：高速旋轉(zhuǎn);氧電弧;干式切割

中圖分類號：TG444+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0077-02

0? 引言

海洋工程結(jié)構(gòu)制造是國家實施“一帶一路”、“沿海戰(zhàn)略開發(fā)”等國策的一項重大產(chǎn)業(yè)。水下切割屬于沉船打撈、海洋平臺拆除等海工結(jié)構(gòu)水下作業(yè)當(dāng)中一項極為關(guān)鍵的技術(shù)。美國Broco公司研制的專用水下割條利用高壓氧氣作為電弧氣體介質(zhì)實現(xiàn)對鋼板進(jìn)行熔化和氧化，并利用高速氧氣和電弧粒子流吹除割渣，從而實現(xiàn)水下切割過程，切割效果好，效率高。但其氣體和電弧粒子流不穩(wěn)定，容易造成切口面光滑程度不夠，切割質(zhì)量有待提高。本文研制了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)電弧切割的割槍裝置，并在干式環(huán)境下做切割試驗，以期利用高速旋轉(zhuǎn)氣流和電弧提高切口表面光滑度，為后續(xù)水下高速旋轉(zhuǎn)氧電弧水下切割試驗研究提供基礎(chǔ)。

1? 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個切割裝置原理如圖1所示，割槍結(jié)構(gòu)如圖2所示，實物割槍如圖3所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電圖如圖4所示。割槍裝置主要由旋轉(zhuǎn)電極盤、割條聯(lián)軸器、氣管接頭、直流無刷電機(jī)、饋電箱體、電纜接口等部分組成。

其工作原理是，直流無刷電機(jī)帶到旋轉(zhuǎn)電極盤進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過割條聯(lián)軸器帶動割條和電弧進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。直流無刷電機(jī)可通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。實測轉(zhuǎn)速可達(dá)8000RPM。氣管接頭接入高壓氧氣，其流量通過氧氣閥調(diào)節(jié)，利用流量檢測儀進(jìn)行實際流量測量。氣體經(jīng)過直流無刷電機(jī)的空心軸，再經(jīng)過割條后噴出，隔條下端口形成切割電弧。饋電箱體則通過電纜接口接入外部電纜，內(nèi)部通過電刷實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)饋電過程。

電路工作原理如下：LM317為穩(wěn)壓管，為NE555定時器提供5V電壓，直流電機(jī)接24V開關(guān)穩(wěn)壓電源，通過NE555構(gòu)成PWM脈沖調(diào)制電路，YPI17575C為MOS管，改變電位器電壓值，通過NE555改變電容C8充放電時間來改變MOS管導(dǎo)通角，從而改變PMW的占空比，進(jìn)而改變直流電機(jī)兩端電樞電壓，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目的。

2? 切割試驗

試驗參數(shù)如表1所示，采用手工切割，引弧電流為120A，切割電流為280A，電弧旋轉(zhuǎn)速度3000rpm，切割氧氣流量為100L/min。試樣尺寸為100*60*6，材質(zhì)為普通Q235低碳鋼板。割槍角度略微后傾10-15度。

3? 結(jié)果討論

切口面圖片如圖5所示，切口正面如圖6所示。從圖中可以看出，切口2相比較切口1，切口面光滑程度略有提高，但是切口2的寬度相比較切口1寬，同時切口2正面割渣較切口1正面割渣多。如前所述，切口2相比較切口1，切口面光滑程度略有提高是因為電弧旋轉(zhuǎn)粒子對切口面起到了切向沖擊作用。但由于割條略有彎曲以及割槍整體裝配程度不高，導(dǎo)致割條以及電弧偏心，形成一定的公轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致切口2割渣在電弧偏心力作用下甩向工件正面，從而造成表面成形較差，不過好在氧化割渣非常容易去除，輕輕敲擊即可去除切口2正面割渣。

4? 結(jié)論

①所研制的高速旋轉(zhuǎn)氧電弧切割裝置能實現(xiàn)穩(wěn)定的干式環(huán)境切割過程。

②高速旋轉(zhuǎn)氧電弧干試切割較不旋轉(zhuǎn)電弧條件下能略微提高切口面光滑程度。

③高速旋轉(zhuǎn)氧電弧干試切割較不旋轉(zhuǎn)電弧條件下，割口寬度略高且表面割渣較多。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁孝巨，劉世明.高效率電弧—氧水下切割研究[J].華南工學(xué)院，1979（01）.

[2]吳毅雄，俞尚知，姜煥中，俞海良.水下電弧切割現(xiàn)象和工藝參數(shù)的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，1981（08）.

[3]陳曉強(qiáng)，馬震，汪福強(qiáng).水下高壓氧電弧切割參數(shù)對切口質(zhì)量的影響[J].金屬加工，2014（08）.

[4]Danchenko， M.E， Underwater arc cutting with a cored electrode[J]. Welding International， 1989， Vol.3， No.7：562-563. 10.1080/09507118909446610.

[5]Asit Kumar Parida， Numerical and experimental analysis of specific cutting energy in hot turning of Inconel 718[J]. cutting journal， 2009（14）.

[6]Kang-Yul Bae， A study on prediction of the size of heat affected zone in oxy-ethylene flame cutting of steel plates[J]. welding and cutting， 2015（39）.

[7]Hamasaki，-M.; Tateiwa，-F.; Kanatani，-F.; Yamashita， -S， A consumable electrode water jet cutting technique is described[J]. Koon-Gakkai-Shi，1984， Vol.10， No.1， 18-23.