304不锈钢水下药芯割丝电弧切割工艺

徐鹏，黎文航，陈旻骅，王俭辛，田 然，刘雅倩

（江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003）

304不锈钢水下药芯割丝电弧切割工艺

徐鹏，黎文航，陈旻骅，王俭辛，田 然，刘雅倩

（江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003）

熔化极药芯割丝电弧切割是一种高效优质的水下切割方法，采用该方法切割不锈钢材料的研究较少。本研究利用能模拟不同水深的切割装置，附加霍尔电流、电压传感实现对切割过程的数据采集；实验设计时，考虑水下切割工艺范围较窄，在保持其他工艺参数不变的情况下考察某一参数变化对切割过程的影响；通过观察割口研究水深、电流、电压等主要工艺参数。结果表明，不锈钢切割时，主要工艺参数的影响与低碳钢切割时类似，但由于不锈钢的导热性较低以及异种金属切割时割缝中残渣更容易去除，切割时可以适当降低热输入。

水下切割；药芯割丝；熔化极电弧切割；不锈钢

0 前言

药芯割丝电弧切割是一种高效的热切割方法，它利用高温电弧的热量熔化工件割口处的金属，同时药芯割丝具有较强的造气、氧化、产热等作用，将熔融金属氧化为渣并吹落。该方法可通过调整药芯成分来满足不同切割需求，且设备简单、安全、高效，适用于水下切割并具有良好的应用前景[1]。国外学者最早将药芯割丝切割用于水下湿式切割中[2]；上海交通大学、华南理工大学进行了喷水式实心割丝的切割实验[3-4]；江苏科技大学和乌克兰巴顿焊接研究所合作开展了水下切割技术研究[5]，江苏科技大学李泽新等通过在高速摄像观察药芯割丝空气中的切割过程，初步明确了其切割机理[6]。目前，针对低碳钢已经进行了相关工艺研究[7]，但是对于水下常用的不锈钢，未见相关研究报道。本研究在借鉴上述成果的基础上，利用模拟水深装置，研究了304不锈钢不同水深下的切割工艺。

1 切割原理与实验设计

水下药芯割丝电弧切割过程中，首先采用接触式引弧，短路瞬间的热量使割丝端部附近水汽化，同时割丝内部产生气体，使得电弧在气体中产生并被气体包围。电弧产热熔化其下方金属，熔融金属被氧化为渣，并在电弧力和气流作用下被排出工件。由于电弧自身调节作用，焊丝端部随着割口底部的下降而下降。最终，电弧可能因底部熔融金属的彻底掉落而熄灭，也可能因割丝与割口前沿短路而转移到割口上方。上述过程循环进行从而实现切割[6]。

水下切割实验系统如图1所示，其组成与熔化极焊接装备类似。实验采用平特性直流电源，直流正接，将焊接工作台置于带水的压力容器（模拟水深装置）中，调节其中压力则可以模拟不同水深进行切割。切割时采用霍尔电流/电压传感器采集电弧电信号。割丝型号为乌克兰巴顿电焊研究所的PPRAN2，割丝直径2.2 mm。切割工件为304不锈钢，其尺寸为400 mm×90 mm×15 mm。由于该方法的切割工艺较窄，且不同水深会影响其切割工艺范围，为对比不同工艺参数的影响，每次只改变一个工艺参数。实验时，主要改变水深、切割电流（通过改变送丝速度来调节，变化范围±50 A）和电弧电压（变化范围±5 V）。

图1 水下切割实验系统示意

2 水深对切割过程的影响

水深对电弧形态和电弧燃烧的稳定性影响显著，是影响切割工艺的重要参数。利用模拟水深装置模拟了0.2 m、50 m、100 m、150 m的水深环境，并设定切割电流为450 A，切割电压为45 V、切割速度为130 mm/min进行实验，其结果如图2所示。

图2 不同水深下割口形貌

可以看出，50 m水深割口宽度显著变窄，但之后割口宽度变窄趋缓，这是由于随着水深增大，电弧径向受到压缩，导致割口变窄。此外，还可以观察到割口上端的宽度与割丝直径相当，靠割丝与工件短路、摩擦以及下方热量传导短路形成。

割口厚度方向随着水深增大出现一个内凹，主要是因为随着电弧变窄的同时电流密度增大，电弧长度变短[8]，电弧不容易抵达工件底部。电弧所在的割口中部热量较多，容易熔化，而割口下部主要靠热量传导和电弧吹力割穿，割口变窄，形成内凹。

3 电流对切割过程影响

不同水深条件下，电流对切割过程的影响类似。水深大时，割口变窄，其形状变化不如浅水时明显，以0.2 m水深为例。实验时，切割电压为40 V，切割速度为130 mm/min，切割电流分别为500 A、450 A、400 A。因为切割过程电流波动剧烈，电流值为设定值，通过改变送丝速度获得。

图3 不同电流参数割口形貌

实验结果如图3所示。从割口正面可以看出，当切割电流较大时，割口正面出现圆形波动，这是因为电流越大电弧切割能力较强，割丝从上到下切割金属的时间更短，从割穿后电弧熄弧到割丝侧面与割口前方接触引弧的时间间隔变长，使得割口宽度波动剧烈。

从割口横截面可以看出，随着切割电流逐渐增大，上割口逐渐变窄，下割口逐渐变宽。这是因为当电流较小时，向下的切割能力较弱，电弧主要集中于工件上部位置，因此，上部金属容易被熔化，而下部金属主要依靠热传导和割丝所产生的气流作用来割开，因此下部割口较窄。随着电流的增大，电弧的位置下移，使得下部金属热作用增强，割口变宽。上部金属主要靠传导，甚至短路过渡而被割开，割口变窄，最窄处与割丝宽度相当。

4 电压对切割过程的影响

如前所述，电弧电压会影响电弧长度和浅水环境下的电弧宽度，由于深水环境需要更大的电压变动范围才能使电弧长度出现较明显的变化，且深水环境下电弧稳定性变差，故以0.2 m水深为例研究电压的影响。设定切割电流为450 A，切割速度为130 mm/min，切割电压分别为35 V、40 V、45 V。实验结果如图4所示。

图4 不同电压参数割口形貌

当电弧电压较低时，电弧较短，切割时电弧容易深入到工件内部，其效果与电流较大时类似，上部金属靠热传导和短路过渡被割开，因而较窄。随着电弧增大，上部割口变宽，割口横截面呈现上窄下宽的形貌。

除电流、电压、水深外，切割速度对切割质量影响很大，主要变现为影响切割的线能量，此外，切割速度要与电流、电压相配合，否则切割质量不佳。

5 与低碳钢切割的比较

与低碳钢切割相比[9]，304不锈钢水下熔化极电弧切割变化规律类似，不锈钢导热系数比碳钢低，且切割过程产生的残渣容易去除，如图5所示，其原因为异种金属切割时残渣与母材连接不致密，所以同等条件下，不锈钢更容易切割，切割电流可以适当降低。

图5 切割过程挂渣去除前后对比

6 结论

（1）水深增大时，电弧变窄、变短，割口随之变窄，割口中部出现内凹。

（2）随着电流增大，割口下部逐渐变宽，上部逐渐变窄。

（3）随着电压增大，割口逐渐变宽。

（4）相比低碳钢切割，由于不锈钢导热更差，且切割残渣容易去除，故更容易切割，可适当降低所需热输入。

[1]郭嘉诚.水下熔化极热切割机理及割口成形研究[D].江苏：江苏科技大学，[日期不详].

[2]英国焊接研究所，乌克兰巴顿电焊研究所.水下湿式焊接与切割[M].焦向东，周灿丰，沈秋平，等译.北京：石油工业出版社，2007.

[3]吴毅雄，俞尚知，姜焕中，等.水下电弧切割现象和工艺参数的研究[J].上海交通大学学报，1984，18（6）：49-57.

[4]梅福欣，伍月华，卢桂全.采用喷水技术水下切割的研究[J].焊接学报，1981，2（2）：12-19.

[5]黎文航，王伟，王俭辛，等.水下药芯割丝电弧切割方法及工艺探讨[J].上海交通大学学报，2012，46（S1）：117-120.

[6]李泽新.药芯割丝电弧切割机理及传感研究[D].江苏：江苏科技大学，2016.

[7]龙秉政.水下熔化极电弧热切割及特性研究[D].江苏：江苏科技大学，2011.

[8]梅福欣，俞尚知，编译.水下焊接与切割译文集[M].北京：机械出版社，1982.

[9]吴毅雄，俞尚知，姜焕中，等.水下电弧切割现象和工艺参数的研究[J].上海交通大学学报，1984（6）：52-60.

Research on underwater flux-cored wire arc cutting procedure for 304 stainless steel

XU Peng，LI Wenhang，CHEN Minhua，WANG Jiangxin，TIAN Ran，LIU Yaqian
（School of Material Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Flux-cored wire arc cutting is an efficient and high quality underwater cutting method.The cutting procedure of stainless steel based on this method was rarely studied，so relative research was done in this paper.Firstly，a pressure vessel with welding device was used to simulate different water depth，and relative hall current and voltage sensor was used to acquire data during cutting process.Secondly，the influence of one parameter on cutting quality was studied with other parameters being constant because of the narrow cutting parameter range.Finally，the effect of water pressure，current and voltage on cutting process were researched by observing the cutting edge.Result showed that the influence of main parameters on stainless steel cutting process was similar with that of low carbon steel cutting.Due to the low thermal conductivity，and easy removing of residue in dissimilar metal cutting，the heat input could be reduced during stainless cutting process.

underwater cutting；flux-cored cutting wire；consumable electrode arc cutting；stainless steel

TG484

A

1001－2303（2017）01－0035-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.06

献

徐鹏，黎文航，陈旻骅，等.304不锈钢水下药芯割丝电弧切割工艺[J].电焊机，2017，47（1）：35-37.

2016-10-04；

2016-10-22

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划重点项目（201610289020Z）；江苏科技大学本科创新重点项目；国家自然科学基金（51305173）；江苏省青蓝工程中青年学术带头人

徐鹏（1996—），男，安徽芜湖人，学士，主要从事水下焊接与切割的研究工作。