摘要:随着世界航空市场趋好,钛及钛合金中厚板的需求旺盛,采用传统的火焰切割方式切割钛及钛合金已无法满足航空工业的需求。进行了钛及钛合金中厚板水刀切割实验。结果表明,水压、沙流量和切割速率是影响钛及钛合金中厚板切割质量的主要因素;Ti-6A1-4V合金中厚板切割水压应控制在372.3~393.0MPa,沙流量应控制在0.681kg/min,切割速率根据板材的厚度分别控制在10~20mm厚为260mm/min,20~30mm厚为145mm/min,30~40厚为96mm/min,40~50mm厚为65mm/min,50~60mm厚为48mm/min;TA2,TA7,Ti-1023合金视其硬度大小确定切割速率,与Ti-6A1-4V合金切割速率比分别为1.4,1.2,0.8。经济效益对比分析结果表明,水刀切割钛及钛合金中厚板的费用仅为火焰切割费用的1/3左右,水刀切割所耗时间为火焰切割的1/5左右。
关键词:水刀切割;钛及钛合金;中厚板材
1前言
钛及钛合金以其熔点高、耐腐蚀、比强度高、高低温性能好、无磁性等突出优点,在航空航天、海洋开发、电力、化工等行业有特别重要的应用,被誉为“太空金属”和“海洋金属”。航空领域一直是钛最主要的市场[1,2],目前仍占世界钛市场总量的50%。随着国防工业的发展和国际航空用钛市场的扩大,钛合金板材订货大幅增加,如生产一架波音787大约需要91t钛材,其中厚板材占相当比例。
宝鸡钛业股份有限公司板带厂以前在钛及钛合金中厚板成品的取样、切边采用火焰切割,再用刨边机或其他机加工方法去除热影响区。这种工艺的缺点是:①金属损耗大,生产的钛屑无法直接回收利用;②切割时产生大量的烟雾,危害人体健康并污染环境;③生产成本高、周期长,刨边生产效率低下[3,4]。
发达国家钛及钛合金中厚板切割普遍采用高压水刀切割,而我国未见此方面的报道。宝鸡钛业股份有限公司板带厂研究了采用高压水切割机切割钛及钛合金中厚板的最佳工艺参数,以及与传统的火焰切割的经济效益对比,旨在为钛及钛合金中厚板批量化切割工艺提供可靠依据。
2实验
2.1实验材料与设备
本研究所用的材料,为宝鸡钛业股份有限公司板带厂采用四辊可逆轧机生产的TA2,TA7,Ti-6A1-4V,Ti1023合金板。实验设备为美国FLOW公司生产的水刀切割机。
2.2水刀切割原理
水刀切割是利用高压水流与沙料输送管输送的经计量的沙料结合形成的强力切割流,切割材料。强力切割流通过切割头尖端时的速度高达914m/s,切割板材时先穿孔,之后再以一定的速度走刀切割,最后沙料流的剩余能量由收集器容纳和消散。由水刀切割原理不难看出,水压、沙流量和切割速率是影响材料切割质量至关重要的参数。
2.3实验过程
用高压水刀切割机切割40mm厚的Ti-6A1-4V合金板,研究水压和沙流量对切割效果的影响;用高压水刀切割不同厚度(10~60mm)的Ti6A1-4V合金板,以及厚度相同牌号为TA2,TA7,Ti1023合金板的最佳切割速率。
以40mm×1000mm×2000mm规格的Ti6A1-4V合金板为例,进行了火焰切割与高压水刀切割2种工艺对比试验,分析了2种切割工艺的经济效益。
3结果与讨论
3.1水压对切割效果的影响
高压水切割机进水需经泵增压至0.55MPa,且连动时加压器必须保持在0.4MPa以上,加压器产生高压水流汇流至蓄压缸,最终再经喷嘴射出。实验所用的水刀切割机的高压水刀所能承受的最高水压为413.7MPa,选择合适的压力是保证钛及钛合金厚板有效切割的前提。通过调节压力,对40mm厚的Ti-6Al-4V合金板材进行了切割实验。压力低于344.8MPa以下,切割能力严重不足,切割困难。为保证切割能效得到很好的发挥,顺利切割Ti-6Al-4V合金,压力选在372.3~393.0MPa范围内是合适的。
3.2沙流量对切割效果的影响
高压水流经喷嘴进入混合室内,并在混合室建立局部真空区,该真空区可将经计量的沙料通过输送管吸入,然后与水结合建立起强力沙刀切割流。如果沙流量控制的不合适,就会明显的影响切割效果。当沙流量过大时,喷嘴容易堵塞;沙流量过小时切割力下降,切割困难。
相关期刊推荐：《稀有金属》(双月刊)创刊于1977年，由中国有色工业协会主管，由北京有色金属研究总院主办及承办。主要报道稀有金属、贵金属、稀土金属及镍、钴等有色金属在材料研制、合金加工、选矿、冶炼、理化分析测试等方面的最新科研成果及应用，同时还报道超导材料、半导体材料、复合材料、陶瓷材料、纳米材料、磁性材料等新材料的研究开发及应用。
本实验采用喷嘴的口径为0.246mm,采用13/40型号的沙导管与之相配,压力采用393.0MPa,沙料粒度为80#AA。选择4种沙流量,对40mm厚的Ti-6A1-4V合金板材进行对比试验,结果见表1。
当沙流量大于2.0Ib/min时,喷嘴容易堵沙,切割被迫停止。沙流量减少到0.8Ib/min时,高压水刀切割力下降明显,穿孔都变得困难。通过试验发现采用1.5Ib/min的沙流量,可以很好的与喷嘴和导沙管进行匹配,穿孔和切割效果良好。
3.3切割速率对钛及钛合金厚板切割质量的影响
利用水刀切割机切割钛及钛合金,也同切割其它材料一样会不可避免的形成水箭滞后以及水箭在材料表面运行至底部时呈现圆锥形或V型缺陷。被切割板材厚度越厚,穿孔耗时越长,造成以上这2种缺陷就越明显。为了保证被切割板材整个切割面具有良好的质量,选择合适的切割速率是非常重要的,虽然降低切割速率可以明显减弱水箭滞后和上小下大的尺寸偏差,但切割速率过低会造成能耗大,切割效率低,无法满足工业化大生产的生产效率要求。本研究为了保证水刀切割机保持最佳的切割工作状态,将切割机的水压控制在393.0MPa,沙流量控制在0.681kg·min-1(1.5Ib·min-1),通过大量的实际切割试验优化确定了不同厚度Ti-6A1-4V合金板的切割速率(见表2)。
对于不同的钛及钛合金材料,由于硬度有差异,因此采用水刀切割时的切割速率应不同。在退火态下,纯钛板材的HRC硬度为17左右,Ti-6Al-4V合金HRC硬度为35,TA7合金HRC硬度达到26。Ti-1023合金在固溶状态下HRC硬度达到42。针对以上4种典型钛及钛合金板材,在已经优化确定的Ti-6Al-4V合金厚板切割速率的基础上,经过实际对比试验分析,确定其切割速率。把已经确定的相同厚度Ti-6Al-4V合金板的切割速率视为1时,其他几种钛合金的切割速率系数见表3。由于表3可知,切割速率系数越大,切割速率越高。对于其它40个牌号的钛及钛合金板材,也可以根据其硬度值与所列的4种牌号钛合金板的硬度进行对比,进行微量调整,就可以确定合理的切割速率。
3.4水刀切割与火焰切割的经济效益对比
钛及钛合金厚板传统的切割工艺是用火焰切割,然后经刨边机刨边得到成品尺寸。该方法金属损失大。用水刀切割法取代火焰切割,虽然一次性投资较大,但是由于切割精度高,金属损失少,可在短期内将成本回收。40mm×1000mm×2000mmTi-6Al-4V合金厚板火焰切割和高压水刀切割的运行费用对比见表4。
表4可知,火割+刨边方式单位长度上的机加费用和材料消耗损失费用合计为273元/m。而高压水切割工艺单位长度上的机加费用和材料消耗损失费用合计为99.6元/m。水刀的切割成本为火割+刨边的1/3,水刀切割耗时为火焰切割+刨边的1/5左右。此外采用水刀切割后残留的钛及钛合金板边角余料可直接回收,重新熔炼,对比较昂贵的金属钛来讲,经济效益显著。
4结论
(1)钛及钛合金板材采用水刀切割方式可以直接向客户提供高精度尺寸的产品,克服传统的火焰切割方式热影响区大,金属损失严重,成本高,效率低的缺点。
(2)Ti-6Al-4V合金中厚板切割水压应控制在372.3~393.0MPa,沙流量应控制在0.681kg/min,切割速率根据板材的厚度分别控制在10~20mm厚为260mm/min,20~30mm厚为145mm/min,30~40mm厚为96mm/min,40~50mm厚为65mm/min,50~60mm厚为48mm/min;TA2,TA7,Ti-1023合金视其硬度大小确定切割速率,与Ti-6Al-4V合金切割速率比分别为1.4,1.2,0.8,切割质量良好。
(3)水刀切割钛及钛合金厚板的费用仅为火焰切割费用的1/3左右,耗时为火焰切割的1/5左右。——论文作者：张海龙,王俭,王伟,贺军,孙秀英
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