球扁鋼等離子切割起弧位置偏移研究

唐興華

上海中船臨港船舶裝備有限公司 上海 200032

1 序言

現(xiàn)代船舶建造越來(lái)越多地使用各種型材，船用型材的使用量在船體全部鋼材用量中占有相當(dāng)大的比例。切割作為重要的型材加工手段，是現(xiàn)代船舶建造過(guò)程中基礎(chǔ)且非常重要的工序。

船用型材主要包括等邊角鋼、不等邊角鋼、球扁鋼、T形鋼和H形鋼。由于船舶設(shè)計(jì)時(shí)主船體多選用與相連接板材相同厚度與材質(zhì)的球扁鋼作骨材，因此隨著我國(guó)造船業(yè)的迅猛發(fā)展，船用球扁鋼需求旺盛，占船用型材總需求量的一半左右。

因?yàn)榍虮怃摴ぜ喞獜?fù)雜且切割加工精度要求高，所以對(duì)其切割設(shè)備也提出了非常高的要求。由于傳統(tǒng)火焰切割變形大、切割精度低；激光切割設(shè)備費(fèi)用高，只能切割中小厚度的型材；等離子切割具有切割速度快、切割面比較光潔、切割精度高等顯著特點(diǎn)，因此等離子切割越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于船用球扁鋼的切割[1-3]。

目前，船用球扁鋼等離子切割多采用智能機(jī)器人等離子切割設(shè)備進(jìn)行加工，應(yīng)用干式氧等離子切割[3]，其具有切割速度快、切割表面質(zhì)量高、變形小及熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足球扁鋼輪廓復(fù)雜、對(duì)精度較高的切割要求。典型的船用球扁鋼智能機(jī)器人等離子切割如圖1所示。等離子切割球扁鋼如圖2所示。

影響等離子切割質(zhì)量的主要工藝參數(shù)較多，其中噴嘴高度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)[1]。等離子切割時(shí)，對(duì)噴嘴高度有一定的要求。在球扁鋼切割時(shí)，由于球扁鋼的球頂面與腹板間存在一定的圓角，起弧位置控制難度高，稍不注意極容易因?yàn)閲娮旄叨冗^(guò)高而導(dǎo)致無(wú)法起弧。因此，必須嚴(yán)格控制等離子弧的起弧位置。

圖1 智能機(jī)器人等離子切割

圖2 等離子切割球扁鋼

為了避免等離子無(wú)法起弧，通過(guò)創(chuàng)建球扁鋼截面和等離子切割起弧位置偏移的數(shù)學(xué)模型，試圖分析不同型號(hào)球扁鋼等離子切割起弧位置的坐標(biāo)和偏移量，建立了球扁鋼型號(hào)和等離子切割起弧位置偏移量的曲線擬合關(guān)系式，從而提高船用球扁鋼等離子切割起弧成功率。

2 切割起弧位置偏移要求

球扁鋼等離子切割的割槍與球扁鋼表面保持一定的距離，由于割槍外置，所以它的整體冷卻效果要比接觸式切割好，噴嘴使用壽命也會(huì)得到相應(yīng)延長(zhǎng)。

球扁鋼等離子切割通常先切割球頭部分，再切割腹板部分。精細(xì)等離子電源產(chǎn)生的等離子弧噴嘴至球扁鋼的距離H一般在3~6mm（見(jiàn)圖3）[1，4]。若噴嘴到球扁鋼表面的距離過(guò)大，則容易造成起弧失敗，無(wú)法完成正常切割工作。

圖3 等離子起弧位置和偏移

在球扁鋼等離子切割前，等離子割槍的噴嘴先移動(dòng)至垂直于球頭頂面的某個(gè)位置，該位置距離球頭頂面圓弧的距離應(yīng)控制在3~6mm。由于球扁鋼球頭頂面與腹板之間存在一段圓角，等離子割槍和噴嘴向球扁鋼腹板靠近移動(dòng)時(shí)，噴嘴到球扁鋼球頂面的距離也是變化的。當(dāng)?shù)入x子割槍和噴嘴跨過(guò)球頂面和腹板相交的圓弧面后，噴嘴到球扁鋼表面的距離不再變化。

等離子噴嘴起弧位置點(diǎn)的坐標(biāo)和球扁鋼球頂面的最高點(diǎn)存在一定的偏移量Δ，分析研究該偏移量有助于分析等離子弧起弧位置的準(zhǔn)確定位。

3 起弧位置偏移模型

在球扁鋼等離子切割前，割槍和噴嘴先移至距球扁鋼球頂面有一定高度的位置，準(zhǔn)備起弧[5]。該高度必須在等離子切割的合理起弧高度范圍內(nèi)，且直接關(guān)系到起弧成功與否。

以球扁鋼寬度方向和高度方向的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，以寬度方向?yàn)闄M坐標(biāo)x軸，以高度方向?yàn)榭v坐標(biāo)y軸，建立球扁鋼等離子切割起弧位置的模型，如圖4所示。圖4中，A點(diǎn)為球扁鋼球頂面圓弧段的起始點(diǎn)，B點(diǎn)為球扁鋼球頂面圓弧段的終止點(diǎn)，C點(diǎn)為球頂面圓弧段的圓心，r1為圓弧段半徑，h為球扁鋼高度，P為等離子割槍噴嘴點(diǎn)，Q為噴嘴點(diǎn)延長(zhǎng)線與圓弧段的交點(diǎn)。

圖4 球扁鋼等離子切割起弧位置模型

圓弧段AB的方程為

分析表1中的數(shù)據(jù)，得出如下規(guī)律：

1）隨著球扁鋼型號(hào)和公稱尺寸的增加，等離子切割起弧位置點(diǎn)的縱坐標(biāo)y值也隨之增加。

2）對(duì)于不同型號(hào)，球扁鋼寬度相同時(shí)，雖然等離子切割起弧位置點(diǎn)的縱坐標(biāo)y值不同，但是起弧位置偏移量Δ相同。在球扁鋼寬度相同的前提下，球扁鋼高度增加時(shí)，等離子切割起弧點(diǎn)位置的縱坐標(biāo)也增加，起弧點(diǎn)到球扁鋼高度最高點(diǎn)（球頂面頂點(diǎn)）的縱向高度保持固定值。

3）隨著球扁鋼型號(hào)和公稱尺寸的增加，等離子切割起弧位置偏移量Δ也隨之增加。

表1 球扁鋼等離子切割起弧位置縱坐標(biāo)和偏移量

4 起弧位置偏移量曲線擬合

得出等離子切割起弧位置點(diǎn)和起弧位置偏移量的公式以及數(shù)據(jù)后，為了更好地揭示球扁鋼型號(hào)和等離子起弧位置偏移量的數(shù)學(xué)關(guān)系，以球扁鋼的寬度尺寸為橫坐標(biāo)，以球扁鋼寬度尺寸相對(duì)應(yīng)的起弧位置偏移量為縱坐標(biāo)，利用表1的數(shù)據(jù)，建立球扁鋼型號(hào)與起弧位置偏移量的曲線關(guān)系，如圖5所示。

在滿足曲線擬合精度的前提下，用二次方程去擬合球扁鋼型號(hào)與等離子切割起弧位置偏移量的曲線，得出球扁鋼型號(hào)寬度尺寸x和等離子切割起弧位置偏移量Δ的表達(dá)式

根據(jù)式（4），可以實(shí)現(xiàn)球扁鋼等離子切割起弧位置點(diǎn)的精確控制，保證等離子噴嘴到球扁鋼球頂面的距離，提高起弧的成功率。

圖5 球扁鋼型號(hào)與起弧位置偏移量的曲線關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

由于球扁鋼輪廓復(fù)雜，尤其對(duì)于大型號(hào)的球扁鋼，所以等離子切割起弧成功有較大難度。分析了球扁鋼等離子切割對(duì)起弧位置的要求，提出了起弧位置偏移量，創(chuàng)建了球扁鋼截面和等離子弧起弧位置偏移模型，分析了不同型號(hào)球扁鋼等離子起弧位置的坐標(biāo)和偏移量，建立了球扁鋼型號(hào)與等離子起弧位置偏移量的曲線擬合關(guān)系式。

等離子切割起弧位置偏移量Δ的具體數(shù)值為一定范圍，其與球扁鋼的型號(hào)和公稱尺寸有關(guān)。在實(shí)際切割加工過(guò)程中，可參照表1結(jié)果，針對(duì)不同球扁鋼選取合適的偏移量，以提高等離子切割起弧成功率，從而提高切割質(zhì)量。上述分析過(guò)程和結(jié)果為球扁鋼等離子切割起弧位置的精確控制提供了重要指導(dǎo)。