1.概述

近年来，随着国内轨道交通飞速发展，铝合金车体的城轨车辆市场前景逐步出现了良好的趋势。由于铝合金具有重量轻、强度高等优点被广泛应用于城轨车辆车体关键承载部位，因此铝合金板材的加工、焊接质量关系到整个铝合金车体的安全性以及交付进度。要保证铝合金加工的质量和效率，就要从各个工序进行控制。下料作为第一道工序就显得尤为重要，下料的质量及效率高低直接影响以后各工序的质量以及交付进度。当前，下料工艺和设备种类较多，在不同切割条件下各有优缺。本文对铝合金板材的等离子高质高效切割技术进行介绍。

2.等离子切割工艺研究

目前我公司使用的是梅塞尔等离子切割机（见图1），等离子电源为凯尔贝FineFocus，工作气体为Ar+N2+H2，设备结构为双导轨，主要承担16~40mm厚铝合金板材切割下料。

图1

下面结合等离子切割特点以及设备和生产实际情况，从切割参数及切割工艺对铝合金高效切割进行研究。

（1）切割参数评判等离子切割质量的主要依据：切割面垂直度、切割面割纹深度及挂渣情况等。切割电流和切割电压决定了等离子弧的功率，等离子弧功率大小决定了切割能力和效率。而切割速度是切割生产率高低的主要指标，切割速度对切割质量有较大影响，合适的切割速度是切口表面平直重要条件。合理的匹配三个参数，对切割质量有着关键的作用。下面通过一系列的切割参数试验，阐述了切割电压、切割电流、切割速度和切割质量之间的关系。

第一，试验方案设计及结果分析。以20mm厚铝合金板材为例，根据切割经验设定切割电压为~V，切割电流为~A，切割速度为0~mm/min。

表1

从表1中可以看出，切割电压、切割电流、切割速度均有三个参数水平，如每个组合均进行切割试验，工作量较大，这里我们使用正交试验法对试验方案进行设计，试验方案及切割质量描述，如表2所示。

表2

根据试验结果，不同的切割参数将会有不同的切割质量（见图2）。通过比较可以看出，切割速度越高，切割面倾斜角度大，而且断面下半部分向后退拽纹路也随着速度的增加会更加严重。切割电压越高，会发现切割面倾斜角度也会变大，而电压太低时，甚至会出现负角度，主要原因是弧压感应调整割炬高度，因为等离子弧的形态导致切割面垂直度受到影响。

角度大

挂渣

纹路深并向后拖拽

良好

图2

根据以上试验结果，我们缩小三个参数的范围，经过多次试验对比，最终得出一组比较适用的参数（见表3）。用同样方法找出其他厚度铝合金板材的最佳切割参数。下面是我公司部分铝合金板等离子切割参数。

表3

由于影响等离子切割质量的因素比较多，并与设备及板材状态也有关，为此在生产过程中，需根据切割质量实际情况，对以上切割参数进行小幅调整，所以以上参数并非固定，允许上下浮动5%。

第二，常见切割质量分析。除上述三种切割参数外，气体流量、电极内缩量、割嘴高度以及切割易损件（电极、喷嘴等）等都是影响切割质量的重要因素。下面列举常见切割质量问题及解决方法。

首先，切割角度：由于等离子弧的特点，切割时当更多材料碎屑从切口上方掉落时，会出现正的切割角；当更多材料碎屑从切口下方掉落时，会出现负的切割角。

解决方法：调整弧压或割炬高度，及时更换易损件。

其次，熔渣：切割面产生熔渣有两种情况：一种是低速熔渣，由于切割速度较低，产生的过多熔化金属不能够完全吹离切割面；另一种就是高速熔渣，由于切割速度太快，使切割能力下降，切割面下部产生熔渣。

解决方法：低速熔渣，适当加快切割速度即可解决；高速熔渣，需适当降低切割速度及电压，调整切割高度。

以上是两种常见的质量问题，还有一些其他质量问题，例如切割面内凹、外凸，与割炬高度、切割电流、电压及电极消耗情况等均有关系，切割过程中需根据实际情况进行调整。

（2）高效切割工艺共边切割是一种能够提高切割效率和材料利用的高效切割工艺（见图3、图4）。但在传统理念中，因等离子切割本身特点，一般较少应用到等离子切割中。我公司结合产品特性及要求，将此工艺引入到了铝合金板材的切割下料。

图3共边切割排料示意

图4共边切割实例

由于等离子切割属于热切割，切割过程产生的热会使得铝合金板材变形，在共边切割工艺条件下，这一情况会更突出，为此我们设计了以下三种不同的共边切割工艺，以满足不同产品需求，降低产品质量风险。

方式一：如图5所示，网格式切割，先切横向与纵向共边路径，然后再切割外轮廓。这种属于批量切割零件，由于切割过程热变形可能导致板材位置移动，所以建议一次排料不要太多，否则产品易出现尺寸偏差问题。

图5

方式二：Z型切割方式，如图6所示，先切左、下两条外轮廓边，再按图示走Z型路线切割。同样属于批量切割方式，不宜排料太多，质量风险较方式一要低，但穿孔次数增加。

图6

方式三：单件切割方式，如图7所示，按零件逐个进行切割，穿孔次数最多，质量风险较低。但部分零件切割起弧点在割缝上，需注意产品加工余量的设计，保证穿孔时不伤及零件本体。

图7

共边切割还有其他切割方式，或者多种切割方式组合使用，编程技术人员可根据需要进行设计。除共边切割外，其他一些高效切割工艺，如连续切割技术，同样应用到我公司的铝合金板材的切割下料，显著降低易损件的损耗，节约了成本。

3.结语

影响等离子切割质量的因素很多，如切割参数、切割工艺、切割易损件与设备状态等。只要日常做好设备保养，在实际切割中按要求的切割工艺和参数，就可以满足切割质量要求。