于浩楠，王尊策，趙松柏，王智新，張永林

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

核能相對于其他能源，具有穩(wěn)定、高效、安全、清潔等優(yōu)勢[1]。目前，國內外核電管道普遍采用“整體鍛造+鏜孔加工”的制造方法，該方法存在制造周期長(約200 d)；易產生裂縫(多次加熱)；材料利用率低(如：主管道成品重11 t，鍛件重60 t，使用鋼錠重110 t。)；能耗高(鍛造煤氣消耗量10 km3/h)等問題[2]。因此，如何縮短生產周期，提高產品等級，節(jié)能減排，是目前國內外核電制造面臨的共性問題。

鑒于現有制造工藝的弊端，國內核電管道制造企業(yè)提出了AP1000核電不銹鋼主管道和復雜管件“軸向補料，徑向擠壓”的成形新工藝。相比鍛造機加成形，新工藝使管道強度和生產效率明顯提高。為進一步提高管道制造生產效率，實現核電復雜管件的接管嘴“近凈成形”制造[3]，迫切需要專用的大功率等離子切割技術和設備。AP1000核電主管道、超級管道、斜三通等壁厚通常為20～100 mm，材料為超低碳控氮奧氏體不銹鋼316LN，由于該材料沒有穩(wěn)定的等離子切割工藝，實際生產中切割表面質量差、切口成形形態(tài)差、掛渣量嚴重且極易產生切割裂紋，導致后續(xù)加工難度大、時間長、材料浪費嚴重，難以達到“近凈成形”和提高效率的預期。

為解決上述問題，本文對20～100 mm厚316LN不銹鋼等離子切割工藝參數進行實驗研究和優(yōu)化。等離子切割工藝參數中變量參數較多，為此，本實驗選取等離子電源切割電流、切割速度、氣體壓力和噴嘴高度等主要參數進行研究和分析[4]，并采用控制變量法，對不同厚度材料進行切割實驗。

1 實 驗

1.1 實驗條件

本實驗在自主研發(fā)的大功率等離子切割試驗平臺下進行，圖1為該試驗平臺的示意圖，圖2為試驗平臺現場圖。等離子電源選用海寶HRP800XD型等離子切割電源，最大切割電流800 A，執(zhí)行機構為等離子切割機器人倒置龍門懸臂下，可實現核電管道的全位置切割。

圖1 大功率等離子切割試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-power plasma arc cutting test platform

圖2 大功率等離子切割試驗臺主體設備Fig.2 High-power plasma arc cutting test equipment

1.2 實驗方法

AP1000核電管道采用超低碳控氮奧氏體不銹鋼316LN[5]，對應國標GB/T4237中的022Cr17Ni12Mo2N，是在316L鋼中添加N，使其具備316N的特性；而316L為022Cr17Ni12Mo2，兩種不銹鋼材料的化學成分見表1。

表1 316L與316LN化學成分對比(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of 316L and 316LN (wt.%)

兩種材料的化學成分僅有N元素含量略有不同，根據金屬材料焊接性碳當量分析，N元素對金屬材料焊接切割影響極小，基于成本和可獲得性考慮，為縮小實驗中各工藝參數初始取值范圍，參考316L不銹鋼切割工藝設定本實驗的初始工藝參數。

采用120 mm×80 mm×20 mm的316LN不銹鋼板材進行切割工藝實驗，用砂紙打磨去除板材兩面氧化膜，保證板材表面清潔，實驗室溫度、濕度穩(wěn)定。保持其他參數不變，逐一改變工藝參數進行實驗。利用專用檢測工具測量和觀察切割質量主要指標，計算并分析等離子切割工藝參數對切割質量的影響規(guī)律。最后，將該實驗方法及工藝參數對切割質量的影響規(guī)律應用于316LN不銹鋼厚板切割，并進行試驗驗證。

1.3 切割質量測量方法

切割質量通常包括切割表面質量和切口成形形態(tài)，切割表面質量的衡量指標有割紋深度、掛渣量、后拖量等；切口成形形態(tài)通常通過切縫寬度、切割面垂直度、材料變形量等來確定[6]。根據核電管道加工工藝及后續(xù)加工要求，本實驗主要通過以下5個主要指標進行切割質量的判定研究，具體測量方法如下[7]。

1)切割面垂直度

通常，等離子切割面垂直度以切割面平面度u表示，采用標準樣本比對法進行評定。為保證結果準確性，本實驗由兩名檢測人員進行比對，如比對結果不一致則由第3人復核。圖3為切割面垂直度示意圖。

圖3 切割面垂直度測量Fig.3 Measurement of cutting surface perpendicularity

2)后拖量

后拖量是評價切割表面質量的重要依據，是切割表面上下邊緣與切割面割紋交點水平投影的距離，如圖4所示。

圖4 后拖量測量Fig.4 Measurement of drag

3)切縫寬度

切縫寬度與噴嘴孔徑大小、距切割工件高度關系較大，通?？赏ㄟ^測量獲得，見圖5。為保證結果的準確性，本實驗采用多點測量，將平均值作為最終測量值。

圖5 切縫寬度測量Fig.5 Measurement of notch width

4)掛渣量

掛渣量是描述等離子切割后在切割表面或切口上下緣粘附的金屬氧化物熔渣，通常分為表面掛渣、條狀濺渣和滴狀濺渣。掛渣會影響切割表面質量和切口成形形態(tài)，較難去除，可通過目測直接觀察，通常用無、較小、較大和嚴重等術語進行描述。

5)割紋深度

割紋深度通過標準切割質量樣板比對來確定。圖6為割紋深度測量示意圖和標準切割質量樣板。為保證結果準確性，本實驗由兩名檢測人員進行比對，如比對結果不一致則由第3人復核。

圖6 割紋深度測量Fig.6 Measurement of cutting depth:(a)measurement of cutting depth; (b) comparison samples of cutting surface quality

2 結果分析與討論

2.1 切割電流

行業(yè)標準《熱切割質量和幾何技術規(guī)范》(JB/T 10045—2017)中，切割面垂直度、割紋深度是判定等離子切割質量的關鍵指標[7-8]，因此本文重點分析了這兩個指標。

根據20 mm厚316L不銹鋼等離子切割質量和廠商推薦值選定切割速度、氣體壓力和噴嘴高度，由小到大依次輸入切割電流，觀察切割電流對切割表面質量影響，結果見圖7，測量結果隨電流變化見表2。由圖7和表2結果可知，切割質量隨電流增大而提高，穩(wěn)定一段后切割質量迅速下降；當切割電流調至180 A左右時，切割表面光滑，垂直度好，無塌邊等現象，且無掛渣，切縫寬度約為4.7 mm，后拖量約為6.1 mm。

圖7 不同切割電流等離子切割表面形貌Fig.7 Cutting surface morphology under different currents

表2 切割電流對切割質量的影響Table 2 Effect of cutting current on cutting quality

由實驗結果可以看出，切割電流對切割質量的影響較大，為更直觀地分析切割電流對切割質量的影響規(guī)律，分析和研究了20 mm厚316LN不銹鋼切割電流最優(yōu)取值窗口，將垂直度、割紋深度等隨切割電流變化趨勢用曲線圖表示，如圖8所示，可以看到：切縫寬度曲線總趨勢為隨切割電流的增大而增大；而衡量切割表面質量好壞的3條曲線均呈凹型分布，電流在175～210 A時切割質量較好，割紋深度達到標準規(guī)定等級3級以上，垂直度達到標準規(guī)定等級4級，符合等離子切割表面質量及后續(xù)加工的要求。

圖8 切割質量隨切割電流變化曲線(20 mm)Fig.8 Curve of cutting quality with cutting current (20 mm)

當切割電流小于175 A時，切割表面各項指標隨電流減小逐漸變差，掛渣量較大；當切割電流大于210 A時，切割表面各項指標隨電流增大也逐漸變差。切割電流是決定電弧功率的主要參數[9]，分析認為：當切割電流較小時，電弧功率小導致切割能力不足；當其增大到適合區(qū)間時，切割能力與工件厚度相匹配，切割質量穩(wěn)定優(yōu)質；當切割電流超過工件厚度的匹配值后繼續(xù)增大，電弧功率過大導致熱輸入能量過大，使金屬工件過多熔化，切割表面質量和切口形態(tài)變差。

2.2 切割速度

保持其他3個主要工藝參數不變，將切割速度由550 mm/min開始逐漸增加，獲得切割表面形貌如圖9所示，切割質量隨切割速度變化情況如表3所示。由圖9和表3結果可知，切割質量隨切割速度的增加而提高，達到一定值后又急劇下降；當切割速度調至約800 mm/min時，切割表面光滑，垂直度好無塌邊等現象，下緣無掛渣，切縫寬度維持在4.0 mm左右，后拖量約為6.2 mm。

圖9 不同切割速度下切割表面形貌Fig.9 Cutting surface morphology under different speeds

表3 切割速度對切割質量的影響Table 3 Effect of cutting speed on cutting quality

用曲線圖表示切割速度變化過程中切割質量的變化如圖10所示，可以看到：后拖量曲線總趨勢為隨切割速度的增大而增大；其他3條曲線均呈凹型分布，切割速度在770～830 mm/min區(qū)間時切割質量相對較好，垂直度達到標準規(guī)定等級3級以上，割紋深度達到標準規(guī)定等級4級，完全符合等離子切割表面質量及后續(xù)加工要求；當切割速度小于770 mm/min時，割紋深度、垂直度和切縫寬度指標隨速度減少逐漸變差，切割表面粗糙；當切割速度大于830 mm/min時，切割表面各項指標隨速度增大急劇變差。由于等離子最佳切割質量特性的工藝參數存在不確定性，彼此之間相互影響[10]，分析認為，切割速度與切割電流相互匹配是決定等離子切割能力的主要參數。速度過小則電弧局部熱輸入量過盈，使金屬工件過多熔化而無法及時排除，冷卻凝固后殘留在金屬表面導致切割表面粗糙；切割速度過大則局部熱輸入過小、切割能力不足，因熔融金屬不能完全吹除導致后拖量大、掛渣嚴重。

圖10 切割質量隨切割速度變化曲線(20 mm)Fig.10 Curve of cutting quality with cutting speed (20 mm)

2.3 氣體壓力

保持其他3個主要工藝參數不變，由0.44 MPa開始逐漸增加氣壓進行切割實驗，結果如圖11所示，氣體壓力對切割質量的影響見表4。由觀察和測量結果可知，切割表面質量隨氣壓增加而提高，到達穩(wěn)定值后又逐漸變差；當氣體壓力約為0.6 MPa時，切割表面相對光滑，垂直度好，掛渣量較少，切縫寬度維持在5.0 mm以下，后拖量為5.7 mm左右。

圖11 不同氣體壓力下切割表面形貌Fig.11 Cutting surface morphology under different gas pressures

表4 氣體壓力對切割質量的影響Table 4 Effect of gas pressure on cutting quality

用曲線圖表示氣壓變化過程中切割質量的變化，結果如圖12所示，衡量切割表面質量和切口成形形態(tài)的4個主要指標曲線均呈規(guī)則凹型分布，即氣體壓力在0.56～0.64 MPa時切割質量相對最好，符合等離子切割表面質量及后續(xù)加工要求，割紋深度達到標準規(guī)定等級3級以上水平，垂直度達到標準規(guī)定等級4級以上水平；當氣體壓力小于0.56 MPa時，割紋深度、垂直度、切縫寬度和后拖量指標隨氣體壓力增大逐漸變好，但表面總體質量仍然較差，切割表面粗糙、垂直度較差，工件上表面有過度燒灼現象，下表面掛渣量較大；當氣體壓力大于0.64 MPa時，切割表面各項指標隨電流增大急劇變差。因氣體壓力是影響熔融金屬流動、去除行為的主要因素[11-13]，通過分析認為，氣體壓力過小則無法將切縫內熔融金屬完全吹除，導致液態(tài)金屬凝固后堆積在切割切縫表面，嚴重影響切割表面質量和切口成形形態(tài)；而氣體壓力過大則會在吹除熔融金屬的同時帶走大量的熱量，使電弧熱量急速下降，穩(wěn)定性變差。因此，氣體壓力過大或過小均無法實現優(yōu)質切割。

圖12 切割質量隨氣體壓力變化曲線(20 mm)Fig.12 Curve of cutting quality with gas pressure (20 mm)

2.4 噴嘴高度

對20 mm厚316LN板材進行切割時，將割炬噴嘴高度由5.0 mm逐漸增加，觀察噴嘴高度對切割表面質量影響，結果見圖13，測量結果隨噴嘴高度變化見表5。由圖13和表5可知，噴嘴高度變化對后拖量基本沒有影響，割紋深度、垂直度和切縫寬度指標隨噴嘴高度增加而提高，達到最優(yōu)值后又逐漸變差；當噴嘴距切割工件上表面約7.5 mm時，切割表面最光滑，垂直度好無塌邊等現象，無掛渣，但切縫寬度較大，約為5.8 mm。

圖13 不同噴嘴高度下切割表面形貌Fig.13 Cutting surface morphology under different nozzle heights

表5 噴嘴高度對切割質量的影響Table 5 Effect of nozzle height on cutting quality

由實驗結果可以看出，噴嘴高度變化對切割質量具有一定影響，為更直觀地分析噴嘴高度對切割質量的影響規(guī)律，研究該厚度下噴嘴高度的最優(yōu)取值范圍，將垂直度、割紋深度等隨噴嘴高度的變化趨勢用曲線圖表示，如圖14所示，可以看到，切縫深度和垂直度曲線呈明顯凹型分布，當噴嘴高度調至7.1～7.8 mm時，割紋深度和垂直度均達到標準規(guī)定等級的3級以上水平；當噴嘴高度小于7.1 mm時，割紋深度和垂直度指標隨高度增大逐漸變好，但表面總體質量仍較差，切割表面粗糙，垂直度較差，工件上表面有過度燒灼現象；當噴嘴高度大于7.8 mm時，除后拖量外的各項指標隨高度增大急劇變差。因等離子切割時等離子體電離從噴嘴流向陽極工件形成導電通道，從而提供從噴嘴到工件的電流路徑[14-15]，分析認為，噴嘴與金屬工件表面的距離(弧柱區(qū))越小，陽極與陰極之間的電弧電壓越小，陽極工件易發(fā)生灼燒現象，陰極電極易發(fā)生熱腐蝕現象。同時，噴嘴高度太小易被熔融金屬飛濺，影響等離子弧射流甚至堵塞噴嘴；而噴嘴高度過大會使等離子電弧輻射熱因距離過大而損失過多，切割能力下降也會導致切割表面質量變差。

圖14 切割質量隨噴嘴高度變化曲線(20 mm)Fig.14 Curve of cutting quality with nozzle height (20 mm)

3 厚板不銹鋼切割工藝參數優(yōu)化

核電主管道具有尺寸大、管徑大、壁厚大的特點，見圖15，最大設計壁厚達60～100 mm，且后續(xù)焊接工藝需要加工坡口較大。因此，核電管道全位置大功率等離子切割厚度更大，難度更高。

圖15 AP1000核電不銹鋼主管道(帶一體化接管嘴)Fig.15 AP1000 nuclear stainless steel main pipe (with integrated nozzle)

為進一步研究大厚度316LN不銹鋼切割工藝，簡化實驗過程，節(jié)約材料，將上述實驗方法和影響規(guī)律應用于60～100 mm厚316LN不銹鋼板材切割實驗，確定切割電流、切割速度、氣體壓力和噴嘴高度的較好工藝窗口，見表6，并通過切割試驗進行驗證，驗證試驗表明，切割表面質量和切口成形質量明顯提升，表面及下緣基本無掛渣或掛渣量較小，經測量切割表面垂直度和割紋深度最優(yōu)處達到行業(yè)標準JB/T 10045—2017規(guī)定等級3級，完全滿足后續(xù)加工工藝要求，且去除量較小。本文采用的實驗方法可為進一步實現核電厚壁不銹鋼管道的高質量等離子切割提供理論和工藝參考。

表6 核電厚板不銹鋼材料(316LN)切割工藝Table 6 Cutting process for nuclear power thick plate stainless steel material (316LN)

4 結 論

1)切割電流為175～210 A，切割速度770～830 mm/min，氣體壓力0.56～0.64 MPa，噴嘴高度7.1～7.8 mm為20 mm厚316LN不銹鋼等離子切割質量較好的工藝窗口。

2)切割電流大小決定了電弧功率的大小。切割電流調節(jié)與金屬材料厚度成正比；切割電流越大，電弧功率越高，等離子切割厚度越大；切割電流越小，電弧功率越低，等離子切割能力不足，切割厚度越小。研究發(fā)現，切割電流越大，切割時切縫寬度越大。

3)切割速度與切割電流相匹配，影響等離子切割局部熱輸入量。切割速度調節(jié)與局部熱輸入量成反比；切割速度越大，局部熱輸入量越小，等離子切割厚度越??；切割速度越小，電弧局部熱輸入量越大，等離子切割厚度越大，熱影響區(qū)越大。研究發(fā)現，切割速度越大，切割時后拖量越大。

4)氣體壓力大小影響熔融金屬的流動、去除行為。氣體壓力調節(jié)與熔融金屬吹除成正比；氣體壓力越大，熔融金屬流動、去除速率越大，等離子切割厚度越大；但氣壓過大會帶走大量熱量，導致電弧不穩(wěn)定；氣體壓力越小，熔融金屬流動、去除速率越小，等離子切割厚度??；氣壓過小還容易燒損電極和噴嘴。

5)噴嘴高度(弧柱區(qū)高度)大小決定等離子弧弧長大小。噴嘴高度調節(jié)與弧長成正比；噴嘴高度越大，弧長越長，電弧壓力越大，電弧功率越高，但弧長過大電弧熱量損失大，電弧擴散趨勢增大易導致割紋深度大、切縫寬度大、切口下表面寬；噴嘴高度越小，弧長越短，電弧電壓、功率均越低，等離子切割質量差。

6)本文所采用的實驗方法和主要工藝參數對切割質量的影響規(guī)律對于中厚板切割同樣適用，可為核電厚壁不銹鋼管道全位置360°高質量切割提供工藝參考。