等離子、火焰、激光還是水刀？
 

　　在金屬加工應用領域中，用戶經常面臨如何選擇適合的金屬切割工藝的問題。  實際上，現在主流的這幾種金屬切割工藝，在切割厚度，切割精度，冶金性能，生產效率等方面都各有特點。
 

　　本文也不能窮盡以上所有特點細節，只能做些概述總結，希望能給您帶來更好的認識，便于您做出好的選擇。
 

　　在我們討論每種工藝的技術和能力之前，我們必須先明確對于金屬加工行業的用戶，哪些需求是重要的：

　　設備購置費用：以上幾種切割方式都需要配備不同的數控CNC，除塵設備，CAD/CAM軟件等。例如，相比水刀和火焰較慢的切割速度，激光在薄板上就要求更高的速度和精度。這些要求會直接導致設備成本的巨大差異。

　　單位零件或單位長度的切割成本：這項成本包括氣體、噴嘴、電極、電和水等。某些情況下還分攤了設備購置費用和人工成本（例如上下料）。所以在進行對比時一定要注意其范圍。相對于單位時間成本，單位零件或單位長度成本涵蓋了切割速度和生產效率，更具有實際的參考價值。
 

　　易用性：這項需求主要在于軟件（特別是CAM）和CNC數控�，F在通過將專業經驗內置集成而縮短學習時間和減少對經驗的依賴。比如等離子切割領域的領導者--海寶，它將海寶等離子的全套工藝參數直接內置在海寶自己的套料軟件和CNC數控里，新用戶能快速掌握，保持了和專業老手一致的切割品質和生產效率。這項需求雖然很難量化，但對于實際生產不容忽視。
 

　　生產率：也叫產能。切割速度往往是產能的決定因素。

　　切割件精度：對金屬制件精度的測量有很多方式。通常相對于內孔，對外輪廓的公差要求更低。所以現在很多金屬切割供應者都推出了切割質量更高的內孔工藝，例如海寶的集成螺栓孔切割工藝。另外，用戶通常在測量中只測量上表面，但實際上因為切割斜度的影響，底面的尺寸會有很大的差異。本文為簡單起見，建議使用針對于上表面測量的正負公差值，再考慮每種工藝的切割斜度。
 

　　邊緣質量、冶金性能：上面的所有工藝對金屬切削性、成型性能和焊接性都有不同的影響。

　　維護要求：長期的使用成本里需要考慮這些不同工藝的維護保養以及維護的難易。

　　下面是對這些不同工藝的簡要說明，包括火焰切割，精細等離子，3千瓦的光纖激光和水刀。為了對比，我會采用完整系統的設備購置費用，包括5’ x 10’（約1.5 x 3米）切割區域，一臺工業數控機床（既不是入門級也不是高配置），CAD/CAM軟件。

　　1火焰切割
 

　　火焰切割工藝是我們這里討論的所有切割技術中簡單的。其原理是先用可燃氣體加熱鋼鐵到“燃點”溫度（大約是1800F），一旦通過預熱達到這個溫度，再噴射純氧與熾熱的鋼鐵產生放熱反應，迅速侵蝕掉鋼鐵�；鹧嬷荒芮刑间�，多用在1/4”（約6.35mm）到 6” （約150mm） 的厚度。切割速度在超過2” （約50mm）厚度時比其他工藝快。在一臺數控機床上同時安裝多把火焰割炬很容易，而且便宜，這樣能使產能翻倍。

　　5’ x 10’火焰切割床成本：8--18萬人民幣 (速度低的相對簡單型機床)

　　單位零件或單位長度的切割成本：用氣相當多，切割速度慢。鋼板厚度越厚，相對于等離子，其切割成本越有優勢。通常每英尺切割成本比等離子高，超過2” （約50mm）厚度時，成本相對較低。
 

　　易用性：火焰數控切割床要求操作員很有經驗，才能達到快的切割速度和好的切割質量。通常還需要一直監視切割的過程。

　　生產率：火焰切割由于預熱時間長，切割速度慢，所以生產效率很低。
 

　　切割件精度：好的操作工在合適的速度、高度、氣體、噴嘴情況下，切割件尺寸公差大概是正負0. 030” （約0.76mm），斜度小于1度。

　　邊緣質量、冶金性能：火焰切割的熱影響區很大。斷面粗糙并且有掛渣。

　　維護要求：火焰切割床的維護比較簡單，用戶自己就能掌握。

　　2精細等離子

　　精細等離子是利用高溫的電離氣體產生高能量密度的切割電弧，所以能切割所有導電材料。新的技術對操作者沒有經驗的要求。精細等離子適合切割26 gauge（約0.45mm） 到2”（約50mm）厚的碳鋼，以及6¼”（約160mm）厚度內的不銹鋼和鋁。
5’ x 10’等離子切割床成本：40--60萬人民幣(速度更快，配備調高和除塵)

　　單位零件或單位長度的切割成本：在¼”（約6.35mm） 到2”（約50mm）厚的碳鋼上，等離子的切割成本相對于其他工藝是低的。
 

　　易用性：配備新的數控和軟件后，等離子非常易學易用。由于專業的工藝參數都已經內置在套料軟件里，所以對操作者沒有經驗要求。
 

　　生產率：厚度大于¼”（約6.35mm）時，切割速度快于激光。厚度小于2”（約50mm）時，切割速度快于火焰。等離子是所有切割工藝中速度快、效率高的。

　　切割件精度：碳鋼切割件尺寸公差大概是正負0. 015” （約0.38mm） 到0.020”（約0.5mm）。對于厚度小于3/8” （約9.5mm）的薄板，斜度在2-3度。對于厚度大于1/2”（約12.7mm）的厚板，斜度在1度以內。
 

　　邊緣質量、冶金性能：熱影響區很小，通常小于0.010” （約0.25mm）。斷面可焊性好，光潔無掛渣。
 

　　維護要求：維護比較簡單，用戶自己就能掌握，或只需廠商電話支持。

　　3光纖激光
 

　　光纖激光是目前新的激光技術。其使用的固態激光發生器比傳統的Co2激光要更，而且光纖激光的波長適合在細軟的光纖中傳導，比起只能用鏡面反射傳導的Co2激光要具柔性，更易維護。高能的激光通過聚焦，熔化被切割材料，輔助氣體（切碳鋼時通常使用氧氣）吹掉熔融的金屬。一臺3千瓦的光纖激光在切割能力和速度上相當于4到5千瓦的Co2激光。其切割能力一般能達到¾”（約19mm）厚的碳鋼。
 

　　5’ x 10’光纖激光切割床成本：200--300萬人民幣(激光切割床要求運動精度更高，且需要遮光防護)
 

　　單位零件或單位長度的切割成本：厚度小于¼”（約6.35mm）時，激光切割成本具優勢。隨著厚度的增加，切割速度顯著降低，雖然切割質量和精度很好，但切割成本卻高于等離子。
 

　　易用性：與新的等離子系統類似，配備新的數控和軟件后，激光切割床也一樣易學易用，因為所有的設置都是自動的。

　　生產率：在薄板上生產效率高，厚度增到¼”（約6.35mm）時，與等離子持平。
切割件精度：好的光纖激光切割件尺寸公差大概是正負0. 01” （約0.25mm）內。優于等離子，可與水刀媲美。斜度在1度以內。
 

　　邊緣質量、冶金性能：熱影響區比等離子略小。
 

　　維護要求：相比之前的Co2激光，光纖激光的維護難度大幅降低，在廠商電話支持下，用戶一般可以掌握。

　　4水刀
 

　　水刀技術已有數十年的歷史，從蛋糕到花崗巖材質上都有廣泛的應用。軟的材料能用純水切割，高壓水流(40,000 到 60,000 psi)由噴嘴壓縮，增加流速和能量密度。也可以在水流中加砂，砂的作用就類似于鋸的齒，在水流的推動下進行切割。當前先進的水刀泵能達到100,000 psi的高壓水。更高的壓力意味著更快的切割速度，當然停機維護時間也會增加，因為泵的密封需要定期更換。相對于其他切割工藝，水刀大的兩個優勢在于沒有熱影響區和能切幾乎任何材質。另外水刀的切割精度很好。但水刀大的劣勢在于其切割速度很慢。
 

　　5’ x 10’水刀切割床成本：50--90萬人民幣(由于速度慢，所以運動性能要求低，比激光床便宜，比等離子床略貴)

　　單位零件或單位長度的切割成本：由于水刀切割速度太慢，所以單位零件的切割成本相比于其他工藝是高的。
 

　　易用性：與新的等離子系統類似，配備新的數控和軟件后，水刀切割床也一樣易學易用。對操作者的經驗要求很低。
 

　　生產率：在碳鋼和不銹鋼上很慢，切鋁會快點。
 

　　切割件精度：水刀的精度是所有切割工藝中好的，切割件尺寸公差大概是正負0. 005” （約0.13mm）內。斜度在1度以內。
 

　　邊緣質量、冶金性能：對被切割的材料冶金性能沒有影響。斷面光滑，切割質量與砂礫和切割速度有關（越慢越光滑）。
 

　　維護要求：維護比較簡單，用戶自己就能掌握。

　　在美國芝加哥的FabTech展上，海寶曾在1/2”（約12.7mm）的碳鋼上，同時展示了五種不同的切割工藝：空氣等離子 (Powermax105), 長壽命空氣和氧氣等離子 (MaxPro200), 精細等離子 (HPR130XD), 3千瓦光纖激光 (HyIntensity Fiber laser), 水刀 (HyPrecision Waterjet)。
遠遠的看上去，五種工藝的切割樣件都差不。但近看，觀眾就能發現空氣等離子的樣件有明顯斜度，特別是小孔。氧氣等離子的切割斜度減小，精細等離子幾乎看不出來斜度。

　　誠然，只在1/2”（約12.7mm）的碳鋼上做對比是不公平的，在這個厚度范圍，精細等離子無疑是好的選擇。

　　但如果我們切1/8” （約3mm）的鋁，相信水刀和激光會更、精度更高。

　　如果尺寸要求放寬，價格低廉的空氣等離子應該是好的選擇。

　　所以，先明確自己的需求和實際應用，綜合考慮本文所述的各種工藝特點，相信您一定能選擇適合的金屬切割工藝和設備。
 

　　關于海寶Hypertherm：

　　海寶設計并制造先進的切割產品，這些系統廣泛應用于多個行業，例如造船業、制造業和汽車修理等行業。海寶產品線包括手持及機用等離子系統和易損件、光纖激光和水刀切割產品、CNC 運動控制和調高控制器以及 CAM 切割軟件。海寶系統以其卓越的性能和可靠性而備受信賴，幫助數十萬的企業提高了生產效率和盈利能力。海寶的總部設在新罕布什爾州，自從 1968 年發明水刀等離子切割技術以來，公司在切割的創新方面已經享有 40 余年的崇高聲譽。作為一家員工持有的公司，海寶一直被評為全美工作場所之一，共有 1300 多名員工，同時，銷售及服務分支機構和合作伙伴遍布全球。 海寶中國產品應用工程師 汪宏亮