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过程自动化满足氧气切割的要求

发布时间:2019/10/15 20:21

过程自动化满足氧气切割的要求

技术进步如何改变火焰氧气切割的观念

发表时间:2019年10月5日
发表人:江苏科茂自动化有限公司
关于:数控切割机,火焰氧气切割


在所有的板材切割技术中,氧气切割都不是最有名的。这是经典的“重型制造”过程,以一排火把产生的公鸡尾巴一样发出明亮火花的背景。具有讽刺意味的是,这些火花羽流可能是不理想的穿孔过程的特征,该过程正在迅速消耗掉割嘴的寿命。

无论如何,人们将注意力转移到其他工艺。雄心勃勃的年轻人不希望使用火焰氧气切割技术,而希望使用等离子切割技术,尤其是激光切割技术,与使用火焰氧气切割技术相比,这种技术似乎具有太空时代的优势。

因此,雄心勃勃的青年避免使用火焰氧气切割,这使招募和培训成为一项挑战。在所有热切割选项中,火焰氧气切割碰巧也是最手动的,因此即使对于最雄心勃勃且技术上最合适的人,培训也具有挑战性。

由于制造商在招募优秀的操作员时遇到了麻烦,因此他们避免了该过程,而是转向了更自动化的过程,例如等离子切割,对于1英寸及以下的材料,则采用激光切割。操作最终将等离子和激光切割推向极限。

但是,如果不需要进行过多的调整火焰氧气切割?当今的过程自动化可以实现这一目标。这样做最终可能会改变人们对该工艺的认识,并最终改变其在金属制造中的地位。

客观的外观

请注意,在当前情况下,“自动化”不是指物料处理,而仅指基本的过程设置,这是拉出剪切程序并启动它所需要的任务。对于大多数现代切割工艺,操作员会在CNC上调一个程序,检查一些设置,然后启动切割。即使没有完全熄灭的设置,一个操作员也可以一次运行许多激光切割机。

尽管现代的火焰氧气数控切割机确实具有存储程序并控制割炬运动的CNC,但是过程设置却有所不同。许多操作员仍然手动点燃火焰。当他们调节氧气和燃料气体(无论是乙炔,丙烯还是其他任何气体)时,它们都会调节火焰,以确保初级和次级火焰恰好适合预热。

经验丰富的操作员“观察”火焰。当金属达到点燃温度时,操作员会再次调整设置以开始穿孔和切割。学习所有这些复杂性可能要花费数月甚至数年。由于很少有人将火焰氧气切割视为“落后技术”,因此最终专注于富氧燃料的人越来越少,因此该行业拥有经验的人员比以往任何时候都少。恶性循环还在继续。

同时,公司继续观察其火焰氧气切割业务的业绩下降。新的操作员不得不学习很大程度上仍需手动操作的过程,因此消耗掉了易损件。零件需要大量研磨。生产率极差,过程不可预测,因此制造商寻求替代品也就不足为奇了。火焰氧气切割被认为是一种固有的缓慢过程,仅对那些投资较昂贵的切割系统不具有成本效益的应用才有意义。其他时候,材料太厚了,以至于火焰氧气切割是唯一的热切割选择。

切割氧气燃料常常被认为是陈旧,乏味的,也许注定要灭绝。自动化可以完全改变这种看法。



火焰氧气切割的好处

如果您要观看一段视频,该视频比较了最常见的板材热切割工艺(氧气,等离子以及越来越多的激光)的行进切割的速度,那么等离子切割和激光切割当然会比火焰氧气切割更快速,特别是在较薄的板材中。随着厚度的增加,速度优势并不十分明显。

在此等式中通常不考虑的是批次大小。如果一家工厂加工大量的小批量材料,并且正在寻找高切削量,那么等离子和激光可能会完美地满足需求。

但是,当加工量增长时,如果您要切割很多完全相同的零件,那么事情就会改变。这是因为火焰氧气切割可以同时使用两个,四个,六个甚至更多的割炬。在等离子和含氧燃料的割炬之间的一对一比赛中,等离子可能会获胜,具体取决于材料的厚度,但是六个并联使用的火焰氧气切割的割炬可能会首先完成切割的工作。

火焰氧气切割的边缘质量也不应该被认为是理所当然的。当然,火焰氧气切割比水刀切割要热得多,但比等离子切割要冷。切缝两侧的热影响区(HAZ)的宽度可能很大,但是在氧气切割过程中,金属本身不会变热,因此后续的冷却不会引起如此剧烈的温度变化。这减轻了边缘硬化,这是焊接部门人员特别赞赏的事实。

实际上,来自含氧燃料火焰本身的大部分能量都在预热和穿孔过程中使用。一旦割炬开始沿切割线移动,向上的切割能量的80%来自铁和氧气之间的化学反应。

根据ISO 9013标准,正确配置和操作的火焰氧气切割还具有严格的垂直度或角度公差。火焰氧气切割工艺产生的化学反应应使切割表面保持光滑,底部的炉渣最少。

点燃火焰的微妙之处

当然,如果火焰氧气切割操作充斥着质量和生产率问题,那么所有这些好处实际上是无法实现的。这可以回溯到火焰氧气切割是一个很大的手动过程,不容易学习。

想象一个有问题的火焰氧气切割操作,该操作会继续产生不良零件并不断落后于计划。考虑到多米诺骨牌制造的第一步延迟到运输的巨大延迟,这是一笔巨大的损失。这是怎么回事?

观察操作时,您会发现预热时间对于材料厚度而言花费的时间过长。穿孔操作会产生太多飞溅,从而导致边缘质量不佳。该问题与火焰调节有关。具体来说,火焰无法有效地加热材料,而穿孔效率不高。

经验丰富的操作员应在燃烧,点火,预热,穿孔和切割过程中“观察火焰”。顾名思义,当操作人员点燃火焰时会产生点火火焰,并且火焰参数(气体设置)应小于或等于预热参数。

 

为了获得适当的预热火焰,操作员必须调整气体值以达到最佳的主火焰,该主火焰是预热氧气和燃气的高温混合物,而副火焰是环境空气的低温混合物和燃气。

他首先调整预热氧气和燃气压力,进行微调以达到他所需的火焰-主火焰的亮点位于割炬孔口附近,但不会延伸到该孔口之外。二次火焰和氧气射流应狭窄而紧凑,延伸几英寸,然后迅速消散在火焰边缘。

接下来是从预热火焰到切割火焰的过渡。具体而言,加热氧气和燃气压力保持恒定,而操作员添加切割氧气。切割时,火焰的主锥在割炬孔口附近看起来很明亮,并且集中的射流延伸到更远的地方。

气体设置至关重要。主锥超出孔口太远,导致副火焰和射流变宽,通常意味着燃气压力过高。有经验的操作员将看到并听到当火焰的“嘶嘶”声逐渐降低时听到的声音。一个初级圆锥体是暗淡的或不可见的,其亮点似乎在次级火焰减少之前缩回到孔口中,这意味着燃料气体压力太低。因此,气流将听起来稀薄且收缩。

如果操作员看到明亮的初级火焰,但看到宽,长且弥散的次级火焰,则将加热氧气压力设置得太高。如果次级火焰变暗并且初级火焰变得不太紧密,则加热氧气压力设置得太低。

火焰调节实际上只是氧气切割的一个参数。有经验的操作员还需要在边缘开始切割或预热穿孔板之前知道最佳的预热时间。如果他不断穿孔失败,则可能是预热时间太短或预热火焰设置不正确。如果烧过的黑色,难以清洁的炉渣从切缝的底部垂下,则可能是预热时间太长,或者火焰设置不正确。

然后是要考虑的切割速度和适合该速度的气压。以及在锐角和直线周围切割的效果。然后是炬管从预热到穿孔再到切割的高度设置。刺穿时距离太近,飞溅会迅速破坏易损件。距离太远,您的穿孔效率低下。

变量很多,每个变量相互交织。例如,预热时间直接与火焰大小有关。操作员需要足够的能量,以尽可能有效和快速地穿透材料。温度过高的火焰会在穿孔中造成太多的能量(以及氧气和铁之间的化学反应),最终会导致一个大的穿孔,炉渣过多。如果预热时间过长,也会发生类似的问题。

更糟糕的是,由于设定火焰和许多其他变量都是手动操作,因此经验知识在整个行业中占主导地位,而且知识可能从一个车间到另一个车间。参观六家工厂,您会看到六名操作员在从预热到穿孔再到切割的过程中以不同的方式调节氧气。有些添加了更多的切割氧气,有些可能添加的不够,有些可能增加了切割的流量。最佳实践各不相同,这反过来又使过程不太可靠。

进入数控切割

为什么氧气切割仍然保持手动状态?部分原因与机械市场有关。如果数控切割机的制造商需要交钥匙工程,则可以选择激光或等离子系统。这些机器是完整的系统,出厂时设置了带有经过时间考验的切割参数的技术表格。


 

如果制造商想要交钥匙的火焰氧气切割系统,他们的选择就更少了。气体输送系统(阀门和管道)通常来自一个供应商,割炬来自另一个供应商,工作台来自另一个供应商。有时,制造商最终会在内部集成整个系统。

该过程不自动化的另一个原因是,它与等离子切割过程不同。等离子弧打开或关闭;没有中间立场。电弧切割可提供过程电特性,例如安培和伏特,可以实时检测并调整。

火焰氧气切割主要是化学过程。同样,大多数切割是由于氧气和铁之间的反应而发生的。另外,火焰不是二元的-意味着它不是开着还是关着-因此将其适应于1和0(现代工厂自动化的“数字量”)可能是一个挑战。就是说,对于应用程序而言,理想的火焰确实具有可以感知并转化为自动化语言的某些方面。

以自动化方式运行含氧燃料系统,操作员无需执行太多手动步骤即可启动切割过程。相反,他将调出控制器上的切割程序,确保材料和割炬清洁整齐,然后启动切割循环。火炬会自动点火,并且系统会设置火焰并在打孔和切割开始时自动进行调整。

割炬可以检测到反火条件已经成熟,并且通过直接连接到CNC,可以在反火发生之前关闭气体并将该事实传达给操作员。

高度感应和控制对此至关重要。可以根据切割数据库设置穿孔和切割的高度。电容式感应还可以帮助割炬避免障碍物(如表面熔渣)并确保斜角切割过程中的适当间隙。

在为应用选择最佳切割工艺时,这种和类似的自动化改变了方程式。它不仅使材料厚度增加。例如,假设一家工厂必须切割0.75英寸厚的碳钢。等离子切割将是常规选择,但制造商可能会选择自动化的火焰氧气切割。

火焰氧气切割的内在质量满足了应用程序零件的几何形状和通量要求。制造商进行等离子切割的唯一原因与工艺的可重复性有关:也就是说,火焰氧气切割的操作员能够始终如一地生产(至少对于火焰氧气切割而言)薄材料的零件。使过程设置自动化可以减轻这种担忧。

自动化为基础

目前,许多人仍然将火焰氧气切割视为重型加工厂车间的形象,可以理解,考虑到该技术的起源可以追溯到1850年代。但是,仅仅因为一项技术具有深厚的根基,并不意味着它已经根深蒂固并且永远是静态的。

这是一个古老的争论:制造商是否因为找不到熟练的操作员而寻求自动化?还是自动化仅仅是效率更高?从短期来看,可能是前者,但从长远来看,可能是后者。从某种意义上说,自动化是大多数制造技术自然发展的一部分。如果可以以具有成本效益的方式实现自动化,那么应该做到。但是,自动化不应消除对操作员的教育。组合产生最佳结果。

 

特别是对于火焰氧气切割,自动化可以帮助打破恶性循环,并吸引更多的人参与切割工作。操作员无需花几年的时间来学习自动化过程,这有助于使这些新员工在职业生涯的早期就更有生产力。他们很快上手,学会了使用自动化来氧气切割,并以新的方式使用了该工艺。从这个意义上讲,过程自动化为技术发展奠定了基础。