【钢结构推广】如何选择最适合的金属切割工艺?等离子、火焰、激光还是水刀?

作者：海宝中国产品应用工程师 汪宏亮

在金属加工应用领域中，用户经常面临如何选择最适合的金属切割工艺的问题。 实际上，现在主流的这几种金属切割工艺，在切割厚度，切割精度，冶金性能，生产效率等方面都各有特点。

本文也不能穷尽以上所有特点细节，只能做些概述总结，希望能给您带来更好的认识，便于您做出最好的选择。

在我们讨论每种工艺的技术和能力之前，我们必须先明确对于金属加工行业的用户，哪些需求是最重要的：

设备购置费用：以上几种切割方式都需要配备不同的数控CNC，除尘设备，CAD/CAM软件等。例如，相比水刀和火焰较慢的切割速度，激光在薄板上就要求更高的速度和精度。这些要求会直接导致设备成本的巨大差异。

单位零件或单位长度的切割成本：这项成本包括气体、喷嘴、电极、电和水等。某些情况下还分摊了设备购置费用和人工成本（例如上下料）。所以在进行对比时一定要注意其范围。相对于单位时间成本，单位零件或单位长度成本涵盖了切割速度和生产效率，更具有实际的参考价值。

易用性：这项需求主要在于软件（特别是CAM）和CNC数控。现在通过将专业经验内置集成而缩短学习时间和减少对经验的依赖。比如等离子切割领域的领导者--海宝，它将海宝等离子的全套工艺参数直接内置在海宝自己的套料软件和CNC数控里，新用户能快速掌握，保持了和专业老手一致的切割品质和生产效率。这项需求虽然很难量化，但对于实际生产绝对不容忽视。

生产率：也叫产能。切割速度往往是产能的决定因素。

切割件精度：对金属制件精度的测量有很多方式。通常相对于内孔，对外轮廓的公差要求更低。所以现在很多金属切割供应者都推出了切割质量更高的内孔工艺，例如海宝的集成螺栓孔切割工艺。另外，用户通常在测量中只测量上表面，但实际上因为切割斜度的影响，底面的尺寸会有很大的差异。本文为简单起见，建议使用针对于上表面测量的正负公差值，再考虑每种工艺的切割斜度。

边缘质量、冶金性能：上面的所有工艺对金属切削性、成型性能和焊接性都有不同的影响。

维护要求：长期的使用成本里需要考虑这些不同工艺的维护保养以及维护的难易。

下面是对这些不同工艺的简要说明，包括火焰切割，精细等离子，3千瓦的光纤激光和水刀。为了对比，我会采用完整系统的设备购置费用，包括5’ x 10’（约1.5 x 3米）切割区域，一台工业数控机床（既不是入门级也不是最高配置），CAD/CAM软件。

1火焰切割

火焰切割工艺是我们这里讨论的所有切割技术中最简单的。其原理是先用可燃气体加热钢铁到“燃点”温度（大约是1800F），一旦通过预热达到这个温度，再喷射纯氧与炽热的钢铁产生放热反应，迅速侵蚀掉钢铁。火焰只能切碳钢，多用在1/4”（约6.35mm）到 6” （约150mm） 的厚度。切割速度在超过2”（约50mm）厚度时比其他工艺快。在一台数控机床上同时安装多把火焰割炬很容易，而且便宜，这样能使产能翻倍。

5’x 10’火焰切割床成本：8--18万人民币 (速度低的相对简单型机床)

单位零件或单位长度的切割成本：用气相当多，切割速度慢。钢板厚度越厚，相对于等离子，其切割成本越有优势。通常每英尺切割成本比等离子高，超过2” （约50mm）厚度时，成本相对较低。

易用性：火焰数控切割床要求操作员很有经验，才能达到最快的切割速度和最好的切割质量。通常还需要一直监视切割的过程。

生产率：火焰切割由于预热时间长，切割速度慢，所以生产效率很低。

切割件精度：好的操作工在最合适的速度、高度、气体、喷嘴情况下，切割件尺寸公差大概是正负0. 030” （约0.76mm），斜度小于1度。

边缘质量、冶金性能：火焰切割的热影响区很大。断面粗糙并且有挂渣。

维护要求：火焰切割床的维护比较简单，用户自己就能掌握。

2精细等离子

精细等离子是利用高温的电离气体产生高能量密度的切割电弧，所以能切割所有导电材料。最新的技术对操作者没有经验的要求。精细等离子最适合切割26 gauge（约0.45mm） 到2”（约50mm）厚的碳钢，以及6¼”（约160mm）厚度内的不锈钢和铝。

5’x 10’等离子切割床成本：40--60万人民币(速度更快，配备调高和除尘)

单位零件或单位长度的切割成本：在¼”（约6.35mm） 到2”（约50mm）厚的碳钢上，等离子的切割成本相对于其他工艺是最低的。

易用性：配备最新的数控和软件后，等离子非常易学易用。由于专业的工艺参数都已经内置在套料软件里，所以对操作者没有经验要求。

生产率：厚度大于¼”（约6.35mm）时，切割速度快于激光。厚度小于2”（约50mm）时，切割速度快于火焰。等离子是所有切割工艺中速度最快、效率最高的。

切割件精度：碳钢切割件尺寸公差大概是正负0.015” （约0.38mm） 到0.020”（约0.5mm）。对于厚度小于3/8” （约9.5mm）的薄板，斜度在2-3度。对于厚度大于1/2”（约12.7mm）的厚板，斜度在1度以内。

边缘质量、冶金性能：热影响区很小，通常小于0.010”（约0.25mm）。断面可焊性好，光洁无挂渣。

维护要求：维护比较简单，用户自己就能掌握，或只需厂商电话支持。

3光纤激光

光纤激光是目前最新的激光技术。其使用的固态激光发生器比传统的Co2激光要更高效，而且光纤激光的波长适合在细软的光纤中传导，比起只能用镜面反射传导的Co2激光要具柔性，更易维护。高能的激光通过聚焦，熔化被切割材料，辅助气体（切碳钢时通常使用氧气）吹掉熔融的金属。一台3千瓦的光纤激光在切割能力和速度上相当于4到5千瓦的Co2激光。其切割能力一般能达到¾”（约19mm）厚的碳钢。

5’x 10’光纤激光切割床成本：200--300万人民币(激光切割床要求运动精度更高，且需要遮光防护)

单位零件或单位长度的切割成本：厚度小于¼”（约6.35mm）时，激光切割成本最具优势。随着厚度的增加，切割速度显著降低，虽然切割质量和精度很好，但切割成本却高于等离子。

易用性：与最新的等离子系统类似，配备最新的数控和软件后，激光切割床也一样易学易用，因为所有的设置都是自动的。

生产率：在薄板上生产效率最高，厚度增到¼”（约6.35mm）时，与等离子持平。

切割件精度：最好的光纤激光切割件尺寸公差大概是正负0. 01” （约0.25mm）内。优于等离子，可与水刀媲美。斜度在1度以内。

边缘质量、冶金性能：热影响区比等离子略小。

维护要求：相比之前的Co2激光，光纤激光的维护难度大幅降低，在厂商电话支持下，用户一般可以掌握。

4水刀

水刀技术已有数十年的历史，从蛋糕到花岗岩材质上都有广泛的应用。软的材料能用纯水切割，高压水流(40,000 到 60,000 psi)由喷嘴压缩，增加流速和能量密度。也可以在水流中加砂，砂的作用就类似于锯的齿，在水流的推动下进行切割。当前最先进的水刀泵能达到100,000 psi的高压水。更高的压力意味着更快的切割速度，当然停机维护时间也会增加，因为泵的密封需要定期更换。相对于其他切割工艺，水刀最大的两个优势在于没有热影响区和能切几乎任何材质。另外水刀的切割精度很好。但水刀最大的劣势在于其切割速度很慢。

5’x 10’水刀切割床成本：50--90万人民币(由于速度慢，所以运动性能要求低，比激光床便宜，比等离子床略贵)

单位零件或单位长度的切割成本：由于水刀切割速度太慢，所以单位零件的切割成本相比于其他工艺是最高的。

易用性：与最新的等离子系统类似，配备最新的数控和软件后，水刀切割床也一样易学易用。对操作者的经验要求很低。

生产率：在碳钢和不锈钢上很慢，切铝会快点。

切割件精度：水刀的精度是所有切割工艺中最好的，切割件尺寸公差大概是正负0. 005” （约0.13mm）内。斜度在1度以内。

边缘质量、冶金性能：对被切割的材料冶金性能没有影响。断面光滑，切割质量与砂砾和切割速度有关（越慢越光滑）。

维护要求：维护比较简单，用户自己就能掌握。

在美国芝加哥的FabTech展上，海宝曾在1/2”（约12.7mm）的碳钢上，同时展示了五种不同的切割工艺：空气等离子(Powermax105), 长寿命空气和氧气等离子 (MaxPro200), 精细等离子 (HPR130XD), 3千瓦光纤激光 (HyIntensity Fiber laser), 水刀 (HyPrecision Waterjet)。

远远的看上去，五种工艺的切割样件都差不。但近看，观众就能发现空气等离子的样件有明显斜度，特别是小孔。氧气等离子的切割斜度减小，精细等离子几乎看不出来斜度。

诚然，只在1/2”（约12.7mm）的碳钢上做对比是不公平的，在这个厚度范围，精细等离子无疑是最好的选择。

但如果我们切1/8” （约3mm）的铝，相信水刀和激光会更高效、精度更高。

如果尺寸要求放宽，价格低廉的空气等离子应该是最好的选择。

所以，先明确自己的需求和实际应用，综合考虑本文所述的各种工艺特点，相信您一定能选择最适合的金属切割工艺和设备。

关于海宝Hypertherm：

海宝设计并制造先进的切割产品，这些系统广泛应用于多个行业，例如造船业、制造业和汽车修理等行业。海宝产品线包括手持及机用等离子系统和易损件、光纤激光和水刀切割产品、CNC 运动控制和调高控制器以及 CAM 切割软件。海宝系统以其卓越的性能和可靠性而备受信赖，帮助数十万的企业提高了生产效率和盈利能力。海宝的总部设在新罕布什尔州，自从 1968 年发明水刀等离子切割技术以来，公司在切割的创新方面已经享有 40 余年的崇高声誉。作为一家员工持有的公司，海宝一直被评为全美最佳工作场所之一，共有 1300 多名员工，同时，销售及服务分支机构和合作伙伴遍布全球。

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