熱切割行業現狀及發展

荊 文 王智新 於浩楠 林 思

(機械科學研究院 哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150028)

摘要 從熱切割應用較廣的四種加工工藝：氧氣切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割論述了國內熱切割行業的發展現狀，分析了行業發展的主要趨勢。針對國內熱切割行業發展的現狀及趨勢，提出了現階段國內熱切割行業存在的問題，提出實現國內熱切割行業提質升級，應加大基礎學科建設、基礎領域研究，強化基礎能力，增加核心基礎零部件及高技術附加值產品的研發投入，加強產品質量監管，注重原始創新、加大知識產權保護力度。應以「中國製造2025」為抓手推動行業提質升級，堅決淘汰倒退、落後的產品和技術，加快新舊動能轉換，促進國內熱切割行業向中高端發展。

關鍵詞： 熱切割 行業現狀 發展趨勢 提質升級

熱切割作為一種現代工業中不可或缺的加工手段，是與焊接相輔相成的基礎工藝，它的發展水平一直是影響和衡量一個國家基礎加工製造水平的重要指標。隨著國家對基礎裝備製造相關行業的重視以及大型艦船、海洋工程、軌道車輛、工程機械、石油石化等重大領域的迅速發展，自主發展和其它行業帶動作用共同推動了熱切割技術的蓬勃爆發。

1 技術現狀

1.1 氧氣切割

氧氣切割技術是應用最為廣泛的切割加工碳鋼和低合金鋼的熱切割方法。丙烷、丙烯、石油氣、天然氣及混合型燃氣等新型燃氣已經替代乙炔氣成為切割工藝中的主要燃氣。新型燃氣的應用降低了氧氣切割的應用成本，提高了生產安全穩定性，並且更為清潔環保。割炬、割嘴等氧氣切割工具的研究改進，以及各種機械化、自動化切割設備的研究、發展及應用，尤其是數控切割機的廣泛應用，使得氧氣切割的精度、質量和效率有了更大幅度提高[1]。

國內製造業及艦船、海工、石化等重點行業發展迅速，鋼材的加工量巨大，氧氣切割的應用仍然十分廣泛。同時相關的氧氣切割工藝、裝備的研發、應用也隨之持續進行。目前國內氧氣切割工藝、裝備技術已經較為成熟，並在大厚度精密切割、超大厚度極限切割等高質量、高水平的切割加工領域達到國際先進水平[2-4]。

1.2 等離子弧切割

等離子弧切割技術可用於低碳鋼、低合金鋼、不鏽鋼、鋁及其合金等有色金屬的切割加工，在1～50 mm低碳鋼、1～80 mm不鏽鋼板材的高速、高質量切割加工應用廣泛，是應用量同氧氣切割同樣巨大的鋼材切割加工的主要手段。

等離子弧切割自投入工業應用以來經歷了較長時間的發展，小電流等離子切割、非高頻引弧等離子切割、水再壓縮等離子切割、水下等離子切割、精細等離子切割等[5-6]。

國內等離子弧切割機的生產及應用以300 A以下的中小電流為主，而300 A以上的大電流等離子切割電源及配套核心部件主要由海寶、凱爾貝等國外公司生產。

國內熱切割市場上的精細等離子切割主要應用海寶、林肯凱博等國外知名品牌提供的精細等離子電源、數控系統、調高系統和專門的精細小孔切割編程軟體等。

國內有江陰市六和智能設備有限公司研發了國內首台的數字化精細等離子弧切割系統LH-270A，其主要技術指標與國外同類產品相當。

1.3 激光切割

激光切割具有熱變形和熱影響區小、切割精度高、又適合於柔性生產等特點，在加工各種金屬和非金屬的高精度零件中應用量大，廣泛應用於石油機械、紡織機械、工程機械、核工業、航空航天、船舶、汽車製造等行業。

近幾年來，國內激光切割設備技術和產業發展迅速，高功率光纖激光器被大量應用，從普通幅面到超大幅面、從平面(二維)到坡口和曲面(三維)，都有成熟商品化產品。光路設計、切割工藝控制技術都很成熟，在驅動方面普遍採用高速伺服系統，在性能與價格方面都已經具備較強的競爭力。

目前全球激光切割設備主要由德國TRUPMF、瑞士BYSTR-ONIC和義大利PRIMA佔據主要份額。國內激光切割企業主要有：深圳大族激光公司、上海團結普瑞瑪公司、奔騰楚天公司、武漢法利萊公司、蘇州領創公司及中小激光企業近百家。與美國、歐盟、日本等發達國家相比，國內的激光切割設備仍然存在一定的差距，國產設備仍然只能佔領國內中低端市場。激光切割設備中的高功率激光器、激光加工專用控制系統、激光光束傳輸控制、高度跟蹤系統等核心技術以及高端激光切割設備仍然依賴進口，制約了國內激光切割產品和技術的發展。

1.4 水射流切割

水射流切割主要應用於航空航天、汽車製造、船舶製造等行業中的複合材料的切割加工，在玻璃、建材、造紙、皮革和食品行業也有應用。切割加工過程中不產生熱影響、不改變被加工材料的材質，精度也較高，是氧氣切割、等離子弧切割、激光切割等利用熱源進行切割工藝方法的有效補充。

1.5 數控切割

國內數控切割設備以二維坐標為主，可根據用戶需求及工藝需要搭載不同的熱切割工藝。國內現有數控切割機製造廠家500餘家，攜帶型數控切割機年產可達2萬台，輕型、大型龍門數控切割機年產約1萬台，各種數控切割機的產銷量和保有量居世界第一。

隨著國內二維坐標數控切割機的發展，國內數控切割設備出現了兩極化發展：一是輕量化，向低成本、輕量化、專業技術發展，如利用高強度型材製造的單懸臂攜帶型數控切割機，該類設備重量輕、成本低，但運行精度及切割加工質量和效率並未下降，能夠滿足低成本要求的簡單切割下料加工；另一是高集成度、高利潤、高技術、多工序多工藝複合化發展，如多種類型的專機化新產品，如平板坡口切割、管板切割一體、等離子鑽切一體等高端熱切割裝備，滿足高質量、高效率、複雜的切割成形加工的需求。

2.1 產線化

生產製造單一切割機的廠家非常少，越來越多的企業根據市場與技術的發展，研發製造以熱切割加工為中心、上下料於一體的產線化產品。

各類型鋼約佔鋼材總量46%，目前主要採用手工和機械切割，很少使用數控或機器人切割，市場前景廣闊。型鋼切割生產線實現型材的定位、標記、切割等功能，實現在型材端部切割特定形狀端面及焊接坡口等成型切割。切割加工的型材主要包括：H型鋼、矩形管、槽鋼、T型材、球扁鋼、角鋼、扁鋼等。主要切割：切角、切斷、切特定形狀孔、切流水孔、切安裝孔。主要生產企業有：寧波金鳳、濟南艾西特、德州凱斯銳等。

寧波金鳳球扁鋼機器人切割生產線：採用高精度ABB機器人系統、海寶HPR260XD精細等離子、自動上下料、除塵系統以及球扁鋼自動套料軟體組成。

濟南艾西特型材機器人切割生產線：由上下料系統、機器人、等離子、除塵系統等七部分組成，適用於H型鋼、矩形管、方管、槽鋼、角鋼等型材的多種形狀切割。

FastCAM MultiBOT切割機械臂、江蘇博大型鋼切割機：由切割機械臂、多軸數控系統、智能切割軟體組成，可切割圓管方管坡口、管子坡口、型鋼坡口。

哈爾濱行健機器人切割機：採用機器人視覺識別技術，開發了六軸聯動坡口切割機器人設備，自動切割三維曲面坡口。應用於壓力容器封頭、球形儲罐及其他曲面鋼板的測量、劃線和二次坡口加工。

2.2 複合化

複合加工中心的優勢在於能將多種加工手段集於一體，同時完成後續焊接工藝的劃線工序，尤其適合厚板大幅面的加工，以高速機車的製造和發展為例，在高速機車的製造中，存在有大量的鈑金加工結構件、焊接件。特別是機車構架的橫樑、端梁，零件上孔群多，加工繁瑣，採用數控等離子鑽銑切一體化複合加工裝備可以一次加工完成，不僅大大提高了加工效率，同時由於一次裝夾加工成型，採用軟體套料板材加工，零件的加工精度和材料的利用率也得到了相應的提高。

鑽切複合一體機是平板切割向智能化、冷熱加工一體化發展的高精度加工裝備。一次裝夾即可完成鑽孔、切割等多道工序，實現跨平台多功能集成，無需後續的手工或機械二次加工，減少輔助工序時間，降低人力成本，提高產品精度和生產效率。

江蘇博大、無錫華聯等多家大中型切割機企業研發生產了平面鑽切複合機。

2.3 專機化

在鋼構工程、石油石化、船舶製造、風電、核電等大型工程關鍵構件的切割加工，需要對切割設備進行專機化設計，針對不同的加工對象而定向開發的切割專機或工作站。

隨著管道輸送及各類管絎架結構在能源、壓力容器、石化、海洋工程、造船、電力、交通運輸及鋼結構等領域中的廣泛運用，進一步促進了國內管加工技術的快速發展。管件的下料尺寸、坡口切割精度直接影響管件的焊接質量。為提高管件下料精度和設備的自動化程度，針對不同管件、不同切割形式專業化設計的各類管件切割專機應運而生。此類切割專機包括：數控曲面切割機、數控相貫線切割機、相貫線切割生產線、管道預製生產線、移動式管件加工站等。目前國內各大切割生產企業都進行相關產品的研發生產：江蘇博大、寧波金鳳、上海通用、無錫華聯等。

3.1 基礎學科建設、基礎領域研究

熱切割是多學科交叉的基礎應用領域，涉及到了物理學的多個分支，包括：燃燒學、氣體射流動力學、等離子物理學、流體力學等，以及電氣控制、計算機軟體等多種學科。熱切割應用領域最廣泛的幾種工藝方法：氧氣切割、等離子弧切割、激光切割、水射流切割，其相關的工藝及裝備均是多領域學科交叉複合的成果。

各種熱切割工藝的理論基礎研究如等離子弧的產生及控制、各種熱切割工藝的微觀機理及其與切割質量的關係等，以及等離子電源、割炬、激光切割高功率發生器等關鍵零部件的研發都需要基礎學科領域的大量深入研究。基礎學科的投入不足，基礎領域的研發力度弱是制約國內熱切割技術發展的重要因素。

3.2 關鍵零部件、高技術附加值產品研發

國內熱切割技術應用範圍廣泛，是熱切割設備研發、生產大國。但從市場結構來看，國內熱切割行業仍處於國際分工的中低端，量大而不強，國外品牌仍然佔據了國內市場中高端的主要份額。

國內搭載等離子弧切割、激光切割等熱切割工藝的二維坐標數控龍門切割機、三維坐標機器人柔性切割系統、多種類型的切割專機等熱切割裝備的研發、生產、應用量居世界前列。但等離子弧切割系統中的電源本體、割炬、數控系統、調高系統等，激光切割系統中的高功率激光器、激光加工專用控制系統、激光光束傳輸控制、高度跟蹤系統等核心零部件以及高水平、高技術附加值的切割裝備仍然為國外品牌佔據，仍然依賴進口。這嚴重製約了國內熱切割行業向高水平、高技術附加值方向發展，制約了國內熱切割行業的提質升級。

3.3 標準體系建設、產品質量監管

由於市場准入門檻不斷降低，越來越多的資本進入熱切割行業，使得國內熱切割市場不斷活躍，產品質量參差不齊。由於技術水平不足，仿冒知名企業產品，應用落後甚至倒退的技術生產不符合標準規範產品等等現象尤其突出。這種情況下，需要在市場准入門檻降低的同時強化熱切割產品質量監管。建立完善的熱切割標準化體系，以標準化指導行業產品質量，建立企業技術同盟協同質量監督機構及政府部門，利用規範的標準化進程實現產品質量的監管，打擊淘汰劣質、仿冒、技術落後、倒退的產品，維護市場健康良性的發展。

3.4 原始創新、知識產權保護

創新是促進企業提升產品質量，促使行業品質升級的重要力量。長期以來，國內熱切割行業的新產品研發模式是依靠學習國外先進技術和產品，採用引進消化吸收再創新的模式來發展的。如等離子切割電源、割炬及其備件、激光切割高功率激光器等核心技術設備的應用目前均依賴國外進口，國內產品對其進行學習改進並應用。這在一定時期內促進了國內熱切割行業技術及產品的發展。

國際化的今天，國內熱切割產品和技術要走出國門、面向國際，舊有模式不足以維持國內熱切割行業的快速發展。目前要研發高端熱切割裝備需要的核心部件如等離子切割系統中的電源、割炬等，激光切割系統中的高功率激光器、控制系統、跟蹤系統等均為國外品牌壟斷，鼓勵企業及科研機構向基礎領域和核心零部件加大研發投入，並維護其創新利益。促進國內熱切割行業提質升級、向國際市場中高端邁進，原始創新是不可或缺的主要驅動力量。在這個基礎上，加大知識產權保護力度，維護國內熱切割行業的創新動力是十分必要的。

目前，國內的熱切割裝備與國外先進品牌差距仍然較大，等離子和激光切割裝備尤為突出。國內應用的設備和技術多為進口，自主研發產品質量穩定性差、使用壽命短，與國外先進品牌差距較大，仍然停留在較低級階段。要縮短與國際先進水平的差距提升國內熱切割產品質量和行業等級，任重而道遠。

在中國製造走向世界的今天，熱切割作為中國製造業的核心基礎產業，關係到中國製造業轉型升級的進程。認真貫徹以習近平同志為核心的黨中央加快建設製造強國的戰略部署，落實新發展理念，實施創新驅動發展戰略，以「中國製造2025」為抓手推動行業提質升級，堅決淘汰倒退、落後的產品和技術，加快新舊動能轉換，促進國內熱切割行業向中高端發展。

參考文獻

[1] 梁桂芳.切割技術手冊[M].北京.機械工業出版社，1997.

[2] 王智新,韓永馗,高 奇,等.海洋平台樁腿齒條精密氧氣切割工藝試驗研究[J].焊接,2014(6):16-18.

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[4] 趙松柏,韓永馗,曹 亮,等.超大厚度火焰切割工藝試驗研究[J]. 一重技術, 2013(1):27-29.

[5] 楊克柱,李 妮,閻交生,等.國內外等離子切割電源的現狀及發展趨勢[J].金屬加工:熱加工,2014(14): 46-47.

[6] 楊克柱,張光先,李 妮,等. 國內外等離子切割技術現狀及發展趨勢[J].現代焊接,2014(8): 6-11.

中圖分類號： TG481

收稿日期： 2017-07-07

基金項目： 國家科技重大專項基金資助項目(2014ZX04014-051)

作者簡介： 荊 文，1985年出生，碩士，工程師。主要從事焊接國際合作、科研管理、焊接行業服務等工作，已發表論文4篇。

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