CN102699543B

CN102699543B - 一种利用切割系统完成水下切割的方法

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Publication number: CN102699543B
Application number: CN201210008925.1A
Authority: CN
Inventors: 柳吉兰; 衣衍亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102699543A

Abstract

本发明涉及一种利用切割系统完成水下切割的方法，步骤1、连接切割系统各部件；步骤2、连接各部件后，将引弧电源(6)两极分别接切割枪(12)和铜引弧板(8)，闸刀开关(5)处于断开状态，引弧电源(6)和工业氧气瓶(9)始终处在水位线以上；步骤3、进行水下切割，切割枪(12)、工件(10)、铜引弧板(8)全在水位线以下，夹持水下手工快速切割材料(11)的切割枪(12)；步骤4、待电弧燃烧稳定后，断开闸刀开关(5)，将切割材料(11)端部移到工件(10)处进行切割。该切割方法切割速度快，安全，携带方便、操作简单且成本低的水下切割材料，用于水下环境钢结构及钢筋混凝土的快速切割和拆装。

Description

一种利用切割系统完成水下切割的方法

技术领域

本发明属于水下手工快速切割金属材料切割技术领域，尤其涉及一种利用切割系统完成水下切割的方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，随着海洋的开发，大量的海上建筑被建造，同时，也必将造成大量的废旧码头、废弃钻井平台等水下建筑需要被拆除，为航海清除障碍。而这些水下建筑破障的难点在于水下部分结构只能在水下拆除，而且这些水下建筑具有钢筋混凝土结构，也增加了拆除的难度。

现在，拆除水下金属结构和钢筋混凝土结构主要采用水下切割技术，目前常用的水下切割技术有氧-可燃气切割、水下氧-弧切割、金属-电弧切割、水下机械切割、水射流切割、水下等离子切割、爆炸切割等。氧-可燃气切割不适宜于切割耐腐蚀钢、不锈钢、铸铁和除钛以外的有色金属，水下氧-弧切割、金属-电弧切割、水下机械切割、水射流切割、水下等离子切割都需要带电作业，存在安全隐患，而且水射流切割、水下等离子切割所需要的设备较为复杂，设备造价昂贵、庞大不易便携，而爆炸切割危险性较大。

专利申请CN201010536018.5公开了一种手工快速切割材料，一种手工快速切割材料，其特征在于：由外部的切割管材和内部的多根切割丝材组成的中空管状结构，其中所述切割管材是采用锻压工艺制备而成的钢管，钢管内外采用电镀工艺各镀有0.1mm厚的镀铜层；所述切割丝材长度与切割管材相同，由外皮和粉芯组成，所述外皮为低碳钢08F钢带，其化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；所述粉芯以重量百分比计，组成为CuO粉2～8％，稀土铈0.4～2％，余量为铁粉。实用新型专利CN201020597547.1公开了一种手工快速切割系统，但是，该手工快速切割材料的粉芯组分及组分含量只适合在空气中进行切割，其放热合金CuO和Fe在氧气中燃烧放出的热量远远不够支持切割材料在水中持续不断的燃烧，从而无法满足其在水下进行切割，同时相应的切割系统也无法满足水下切割的要求。

因此，亟需在研究电弧引燃放热合金材料产生高能量原理的基础上，开发一种无需切割燃气和切割电源，切割速度快，安全，携带方便、操作简单且成本低的水下切割材料，用于水下环境钢结构及钢筋混凝土的快速切割和拆装。

发明内容

本发明针对现有各种水下切割技术的缺陷，利用放热材料在氧气中的燃烧特性，提供一种无需切割燃气和切割电源，切割效率高，切割对象范围广，携带方便、安全，操作简单且成本低的一种利用切割系统完成水下切割的方法，用于水下金属和钢筋混凝土的快速切割和破解。

本发明的技术方案是：一种利用切割系统完成水下切割的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、连接切割系统各部件，该切割系统包括：引弧系统、供气系统、切割枪三部分，引弧系统由闸刀开关、低于36伏的引弧电源、导线、铜引弧板组成；供气系统由工业氧气瓶和氧气气路组成，其作用是为切割枪提供氧气；切割枪通过氧气气路与工业氧气瓶相连，通过导线与引弧电源相连；

步骤2、连接各部件后，将引弧电源两极分别接切割枪和铜引弧板，闸刀开关处于断开状态，引弧电源和工业氧气瓶始终处在水位线以上；

步骤3、进行水下切割，切割枪、工件、铜引弧板全在水位线以下，关闭闸刀开关，夹持水下手工快速切割材料的切割枪，送出氧气，将切割材料端部和铜引弧板接触并划动，引燃电弧；

步骤4、待电弧燃烧稳定后，断开闸刀开关，将切割材料端部移到工件处进行切割。

进一步地、所述的切割材料由外部的切割管材和内部的多根切割丝材组成的中空管状结构，切割管材外侧有一层绝缘层；所述切割丝材长度与切割管材长度相同，由外皮和粉芯组成，所述外皮包括两种材料，一种为低碳钢08F钢带，其化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；另一种外皮为铝带，两种不同外皮材料的切割丝材的比例为2∶1～6∶1，所述粉芯以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉。

进一步地、所述切割管材外侧有一层绝缘层；外部的切割管材由复合金属带绕制而成，并由此实现切割管材的柔性弯曲，所述切割丝材沿外部管材内壁均布，并在切割管材中心位置形成中空结构；所述切割丝材由外皮和粉芯组成，所述外皮为低碳钢钢带，其化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；所述粉芯以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉。

进一步地、所述方法应用于水下金属材料或非金属材料的切割。

进一步地、非金属材料为混凝土、砖或岩石。

进一步地、将低碳钢08F钢带替换为SPCC-SD型冷轧钢带，化学成分为：以重量百分比计，C≤0.15％，Mn≤0.60％，P≤0.1％，S≤0.025％，其余为铁和不可避免的杂质；

本发明的有益效果是：

1)便携性，实现该方法的整个系统主要有引弧电源、工业氧气瓶、切割枪等，切割过程中，蓄电池引弧电源、工业氧气瓶处在水面以上，操作人员只需要携带切割枪和切割材料在水下工作，单人就可以携带，不必像机械切割、等离子切割等需要复杂笨重的设备；

2)不需要切割电源和切割燃气，只需要在水下引燃切割材料就可以断开引弧电源，借助氧气助燃作用，利用切割材料燃烧自身放出的热量支持水下手工快速切割材料进一步持续燃烧对工件进行切割，不需要切割电源和切割燃气；

3)安全性高，该方法在切割过程中不需要切割电源，所用的引弧电源也为24V的蓄电池，在水下不会对操作人员造成危害，安全性高；

4)切割效率高，手工快速切割材料燃烧可以达到5000℃以上的高温，切割效率是氧-可燃气体切割的8-20倍，具有较高的切割速度，切割效率高。

5)切割对象范围广，水下手工快速切割材料是利用材料燃烧本身放出的热量支持切割材料进一步持续燃烧，因此，不像氧-乙炔火焰那样受所切割对象材料成分的限制，可以切割所有金属材料，也可以切割混凝土、砖或岩石等非金属材料，切割对象范围广。

6)成本低，该水下手工快速切割材料不需要复杂的设备，所用的材料成分主要为铁，因此，制造成本较低。

附图说明

附图1是切割管材为钢管构成的水下手工快速切割材料示意图；

附图2是水下手工快速切割材料的横截面示意图；

附图3是水下手工快速切割系统的示意图；

附图4是规格1的水下手工快速切割材料的横截面示意图；

附图5是规格2的水下手工快速切割材料的横截面示意图；

附图6是规格3的水下手工快速切割材料的横截面示意图。

附图7是切割管材为复合金属带构成的水下手工快速切割材料的横截面示意图。

其中，1-切割管材；2-切割丝材；3-丝材外皮；4-绝缘层；5-闸刀开关；6-低于36伏的引弧电源；7-导线；8-铜引弧板；9-工业氧气瓶；10-切割工件；11-水下手工快速切割材料；12-切割枪；13-氧气气路；

具体实施方式

下面结合实施例和附图1～6对本发明作进一步的描述：

本发明所述的一种水下手工快速切割材料，该切割材料由外部的切割管材和内部的多根切割丝材组成，切割管材外侧有一层绝缘层；所述切割丝材长度与切割管材长度相同，切割丝材由外皮和粉芯组成，所述外皮包括两种材料，一种外皮为低碳钢钢带，另一种外皮为铝带，两种不同外皮材料的切割丝材的比例为2∶1～6∶1，所述粉芯以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉。

本发明切割丝材中Cu₂O粉和CuO粉的加入，是为了利用Cu₂O粉和CuO粉与铝、铁反应放出大量热量，支持在水下切割的顺利进行。当Cu₂O粉重量百分比小于3％，CuO粉重量百分比小于5％时，放出的热量少，切割速度较小，而当Cu₂O粉重量百分比大于20％，CuO粉重量百分比大于25％时，反应剧烈，燃烧速度过快，不容易控制。Cu₂O粉和CuO粉的同时加入可以使得反应过程平稳、持续，水下切割过程也比较平稳。Al粉的加入是因为铝与Cu₂O粉和CuO粉反应放出大量热量，其含量范围是由Cu₂O粉和CuO粉的含量决定的。

稀土铈的加入可以提高切割材料的燃烧效率，促进切割材料在氧气中充分燃烧。当稀土铈重量百分比小于1％时，对燃烧效率的提高作用很小，在1～7％范围内，随着稀土铈重量比的增大，对燃烧效率的提高也越来越大，但超过7％，对燃烧效率的提高与7％的相比变化不大，而稀土铈价格较高，为了节约成本，选为1～7％。

本发明的优选实施方式中，外皮低碳钢08F钢带的成分：以重量百分比计，C0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；所述粉芯以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉。另外一种外皮材料为铝。

根据工程应用的不同需求，外皮的钢带还可以是SPCC-SD型冷轧钢带，化学成分为：以重量百分比计，C≤0.15％，Mn≤0.60％，P≤0.1％，S≤0.025％，其余为铁和不可避免的杂质。

根据工程应用的不同需求，可以加工规格不同的切割材料，例如：

规格1：选用壁厚约0.7mm的锻压无缝钢管，再采用电镀工艺，在其内外两侧镀上约厚0.1mm的镀铜层，或者制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材，所述制造复合管材的复合金属带的上下表面采用电镀工艺各镀有0.1mm厚的镀铜层。

制备复合金属带，可采用锻压工艺制备成厚度为0.8mm的铁-铜-铁的复合金属带，再进行镀铜，镀铜流程为丙酮除油-水洗-7％稀盐酸除锈-水洗-电镀镍打底-水洗-镀铜-水洗-吹干；再将复合金属带缠绕在多根切割丝材上，制备成具有中空结构的切割材料，在切割管材外侧有一层绝缘层，是由一种聚乙烯胶带缠绕在切割管材外侧而形成，如图6所示。复合金属带为中间部分厚、边缘薄的结构；复合金属带缠绕制成复合管材过程中，边缘相互重叠，边缘重叠之后的厚度与复合金属带中间部分的厚度一致，从而使得形成的切割管材的外表面平滑。

切割管材总的壁厚约为0.9mm；内径5.2mm，外径7mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共3根装配在切割管材中。所述切割丝材沿外部管材内壁均布，并在切割管材中心位置形成中空结构。

规格2：选用壁厚约0.8mm的锻压无缝钢管，再采用电镀工艺，在其内外两侧镀上约厚0.1mm的镀铜层，如上所述，或制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材。管材总的壁厚约为1mm；内径6.6mm，外径8.6mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共5根装配在切割管材中。

规格3：选用壁厚约0.8mm的锻压无缝钢管，再采用电镀工艺，在其内外两侧镀上约厚0.1mm的镀铜层，如上所述，或制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材。管材总的壁厚约为1mm；内径8mm，外径10mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共7根装配在切割管材中。

经过试验研究发现，所述切割丝材的直径与切割管材的壁厚之比范围在2.1～3，可达到较好的燃烧效果。

根据工程应用的不同需求，可以采用不同的重量百分比粉芯加工切割材料，例如：

实施例1

其中，所述铁粉粒度为-80～200目，CuO粉粒度为-80～200目，Cu₂O粉粒度为-80～200目，稀土铈粒度为-300目。

然后通过多功能粉芯丝材成型机，采用多辊连续轧制和多道连续拔丝减径方法制造，经过裁带、轧带、填粉、封口、拔丝、校直和剪切工序，即得切割丝材；制备丝材速度为约40m/min，校直速度约为5m/min。

采用锻压工艺制备而成的钢管作为外部的切割管材，钢管内外采用电镀工艺各镀有0.1mm厚的镀铜层；采用聚乙烯胶带缠绕在切割管材外侧作为绝缘层。

将3根切割丝材装配至所述切割管材内腔中，形成水下手工快速切割材料，其中，两根为低碳钢外皮，一根为铝外皮。

其中，切割管材也可以使用前述的铜-铁-铜三层结构的复合管材，由复合金属带绕制而成的切割管材可实现切割管材的柔性弯曲，并如软绳般盘绕在一起。

表1

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	3％
CuO粉	5％
		铝粉	10％
稀土铈	1％
		铁粉	余量

采用上述方法制备而成的水下手工快速切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为0.6mm/s。

实施例2

本实施方式与实施例1不同的是：将将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按如表2所示的含量配比混合均匀，将5根切割丝材装配在切割管材内腔中，其中，4根为钢外皮，1根为铝外皮，制备丝材速度为约120m/min，校直速度约为22m/min。

表2

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	20％
CuO粉	5％
		铝粉	5％
稀土铈	7％
		铁粉	余量

采用上述方法制备而成的水下手工快速切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为1.4mm/s。

实施例3

本实施方式与实施例1不同的是：将将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按如表3所示的含量配比混合均匀，管材中含有7根丝材时候，其中可以有1～3根是铝外皮包金属粉的，其余的是铁外皮包金属粉的，制备丝材速度为约80m/min，校直速度约为18m/min。

采用上述方法制备而成的水下手工快速切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为2.5mm/s。

本发明的材料可以应用于水下金属材料或非金属材料的切割；通常非金属材料可以为混凝土、砖或岩石，另外，由于复合金属带绕制而成的切割管材可实现切割管材的柔性弯曲，因此，其长度可不受水下环境及设备的限制。

表3

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	10％
CuO粉	25％
		铝粉	2％
稀土铈	7％
		铁粉	余量

在工程实践中，水下切割材料需要利用切割系统来完成切割过程，切割系统包括引弧系统、供气系统、切割枪三大部分，引弧系统由闸刀开关5、低于36伏的引弧电源6、导线7、铜引弧板8组成，其作用是为水下手工快速切割材料11引燃电弧，水下手工快速切割材料11稳定燃烧后就可以断开闸刀开关5，从而断开引弧电源6；供气系统由工业氧气瓶9和氧气气路13组成，其作用是为切割枪12提供氧气，维持切割材料11进一步持续燃烧，并清除切割工件10的熔渣；切割枪12通过氧气气路13与工业氧气瓶9相连，通过导线7与引弧电源6相连，并夹持切割材料11对工件10进行切割。

其工作过程为，首先，做好切割前的准备工作，联接好切割系统各部件，引弧电源6两极分别接切割枪12和铜引弧板8(正负皆可)，闸刀开关5处于断开状态，引弧电源6和工业氧气瓶9始终处在水位线以上；其次，要进行水下切割，切割枪12、工件10、铜引弧板8全在水位线以下，岸上的工作人员关闭闸刀开关5，水下切割的操作人员手持夹持水下手工快速切割材料11的切割枪12，并轻按切割枪12上的氧气流量控制阀送出氧气，将切割材料11端部和铜引弧板8接触并划动，引燃电弧，待电弧燃烧稳定后，岸上工作人员断开闸刀开关5，而水下操作人员将切割材料11端部移到工件10处进行切割；最后，切割完成后，拆卸各个部件，装在工具箱中。

Claims

1.一种利用切割系统完成水下切割的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、连接切割系统各部件，该切割系统包括：引弧系统、供气系统、切割枪三部分，引弧系统由闸刀开关(5)、低于36伏的引弧电源(6)、导线(7)、铜引弧板(8)组成；供气系统由工业氧气瓶(9)和氧气气路(13)组成，其作用是为切割枪(12)提供氧气；切割枪(12)通过氧气气路(13)与工业氧气瓶(9)相连，通过导线(7)与引弧电源(6)相连；

步骤2、连接各部件后，将引弧电源(6)两极分别接切割枪(12)和铜引弧板(8)，闸刀开关(5)处于断开状态，引弧电源(6)和工业氧气瓶(9)始终处在水位线以上；

步骤3、进行水下切割，切割枪(12)、工件(10)、铜引弧板(8)全在水位线以下，关闭闸刀开关(5)，夹持水下手工快速切割材料(11)的切割枪(12)，送出氧气，将切割材料(11)端部和铜引弧板(8)接触并划动，引燃电弧；

步骤4、待电弧燃烧稳定后，断开闸刀开关(5)，将切割材料(11)端部移到工件(10)处进行切割；

所述的切割材料由外部的切割管材和内部的多根切割丝材组成的中空管状结构，切割管材外侧有一层绝缘层；所述切割丝材长度与切割管材长度相同，由外皮和粉芯组成，所述外皮包括两种材料，一种为低碳钢08F钢带，其化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；另一种外皮为铝带，两种不同外皮材料的切割丝材的比例为2：1～6:1，所述粉芯以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:该方法应用于水下金属材料或非金属材料的切割。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:非金属材料为混凝土、砖或岩石。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:将低碳钢08F钢带替换为SPCC-SD型冷轧钢带，化学成分为：以重量百分比计，C≤0.15％，Mn≤0.60％，P≤0.1％，S≤0.025％，其余为铁和不可避免的杂质。