激光切管機(jī)快速穿孔工藝研究

邢振宏，劉 健，楊 靜，劉 宏

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

1 概述

石油管材加工手段主要有金屬塊鑲嵌法、電化學(xué)與機(jī)械加工復(fù)合加工法、陶瓷刀片切割法和激光切割法。前三種方法工序多、效率低、成本高，不能切出折線縫、曲線縫和梯形縫等復(fù)雜的縫型，而且管材使用較短時間便會出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象。激光切割法則使石油管材的加工工藝和成本發(fā)生了很大變化，不僅可以加工上述包括梯形縫在內(nèi)的復(fù)雜縫型，而且切縫質(zhì)量較好，縫寬規(guī)則、縫中無掛渣，保證了加工精度。此外激光切割還具有噪聲低、效率高和成本低等優(yōu)點。

與傳統(tǒng)石油割縫篩管的加工方法相比，激光加工的石油管材割縫形狀規(guī)整，光潔度高，耐銹蝕性好，縫口周圍金相結(jié)構(gòu)變化不大，割縫寬度不受傳統(tǒng)刀具規(guī)格的限制，最小割縫寬度可達(dá)0.1mm～0.2mm。激光切割因其具有的普通機(jī)械加工手段難以比擬的優(yōu)勢，成為石油篩管割縫加工的首選。

2 研究背景

圖1 割縫篩管

我公司最新研究開發(fā)的數(shù)控激光切管機(jī)是石油篩管割縫加工的專用設(shè)備。篩管也稱割縫篩管（圖1），是安裝于油井、水井、地?zé)峋葻o縫或焊接鋼制井管最下端，用以將所開采的液體與地層中的砂石分離的一種特殊管型。由于其涉入地層的基本結(jié)構(gòu)特點，接觸的砂石粒度不同，開采液體粘稠度有差異，所需篩管的孔縫規(guī)格及形狀也各有不同。近年來，隨著我國石油、地礦工業(yè)的高速發(fā)展，篩管消耗不斷增加。而隨著市場需求的攀升，加上篩管孔縫切割難度高，孔縫幾何尺寸、形狀精度要求高，使看似簡單的篩管和篩管加工難度提高的同時，“經(jīng)濟(jì)”身價也倍增，從而引起相關(guān)行業(yè)的極大關(guān)注。

激光切管機(jī)所加工的石油篩管有成千上萬條割縫，由于激光切割加工設(shè)備屬于熱加工，其加工必須要有一個切入點，也就是通常所說的“穿孔”，每切割一條縫就需要穿孔一次，這就意味著每加工一根篩管就可能需要穿孔上萬次，因此縮短穿孔時間是提高加工效率的重要手段之一。

在切割最初階段必須先穿孔，然后激光頭（相當(dāng)于普通金屬加工設(shè)備的刀具）由靜止到運(yùn)動進(jìn)行切割。在加工過程中，當(dāng)給定激光束切割程序初始穿孔后，激光頭由靜止過渡到運(yùn)動切割的過程中，會瞬間出現(xiàn)反渣現(xiàn)象，不管反渣多少都會使該縫初始端的幾何形狀和精度遭到破壞，導(dǎo)致該縫報廢。經(jīng)過長期研究，我們找到了產(chǎn)生切割缺陷的機(jī)理，研究出一種行之有效的控制技術(shù)——多級變頻、變脈沖快速穿孔技術(shù)，使缺陷率逐漸降到最低，提高了生產(chǎn)率，為客戶創(chuàng)造更高的加工效益提供了可靠保障。

石油割縫篩管的壁厚從3mm～10mm不等，對于不同壁厚的管材其加工工藝也有所不同，隨著管材壁厚的增加，爆孔率升高，切割難度也隨之增加，特別是初始階段的穿孔工藝更是降低加工缺陷率、提高加工效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在諸多切割參數(shù)中找到合理配置的加工工藝參數(shù)是極為重要的。

3 穿孔工藝試驗過程

在進(jìn)行數(shù)控激光切管機(jī)實際工藝調(diào)試過程中，首先是基于二維平板激光切割機(jī)的穿孔工藝參數(shù)進(jìn)行試驗的。對于管壁厚度在3mm～5mm的篩管來說，其穿孔難度較小，工藝也較易調(diào)整，其普遍穿孔時間在 0.2s～0.5s之間。但對于管壁厚度在6mm～10mm的篩管來說，隨著穿孔深度的增加其激光穿透的效應(yīng)也隨之變低，同時穿孔質(zhì)量也受到極大影響。

20多年來我們積累了大量的平板切割工藝經(jīng)驗，在二維平板激光切割機(jī)上進(jìn)行厚板的穿孔時工藝參數(shù)比較單一，可以用接近激光器滿功率的連續(xù)波在板面上形成一個直徑在2mm～4mm左右的圓孔，以達(dá)到快速穿孔的目的，至于孔的大小及切渣飛濺對周圍材質(zhì)的影響并沒有特別要求。而在石油篩管上進(jìn)行穿孔時，必須要保證孔的直徑不大于割縫的寬度。對于應(yīng)用于石油行業(yè)的篩管，割縫寬度規(guī)格范圍在0.2mm～1.0mm之間，所以在保證穿孔時間的同時，控制穿孔的直徑是篩管割縫加工中急需解決的問題。

用二維平板切割機(jī)參數(shù)進(jìn)行穿孔，已經(jīng)不適用于篩管的加工了。分析后我們降低穿孔能量、頻率和占空比，但穿孔時間延長。為提高生產(chǎn)效率，我們降低打孔距離使激光聚焦點在板材的上表面附近。

經(jīng)過調(diào)整后，打孔點變小，但打孔時間卻顯著加長，調(diào)整參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)整參數(shù)表

在多次試驗中，我們發(fā)現(xiàn)用以上參數(shù)進(jìn)行打孔，除了時間變長外，還會出現(xiàn)爆孔現(xiàn)象，產(chǎn)生的切渣會粘附在切割嘴上影響切割，甚至造成切割嘴的嚴(yán)重?fù)p耗。

爆孔的原因主要是由于穿孔占空比太大所致，但降低占空比又會造成穿孔時間加長。為了解決此矛盾，我們從電氣自動控制上著手，選配西門子PLC產(chǎn)生PWM波控制占空比，實現(xiàn)穿孔初始采用較低占空比，隨后逐步增大，從而達(dá)到快速穿孔的目的。為防止占空比過大引起爆孔，可設(shè)定占空比的增長上限。

為了防止在爆孔時切割嘴沾上切渣，把切割嘴到板面的距離由2mm提高到4mm，同時把焦點軸下移2mm，保證打孔時的激光光束能夠聚焦在板面附近，在切割時把自動調(diào)焦軸移上去返回原來坐標(biāo)。經(jīng)過調(diào)整后所用參數(shù)如表2所示。

表2 調(diào)整后參數(shù)表

通過這次調(diào)整，穿孔時間及穿孔直徑都有了極大改善，但是對于篩管割縫最細(xì)的0.2mm來說穿孔點尺寸偏大。通過反復(fù)試驗，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)增大打孔頻率時穿孔點會變小，但同時穿孔時間變長，據(jù)此修改PWM波程序，穿孔開始時用一個較高的頻率進(jìn)行穿孔，然后頻率逐步減小，達(dá)到穿孔孔徑變小的目的。為防止頻率過小，我們也給頻率設(shè)定了下限，通過切割試驗，達(dá)到了滿意的效果。調(diào)整后參數(shù)如表3所示。

4 結(jié)論

結(jié)合新型電氣控制方式開發(fā)的多級、變頻、變脈沖快速穿孔技術(shù)，大幅降低了脈沖傳輸時間，提高了穿孔速度，有效控制了穿孔幾何形狀和精度，在實現(xiàn)快速穿孔的同時，保證孔徑不大于割縫寬度，降低成本，提高效率，有效保證切割質(zhì)量，滿足了用戶對石油篩管的加工要求。

表3 最終調(diào)整參數(shù)表

[1] 寧福宏，等.激光切割機(jī)床加工篩管的技術(shù)研究.鋼管，2002，（6）.

[2] 茹冰偉，等.割縫篩管的激光切割.新技術(shù)新工藝，2005，（6）.

[3] 黃 濤，等.激光切割數(shù)控系統(tǒng)激光功率控制研究.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2004，（6）.