CN102019506A

CN102019506A - 一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法

Info

Publication number: CN102019506A
Application number: CN2010105060068A
Authority: CN
Inventors: 李雨田; 刘永红
Original assignee: DONGGUAN REDIOFA LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DONGGUAN REDIOFA LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明是关于用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，包括以下步骤：1)首缝切割：调整激光束与法线之间的夹角，即入射角θ₁≤6°的条件下，激光束沿筛管的轴向切割首缝；2)同缝复切：完成首缝切割后，激光束偏摆至法线的另一侧，在入射角θ₂≤6°条件下，激光束起切点选在首缝的延长线上，所述延长线即为激光复切引导段，其长可在3～10mm间选择，对准首缝往回进行同缝复切；复切完成后，两切缝间未被切割区将会自动去除，所得复合缝截面为梯形。由于采用激光切割成形梯形缝，包括首缝切割和同缝复切，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面；其容易实施、制作简单、易于控制，且易于在工业上应用。

Description

一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法。

背景技术

筛管为油田抽油机所使用的滤沙器，其上沿管轴向排布密集的通缝，用以防沙和渗油，其中通缝截面呈梯形的筛管，即为梯形缝筛管。梯形缝筛管与现有的近似矩形通缝的筛管相比，具有很好的“自洁”作用，不易产生沙塞，可将防沙有效期提高2-3倍，透油流阻降低1倍以上。梯形缝筛管为系列产品，通常管长L为1500～10000mm，管径ΦD为73～127mm，管壁厚δ为5.5.～10.0mm。梯形通缝长L为100～150mm，梯形通缝的横截面要呈“外小里大”状，管外表面缝宽0.2～0.3mm，管内壁缝宽要比外缝大0.2mm以上。梯形缝筛管对其通缝截面的梯形形状并无严格要求，可为等腰梯形，不等腰梯形和直角梯形。

在本发明之前，曾有采用等离子束切割梯形缝筛管的报道。其方法是减少等离子束能量和单次脉冲放电时间，增加放电频率，以及水力和磁力箍缩的方法，在10mm厚的筛管上切割出0.15mm的缝。采用外加电磁场控制离子束在不同切割深度上的偏摆量的方法，实现了复合型腔(梯形)缝的切割。此种梯形缝加工方法至今未见推广应用，用外加磁场控制等离子体在切缝不同深度上的偏摆量，从而成形梯形缝的技术实现与控制会是十分困难的。

采用激光单次切割成形梯形缝的方法也被广泛的研究过，主要通过调整激光束焦点相对筛管表面位置，即调整离焦或入焦量的方法，以求获得梯形切缝。激光单次切缝的截面形状是由激光功率、光束模式、透镜焦距，光束入射角、切割速度、辅助气体压力与气体吹入角等参数的综合因素所决定的。从理论上讲，通过调整激光束焦点离入焦量等参数实现梯形缝切割是可能的，但在实际切割工艺实施中，对于厚壁筛管而言，由于高能量密度激光束的加热特性及辅助吹气等因素的影响，切缝往往呈“外宽内窄”的矩形。采用激光单次切割法获得梯形缝的技术实施同样也是很困难的，使其获得工业实际应用则更为困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种容易实施、制作简单、易于控制，且易于在工业上应用的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法。本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，包括以下步骤：

1).首缝切割：调整激光束与法线之间的夹角，即入射角θ₁≤6°的条件下，激光束沿筛管的轴向切割首缝；

2).同缝复切：完成首缝切割后，激光束偏摆至法线的另一侧，在入射角θ₂≤6°条件下，激光束起切点选在首缝的延长线上，所述延长线即为激光复切引导段，其长可在3～10mm间选择，对准首缝往回进行同缝复切；复切完成后，两切缝间未被切割区将会自动去除，所得复合缝截面为梯形。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种容易实施、制作简单、易于控制，且易于在工业上应用的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法。本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，所述激光切割机包括激光切割头、安装板、转轴、滑板和悬臂；所述悬臂上设置有导轨；其中，所述激光切割头固定于安装板上，安装板再通过转轴与滑板相连，激光切割头与安装板相对滑板一起偏摆，滑板置于悬臂上，可沿其导轨携安装板和激光切割头整体水平运动；其特征在于：包括以下步骤：

1).首缝切割：激光切割头通过安装板相对被加工管的切点法线偏摆，使其中心线与法线的偏摆角为θ₁；然后通过滑板的水平移动，使激光切割头的中心线对准法线与管的交点，即起切点，并沿管的母线进行激光切割头运动行程内的所有首缝切割，切割的首缝与法线间的偏摆角为θ₁；

2).同缝复切：完成首缝切割后，再依据所确定的入射角θ₂，激光切割头转角θ₁+θ₂，激光切割头中心线则相对法线构成θ₂偏摆角；激光切割头沿悬臂平移，使其中心线对准首缝，返回复切，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面。

本发明的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，所述激光切割机包括激光切割头、安装板、转轴、滑板和悬臂；所述悬臂上设置有导轨；其中，激光切割头垂直装于滑板上，可借助悬臂的导轨实现垂直水平移动；其特征在于：包括以下步骤：

1).首缝切割：先依据所确定的激光束入射角θ₁和被加工管半径r按L1＝rsin θ₁，计算出激光切割头中心线相对被加工管中心垂线间的水平距L1；通过滑板与悬臂和导轨所组成的机构将激光切割头平移，使切割头的中心线与管的中心垂线的间距为L1后，再沿管的轴向切割其行程内的同一条母线上的所有首缝，所获首缝，则与切点法线成θ₁角，即以入射角θ₁进行了首缝切割；

2).同缝复切：完成首缝切割后，再依所确定的激光束同缝复切入射角θ₂，将管以其圆心转角θ₁+θ₂；首缝切点法线转角与管的中心垂线夹角则为θ₂，首缝起切点与管的中心垂线垂直距离为L2＝r*sinθ₂；激光切割头沿管悬臂的导轨平移L1+L2，其中心线即可与转角的首缝对准，进行同缝返回复切；切缝的激光切割入射角则为θ₂，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面。

本发明的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，由于采用激光切割成形梯形缝，包括首缝切割和同缝复切，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面；其容易实施、制作简单、易于控制，且易于在工业上应用。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1是本发明中筛管的示意图；

图2是图1所示筛管的剖视图；

图3是本发明用于筛管梯形缝成形的激光切割方法的示意图；

图4是本发明用于筛管梯形缝成形的激光切割方法第一实施例的示意图；

图5是本发明用于筛管梯形缝成形的激光切割方法第二实施例的示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示，本发明的用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，包括以下步骤：在激光束1与法线2之间的夹角，即入射角θ₁≤6°的条件下，进行首缝切割，如图3(a-1)所示。激光束1沿管4的轴向切割首缝，从A点起，B点止，如图3(a-2)所示。其切缝的横截面如图(a-1)中的首缝3所示，为近似矩形。

完成首缝切割后，激光束1偏摆至法线2的另一侧，在入射角θ₂≤6°条件下，对准首缝3进行同缝复切，如图3(b-1)所示。复切时，激光束起切点要选在(A-B)延长线上的C点处，如图3(b-2)所示。图中(C-B)为激光复切引导段，其长可在3～10mm间选择。激光复切自身的切缝截面如图3(b-1)复切缝5所示，亦为近似矩形。

激光束偏摆同缝复切的合成缝的理论构成如图3(b-1)所示。两切缝间未被切割区6只是原理分析保留区，在激光束复切中，此区将会被去除，所得复合缝截面，如图3(b-2)中(B-A)间切缝截面所示，为梯形。激光复切的引导段(C-B)间切缝截面近似矩形，这对筛管制品是完全允许的。

图2中θ₁和θ₂为切割激光束入射角，a为梯形截面外缝宽度，b为梯形截面内缝宽度，δ为管壁厚度。

在光束偏摆同缝复切中，激光束入射角与复切成形的梯形截面的几何参数关系如图2所示，其内缝b和外缝a的宽度差为：

(b-a)＝δ(tanθ₁+tanθ₂)……(1)

式中(b-a)是梯形切缝最重要的参数，为预先确定的定值。

实际加工中要依据(b-a)值确定θ₁和θ₂。

当θ₁＝θ₂时，所对应的θ₁和θ₂相互配合的取值最小，因此通常选用等入射角进行梯形缝成形。

取θ₁＝θ₂＝θ，式1则为：

(b-a)＝2δtanθ

θ＝atan(b-a)/2δ……(2)

依据式2，则可确定复切光束的入射角，即θ＝θ₁＝θ₂，此时复合切缝的截面为等腰梯形。

对于θ₁≠θ₂与θ₁＝0或θ₂＝0的情况，也可按式1确定所采用的光束入射角θ₁和θ₂。此时合成梯形截面分别为不等腰梯形(θ₁≠θ₂)和直角梯形(θ₁＝0或θ₂＝0)。

按式1或式2所确定的光束入射角仅为推理值。激光加工工艺参数对复合梯形截面的几何参数也有相当的影响。在实际应用中，要对光束切割入射角，以推理值为基础进行适当的修正。

本发明的梯形缝激光成形方法的加工原理主要是基于激光切割技术理论。当采用焦距≥5°的长焦透镜，对直径≥φ73mm的筛管进行激光切割时，由于长焦距透镜的焦深较大，而大直径管的表面曲率又较小，因此，切割激光束的入射角在≤6°的范围内偏摆，对辐照被加工管表面的激光光斑尺寸形状影响甚微，属激光切割工艺参数允许的波动范围内，可获得质量较好的激光切缝。实际激光切割实验也证实了这种光束小角度偏摆切割的可行性。

光束相对偏摆同缝复切时，由于采用了图3(b-2)所示的引导段复切方式，激光束是在小角度偏摆稳定切割状态下与首缝重叠复切的。这有效的减少了首缝侧壁与复切光束入射角相对较大的不利影响，同时宽度≤0.2mm的首缝内壁可能有助于射入的复切光束能量的吸收，因此首缝对激光束复切的影响很小。

本发明所提出的激光束小角度偏摆，同缝复切成形梯形缝方法的技术实施，可采用两种方案予以实现。

具体实施方式1：被加工筛管无需转角，利用激光切割头相对切割点法线偏摆实现梯形缝成形切割，如图4所示。

激光切割头10固定于安装板20上，安装板20再通过转轴30与滑板40相连，激光切割头10与安装板20，相对滑板40一起偏摆。滑板40置于悬臂50上，可沿其导轨60携安装板20和激光切割头10整体水平运动。

首缝切割如图4(a)所示。激光切割头通过安装板20相对被加工管100的切点法线(即管的中心垂线)80偏摆，使其中心线70与法线80的偏摆角为θ₁偏角。然后通过滑板40的水平移动，使激光切割头的中心线对准法线80与管100的交点，即起切点，并沿管100的母线进行激光切割头10运动行程内的所有首缝切割，切割的首缝与法线80间的偏摆角为θ₁。

完成首缝切割后，再依据所确定的入射角θ₂激光切割头10，按图4(b)所示，转角(θ₁+θ₂)，激光切割头中心线70则相对法线80构了θ₂偏摆角。

激光切割头10按图4(c)所示，沿悬臂50平移，使其中心线70对准首缝，返回复切。复切缝110与首缝90形成了所要求的梯形截面。

具体实施方式2：

激光切割头无需偏摆，利用被加工管自身转角实现激光束相对其切点法线偏摆进行同缝复切，如图5所示。

其中，激光切割头10垂直装于滑板20上，可借助悬臂30的导轨40实现垂直水平移动。

首缝加工如图5(a)所示，先依据所确定的激光束入射角θ₁和被加工管半径r(图中未示)按L1＝rsinθ₁，计算出激光切割头中心线60相对被加工管中心垂线70间的水平距L1。通过滑板20与悬臂30和其上的导轨40所组成的机构将激光切割头10平移，使切割头的中心线(即激光束60)与管90的中心垂线70的间距为L1后，再沿管90的轴向切割其行程内的同一条母线上的所有首缝，所获首缝80，则与切点法线50成θ₁角，即以入射角θ₁进行了首缝切割。

完成首缝切割后，再依所确定的激光束同缝复切入射角θ₂，按图5(b)所示将管以其圆心转角(θ₁+θ₂)。首缝切点法线50转角与管90的中心垂线70夹角则为θ₂，首缝80起切点与管90的中心垂线垂直距离为L2＝r*sinθ₂。

同缝复切如图5(c)所示，激光切割头10沿管悬臂30的导轨40平移L1+L2，其中心线60即可与转角的首缝对准，切缝的激光切割入射角则为θ₂，进行同缝返回复切，形成所要求的梯形截面。

上述实施例，只是本发明的一个实例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的制作工艺方法所作的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims

1.一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，所述激光切割机包括激光切割头、安装板、转轴、滑板和悬臂；所述悬臂上设置有导轨；其中，所述激光切割头固定于安装板上，安装板再通过转轴与滑板相连，激光切割头与安装板相对滑板一起偏摆，滑板置于悬臂上，可沿其导轨携安装板和激光切割头整体水平运动；其特征在于：包括以下步骤：

2).同缝复切：完成首缝切割后，再依据所确定的入射角θ₂，激光切割头转角θ₁+θ₂，激光切割头中心线则相对法线构了θ₂偏摆角；激光切割头沿悬臂平移，使其中心线对准首缝，返回复切，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面。

3.一种用于筛管梯形缝成形的激光切割方法，所述激光切割机包括激光切割头、安装板、转轴、滑板和悬臂；所述悬臂上设置有导轨；其中，激光切割头垂直装于滑板上，可借助悬臂的导轨实现垂直水平移动；其特征在于：包括以下步骤：

1).首缝切割：先依据所确定的激光束入射角θ₁和被加工管半径r按L1＝rsinθ₁，计算出激光切割头中心线相对被加工管中心垂线间的水平距L1；通过滑板与悬臂和导轨所组成的机构将激光切割头平移，使切割头的中心线与管的中心垂线的间距为L1后，再沿管的轴向切割其行程内的同一条母线上的所有首缝，所获首缝，则与切点法线成θ₁角，即以入射角θ₁进行了首缝切割；

2).同缝复切：完成首缝切割后，再依所确定的激光束同缝复切入射角θ₂，将管以其圆心转角θ₁+θ₂；首缝切点法线转角与管的中心垂线夹角则为θ₂，首缝起切点与管的中心垂线垂直距离为L2＝r*sinθ₂；激光切割头沿管悬臂的导轨平移L1+L2，其中心线即可与转角的首缝对准，切缝的激光切割入射角则为θ₂，进行同缝返回复切，复切缝与首缝形成了所要求的梯形截面。