CN1041555A - 激光加工制造过滤器的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

在本发明所述的加工过滤器的方法中，需在被加工的表面上涂敷吸收涂料(3)。聚焦成焦斑的激光(5)距零件(1)表面的深度为h₁，这时应满足其中h为零件(1)的厚度。

在切割腔中熔融金属的体积的起伏幅度达到最大时，周期性间歇地将研磨微粒(7)加进工作气体流中。制造过滤器的装置包括激光器、带激光聚焦光学系统(10)的管接头(9)、供给工作气体和研磨微粒的喷射器(12)和控制吸收涂料流动速率的机构(2)。

Description

本发明属于激光加工工艺和设备，涉及激光加工制造过滤器的方法及实现该方法用的装置。更确切地说，是通过使用与激光结合的射向被加工区的通量而对金属进行激光切割的方法，制造从深钻井中取水用的过滤器。

按照本发明制造的过滤器，非常适用于渗透法和自流井取水以及研究地下水用的观察钻井中。用这种方法制造的过滤器，既可以用在各种深度的粗粒含水层中，又可以用在各种深度的细粒含水层中。

除此而外，本发明还能够有效地用于制造排水分配系统，热力网及动力系统，水的化学和机械净化，地上灌溉以及石油和天然气开采钻井用的过滤器。

目前大约存在着一百种不同结构的过滤器，网状的、金属线的、多孔的、开缝的等等，而且对应的制造方法也是大量的。

但是在大多数情况下，现有的加工方法无法保证过滤器结构简单及可靠性，而且生产效率低，也就是说这些过滤器的容水表面是由若干层组成的：带孔的管形架，钢导轨、网或者金属线层。

在其它一些取水用过滤器的方案中，曾经解决了获得窄缝的任务，使其结构得以简化，也就是说能使其成为单构件的。但是冲压和辊压的方法只能保证钢在薄板上获得很窄的Y-形狭缝，从而就限制了这种过滤器在深水井的应用，可是90%以上自流井是深水井。

现有的加工方法，无法获得由带Y-形断面窄缝的钢管构成的取水过滤器，这种Y-形断面能保证良好的流体动力学特性。

一种已知的激光加工制造过滤器的方法及实现该方法的装置，是做成用激光来加工管子的设备形式（JP，H，60-223692）。此方法是借助激光切割管子而对管子表面进行热加工并在管子表面上穿出一些孔。

上述设备包括：能保证把管子固定在水平方向并可借助工作台使其在X座标方向移动的机构;使管子能绕自身的轴在两个相反的方向上转动的机构;能使激光束射向加工区并将其在被加工区聚焦成给定直径光斑的光学头。在此设备中，还考虑了让光学头既可在竖直方向移动，又可借助螺纹传动使其沿管轴移动的可能性。

上述已有的加工方法和设备的缺点在于：其加工工艺无法获得锥形孔，因为将激光聚焦为给定直径的光斑只能保证孔的表面尺寸，而不会对横截面上狭缝的形状及管壁的光洁度产生影响。此设备的输出量规定了激光的功率和被加工管的移动速度，从而在要求高切割质量方面受到极大限制。

还有一种已知的激光加工制造过滤器的装置，它是一种气体激光切割金属的自动化设备（参见苏联专利公开958060），包括连续作用的激光器，聚焦透镜，向切割区提供工作气体的喷射器及带有驱动机构的工作台。此设备还装有换向电路和两个压力传感器，该压力传感器装在切割线的下面。第一个传感器装在与切割方向相对的方向上，距离聚焦激光光线的轴线为聚焦激光光线半径的地方;第二个传感器装在相对第一个传感器沿同一方向移动一段距离处，此距离等于由切割腔输出的工作气体流的直径。两传感器的输出端经换向电路接在控制工作台传动速度的控制机构的输入端，由这个控制机构对切割速度进行手动和自动调节。在最佳切割速度情况下，在激光光线通过的距离等于聚焦光线的直径时完全穿透另件，另件在与聚焦激光光线的轴线距离等于该聚焦激光光线的半径处被在与切割方向相反的方向上被穿透。在这种情况下，由切割腔喷出来的工作气体流将在两压力传感器之间通过，不会落在其中任何一个传感器上。对于切割速度小于或大于最佳值的情况来说，完全切断是在距离小于或者相应地大于聚焦激光光线半径的条件下结束的。因此，由切割腔喷出来的工作气体流将偏离起始位置，并落在第一或第二个压力传感器上。

上述自动化设备的实质性缺点在于未能考虑获得狭缝及所需形状的切口的可能性。利用压力传感器来控制最佳切割工作状态，对在上述设备中制造必须沿着管的整个四周及纵深切割出多个切口及狭缝的过滤器来说，会产生一定的困难和不便。

已知的另有一种激光加工制造钻井用过滤器的方法（参见美国专利公开4，317，023），在此方法中，为了制造带横向沟槽的过滤器，将激光光线聚焦在略高出塑料管外表面的点上，并使该塑料管绕其纵轴旋转。穿过管的外表面之后锥形激光光线使管材汽化形成内槽，槽壁向着塑料管中心轴方向散开。

这种用激光切割绝缘材料制造过滤器的方法，是建立在使材料表面汽化而不形成液相的基础上的。由于不存在导热性，所以全部辐射热能都能够用于使材料汽化，因而，被切出来的切口断面相仿于聚焦光线的断面。被切割材料的厚度与辐射热能成直线关系。激光切割金属的物理基础与激光切割绝缘体有显著的不同。在切割金属时一定要有工作气体存在，例如氧气、惰性气体，因为对所说的过程而言熔融金属与工作气体的放热反应是显著的。在这种情况下，切割出来的断面体现了放热反应的强度，而该强度又与工作气体及激光的工艺参数有关，因而不可能获得规定形状的断面。

作为本发明基础提出来的任务，是要建立一种激光加工制造过滤器的方法和实现该方法的装置，在这种方法和装置中，通过确定把激光引入加工物质的最佳条件并控制激光参量的手段得到使用性能改进了的过滤器;靠这种方法能够形成具有y-形断面的渗水狭缝（向着过滤器的内部扩展）并可在提高过滤器加工过程的生产效率、简化过滤器的结构、节约有色金属、减少工序、降低过滤器的成本及扩展其应用领域（由于有可能在很宽的范围内变化狭缝的位置和狭缝断面的形状）的情况下，得到光洁度高的切割表面。

该任务是这样解决的：在激光加工制造过滤器的方法中，为了形成切割腔，将激光束和工作气体流射到零件的加工表面上，所述的激光被聚焦成焦斑，而被加工的另件可相对激光束移动;根据本发明，焦斑在另件中距其表面的深度为h₁，这时应满足

0.025≤ (h₁)/(h) ＜0.22

其中h为另件的厚度，而且在切割腔中熔融金属体积的起伏达到最大幅度时，要周期性间歇地向上述工作气体流中添加研磨用的物质微粒。

所推荐的这种方法，适合于制造开缝式结构的过滤器，它能在粗颗粒及细颗粒的土壤中取水强而无砂层积贮，这是一种带有锥形切口，切口壁向着过滤器内部扩展的结构。所得到的锥形切口壁是均匀和光洁的，孔径可达10～15毫米。在很大的程度上能够提高切割速度，从而提高加工过滤器的生产效率。

最适宜的做法是在激光作用之前先在被加工的另件表面上涂上吸收涂层，其宽度等于聚焦光斑的直径，厚度为5～20微米。

在另件表面上不连续地，以窄条纹涂上厚度可调的吸收涂料，就能将激光能量集中在准确的加工地点，使切割的生产效率提高。

以上提到的制造涂有吸收涂料的过滤器的方法，在下述装置中实现较为适宜：此装置包括有激光器，带激光聚焦用的光学系统的管接头，驱动被加工零件直线及径向移动的驱动器，直接靠近上述带聚焦光学系统的管接头的，向加工区提供工作气体的喷射器，根据本发明，它还有一个控制吸收涂料流动速率的机构，固定在上述带聚焦光学系统的管接头上，使之能绕着上述管接头轴转动，其在切割过程进行时所处的位置，应使此机构的输出毛细管孔的中心与上述激光聚焦系统的光轴位于同一平面内;而为了将研磨用的物质微粒送进加工区，使用供给工作气体的喷射器。

所推荐的这种加工装置的结构，能够实现本发明所述的制造过滤器的方法。这种结构的装置能够提高加工过滤器的生产效率，并能达到很高的使用性能。

最适宜的做法是给这个装置配备多相振荡器，并且将上述控制吸收的涂料流动速率的结构做成圆柱形容器的形式，带有彼此牢固地联接在一起的压电陶瓷片管形组件，其中的每个压电陶瓷片都与上述多相振荡器的输出端串联。所推荐的这种控制吸收涂料流动速率的机构，用来间歇而又均匀地涂敷所要求宽度及厚度的涂层。

接下去本发明将通过具体的实施例和附图加以说明，其中

图1简略地表示实现本发明所述激光加工制造过滤器方法的装置;

图2为本发明图1中沿Ⅱ-Ⅱ线剖面图。

激光加工制造过滤器的方法如下。作为被加工另件用的是由不同规格钢材制做的金属管（管径78～380毫米;管壁厚度3-9毫米）。当此管（图1）沿其几何轴线以1.1米/分的速度移动时，接通激光加工制造过滤器的这种装置上控制吸收涂料流动速率的机构2。与激光聚焦在表面上的光斑匹配的涂层的宽度为0.2～0.5毫米，这是由上述控制机构2保证的。涂料3涂敷的长度为10～15厘米，间距10厘米。为进行加工，优先采用平均功率为1kw的辐射持续作用的CO₂激光器。将激光以深度距离h₁聚焦在管1的厚度为h的壁4上（图2），值h₁由不等式

0.025≤ (h₁)/(h) ＜0.22

选择。与激光5作用的同时，经过入口6（图1）在0.2～0.5兆巴的压力下，周期性间歇地把带研磨用的物质微粒碳化硅7的工作气体流供给切削区;微粒的密度为3.2，具有不规则的尖角形，平均直径为80～100微米。研磨微粒7的消耗量为0.2公斤/分钟。与焦平面处在被加工表面上或者处在被加工表面以上相比，使焦平面处在距离为h₁的位置，能够保证形成倒锥形的透孔8（图2），这是因为沿径向集中地送到激光上的，带有研磨粉7的压缩气体流在焦平面区域内（即在激光5强度最高的地方），非常活跃地参予金属的熔融、烧穿以及去除的过程的缘故。当焦平面在被加工的另件壁4中处在这种位置时，能够形成倒锥形贯通狭缝8（图2），这种缝溢流最少，从而就能保证很高的切割质量，而且可免去随后的清洁工序，从而使生产效率提高。

将研磨粉末7添加在工作气体流中的根据在于，用连续激光对金属进行气化激光切割本身是建立在这样的基础上的：被切割另件局部区域的强烈加热，材料中发生相变以及由工作气体流除去被破坏的产物。除去切口中形成的熔融金属材料及其氧化物，主要是在气流压力梯度和切向磨擦应力的作用下发生的;受重力作用影响的程度较小。在激光和氧的作用下形成下列区域：熔融的金属氧化物的液相区，熔融金属本身和底部金属。

连续切割过程（例如氧气切割）的必要条件之一，是在切割表面上使得形成和排放液体熔融物平衡。具有特征的是，熔融物的形成和去除具有周期性特点，这是由切割腔中进行的理化和气体机械过程，激光和气流的特性以及切割工作状态决定的。切割过程中，被切割表面上在时间t₁内发生熔融层厚度的形成并增长到最大值，随后在时间t₂内在气体流的作用下发生熔融物的去除，而且液体层的厚度减小到最低值。熔融层形成和去除的整个周期在不断地重复着，其重复周期为T＝t₁+t₂。对于时间间隔t₁来说，起决定作用的参数是激光加热金属的强度以及金属氧化反应的散热量;而对于时间间隔t₂来说，是气流的压力梯度和动能。当使熔融层去除的时间t₂超过使其形成的时间t₁时，就会增大不平坦的高度，并且使切割线出现弯曲。例如使液体层形成的时间t₁大于使其去除的时间t₂，则切割过程的连续性就会遭到破坏。

在利用氧气流进行切割时，在后一种情况下起决定作用的因素是金属氧化反应的速度，而其反应速度在大多数情况下要受到物质穿过所形成的氧化物层向着反应面的扩散的制约。当熔融层的体积达到最大值时，就要周期性间歇地（周期为T）将研磨微粒加到氧气流中。

在这种情况下，由于固体微粒的研磨作用，去除熔融层的速度会有增加，而且研磨微粒首先就会加剧破坏熔融层表面上形成的氧化膜并从切割腔中去除，从而也就保证了氧能够直接到达基底上的熔融金属，也就是说能使金属的氧化速度加快，二次（化学）热源的容量相应地也会增加。

通过适当选择氧气流中加进研磨微粒的持续时间，就能保证条件t₁≈t₂。在这种情况下，熔融层本身就会变小，切割表面的质量就会显著提高，切割速度的极限值就会大大增加。

当使用氧气流进行切割时，为使切割过程正常进行，必须使所形成的氧化物的熔化温度低于底材料的熔化温度，而熔融的氧化物本身应是充分流动的。

在对高合金钢、耐腐蚀钢和其它类似钢材以及一系列有色金属进行切割时，在熔融层表面上的氧化介质中会形成氧化膜，它的熔融温度比本底材料的熔融温度高，为了将它转变为液体（熔融）状态，需要消耗大量的热能。因此，为了切割这种金属，需要利用惰性或中性的气体。

在利用氧气流对这种金属进行切割时，对难熔氧化物薄膜的破坏过程，在于固态研磨微粒及气体流作用的结果。在这种情况下，由于金属氧化时存在放热反应的热能，在激光的能量参数相同时，其切割速度大大高于使用中性气体切割情况下的速度。

激光切割法制造过滤器用的装置包括有激光器（图中未表示），带有使激光5聚焦用的光学系统10的管接头9（图1），驱动被加工另件作直线及径向移动的驱动器11和借助轴承13可旋转地固定在管接头9座上的喷射器12，用来供给工作气体和研磨微粒7。机构2用来控制吸收涂料3的流动速率，它做成圆柱形容器的形式，带有彼此牢固地联接在一起的压电陶瓷片14的管形组件，其中的每个压电陶瓷片14都与多相振荡器15的相应输出端串联。供给工作气体及研磨微粒7用的喷射器12，其制做方式与控制机构2类似，在这种情况下，为了引入工作气体，在园柱形容器16中做了一个入口6。在接通多相振荡器15时，40～50伏的电压分相供给压电陶瓷片14。管形组件中的每个压电陶瓷片14，都与各相邻的垫片14相联（正极接正极，负极接负极）。每一个压电陶瓷片14，都与多项振荡器15的输出端串联。当供给交流电压时，管形组件垫片14将产生驻波。当垫片14和容器圆柱部分的内表面之间存在着不太大的间隙（0.05～0.2毫米）时，所形成的驻波就会迫使液体吸收涂料3经过孔从容器中移出。当容器中的液体及其圆柱部分形成压力差时，进气管17中的压力就会增加，涂料3将以很窄的射流（宽为0.2～0.5毫米）经过输出毛细管孔18供给被加工管1的表面。移动管1，就会沿其几何轴线由吸收涂料3的条纹在其表面上进行涂敷。

对于连续作用的CO₂激光来说，可以用譬如液态颜料、烟黑、磷酸钙等作为吸收涂料3。出口18做成毛细管的形式，为的是在以贯通狭缝8激光切割管1的过程中（图2）。可以通过关闭压电陶瓷片14（图1）的电源的方法使吸收涂料3的供应中断，因为以贯通狭缝8切割（图2）的过程应该是断续的，譬如间隔10厘米。

在没有电压存在的情况下，容器园柱部分中不会产生压力，而且由于出口18中毛细管力的作用，液体吸收涂料3（图1）不会落在管1表面上。贯通狭缝8（图2）沿管1的几何轴线按照一条切割线做出，而所有的切割线是沿园周分布的，彼此相隔例如10～25°。因此向管1表面上供给吸收涂料3应当是断续的，也就是说只需要对激光5辐照的地方涂敷。

使管1沿其几何轴线及圆周移动，是靠特殊机构来实现的。为在压电陶瓷片14中形成驻波，多相振荡器15中还装有移相器。通过改变电压的大小，就能改变压电陶瓷片14机械振动的振幅，从而就能均匀地控制吸收涂料3的流动速率，籍以改变涂敷涂料的厚度和宽度。

周期性间歇地供有带有工作气体的研磨粉7，是通过多相振荡器19来控制的。

Claims (4)

1、一种激光加工制造过滤器的方法，其中为了形成切割腔是将激光束(5)和工作气体流射在另件(1)的被加工表面上的，上述激光要聚焦成焦斑，而被加工的另件(1)要相对此激光束(5)移动，其特征在于：焦斑在另件(1)中所处的深度距其表面为h₁，这时需满足0.025≤ (h₁)/(h) ＜0.22

其中h为另件的厚度，在切割腔中熔融金属体积起伏幅度达到最大时，周期性间歇地将研磨用的微粒(7)添加到上述工作气体流中。

2、一种如权利要求1所述的方法，其特征在于：在上述激光作用之前，要将吸收涂料（3）涂敷在另件（1）的被加工表面上，涂敷的宽度等于激光焦斑的直径，而厚度为5～20微米。

3、一种实现权利要求2所述激光加工制造过滤器方法用的装置，包括激光器、带有激光聚焦用的光学系统（10）的管接头（9）、驱动被加工另件做直线及径向移动的驱动器（11），以及直接靠近上述带有激光聚焦用的光学系统的管接头（9）的将工作气体供给加工区的喷射器（12），其特征在于：它还包括一个与上述带有激光聚焦光学系统（10）的管接头（9）固定在一起，并有可能绕上述管接头（9）轴线转动的控制吸收涂料流动速率用的机构（2），其在切割过程中的设置，应使该控制机构（2）的输出毛细管孔（18）的中心与使激光聚焦用的上述光学系统（10）的光轴位于同一平面内，使用供给工作气体的喷射器（12），以引进研磨微粒（7）。

4、一种如权利要求3所述的装置，其特征在于：它包括有多相振荡器（15），而上述控制吸收涂料（3）流动速率用的机构（2），做成圆柱形容器形式，带有彼此牢固地联结在一起的压电陶瓷片（14）的管形组件，其中的每个压电陶瓷片（14）都与上述多相振荡器（15）的输出端串联。