CN107150176A - 一种组合缝筛管的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合缝筛管的激光加工方法，具体步骤为：激光切割头在铅垂轴方向，以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，同时沿铅垂轴和水平轴移动一定距离，调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凹曲变形，用脉冲激光在管子上打孔。调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凸起变形，用连续激光切割出前半条梯形缝。再以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心顺时针回转梯形缝锥度2α，切割出后半条梯形缝。激光切割头通过铅垂轴、水平轴及其转动轴的随动回到铅垂轴方向，切割出矩形缝，得到一条完整的组合缝。

Description

一种组合缝筛管的激光加工方法
所属技术领域
本发明涉及一种组合缝筛管的激光加工方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
在石油钻采作业中，割缝筛管用来防砂。
割缝筛管是在石油套管或油管上加工出数千条或上万条断断续续的缝隙。缝隙按管子端剖面形状分为矩形缝，梯形缝和组合缝。矩形缝的缝隙内外等宽，缝隙容易被砂粒堵塞；梯形缝的缝隙外窄内宽，形成锥度为12°左右的等腰梯形，自洁性好，但缝隙容易被流砂磨蚀变宽，降低滤砂精度；组合缝由外矩形缝和内梯形缝组合而成，缝隙外窄内宽，缝隙自洁性好且不易被流砂磨蚀变宽。
割缝筛管批量生产加工的方法有CBN薄型砂轮磨缝、铣刀割缝和激光割缝。
CBN薄型砂轮磨缝和铣刀割缝只能割矩形缝。
传统的激光割缝只能割矩形缝和梯形缝，不能割组合缝。且激光脉冲打孔转换为激光连续切缝时，依靠聚焦镜片频繁往复的机械位移来改变焦点位置，速度慢，有机械磨损，降低了激光切割头的使用寿命。
有人提出“等离子割梯形缝”，实际是电火花加工方法，只能低效率地割矩形缝，不能割梯形缝。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种组合缝筛管的激光加工方法，利用该方法可以高效率地批量加工生产组合缝筛管。
解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种组合缝筛管的激光加工方法，具体步骤为：
a.激光切割头在铅垂轴方向，以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，同时沿铅垂轴和水平轴移动一定距离，使得割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凹曲变形，用脉冲激光在管子上打孔。
b.调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凸起变形，激光切割头沿管子轴线方向移动预定缝长距离，用连续激光切割出前半条梯形缝。
c.激光切割头再以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心顺时针回转梯形缝锥度2α，同时沿铅垂轴和水平轴反向移动一定距离，使得割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，切割出后半条梯形缝。
d.激光切割头通过铅垂轴、水平轴及其转动轴的随动回到铅垂轴方向，割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，切割出矩形缝，得到一条完整的组合缝。
上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头打孔时调整电液伺服阀控制电压在0到10V正方向变化，激光焦点的位置移到管子最高点的上方，用脉冲激光在管子上打孔。
上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头用脉冲激光输出打孔后，调整电液伺服阀控制电压在0到10V负方向变化，焦点的位置移到管子最高点的下方，改用连续激光割缝。
上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头在切割出梯形缝后，调整激光焦点、功率、气压等参数切割矩形缝，使得矩形缝的缝宽大于梯形缝的缝宽，并具有一定的矩形缝深度，得到一条完整的组合缝。
附图说明
附图1a是本发明加工方法控制可变曲率反射镜产生凹曲变形，脉冲激光打孔图；
附图1b是本发明加工方法控制可变曲率反射镜产生凸起变形，连续激光割缝图。
附图2a是本发明加工方法加工前半条梯形缝的位置图；
附图2b是本发明加工方法加工前半条梯形缝的缝型图；
附图2c是本发明加工方法加工前半条梯形缝的速度矢量图。
附图3a是本发明加工方法加工后半条梯形缝的位置图；
附图3b是本发明加工方法加工后半条梯形缝的缝型图；
附图3c是本发明加工方法加工后半条梯形缝的速度矢量图。
附图4a是本发明加工方法加工矩形缝，得到组合缝的位置图；
附图4b是本发明加工方法加工矩形缝，得到组合缝的缝型图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
由附图1a可知，激光切割头先在铅垂Z轴方向，以回转中心O1到管子最高点O的距离OO1为回转半径，绕回转中心O1逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，同时，激光切割头沿铅垂Z轴和水平Y轴移动一定距离，使得激光切割头回转中心由O1变到O1´，割嘴M点到管子最高点O在Z轴的距离MO不变，调整电液伺服阀控制电压在0到10V正方向变化，使得可变曲率反射镜产生凹曲变形，激光焦点F的位置移到管子最高点O的上方，用脉冲激光在管子上打孔。
由附图1b可知，激光切割头用脉冲激光打孔后，调整电液伺服阀控制电压在0到10V负方向变化，使得可变曲率反射镜产生凸起变形，焦点F的位置移到管子最高点O的下方，激光切割头沿管子轴线方向移动预定缝长距离，用连续激光切割出前半条梯形缝。
由附图2a可知，激光切割头先在铅垂Z轴方向，以回转中心O1到管子最高点O的距离OO1为回转半径，绕回转中心O1逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，使得激光切割头回转中心由O1变到O1´。
由附图2b可知，激光切割头沿管子轴线方向移动预定缝长距离，用连续激光切割出前半条梯形缝。
由附图2c可知，激光切割头用连续激光割缝时，逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，激光切割头回转中心由O1变到O1´，还要沿水平的Y轴和铅垂的Z轴，同时直线位移一定距离，割嘴上M点变动到M´点，使得割嘴上M´点到Y轴的高度仍等于MO。M´点的绝对速度va是其相对速度vr和牵连速度ve的矢量和，即绝对速度。
由附图3a可知，激光切割头再以回转中心O1´到管子最高点O的距离OO1´为回转半径，绕管子最高点O顺时针回转梯形缝锥度2α，还要沿水平Y轴和铅垂Z轴反向移动一定距离，激光切割头回转中心由O1´变到O1"，割嘴M点到管子最高点O在Z轴的距离MO不变。
由附图3b可知，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，用连续激光切割出后半条梯形缝，形成形状对称的、完整的梯形缝。
由附图3c可知，激光切割头用连续激光割缝时，顺时针回转梯形缝锥度2α，激光切割头回转中心由O1´变到O1"，还要沿水平的Y轴和铅垂的Z轴，同时直线位移一定距离，割嘴上M´点变动到M"点，使得割嘴上M"点到Y轴高度仍等于MO，M"点的绝对速度va´是其相对速度vr´和牵连速度ve´的矢量和，即绝对速度。
由附图4a可知，激光切割头通过水平Y轴、铅垂Z轴及回转轴O1的随动调整到铅垂Z轴，割嘴M点到管子最高点O在Z轴的距离MO不变，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，切割出矩形缝。
由附图4b可知，激光切割头在切割出梯形缝后，调整激光焦点、功率、气压等参数切割矩形缝，矩形缝的缝宽大于梯形缝的缝宽，并具有一定的矩形缝深度，与原来割出的梯形缝形成一条完整的组合缝。
与传统的割缝方法相比较，本发明有如下优点：
1.用传统加工方法，无法切割出外窄内宽的组合缝。本发明让激光切割头产生转动与移动的复合运动，在一条缝隙中实现了外矩形缝和内梯形缝的组合，保留了矩形缝不易被流砂磨蚀变宽的优点，又保留了梯形缝自洁性好，不易被砂粒堵塞的优点。
2.颠覆了传统的聚焦镜机械位移变焦的方法，聚焦镜不动，没有机械传动和磨损，即可实现快速变焦，变焦速度由秒级提高到毫秒级，实现了脉冲激光打孔和连续激光切缝两种加工方式的快速转换，提高了加工效率，延长了激光切割头的使用寿命。在壁厚10毫米的石油套管上，不超过10秒钟即可加工出一条外矩形缝宽0.25毫米，外矩形缝深≥1.50毫米，内梯形缝锥度12°的组合缝，实现了石油割缝筛管高效率、高质量的工业化大批量生产要求。

Claims (10)

1.一种组合缝筛管的激光加工方法，具体步骤为：
a.激光切割头在铅垂轴方向，以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心逆时针回转梯形缝锥度的一半角度α，同时沿铅垂轴和水平轴移动一定距离，使得割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凹曲变形，用脉冲激光在管子上打孔。
2.调整电液伺服阀使得可变曲率反射镜产生凸起变形，激光切割头沿管子轴线方向移动预定缝长距离，用连续激光切割出前半条梯形缝。
3.激光切割头再以其转动中心到割嘴端部的距离为回转半径，绕转动中心顺时针回转梯形缝锥度2α，同时沿铅垂轴和水平轴反向移动一定距离，使得割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，切割出后半条梯形缝。
4.激光切割头通过铅垂轴、水平轴及其转动轴的随动回到铅垂轴方向，割嘴端部到管子最高点在铅垂轴的高度不变，激光切割头沿管子轴线反向移动预定缝长距离，切割出矩形缝，得到一条完整的组合缝。
5.根据权利要求1所述的组合缝筛管的激光加工方法，其特征在于：所述激光切割头打孔时调整电液伺服阀控制电压在0到10V正方向变化，激光焦点的位置移到管子最高点的上方，用脉冲激光在管子上打孔。
6.根据权利要求1所述的组合缝筛管的激光加工方法，其特征在于：所述激光切割头用脉冲激光输出打孔后，调整电液伺服阀控制电压在0到10V负方向变化，焦点的位置移到管子最高点的下方，改用连续激光割缝。
7.根据权利要求1所述的组合缝筛管的激光加工方法，其特征在于：所述激光切割头在切割出梯形缝后，调整激光焦点、功率、气压等参数切割矩形缝，使得矩形缝的缝宽大于梯形缝的缝宽，并具有一定的矩形缝深度，得到一条完整的组合缝。
8.上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头打孔时调整电液伺服阀控制电压在0到10V正方向变化，激光焦点的位置移到管子最高点的上方，用脉冲激光在管子上打孔。
9.上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头用脉冲激光输出打孔后，调整电液伺服阀控制电压在0到10V负方向变化，焦点的位置移到管子最高点的下方，改用连续激光割缝。
10.上述组合缝筛管的激光加工方法，所述激光切割头在切割出梯形缝后，调整激光焦点、功率、气压等参数切割矩形缝，使得矩形缝的缝宽大于梯形缝的缝宽，得到一条完整的组合缝。
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