激光切割在折流板加工中的開發(fā)與應(yīng)用

王 鑫

（大慶石油化工機(jī)械廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

換熱器管束產(chǎn)品是石油化工企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，也是制約產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度和成本的重要因素之一，大慶石油化工機(jī)械廠換熱器管束年需求量600 臺(tái)左右，管束由管板、折流板及換熱管等3 個(gè)主要配件組成，其中折流板加工需要經(jīng)過(guò)下料、組摞、引孔、鉆孔、外圓車削、鏜槽、倒角及割型等9 道工序，其加工工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)，折流板加工工序是管束制造的關(guān)鍵工序之一，直接影響管束的整體制造進(jìn)度。折流板管孔尺寸精度影響管束整體使用壽命，管孔同心度影響穿管工序。折流板傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年甚至上百年的發(fā)展，其優(yōu)化空間有限，為尋求突破，我廠嘗試采用全新的加工工藝，經(jīng)過(guò)效益、效率及可行性等多方面考慮，決定采用數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行折流板加工。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

管束制造過(guò)程中折流板加工工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)以及精度低而影響后續(xù)工序的矛盾日益突出。現(xiàn)行折流板的加工方法主要存在以下問題：

（1）工序復(fù)雜。折流板加工首先需要在容器制造車間進(jìn)行下料、組摞，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)加車間進(jìn)行引孔、鉆孔、外圓車削、鏜槽、倒角，最后轉(zhuǎn)回容器制造車間進(jìn)行割型，共9 道工序。

（2）同心度。部分管束折流板組摞后厚度超過(guò)160 mm，超出機(jī)加一次鉆孔深度，需要將折流板分成兩摞分別進(jìn)行鉆孔，如何保持兩摞分別進(jìn)行鉆孔后的同心度已成為困擾我廠多年的問題，至今沒有好的解決方案，一旦折流板管孔同心度超差，換熱管依次穿過(guò)折流板的阻力將增大，穿管工序的難度成為不確定性因素，阻力增大到一定程度時(shí)甚至需要強(qiáng)力穿入，對(duì)換熱管端部可能造成損傷。

（3）單孔尺寸。由于折流板組摞存在間隙以及鉆孔過(guò)程中鉆頭的晃動(dòng)，可能導(dǎo)致部分折流板管孔直徑超差，增大換熱管與折流板的間隙，若設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大可能降低管束的使用壽命。

（4）周期長(zhǎng)。以一臺(tái)直徑為1000 mm、數(shù)量12 塊的折流板為例，總加工時(shí)間約為32 h，而整臺(tái)管束的制造周期約為90 h，僅折流板加工就占總制造周期的1/3，極大制約了管束制造的產(chǎn)能。

（5）材料利用率低。下料時(shí)直徑需要增加加工余量10～20 mm來(lái)滿足外圓車削要求，折流板一般為弓形折流板，且交替布置，考慮到鉆孔后管孔同心度，一般采用整圓下料，加工完后需要將多余的1/3 剪切掉，直徑800～1500 mm 的管束占總體的80%，一般鋼板寬約2 m，當(dāng)直徑超過(guò)1000 mm 時(shí)，整圓下料排版只能排1 塊，而按成品尺寸排版能排2 塊，材料利用率極低。

2 激光切割原理及切割工藝的研究

2.1 激光加工原理

激光切割是利用高能量密度的激光束作為“切割刀具”對(duì)材料進(jìn)行熱切割的加工方法，在各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)合材料、非金屬板材、金屬等的切割。

2.2 激光加工主要方式

（1）激光熔化切割，主要用于一些不易氧化的活性金屬或材料的切割，如鋁、鈦、不銹鋼及其合金等。用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過(guò)與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化氣體（Air、N2等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排除，形成割縫。

（2）激光氧氣切割，主要用于碳鋼金屬材料的加工。原理類似于氧乙炔切割，它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。

2.3 影響切割工藝的因素

2.3.1 切割高度

噴嘴與工件的距離如圖1 所示，此距離太短，可能會(huì)使板材與噴嘴相撞，太長(zhǎng)會(huì)使氣體擴(kuò)散，造成切割底面殘?jiān)^多。切割時(shí)噴嘴與工件的之間的距離可以在“工藝”界面處設(shè)置，建議設(shè)置在0.5～1.5 mm。

圖1 噴嘴與工件距離

2.3.2 切割速度

從切割火花可判斷進(jìn)給速度的快慢，正常切割時(shí)火花是由上往下擴(kuò)散的，火花傾斜時(shí)，則進(jìn)給速度太快；若火花不擴(kuò)散且凝聚在一起，則說(shuō)明進(jìn)給速度太慢。如圖2 所示適當(dāng)?shù)那懈钏俣龋懈蠲娉尸F(xiàn)出較平穩(wěn)的線條，且下半部分無(wú)熔渣產(chǎn)生。

圖2 切割斷面示意及切割火花效果

遇切割質(zhì)量不佳時(shí)建議先進(jìn)行一般性檢查，一般性檢查主要檢查內(nèi)容及順序是：

（1）切割高度（建議實(shí)際切割高度0.5～1.5 mm），如實(shí)際切割高度不準(zhǔn)，則需要進(jìn)行標(biāo)定。

（2）噴嘴檢查噴嘴型號(hào)及大小是否用錯(cuò)，如果是正確的檢查噴嘴是否有損壞，圓度是否正常。

（3）建議用直徑1.0 mm 的噴嘴進(jìn)行光心檢查，檢查光心時(shí)焦點(diǎn)最好在-1～1 之間。這樣打出來(lái)的光點(diǎn)小，易于觀察。

（4）保護(hù)鏡片，檢查保護(hù)鏡片是否干凈，要求無(wú)水無(wú)油無(wú)渣點(diǎn)。有時(shí)會(huì)因?yàn)樘鞖饣蜾佒鷼怏w太冷等原因?qū)е卤Ｗo(hù)鏡片結(jié)霧。

（5）檢查焦點(diǎn)是否設(shè)定正確。

（6）修改切割參數(shù)。

3 項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程

3.1 試驗(yàn)方案的編制和優(yōu)化

通過(guò)對(duì)折流板加工和激光切割機(jī)的研究，無(wú)論是加工精度還是切割效率理論上完全符合折流板加工要求，最終決定采用數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行折流板試加工。

（1）單孔模擬加工。在6 mm 厚的不銹鋼板上切割Φ25.40+0.03mm的孔，根據(jù)材料厚度調(diào)整切割參數(shù)后進(jìn)行試切割，切割后檢查試件單孔尺寸及切割面粗糙度，反復(fù)調(diào)整切割參數(shù)、打孔位置及引入引出線直至單孔切割符合圖紙要求。

（2）單個(gè)試件模擬加工。按常規(guī)折流板規(guī)格選取一塊試件按圖紙要求的規(guī)格、布孔形式模擬切割，抽樣檢查孔間距及單件變形情況是否滿足要求。

（3）整臺(tái)試件加工。選取一臺(tái)常規(guī)折流板進(jìn)行整臺(tái)試切割，并按圖紙進(jìn)行交錯(cuò)擺放檢查管孔同心度、外圓切割尺寸、滑道槽等尺寸及持續(xù)切割熱變形情況是否滿足要求，同時(shí)計(jì)算切割時(shí)間并記錄。

（4）試件驗(yàn)證。如上述要求均滿足，則將整臺(tái)折流板試件投入管束制造，檢驗(yàn)用數(shù)控激光切割機(jī)加工完的折流板是否滿足制造及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

3.2 模擬試驗(yàn)的具體實(shí)施

本次數(shù)控激光切割機(jī)加工折流板模擬試驗(yàn)以滿足制造及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為底線，合理組織模擬試驗(yàn)作業(yè)，抓好試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，合理配制資源，加大安全管理力度，做到技術(shù)人員和操作者同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及時(shí)協(xié)調(diào)解決，使整個(gè)模擬試驗(yàn)進(jìn)度控制在總體試驗(yàn)計(jì)劃范圍內(nèi)，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，試驗(yàn)分兩個(gè)階段。

3.2.1 第一階段：前期準(zhǔn)備階段

（1）設(shè)置專用試驗(yàn)場(chǎng)地。試驗(yàn)場(chǎng)地定為壓力原件車間墊片廠房的中部，試驗(yàn)區(qū)域四邊采用警戒繩單獨(dú)隔離，試驗(yàn)工機(jī)具和材料擺放整齊，區(qū)域內(nèi)配備資料柜和小型會(huì)議桌，用于試驗(yàn)過(guò)程記錄和現(xiàn)場(chǎng)討論解決試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。

（2）施工機(jī)具。按照試驗(yàn)方案所要求逐項(xiàng)準(zhǔn)備齊全并確認(rèn)其完好性。

（3）切割材料。試驗(yàn)所用的材料按選取的設(shè)備圖紙中折流板的規(guī)格進(jìn)行下料，并分類擺放在試驗(yàn)場(chǎng)所。

3.2.2 第二階段：模擬試驗(yàn)階段

（1）單孔模擬加工。按預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行單孔切割，實(shí)測(cè)單孔尺寸為Φ25.6 mm，切割面上部光滑，底部存在波浪紋，切割起始點(diǎn)處存在突出物。反復(fù)調(diào)整切割速度、氮?dú)鈮毫Α⒔裹c(diǎn)位置及引入引出線等參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)管孔內(nèi)壁光滑，滿足圖紙要求，并記錄相關(guān)參數(shù)。

（2）單個(gè)試件模擬加工。按調(diào)整完的參數(shù)進(jìn)行整塊折流板切割，10 個(gè)孔切割完后暫停測(cè)量單孔尺寸及孔間距，單孔尺寸無(wú)變化，孔間距為32 mm，符合圖紙要求，繼續(xù)切割直至完成。由于不銹鋼板切割采用的是激光熔化切割，其產(chǎn)生的熱量較少，整體變形可以忽略不計(jì)。將折流板更換為10 mm 厚的碳鋼板，且管孔直徑變?yōu)棣?9 mm 進(jìn)行整板模擬切割，由于碳鋼板切割采用的是激光氧氣切割，其產(chǎn)生的熱量相對(duì)較大且管孔更密集，整塊切割完成后變形量約為10 mm，不滿足使用要求。調(diào)整管孔切割順序并適當(dāng)延長(zhǎng)吹氣時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量分散和強(qiáng)制降溫的效果，最終將折流板整體變形量控制在3 mm 以內(nèi)，達(dá)到使用條件。

（3）整臺(tái)試件加工。按照方案選取一臺(tái)常規(guī)折流板進(jìn)行整臺(tái)試切割，切割完成按圖紙進(jìn)行交錯(cuò)擺放，肉眼觀測(cè)上下管孔交叉量可忽略，用標(biāo)準(zhǔn)換熱管進(jìn)行試穿，均能順利穿入無(wú)卡澀現(xiàn)象。單塊折流板管孔數(shù)量為102 個(gè)，切割時(shí)間為13 min+50 s，整臺(tái)折流板共10 塊，累計(jì)切割時(shí)間為2.3 h，期間換板、抽檢、換氣等整臺(tái)折流板加工時(shí)間約4 h。正常這臺(tái)折流板的加工周期為兩個(gè)工作日，其加工效率得到大幅提升。

（4）試件驗(yàn)證。將加工完成的整臺(tái)折流板投入管束制造，穿管過(guò)程順暢，同時(shí)折流板采用切割的方式進(jìn)行加工無(wú)鉆孔時(shí)用的乳化液，整體比較干凈，避免了換熱管待焊部位在穿管過(guò)程中因折流板污漬導(dǎo)致的二次污染，保證后續(xù)管頭焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)大量模擬切割試驗(yàn)并反復(fù)調(diào)整切割參數(shù)，切割尺寸精度、切割位置精度、切割面粗糙度、熱切割變形量、切割效率等關(guān)鍵指標(biāo)均符合預(yù)期，最終實(shí)現(xiàn)了折流板加工一次切割成型，成功地解決了傳統(tǒng)方法加工折流板存在的瓶頸問題。

數(shù)控激光切割機(jī)在換熱器折流板加工中的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)在我廠取得成功，用數(shù)控激光切割機(jī)加工的折流板各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期目的。