激光切割在折流板加工中的開發與應用

王 鑫

（大慶石油化工機械廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

換熱器管束產品是石油化工企業的關鍵設備，也是制約產品生產進度和成本的重要因素之一，大慶石油化工機械廠換熱器管束年需求量600 臺左右，管束由管板、折流板及換熱管等3 個主要配件組成，其中折流板加工需要經過下料、組摞、引孔、鉆孔、外圓車削、鏜槽、倒角及割型等9 道工序，其加工工序復雜、周期長，折流板加工工序是管束制造的關鍵工序之一，直接影響管束的整體制造進度。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。折流板傳統的加工方法已經經歷了幾十年甚至上百年的發展，其優化空間有限，為尋求突破，我廠嘗試采用全新的加工工藝，經過效益、效率及可行性等多方面考慮，決定采用數控激光切割機進行折流板加工。

1 現狀及存在的問題

管束制造過程中折流板加工工序復雜、周期長以及精度低而影響后續工序的矛盾日益突出?，F行折流板的加工方法主要存在以下問題：

（1）工序復雜。折流板加工首先需要在容器制造車間進行下料、組摞，然后轉運至機加車間進行引孔、鉆孔、外圓車削、鏜槽、倒角，最后轉回容器制造車間進行割型，共9 道工序。

（2）同心度。部分管束折流板組摞后厚度超過160 mm，超出機加一次鉆孔深度，需要將折流板分成兩摞分別進行鉆孔，如何保持兩摞分別進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甚至需要強力穿入，對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程中鉆頭的晃動，可能導致部分折流板管孔直徑超差，增大換熱管與折流板的間隙，若設備運行時振動較大可能降低管束的使用壽命。

（4）周期長。以一臺直徑為1000 mm、數量12 塊的折流板為例，總加工時間約為32 h，而整臺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能。

（5）材料利用率低。下料時直徑需要增加加工余量10～20 mm來滿足外圓車削要求，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，當直徑超過1000 mm 時，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”對材料進行熱切割的加工方法，在各領域都有廣泛的應用，可以實現各種復合材料、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，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化氣體（Air、N2等），依靠氣體的強大壓力使液態金屬排除，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，可能會使板材與噴嘴相撞，太長會使氣體擴散，造成切割底面殘渣較多。切割時噴嘴與工件的之間的距離可以在“工藝”界面處設置，建議設置在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給速度的快慢，正常切割時火花是由上往下擴散的，火花傾斜時，則進給速度太快；若火花不擴散且凝聚在一起，則說明進給速度太慢。如圖2 所示適當的切割速度，切割面呈現出較平穩的線條，且下半部分無熔渣產生。

圖2 切割斷面示意及切割火花效果

遇切割質量不佳時建議先進行一般性檢查，一般性檢查主要檢查內容及順序是：

（1）切割高度（建議實際切割高度0.5～1.5 mm），如實際切割高度不準，則需要進行標定。

（2）噴嘴檢查噴嘴型號及大小是否用錯，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 的噴嘴進行光心檢查，檢查光心時焦點最好在-1～1 之間。這樣打出來的光點小，易于觀察。

（4）保護鏡片，檢查保護鏡片是否干凈，要求無水無油無渣點。有時會因為天氣或鋪助氣體太冷等原因導致保護鏡片結霧。

（5）檢查焦點是否設定正確。

（6）修改切割參數。

3 項目的實施過程

3.1 試驗方案的編制和優化

通過對折流板加工和激光切割機的研究，無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，最終決定采用數控激光切割機進行折流板試加工。

（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，根據材料厚度調整切割參數后進行試切割，切割后檢查試件單孔尺寸及切割面粗糙度，反復調整切割參數、打孔位置及引入引出線直至單孔切割符合圖紙要求。

（2）單個試件模擬加工。按常規折流板規格選取一塊試件按圖紙要求的規格、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）整臺試件加工。選取一臺常規折流板進行整臺試切割，并按圖紙進行交錯擺放檢查管孔同心度、外圓切割尺寸、滑道槽等尺寸及持續切割熱變形情況是否滿足要求，同時計算切割時間并記錄。

（4）試件驗證。如上述要求均滿足，則將整臺折流板試件投入管束制造，檢驗用數控激光切割機加工完的折流板是否滿足制造及標準規范的要求。

3.2 模擬試驗的具體實施

本次數控激光切割機加工折流板模擬試驗以滿足制造及標準規范為底線，合理組織模擬試驗作業，抓好試驗現場，合理配制資源，加大安全管理力度，做到技術人員和操作者同時在現場，對試驗數據進行記錄，試驗中出現的問題及時協調解決，使整個模擬試驗進度控制在總體試驗計劃范圍內，根據項目特點，試驗分兩個階段。

3.2.1 第一階段：前期準備階段

（1）設置專用試驗場地。試驗場地定為壓力原件車間墊片廠房的中部，試驗區域四邊采用警戒繩單獨隔離，試驗工機具和材料擺放整齊，區域內配備資料柜和小型會議桌，用于試驗過程記錄和現場討論解決試驗中出現的問題。

（2）施工機具。按照試驗方案所要求逐項準備齊全并確認其完好性。

（3）切割材料。試驗所用的材料按選取的設備圖紙中折流板的規格進行下料，并分類擺放在試驗場所。

3.2.2 第二階段：模擬試驗階段

（1）單孔模擬加工。按預設參數進行單孔切割，實測單孔尺寸為Φ25.6 mm，切割面上部光滑，底部存在波浪紋，切割起始點處存在突出物。反復調整切割速度、氮氣壓力、焦點位置及引入引出線等參數，最終實現管孔內壁光滑，滿足圖紙要求，并記錄相關參數。

（2）單個試件模擬加工。按調整完的參數進行整塊折流板切割，10 個孔切割完后暫停測量單孔尺寸及孔間距，單孔尺寸無變化，孔間距為32 mm，符合圖紙要求，繼續切割直至完成。由于不銹鋼板切割采用的是激光熔化切割，其產生的熱量較少，整體變形可以忽略不計。將折流板更換為10 mm 厚的碳鋼板，且管孔直徑變為Φ19 mm 進行整板模擬切割，由于碳鋼板切割采用的是激光氧氣切割，其產生的熱量相對較大且管孔更密集，整塊切割完成后變形量約為10 mm，不滿足使用要求。調整管孔切割順序并適當延長吹氣時間，來實現熱量分散和強制降溫的效果，最終將折流板整體變形量控制在3 mm 以內，達到使用條件。

（3）整臺試件加工。按照方案選取一臺常規折流板進行整臺試切割，切割完成按圖紙進行交錯擺放，肉眼觀測上下管孔交叉量可忽略，用標準換熱管進行試穿，均能順利穿入無卡澀現象。單塊折流板管孔數量為102 個，切割時間為13 min+50 s，整臺折流板共10 塊，累計切割時間為2.3 h，期間換板、抽檢、換氣等整臺折流板加工時間約4 h。正常這臺折流板的加工周期為兩個工作日，其加工效率得到大幅提升。

（4）試件驗證。將加工完成的整臺折流板投入管束制造，穿管過程順暢，同時折流板采用切割的方式進行加工無鉆孔時用的乳化液，整體比較干凈，避免了換熱管待焊部位在穿管過程中因折流板污漬導致的二次污染，保證后續管頭焊接質量。

4 結論

經過大量模擬切割試驗并反復調整切割參數，切割尺寸精度、切割位置精度、切割面粗糙度、熱切割變形量、切割效率等關鍵指標均符合預期，最終實現了折流板加工一次切割成型，成功地解決了傳統方法加工折流板存在的瓶頸問題。

數控激光切割機在換熱器折流板加工中的開發與應用已經在我廠取得成功，用數控激光切割機加工的折流板各項指標符合設計要求，達到預期目的。