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(jīng)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(fù)雜、周期長，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)控激光切割機進行折流板加工。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

管束制造過程中折流板加工工序復(fù)雜、周期長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行下料、組摞，然后轉(zhuǎn)運至機加車間進行引孔、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(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(shù)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(chǎn)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，可以實現(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(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(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?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)量不佳時建議先進行一般性檢查，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?qū)е卤Ｗo鏡片結(jié)霧。

（5）檢查焦點是否設(shè)定正確。

（6）修改切割參數(shù)。

3 項目的實施過程

3.1 試驗方案的編制和優(yōu)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(shù)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(jù)材料厚度調(diào)整切割參數(shù)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(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）整臺試件加工。選取一臺常規(guī)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(xù)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(shù)控激光切割機加工完的折流板是否滿足制造及標準規(guī)范的要求。

3.2 模擬試驗的具體實施

本次數(shù)控激光切割機加工折流板模擬試驗以滿足制造及標準規(guī)范為底線，合理組織模擬試驗作業(yè)，抓好試驗現(xiàn)場，合理配制資源，加大安全管理力度，做到技術(shù)人員和操作者同時在現(xiàn)場，對試驗數(shù)據(jù)進行記錄，試驗中出現(xiàn)的問題及時協(xié)調(diào)解決，使整個模擬試驗進度控制在總體試驗計劃范圍內(nèi)，根據(jù)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(shè)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(qū)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(qū)域內(nèi)配備資料柜和小型會議桌，用于試驗過程記錄和現(xiàn)場討論解決試驗中出現(xiàn)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(shè)備圖紙中折流板的規(guī)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(yù)設(shè)參數(shù)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(fù)調(diào)整切割速度、氮氣壓力、焦點位置及引入引出線等參數(shù)，最終實現(xiàn)管孔內(nèi)壁光滑，滿足圖紙要求，并記錄相關(guān)參數(shù)。

（2）單個試件模擬加工。按調(diào)整完的參數(shù)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(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。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延長吹氣時間，來實現(xiàn)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(nèi)，達到使用條件。

（3）整臺試件加工。按照方案選取一臺常規(guī)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(xiàn)象。單塊折流板管孔數(shù)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(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)過大量模擬切割試驗并反復(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)鍵指標均符合預(yù)期，最終實現(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)控激光切割機加工的折流板各項指標符合設(shè)計要求，達到預(yù)期目的。