研究复合防砂筛管割缝激光加工工艺方案

　　0引言

　　油气井出砂是当前困扰疏松砂岩油藏开采的重要问题，它极大影响着油田生产的顺利进行，因而，各种防砂机械及防砂方法的研制一直是众多科研院所的重要课题。目前，国内外油田上广泛使用的防砂筛管的割缝多为矩形和单梯形割缝筛管。这种割缝加工简单，但易造成砂粒堵塞.降低防砂效果。复合防砂筛管的割缝为细微缝，形状为双梯行，采用普通加工方法难以保证质量。经过多次加工试验和工艺研究。这一加工难题终于得到解决，同时也为类似细缝的加工提供了新的思路。

　　1筛管割缝激光加工原理

　　筛管割缝的加工就是在高强度的合金钢管上切割出按一定规律分布的数千条缝隙。常用缝隙规格为：缝口宽度0.15～3mm：缝隙长度50～300mm：缝形截面主要为矩形和梯形。切割时利用经聚焦的高密度激光束照射筛管需要加工部位，同时辅助同轴吹氧，激光束的能量被材料吸收，引起照射处材料表面温度急剧上升，使管体材料熔融或汽化，并形成孔洞。当光束与工件沿一定轨迹作相对运动时，就可在管体上加工出一定形状的切缝。

　　激光加工与传统机械加下方法相比具有很多优点：①激光切割的切缝窄，最小缝口宽度可以达到0.1mm;②激光切割是一种高能量、高密度、可控性好的无接触加工，无刀具磨损和噪声;③切割效率高，通常加工1条缝仅需十几秒，是机械加工效率的几十倍;④工件变形小，加工精度高，缝隙两端无残余圆弧，缝形规整：⑤加工范围广，不但可以加工直线矩形缝，而且可以加工不同规格的梯形缝，曲线缝等。

　　2筛管割缝激光加工装备

　　复合筛管割缝是用数控激光加工机床来进行加工的。筛管割缝激光加工机床与常规板材激光切割机床相比的最大不同在于它的夹紧分度机构、筛管支撑和拖动装置。夹紧分度机构主要完成加工过程中筛管的旋转和周向定位，筛管支撑和拖动装置主要完成筛管的拖动以及防止筛管的悬伸变形。

　　常用的数控激光加工机床主要有2种形式：悬臂式和龙门式。悬臂式机床的特点是加工过程中，整个筛管不动，激光切割头沿工件轴线方向做高速移动，切割效率高。机床悬臂为铝合金板材焊接成的框架结构，强度和刚度高，可避免高速移动时运动惯量过大、光斑漂移等弊病：龙门式机床的特点是激光切割头不动，筛管相对于激光切割头进行同转分度和沿轴线方向移动。机床整体刚度好，激光输出稳定。由于筛管长商重，位移速度慢，装卸难度也较大。复合筛管割缝加工常用的是悬臂式机床.

　　3筛管割缝激光加工工艺

　　复合防砂筛管的布缝规律是：在轴向，各割缝以一定轴向距均布在筛管同一母线上，形成一列缝，整根筛管均布着几十列割缝。具体加工工艺如下(如图l所示)：

　　1)将管体装在支架上，一端由旋转定中器支撑，另一端由数控旋转头夹紧，保证管轴和机床x轴平行;

　　2)调整激光切割头，使切割头光轴位于过管轴的垂直面内，并使切割头气体喷嘴位于管体最高点处;

　　3)在机床Z向移动切割头，使焦点位于穿孔位置上，并调整切割头喷嘴与筛管表面的距离到预设值：

　　4)将筛管逆时针旋转a角a等于梯形缝锥度的I/2)，使缝隙的一个梯形面处于竖直位置，切割头向左平移δ=(D/2)Sina-△(D为筛管外径，△是一个工艺调整值，与筛管壁厚、激光输出功率等有关)，保证切割头上喷嘴到筛管表面距离保持不变：

　　5)利用脉冲光在割缝端点打孔将筛管穿透，然后，激光由脉冲变为连续，焦点变化到切割位置，切割头沿筛管轴线方向切割，加工出梯形缝的一个梯形面：

　　6)切割到设计缝长后。套管顺时针旋转2a角.切割头向左平移2δ，然后沿回程切割出另一个梯形面，加工完成一条完整的梯形缝：7)按照同样的操作，周向复始，便可完成整根筛管的加工。

　　4筛管割缝激光加工质量缺陷及分析

　　割缝进行激光加工的关键在于合理地选用工艺参数，加工中如果选用的工艺参数不合理，就会出现各种加工质量缺陷，严重情况下甚至可能造成整根筛管的报废。

　　1)爆孔。单缝切割时穿孔的工艺参数设置不适应整管切割时的穿孔缺陷。产生原因是打孔时激光输出功率过高、脉冲频率过快或筛管壁厚不均.解决的方法足调整激光器输出功率和脉冲频率。

　　2)勾头。这种缺陷出现在宽缝(缝宽大于1mm)加工过程中，主要原因是切割头在折弯处速度没有调整好或切割头和筛管的联动没有协调好，在加工时要特别注意。

　　3)外喷渣。产生这种缺陷是打孔时激光器功率过低、脉冲频率过快、熔渣反喷造成的。应调整激光输出功率和打孔脉冲频率，减少或避免熔渣外喷。

　　4)超宽。超宽产生的原因是切割过稗中激光输出功率过高，进给速度过慢，辅助气体压力过低，引起筛管基体烧蚀造成的，在加工时要适当选择相关参数来避免。

　　5)内挂渣。是筛管切割过程中容易出现、难以解决的技术难题，生产中主要通过提高辅助气体的压力和其他相应工艺措施来避免内挂渣的产生。

　　割缝激光加工出现的质量缺陷还有很多，如烧切、分度不均、锥形缝等，每类缺陷产生原因各不相同，应根据情况认真分析，采取措施，提高筛管加工质量。

　　5结论

　　1)复合防砂筛管割缝的加工质量主要取决于单条割缝的尺寸精度、缝形规整度、缝腔表面粗糙度以及割缝轴向和周向分布精度;

　　2)激光切割与传统机械加工相比具有加工效率高、加工精度高、加工范围广等优点，筛管割缝的加工应优先选用激光加工;

　　3)细微梯形缝和宽缝的加工难度较大。采用本文介绍的工艺方案可解决这些技术难题;

　　4)割缝激光切割的关键在于选用合理工艺参数，参数选用不合理，会造成各种加工质量缺陷，甚至使整根筛管报废，应不断优化加工工艺参数，提高筛管加工质量。