現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。我國的水平井完井方法,除去最早使用的裸井和襯管完井的方法之外，大多數(shù)采用后期完井方法，即均采用固完井后對(duì)套管進(jìn)行射孔的方法來達(dá)到目的。該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且套管射孔部位容易出現(xiàn)裂縫等損傷情況，降低了油井的使用壽命。隨著當(dāng)前完井技術(shù)的不斷提高，低成本、高效益的完井方法正在逐漸實(shí)現(xiàn)，割縫管完井越來越受到人們的青睞，成為未來完井方法發(fā)展的必然趨勢。就目前技術(shù)而言，割縫管的加工方法主要有兩種:陶瓷刀片切割法和激光切割法，陶瓷刀片切割法不能形成梯形縫，而激光切割則可以，而且縫寬規(guī)則，縫中無沾渣、無堵渣。在國外，割縫管完井在水平井完井中被廣泛采用，其中美國割縫管完井率達(dá)56.7%。近年來，國內(nèi)許多油田都開始逐步增加割縫管完井，其趨勢日趨明顯，并且也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，就目前國內(nèi)割縫管加工現(xiàn)狀而言，雖然大都采用先進(jìn)的激光切割方式，但由于激光功率普遍偏小和受主機(jī)結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，最多只能連續(xù)切割4m，而且都采用人工裝卸，人工定位，勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度低，定位精度低，加工效率低。為此，本著滿足割縫管市場的發(fā)展需求，增加油井使用壽命、降低完井成本的原則，專門設(shè)計(jì)了這臺(tái)高功率、全自動(dòng)、多功能的數(shù)控激光切割機(jī)。機(jī)床自動(dòng)化程度高，定位精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)裝卡，最長可連續(xù)加工11m，加工過程中可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，可以在套管上加工中8-中12mm的孔，從而實(shí)現(xiàn)本油田在用的防砂篩管的加工(目前的篩管加工是通過電鉆鉆孔來實(shí)現(xiàn)的，強(qiáng)度大，效率低，鉆孔不均勻等)。此外，借助針床可以實(shí)現(xiàn)板才孔加工、幾何形狀板切割等輔助功能，而且可以通過更換噴嘴來實(shí)現(xiàn)金屬的表面淬火、焊接等功能，做到了一機(jī)多用，具備了廣闊的應(yīng)用前景。
一、激光切割的特性與原理
激光束聚焦成很小的光點(diǎn)(其最小直徑小于0.1mm)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度(可超過106W/cm2)這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，材料很快加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束與材料的相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而實(shí)現(xiàn)激光切割。在切割過程中還添加與被切材料相適應(yīng)的輔助氣體，它既可以吹走割縫內(nèi)的熔渣，又可以冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱損壞。
二、激光切割機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與選型
激光切割機(jī)的機(jī)床主機(jī)、控制系統(tǒng)、激光器、冷水機(jī)組等幾大部件的設(shè)計(jì)與選型均按照割縫管加工的技術(shù)要求，既要考慮加工效1率和加工能力，又要考慮當(dāng)前的市場和潛在的市場需求。
(一)、機(jī)床主機(jī)的設(shè)計(jì)
數(shù)控切割機(jī)機(jī)床一般由工作臺(tái)、光束傳輸系統(tǒng)和微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)三部分組成，為了滿足加工要求，根據(jù)篩管加工的實(shí)際情況，主機(jī)采用三軸聯(lián)動(dòng)方式，光束(由割炬射出)沿Y方向移動(dòng)，行程500mm，工作臺(tái)沿X1方向移動(dòng)行程1200mm，床身沿X軸方向移動(dòng)，行程為11000mm，光頭采用非接觸電容式Z軸浮動(dòng)測高，自動(dòng)調(diào)節(jié)光頭離套管表面的距離，使光頭離表面的距離始終限定在設(shè)定的范圍內(nèi)，且反應(yīng)靈敏，以保護(hù)透鏡不受損傷，Z軸行程150mm.
(1)床身和工作臺(tái)
床身和工作臺(tái)為內(nèi)有縱橫筋板的箱形焊接件，工作臺(tái)進(jìn)給由固定在床身中間的齒輪進(jìn)給箱雙齒輪帶動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)進(jìn)給，工作臺(tái)上有帶動(dòng)自動(dòng)卡盤的主軸箱，可實(shí)現(xiàn)工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其主電機(jī)上帶有編碼器可實(shí)現(xiàn)工件的分度，在工作臺(tái)上設(shè)有5個(gè)中心托架用來支撐套管，托架間隔為1.8m，托架與工件的接觸點(diǎn)采用萬向滾珠作為支撐，減小摩擦力，使得工件轉(zhuǎn)動(dòng)靈活方便，支點(diǎn)的位臵可以根據(jù)工件直徑的大小通過手輪用帶自鎖的梯形絲杠正反向螺紋進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證工件的高度在同一高度上不變。11米長的工件(割縫套管)支撐在托架上，工件的輸送通過減速器帶動(dòng)鏈條靠尼龍滾輪的摩擦力實(shí)現(xiàn)，工件到位后由汽缸上下運(yùn)動(dòng)使工件落在或離開中心托架。在加工過程中工件固定在托架上與滑座一同沿X軸方向(即床身縱向)移動(dòng)，X軸方向驅(qū)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)齒輪齒條消除間隙結(jié)構(gòu)，滑座的一端是裝夾
2工件并可以回轉(zhuǎn)分度的卡盤，在床身的中部固定一立柱，立柱帶有懸臂梁機(jī)構(gòu)，激光切割頭可以沿立柱上的懸臂式橫梁作Y方向運(yùn)動(dòng)，由交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高精度滾珠絲杠傳動(dòng)，光路部分固定不動(dòng)，同時(shí)切割頭也可以沿Z軸方向移動(dòng)，以滿足多種管徑的加工要求。
(2)橫梁
橫梁為內(nèi)有縱橫筋板的箱形焊接件，橫梁可通過X1軸床身上的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，橫梁上裝有滾動(dòng)導(dǎo)軌，通過滾動(dòng)導(dǎo)軌付溜板平放在橫梁之上，光頭的水平運(yùn)動(dòng)即Y軸方向的運(yùn)動(dòng)是由交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，并且滾珠絲杠兩端各有一個(gè)徑向球軸承和一個(gè)推力軸承，用雙螺母預(yù)緊，以提高軸向剛度。溜板及光頭的行程是靠兩個(gè)組合行程開關(guān)控制，溜板的兩側(cè)裝有檔塊。橫梁下方有固定安裝的防護(hù)罩，其周圍有玻璃外罩將絲杠及導(dǎo)軌罩在殼內(nèi)，以防灰塵進(jìn)入。
(3)光頭及光頭移動(dòng)裝臵
光頭為傳輸激光和將激光束聚焦后從噴嘴小孔中射出進(jìn)行切割的部件，光頭的上下移動(dòng)靠交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，絲杠螺母與光筒固定聯(lián)接，光筒裝在直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)，光筒作上下移動(dòng)，而滾珠絲杠兩端各有一個(gè)徑向球軸承和一個(gè)推力軸承，用雙螺母預(yù)緊，以提高軸向剛度。光筒作上下行程靠溜板上的接近開關(guān)控制，光筒的頂部裝有和光軸成45度的反射鏡以使水平射來的激光束改變?yōu)榇怪狈较颍⑼ㄟ^聚焦鏡聚焦從噴嘴小孔中射出，由于激光束溫度很高，為防止反射鏡
3特別是聚焦鏡過熱，機(jī)床采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。在光頭上聚焦下方有輔助氣體通入，輔助氣體和激光從同一噴嘴中射出對(duì)準(zhǔn)工件表面，輔助氣體可以防止聚焦鏡上附著使其損害的化學(xué)材料，清除光束與材料相互作用產(chǎn)生的等離子體或蒸發(fā)的混合體并清除由于表面張力黏結(jié)于工件上的金屬殘?jiān)o助氣體還為金屬切割提供使化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生額外的熱能。
三、激光器的選擇
對(duì)于激光切割而言，除少數(shù)場合采用YAG固體激光器之外，大多數(shù)采用電一光轉(zhuǎn)換效率較高并能輸出較高功率的CO2激光器。CO2分子是一種線性三原子分子，原子之間以共價(jià)鍵相連，當(dāng)振動(dòng)處于平衡時(shí)，三原子是在一條直線上，振動(dòng)方式有對(duì)稱振動(dòng)(V1)、彎曲振動(dòng)(V2)和反對(duì)稱振動(dòng)(V3)三種。為了滿足加工要求，選用光束模式較好的軸快流CO2激光器，工作氣體沿放電管軸向流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)冷卻，氣體流動(dòng)方向同電場方向和激光方向一致，氣流速度大于100m/s。激光光束波長10.6μm，采用直流激勵(lì)的方式，激光功率3500W，激光束模式為TEM10。為了保證加工質(zhì)量，使激光器免于振動(dòng)，激光器與機(jī)床之間相互獨(dú)立，確保激光穩(wěn)定，光路采用高效傳輸系統(tǒng)，正壓除塵裝臵以保護(hù)鏡片。
四、冷水機(jī)組及控制系統(tǒng)的選擇
為了保證激光加工的質(zhì)量，確保激光器能夠連續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對(duì)激光器及其光路進(jìn)行冷卻。激光器的水冷器是一個(gè)空冷、自制冷、自容納、組裝式的水冷器，主要由蓄水槽、離心泵、制冷劑冷卻4器、電子水溫恒溫器、電控板等幾部分組成，根據(jù)激光器的功率選擇制冷功率為28KW，冷卻液溫度16℃。
五、控制系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)、可編程控制器、控制站采用西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK802D，該系統(tǒng)是SIEMENS公司最新推出的基于工業(yè)現(xiàn)場總線的經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)。它通過PROFIBUS 總線，把機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)裝臵611U及其邏輯控制部件S7-200連成為一個(gè)整體。使得控制系統(tǒng)之間的連接線最大限度的減少，極大的提高了機(jī)床工作的可靠性;同時(shí)，它的中文顯示也為操作者提供了方便:報(bào)警信息的中文顯示也大大縮短了機(jī)床故障的排除時(shí)間。
