筛管梯形缝激光切割技术与光束偏摆随动补偿研究

[摘 要]石油割缝筛管是油井完井防砂和采油防砂的重要工具，但常规的割缝筛管的缝为矩形缝，在实际使用中矩形缝很容易堵塞，造成油井产量下降，严重制约油田的发展。改变割缝筛管的割缝形式，把矩形缝加工成外窄内宽的梯形缝，可有效避免矩形缝筛管堵塞的问题。这种梯形缝筛管能够有效的提高筛管的防砂效果和抗堵塞能力。基于此种梯形缝筛管的优越性，它成为未来油田油井防砂的主产品之一，但又存在加工技术的难度，致难以实现割缝的超高精准度。因此，需要对其涉及的切割技术进行钻研，使用激光加工梯形缝筛管，关键要解决使光束的偏摆时的光束补偿问题，进而控制割缝的精密程度，在生产上实现工业化、量产化。

[关键词]筛管；梯形缝；激光；切割技术；光束；偏摆随动补偿

中图分类号：TD265.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0009-01

在我国现阶段的石油割缝管加工技术发展中，筛管的割缝主要是利用激光切割技术完成缝隙的加工工作。激光加工割缝管具有成本低，加工效率高、产品质量稳定等优点。并且随着激光技术及数控技术的发展，从半自动化到现今的连续性切割技术，大大提高了切割的效率。在增强割缝筛管的各项性能同时，也使筛管在使用寿命方面得到保障。但在梯形缝筛管切割过程中，会因光束的摆动而使切割的缝产生向量与分量的偏差，故此需要运用补偿的技术对切割进行随动式的跟踪，提升其切割的精准度，从而使随动补偿具有技术的可行性。

一、分析影响梯形缝切割质量的主要因素

在生产中利用激光技术将筛管切割出梯形缝时，不仅激光器的自身因素会影响切割的质量，而且还包括其它的因素。例如：工艺所设置的参数，用于切割的机床，切割使用的材料，用于辅助切割的气体等，这些也是影响切割质量的重要因素，并且它们之间存在很强的影响作用，足以影响切割的质量与加工的效率。因此，要想加工出具有高质量、稿精准度的梯形缝筛管，就需要将这些影响因素解决好，从而使筛管的切割误差降到最低。

二、研究梯形缝筛管利用激光实现的切割技术

（一）激光式切割技术

由于目前石油行业使用的筛管大多数都是以合金钢为主的，它具有的性质与切割的工艺和低碳钢接近。因此在切割这类筛管时最好利用反应熔化的原理进行切割，运用这样的原理能够提升激光技术工作的效率。另外，在使用此原理进行实际的切割时，需要借助氧气完成切割筛管的工作，将使用一半的氧气进行反应，并且在反应中放出热量。如果能够彻底、全部的实现反应，将会产生更多的热量。而这些热量恰好可以作为切割各参数的函数，然而，热量的传导有一部分需要通过工件去实现，剩余一部分需要利用热量使切割的部件达到一定的燃点值，并使筛管的金属材料进行燃烧的反应，从而产生更多的热量，降低了切割的实际功率。在加工进行的过程中为了使反应更彻底，需要氧气辅助完成。在使用激光式的切割技术时，为了解决充分燃烧的问题，最终也融进了LASOX的科学工艺技术。利用激光的光束，从而把加工部件的表面加热到理想的燃烧值，再加入足够的氧气进行反应与加工。不仅减小了激光工作的功率，还控制了筛管切割的整体效果。

此外，从技术层面分析：LASOX的科学工艺技术参与彻底燃烧的反应必备条件应为，光束作用部件的有效面积一定要大于氧气气流所作用的面积，此面积的温度要超过1000摄氏度。只有在超过此温度值的环境下，才能使反应彻底、完全的燃烧。从而使切割的技术实现连续性，并使切割的筛管获得较高的质量。但是，如果没有具备这样的条件与要求，就会无法控制切割的过程与质量。

（二）切割技术使用的方法

在梯形缝的切割品中，存在着许多的规格、型号。但在现有的应用里，它的梯形结构主要是为了满足防沙的效果需求。因此，它的形状包括：等腰式、非等腰式、直角式。在激光基础上使用的方法是：首缝切割、同缝复切两种方法。首缝切割，将筛管的形状先切成矩形；同缝复切，将对首缝切割成的矩形在同缝中实现复切，使筛管形成梯形的形状。在使用这两种切割的方法中，通常运用：被加工的管转角方式、利用激光去切割部件头的偏摆方式。不仅能够将被加工的筛管转动，而且还能对激光在切割中产生的偏差进行补偿。

三、探讨随动补偿在结构上的设计

（一）补偿结构运用的技术原理

为了对切割产生的偏差进行随动补偿，所运用的技术主要是：在切割头的向量水平方向上进行首缝的切割，如果筛管表现成弯曲的形状，就会使筛管在侧方向的基准面随着切割头进行同步的移动，导致测量位移的传感器出现距离的偏差。这时传感器就会将偏离距离的信号传送到随动补偿的控制线路板上，而电路板会将测量位移的传感器通过驱动的形式将其送回到平衡的位置点，进而是测量的距离始终能保持在一个恒定的范围内，实现随动式的切割补偿机制。激光束在进行完首缝的切割之后，经过对数据先进性相关的技术处理，而后完成同缝复切的工作，对位移的偏差进行补偿。在实现随动复切的过程中，运用位移的传感器对位移偏差实施了零误差、实时性的补偿，它的补偿原理为：当位移发生偏差时，传感器的信号就会下降，利用查分发大气的电路对下降的传感器信号进行放大，在通过A/D转换器传送到系统的伺服电机。而在实现补偿的过程中，要将传感器送回到原来的平衡位置点，并锁定伺服电机，利用信号的偏差进而实现对电机移动的控制。

（二） 随动补偿结构的具体设计

在设计随动补偿结构的方面，主要是为了实现对切割的自动、随动、跟踪，并把垂直方向的切割进行实时、精准的补偿，利用传感器具有的驱动原理，实现移动结构的控制。在结构的设计中，尽量将位移的偏差补偿精度控制在0.03毫米之内。又根据加工机床的具体设计需求，将加工筛管的管径控制在73至127毫米范围内。既要确保随动补偿结构可以依照筛管管径的变化而实现快速的随动，避免产生较大的位移偏差。因此，随动补偿结构的设计组成包括：随动的探头，电容式的传感器，滑座，支撑箱体，滚珠式丝杠的组合结构，滚动的导轨，联轴器，交流式的伺服电机等。另外，还要对丝杠的传动进行结构上的设计，进而将它的旋转运动方式转变成直线运动的方式。

总结

对于石油筛管的梯形缝切割在技术上一直是激光加工的难点，为了使激光切割出的梯形缝筛管满足于市场的需求，对影响它的切割质量因素进行了系统的分析，并研究了激光加工梯形缝石油割缝筛管的加工工艺及专用光路补偿装置。该技术可在切割过程中出现偏差时立即进行随动补偿，新设计的随动光路补偿装置使测量的位移能够通过伺服电机与探头实现位移上的补偿，进而跟踪切割的过程，使切割的质量与效率提升到理想的范围。这样有效、实时的补偿，提升了筛管的切割精准度，以便进行零误差的加工。

参考文献

[1]严伟明.筛管梯形缝激光切割技术与光束偏摆随动补偿机构研发[J].扬州大学，2012，10（19）：1―71.

[2]赵殿甲.激光切割技术的应用与发展[J].煤矿机械，2010，12（26）：106―121.

[3]杨苏庆，周骥平.激光切割板材的关键技术[J].机械制造与自动化，2011，6（10）：105―109.

[4]田宇.伺服与运动控制系统设计[J].北京人民邮电出版社，2010，（5）：87―94.

[5]周鹏飞，洪超，胡金龙.一种筛管梯形缝的激光切割方法[J].锻压装备与制造技术，2011，9（3）：78―79.