鋼管生產(chǎn)線用激光切割裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙三軍，郭宏慶，蘇小銘，張東須，穆懷敬，張志強(qiáng)，周玉梅

（1. 中科和光（天津）應(yīng)用激光技術(shù)研究所有限公司，天津 300304；2. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

某生產(chǎn)線切割13Cr 鋼管時(shí)使用鋸片切割方式，這種切割方式效率較低，且鋸片成本高、易磨損，更換時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而對(duì)于含鉻的材料，切割難度更大，且時(shí)間更長(zhǎng)。激光切割技術(shù)目前應(yīng)用較多，切割管材就是其中一項(xiàng)重要應(yīng)用，但現(xiàn)在市場(chǎng)上激光切割管材多用于薄壁管加工，且多是針對(duì)機(jī)械加工廠設(shè)計(jì)的機(jī)床式設(shè)備。激光切割方式，能耗低、效率高、成本低，將激光切割引入鋼管生產(chǎn)線，相比之前采用的鋸切方式，能夠大幅降低成本、提高效率，尤其是對(duì)于含Cr 等難切割材料，激光切割在切割效率和成本上優(yōu)勢(shì)更加明顯。

激光切割在工業(yè)加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣［1-7］。但目前尚未見有應(yīng)用于鋼管生產(chǎn)線的激光切割裝備，故亟需研制一種鋼管生產(chǎn)線用激光切割裝置，來提高切割效率和降低成本，從而達(dá)到節(jié)能降耗提效的目的。

1 激光切割原理

激光切割是利用經(jīng)聚焦的激光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質(zhì)，從而割開工件，激光切割屬于熱切割方法之一，如圖1 所示［8］。采用激光切割技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種金屬、非金屬板材、復(fù)合材料等的切割，在各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［9-15］。

2 設(shè)備組成

設(shè)備組成如圖2 所示。電控柜固定在地基上。水冷箱固定在地基上，作用是對(duì)激光器和激光切割頭冷卻。氣體發(fā)生器固定在地基上，為激光切割頭提供切割輔助氣體，包括空氣、氧氣或氮?dú)狻?/p>

圖1 激光切割示意

圖2 設(shè)備組成示意

激光切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3 所示，包括激光切割頭、X 軸、Y 軸、Z 軸、固定座和工業(yè)電腦。激光切割頭發(fā)出激光，切割鋼管。X 軸、Y 軸和Z 軸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)激光切割頭運(yùn)動(dòng)。工業(yè)電腦內(nèi)安裝激光切割系統(tǒng)，具有待切割件加工圖繪制、切割參數(shù)設(shè)定等功能。

床身如圖4 所示，包括基座、定位組件、鋼管、旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件、傳送輥?zhàn)咏M件、傳送輥?zhàn)舆B桿、驅(qū)動(dòng)連桿、電機(jī)1。基座固定在地基上。定位組件用于鋼管定位，確定待切割位置，保障鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)過程中軸向不向左竄動(dòng)。旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件帶動(dòng)鋼管做周向運(yùn)動(dòng)，且多個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件自左向右依次略微增高，鋼管周向轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于重力作用，鋼管軸向向左運(yùn)動(dòng)，直至緊貼定位組件，使得鋼管軸向不向右偏轉(zhuǎn)。定位組件和旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件共同確保鋼管軸向定位，且鋼管不軸向竄動(dòng)。

如圖5 所示，定位組件用于確定切割完成后的鋼管的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)定尺切割，包括滑動(dòng)固定板、推動(dòng)組件、滑塊、定位盤?；瑒?dòng)固定板固定在基座上?；瑝K能夠在滑動(dòng)固定板上左右運(yùn)動(dòng)。推動(dòng)組件推動(dòng)滑塊滑動(dòng)，直至到達(dá)切割作業(yè)位置。

圖3 激光切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意

圖4 床身示意

圖5 定位組件示意

旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件如圖6 所示，包括伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)拥鬃⑿D(zhuǎn)輥?zhàn)又ё?、旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)印ＰD(zhuǎn)輥?zhàn)又ё袃蓚€(gè)，固定在旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)拥鬃稀ＰD(zhuǎn)輥?zhàn)佑尚D(zhuǎn)輥?zhàn)又ё?。旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)釉谛D(zhuǎn)輥?zhàn)又ё献鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)佑伤欧姍C(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)由激光切割操作系統(tǒng)控制，保障鋼管旋轉(zhuǎn)動(dòng)作滿足激光切割過程中激光切割工藝要求。每個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)樱瑑蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)又幸粋€(gè)由伺服電機(jī)帶動(dòng)為主動(dòng)，另一個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)訛閺膭?dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)訉?duì)鋼管前后定位，在鋼管自身重力的作用下，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)訉?duì)鋼管進(jìn)行上下定位。旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)油庥幸粚泳彌_材料，用于保護(hù)鋼管，一般是尼龍、聚四氟乙烯或橡膠等。

圖6 旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件示意

傳送輥?zhàn)咏M件如圖7 所示，包括電機(jī)2、傳送輥?zhàn)又ё?、傳送輥?zhàn)印魉洼佔(zhàn)愚D(zhuǎn)軸、傳送輥?zhàn)拥鬃鲃?dòng)輥?zhàn)拥鬃潭ㄔ诨?。傳送輥?zhàn)又ёc傳送輥?zhàn)拥鬃ㄟ^傳送輥?zhàn)愚D(zhuǎn)軸連接。傳送輥?zhàn)又ё衫@傳送輥?zhàn)拥鬃D(zhuǎn)。傳送輥?zhàn)涌稍趥魉洼佔(zhàn)又ёD(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)2 固定在傳送輥?zhàn)又ё?。電機(jī)2帶動(dòng)傳送輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 傳送輥?zhàn)咏M件示意

多個(gè)傳送輥?zhàn)咏M件聯(lián)動(dòng)如圖8 所示，包括基座、傳送輥?zhàn)舆B桿、驅(qū)動(dòng)連桿、電機(jī)1。電機(jī)1 固定在基座上，傳動(dòng)輥?zhàn)舆B桿與傳送輥?zhàn)又ёB接，傳動(dòng)輥?zhàn)舆B桿與電機(jī)1 通過驅(qū)動(dòng)連桿連接。由于多個(gè)傳動(dòng)輥?zhàn)又ёc傳動(dòng)輥?zhàn)舆B桿連接，電機(jī)1 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，多個(gè)傳動(dòng)輥?zhàn)又ё嚼@傳送輥?zhàn)拥鬃D(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 多個(gè)傳送輥?zhàn)咏M件聯(lián)動(dòng)示意

3 作業(yè)流程

如圖9 所示，通過控制電機(jī)1 將傳送輥?zhàn)咏M件調(diào)至直立位置，將鋼管置于傳送輥?zhàn)咏M件上，電機(jī)2 轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送輥?zhàn)幽鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得鋼管軸向向左運(yùn)動(dòng)直至接近定位組件，電機(jī)2 停轉(zhuǎn)。

圖9 傳送輥?zhàn)咏M件帶動(dòng)鋼管做軸向運(yùn)動(dòng)示意

如圖10 所示，通過控制電機(jī)1 將傳送輥?zhàn)咏M件調(diào)至偏移位置，此時(shí)鋼管不與傳送輥?zhàn)咏佑|，鋼管與旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏佑|。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于多個(gè)旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件自左向右依次略微升高，在鋼管自身重力的作用下鋼管軸向向左運(yùn)動(dòng)。

圖10 旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)咏M件帶動(dòng)鋼管做周向運(yùn)動(dòng)示意

如圖11 所示，鋼管貼在定位組件上，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖11 鋼管定位示意

激光切割作業(yè)開始，激光切割系統(tǒng)控制激光器出光，同時(shí)控制伺服電機(jī)勻速精確運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鋼管周向勻速運(yùn)動(dòng)。

激光切割作業(yè)完成后，激光器停止出光，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，控制電機(jī)1 將傳送輥?zhàn)诱{(diào)至直立位置，此時(shí)鋼管與旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)用撾x，鋼管與傳送輥?zhàn)咏佑|，傳送輥?zhàn)禹槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將切割完成的鋼管運(yùn)出生產(chǎn)線，進(jìn)行下一個(gè)鋼管的激光切割作業(yè)。

4 應(yīng)用效果

該激光切割裝置已經(jīng)在天津鋼管制造有限公司Φ258 mm 機(jī)組完成調(diào)試，并應(yīng)用于生產(chǎn)線。

該生產(chǎn)線生產(chǎn)的鋼管主要是用來做石油套管，切割完成后，根據(jù)工序要求，還要對(duì)管端面進(jìn)行修整平齊、加工螺紋等，為保障后序加工，一般要求鋸口質(zhì)量：①管端面平面度不大于0.5 mm；②管端面與軸線垂直度不大于1.6 mm。試驗(yàn)表明：①管端面平面度一般不大于0.4 mm，部分可達(dá)0.1 mm；②管端面與軸線垂直度一般不大于1.2 mm，部分可達(dá)0.5 mm。故該設(shè)備完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

充分運(yùn)用原生產(chǎn)線的設(shè)備，改造小，不涉及土建，運(yùn)用了原有輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)，只是將帶動(dòng)鋼管周向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)換成了高精度的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，保障切割質(zhì)量；此外，在原生產(chǎn)線外增加激光切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)和定位組件；將激光器、水冷箱以及氣體發(fā)生裝置放置于不影響生產(chǎn)線的位置，通過光纖、電纜和管線連接到激光器切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

激光切割裝置上線后，節(jié)約了大量成本。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，鋸切的綜合成本較高，約80 元/根；而激光切割主要耗費(fèi)電能，根據(jù)直徑和厚度不同，成本1～2 元/根，切割效率大幅提高，切割時(shí)間0.5～2.0 min/根。目前設(shè)備已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行約6 個(gè)月，切割13Cr 鋼管數(shù)千根，規(guī)格主要有Ф177.8 mm×10.36 mm、Ф193.68 mm×12.7 mm 等。

5 結(jié) 語

激光切割已經(jīng)成功應(yīng)用于鋼管生產(chǎn)線，切割質(zhì)量較好，效率較高，成本降低明顯，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

此種對(duì)生產(chǎn)線改造小，不涉及土建。施工周期短，約一個(gè)月時(shí)間。以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，可實(shí)現(xiàn)快速上線運(yùn)行。

激光切割設(shè)備維護(hù)和耗材成本低，僅需更換保護(hù)鏡片，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備常規(guī)保養(yǎng)等。

建議生產(chǎn)線改造或者新建時(shí)，考慮使用卡盤來鎖緊鋼管，進(jìn)一步精確控制周向運(yùn)動(dòng)，有利于進(jìn)一步提高切割質(zhì)量和效率。

該激光切割裝置的研究是激光切割應(yīng)用于鋼管生產(chǎn)線的一個(gè)嘗試，下一步，通過與現(xiàn)有切割技術(shù)對(duì)比，研究激光切割應(yīng)用于其他鋼管切割場(chǎng)景的可行性；進(jìn)一步研究并形成切割質(zhì)量?jī)?yōu)、切割效率高、切割斷面金屬性能強(qiáng)，且結(jié)合機(jī)器視覺、自動(dòng)控制和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的鋼管切割自動(dòng)化生產(chǎn)方案等。隨著研究的深入，激光切割在鋼管生產(chǎn)線上會(huì)得到廣泛的應(yīng)用推廣。