钢管生产线用激光切割装置的设计与应用

赵三军，郭宏庆，苏小铭，张东须，穆怀敬，张志强，周玉梅

（1. 中科和光（天津）应用激光技术研究所有限公司，天津 300304；2. 天津钢管制造有限公司，天津 300301）

某生产线切割13Cr 钢管时使用锯片切割方式，这种切割方式效率较低，且锯片成本高、易磨损，更换时间长、劳动强度大，而对于含铬的材料，切割难度更大，且时间更长。激光切割技术目前应用较多，切割管材就是其中一项重要应用，但现在市场上激光切割管材多用于薄壁管加工，且多是针对机械加工厂设计的机床式设备。激光切割方式，能耗低、效率高、成本低，将激光切割引入钢管生产线，相比之前采用的锯切方式，能够大幅降低成本、提高效率，尤其是对于含Cr 等难切割材料，激光切割在切割效率和成本上优势更加明显。

激光切割在工业加工领域应用越来越广［1-7］。但目前尚未见有应用于钢管生产线的激光切割装备，故亟需研制一种钢管生产线用激光切割装置，来提高切割效率和降低成本，从而达到节能降耗提效的目的。

1 激光切割原理

激光切割是利用经聚焦的激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流去除熔融物质，从而割开工件，激光切割属于热切割方法之一，如图1 所示［8］。采用激光切割技术可以实现各种金属、非金属板材、复合材料等的切割，在各领域都有广泛的应用［9-15］。

2 设备组成

设备组成如图2 所示。电控柜固定在地基上。水冷箱固定在地基上，作用是对激光器和激光切割头冷却。气体发生器固定在地基上，为激光切割头提供切割辅助气体，包括空气、氧气或氮气。

图1 激光切割示意

图2 设备组成示意

激光切割执行机构如图3 所示，包括激光切割头、X 轴、Y 轴、Z 轴、固定座和工业电脑。激光切割头发出激光，切割钢管。X 轴、Y 轴和Z 轴联合运动，带动激光切割头运动。工业电脑内安装激光切割系统，具有待切割件加工图绘制、切割参数设定等功能。

床身如图4 所示，包括基座、定位组件、钢管、旋转辊子组件、传送辊子组件、传送辊子连杆、驱动连杆、电机1。基座固定在地基上。定位组件用于钢管定位，确定待切割位置，保障钢管转动过程中轴向不向左窜动。旋转辊子组件带动钢管做周向运动，且多个旋转辊子组件自左向右依次略微增高，钢管周向转动过程中，由于重力作用，钢管轴向向左运动，直至紧贴定位组件，使得钢管轴向不向右偏转。定位组件和旋转辊子组件共同确保钢管轴向定位，且钢管不轴向窜动。

如图5 所示，定位组件用于确定切割完成后的钢管的长度，实现定尺切割，包括滑动固定板、推动组件、滑块、定位盘。滑动固定板固定在基座上。滑块能够在滑动固定板上左右运动。推动组件推动滑块滑动，直至到达切割作业位置。

图3 激光切割执行机构示意

图4 床身示意

图5 定位组件示意

旋转辊子组件如图6 所示，包括伺服电机、旋转辊子底座、旋转辊子支座、旋转辊子。旋转辊子支座有两个，固定在旋转辊子底座上。旋转辊子由旋转辊子支座支撑。旋转辊子在旋转辊子支座上做旋转运动。旋转辊子由伺服电机带动旋转，伺服电机由激光切割操作系统控制，保障钢管旋转动作满足激光切割过程中激光切割工艺要求。每个旋转辊子组件有两个旋转辊子，两个旋转辊子中一个由伺服电机带动为主动，另一个旋转辊子为从动，两个旋转辊子对钢管前后定位，在钢管自身重力的作用下，两个旋转辊子对钢管进行上下定位。旋转辊子外有一层缓冲材料，用于保护钢管，一般是尼龙、聚四氟乙烯或橡胶等。

图6 旋转辊子组件示意

传送辊子组件如图7 所示，包括电机2、传送辊子支座、传送辊子、传送辊子转轴、传送辊子底座。传动辊子底座固定在基座上。传送辊子支座与传送辊子底座通过传送辊子转轴连接。传送辊子支座可绕传送辊子底座旋转。传送辊子可在传送辊子支座转动。电机2 固定在传送辊子支座上。电机2带动传送辊子转动。

图7 传送辊子组件示意

多个传送辊子组件联动如图8 所示，包括基座、传送辊子连杆、驱动连杆、电机1。电机1 固定在基座上，传动辊子连杆与传送辊子支座连接，传动辊子连杆与电机1 通过驱动连杆连接。由于多个传动辊子支座与传动辊子连杆连接，电机1 转动时，多个传动辊子支座同步绕传送辊子底座转动。

图8 多个传送辊子组件联动示意

3 作业流程

如图9 所示，通过控制电机1 将传送辊子组件调至直立位置，将钢管置于传送辊子组件上，电机2 转动带动传送辊子逆时针转动，从而使得钢管轴向向左运动直至接近定位组件，电机2 停转。

图9 传送辊子组件带动钢管做轴向运动示意

如图10 所示，通过控制电机1 将传送辊子组件调至偏移位置，此时钢管不与传送辊子接触，钢管与旋转辊子接触。伺服电机转动，由于多个旋转辊子组件自左向右依次略微升高，在钢管自身重力的作用下钢管轴向向左运动。

图10 旋转辊子组件带动钢管做周向运动示意

如图11 所示，钢管贴在定位组件上，伺服电机停止转动。

图11 钢管定位示意

激光切割作业开始，激光切割系统控制激光器出光，同时控制伺服电机匀速精确运动，从而带动钢管周向匀速运动。

激光切割作业完成后，激光器停止出光，伺服电机停止转动，控制电机1 将传送辊子调至直立位置，此时钢管与旋转辊子脱离，钢管与传送辊子接触，传送辊子顺时针转动，将切割完成的钢管运出生产线，进行下一个钢管的激光切割作业。

4 应用效果

该激光切割装置已经在天津钢管制造有限公司Φ258 mm 机组完成调试，并应用于生产线。

该生产线生产的钢管主要是用来做石油套管，切割完成后，根据工序要求，还要对管端面进行修整平齐、加工螺纹等，为保障后序加工，一般要求锯口质量：①管端面平面度不大于0.5 mm；②管端面与轴线垂直度不大于1.6 mm。试验表明：①管端面平面度一般不大于0.4 mm，部分可达0.1 mm；②管端面与轴线垂直度一般不大于1.2 mm，部分可达0.5 mm。故该设备完全满足现场要求。

充分运用原生产线的设备，改造小，不涉及土建，运用了原有辊子结构，只是将带动钢管周向运动的电机换成了高精度的伺服电机，实现精确、匀速转动，保障切割质量；此外，在原生产线外增加激光切割执行机构和定位组件；将激光器、水冷箱以及气体发生装置放置于不影响生产线的位置，通过光纤、电缆和管线连接到激光器切割执行机构。

激光切割装置上线后，节约了大量成本。根据现场调研，锯切的综合成本较高，约80 元/根；而激光切割主要耗费电能，根据直径和厚度不同，成本1～2 元/根，切割效率大幅提高，切割时间0.5～2.0 min/根。目前设备已经稳定运行约6 个月，切割13Cr 钢管数千根，规格主要有Ф177.8 mm×10.36 mm、Ф193.68 mm×12.7 mm 等。

5 结 语

激光切割已经成功应用于钢管生产线，切割质量较好，效率较高，成本降低明显，产生了良好的经济效益。

此种对生产线改造小，不涉及土建。施工周期短，约一个月时间。以现有设备为基础进行设计和安装，可实现快速上线运行。

激光切割设备维护和耗材成本低，仅需更换保护镜片，机械传动设备常规保养等。

建议生产线改造或者新建时，考虑使用卡盘来锁紧钢管，进一步精确控制周向运动，有利于进一步提高切割质量和效率。

该激光切割装置的研究是激光切割应用于钢管生产线的一个尝试，下一步，通过与现有切割技术对比，研究激光切割应用于其他钢管切割场景的可行性；进一步研究并形成切割质量优、切割效率高、切割断面金属性能强，且结合机器视觉、自动控制和工业互联网等技术的钢管切割自动化生产方案等。随着研究的深入，激光切割在钢管生产线上会得到广泛的应用推广。