激光切割在折流板加工中的开发与应用

王 鑫

（大庆石油化工机械厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

换热器管束产品是石油化工企业的关键设备，也是制约产品生产进度和成本的重要因素之一，大庆石油化工机械厂换热器管束年需求量600 台左右，管束由管板、折流板及换热管等3 个主要配件组成，其中折流板加工需要经过下料、组摞、引孔、钻孔、外圆车削、镗槽、倒角及割型等9 道工序，其加工工序复杂、周期长，折流板加工工序是管束制造的关键工序之一，直接影响管束的整体制造进度。折流板管孔尺寸精度影响管束整体使用寿命，管孔同心度影响穿管工序。折流板传统的加工方法已经经历了几十年甚至上百年的发展，其优化空间有限，为寻求突破，我厂尝试采用全新的加工工艺，经过效益、效率及可行性等多方面考虑，决定采用数控激光切割机进行折流板加工。

1 现状及存在的问题

管束制造过程中折流板加工工序复杂、周期长以及精度低而影响后续工序的矛盾日益突出。现行折流板的加工方法主要存在以下问题：

（1）工序复杂。折流板加工首先需要在容器制造车间进行下料、组摞，然后转运至机加车间进行引孔、钻孔、外圆车削、镗槽、倒角，最后转回容器制造车间进行割型，共9 道工序。

（2）同心度。部分管束折流板组摞后厚度超过160 mm，超出机加一次钻孔深度，需要将折流板分成两摞分别进行钻孔，如何保持两摞分别进行钻孔后的同心度已成为困扰我厂多年的问题，至今没有好的解决方案，一旦折流板管孔同心度超差，换热管依次穿过折流板的阻力将增大，穿管工序的难度成为不确定性因素，阻力增大到一定程度时甚至需要强力穿入，对换热管端部可能造成损伤。

（3）单孔尺寸。由于折流板组摞存在间隙以及钻孔过程中钻头的晃动，可能导致部分折流板管孔直径超差，增大换热管与折流板的间隙，若设备运行时振动较大可能降低管束的使用寿命。

（4）周期长。以一台直径为1000 mm、数量12 块的折流板为例，总加工时间约为32 h，而整台管束的制造周期约为90 h，仅折流板加工就占总制造周期的1/3，极大制约了管束制造的产能。

（5）材料利用率低。下料时直径需要增加加工余量10～20 mm来满足外圆车削要求，折流板一般为弓形折流板，且交替布置，考虑到钻孔后管孔同心度，一般采用整圆下料，加工完后需要将多余的1/3 剪切掉，直径800～1500 mm 的管束占总体的80%，一般钢板宽约2 m，当直径超过1000 mm 时，整圆下料排版只能排1 块，而按成品尺寸排版能排2 块，材料利用率极低。

2 激光切割原理及切割工艺的研究

2.1 激光加工原理

激光切割是利用高能量密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的加工方法，在各领域都有广泛的应用，可以实现各种复合材料、非金属板材、金属等的切割。

2.2 激光加工主要方式

（1）激光熔化切割，主要用于一些不易氧化的活性金属或材料的切割，如铝、钛、不锈钢及其合金等。用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化气体（Air、N2等），依靠气体的强大压力使液态金属排除，形成割缝。

（2）激光氧气切割，主要用于碳钢金属材料的加工。原理类似于氧乙炔切割，它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。

2.3 影响切割工艺的因素

2.3.1 切割高度

喷嘴与工件的距离如图1 所示，此距离太短，可能会使板材与喷嘴相撞，太长会使气体扩散，造成切割底面残渣较多。切割时喷嘴与工件的之间的距离可以在“工艺”界面处设置，建议设置在0.5～1.5 mm。

图1 喷嘴与工件距离

2.3.2 切割速度

从切割火花可判断进给速度的快慢，正常切割时火花是由上往下扩散的，火花倾斜时，则进给速度太快；若火花不扩散且凝聚在一起，则说明进给速度太慢。如图2 所示适当的切割速度，切割面呈现出较平稳的线条，且下半部分无熔渣产生。

图2 切割断面示意及切割火花效果

遇切割质量不佳时建议先进行一般性检查，一般性检查主要检查内容及顺序是：

（1）切割高度（建议实际切割高度0.5～1.5 mm），如实际切割高度不准，则需要进行标定。

（2）喷嘴检查喷嘴型号及大小是否用错，如果是正确的检查喷嘴是否有损坏，圆度是否正常。

（3）建议用直径1.0 mm 的喷嘴进行光心检查，检查光心时焦点最好在-1～1 之间。这样打出来的光点小，易于观察。

（4）保护镜片，检查保护镜片是否干净，要求无水无油无渣点。有时会因为天气或铺助气体太冷等原因导致保护镜片结雾。

（5）检查焦点是否设定正确。

（6）修改切割参数。

3 项目的实施过程

3.1 试验方案的编制和优化

通过对折流板加工和激光切割机的研究，无论是加工精度还是切割效率理论上完全符合折流板加工要求，最终决定采用数控激光切割机进行折流板试加工。

（1）单孔模拟加工。在6 mm 厚的不锈钢板上切割Φ25.40+0.03mm的孔，根据材料厚度调整切割参数后进行试切割，切割后检查试件单孔尺寸及切割面粗糙度，反复调整切割参数、打孔位置及引入引出线直至单孔切割符合图纸要求。

（2）单个试件模拟加工。按常规折流板规格选取一块试件按图纸要求的规格、布孔形式模拟切割，抽样检查孔间距及单件变形情况是否满足要求。

（3）整台试件加工。选取一台常规折流板进行整台试切割，并按图纸进行交错摆放检查管孔同心度、外圆切割尺寸、滑道槽等尺寸及持续切割热变形情况是否满足要求，同时计算切割时间并记录。

（4）试件验证。如上述要求均满足，则将整台折流板试件投入管束制造，检验用数控激光切割机加工完的折流板是否满足制造及标准规范的要求。

3.2 模拟试验的具体实施

本次数控激光切割机加工折流板模拟试验以满足制造及标准规范为底线，合理组织模拟试验作业，抓好试验现场，合理配制资源，加大安全管理力度，做到技术人员和操作者同时在现场，对试验数据进行记录，试验中出现的问题及时协调解决，使整个模拟试验进度控制在总体试验计划范围内，根据项目特点，试验分两个阶段。

3.2.1 第一阶段：前期准备阶段

（1）设置专用试验场地。试验场地定为压力原件车间垫片厂房的中部，试验区域四边采用警戒绳单独隔离，试验工机具和材料摆放整齐，区域内配备资料柜和小型会议桌，用于试验过程记录和现场讨论解决试验中出现的问题。

（2）施工机具。按照试验方案所要求逐项准备齐全并确认其完好性。

（3）切割材料。试验所用的材料按选取的设备图纸中折流板的规格进行下料，并分类摆放在试验场所。

3.2.2 第二阶段：模拟试验阶段

（1）单孔模拟加工。按预设参数进行单孔切割，实测单孔尺寸为Φ25.6 mm，切割面上部光滑，底部存在波浪纹，切割起始点处存在突出物。反复调整切割速度、氮气压力、焦点位置及引入引出线等参数，最终实现管孔内壁光滑，满足图纸要求，并记录相关参数。

（2）单个试件模拟加工。按调整完的参数进行整块折流板切割，10 个孔切割完后暂停测量单孔尺寸及孔间距，单孔尺寸无变化，孔间距为32 mm，符合图纸要求，继续切割直至完成。由于不锈钢板切割采用的是激光熔化切割，其产生的热量较少，整体变形可以忽略不计。将折流板更换为10 mm 厚的碳钢板，且管孔直径变为Φ19 mm 进行整板模拟切割，由于碳钢板切割采用的是激光氧气切割，其产生的热量相对较大且管孔更密集，整块切割完成后变形量约为10 mm，不满足使用要求。调整管孔切割顺序并适当延长吹气时间，来实现热量分散和强制降温的效果，最终将折流板整体变形量控制在3 mm 以内，达到使用条件。

（3）整台试件加工。按照方案选取一台常规折流板进行整台试切割，切割完成按图纸进行交错摆放，肉眼观测上下管孔交叉量可忽略，用标准换热管进行试穿，均能顺利穿入无卡涩现象。单块折流板管孔数量为102 个，切割时间为13 min+50 s，整台折流板共10 块，累计切割时间为2.3 h，期间换板、抽检、换气等整台折流板加工时间约4 h。正常这台折流板的加工周期为两个工作日，其加工效率得到大幅提升。

（4）试件验证。将加工完成的整台折流板投入管束制造，穿管过程顺畅，同时折流板采用切割的方式进行加工无钻孔时用的乳化液，整体比较干净，避免了换热管待焊部位在穿管过程中因折流板污渍导致的二次污染，保证后续管头焊接质量。

4 结论

经过大量模拟切割试验并反复调整切割参数，切割尺寸精度、切割位置精度、切割面粗糙度、热切割变形量、切割效率等关键指标均符合预期，最终实现了折流板加工一次切割成型，成功地解决了传统方法加工折流板存在的瓶颈问题。

数控激光切割机在换热器折流板加工中的开发与应用已经在我厂取得成功，用数控激光切割机加工的折流板各项指标符合设计要求，达到预期目的。