现割开工件的一种热切割方法。我国的水平井完井方法,除去最早使用的裸井和衬管完井的方法之外，大多数采用后期完井方法，即均采用固完井后对套管进行射孔的方法来达到目的。该方法劳动强度大，而且套管射孔部位容易出现裂缝等损伤情况，降低了油井的使用寿命。随着当前完井技术的不断提高，低成本、高效益的完井方法正在逐渐实现，割缝管完井越来越受到人们的青睐，成为未来完井方法发展的必然趋势。就目前技术而言，割缝管的加工方法主要有两种: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缝，而激光切割则可以，而且缝宽规则，缝中无沾渣、无堵渣。在国外，割缝管完井在水平井完井中被广泛采用，其中美国割缝管完井率达56.7%。近年来，国内许多油田都开始逐步增加割缝管完井，其趋势日趋明显，并且也取得了良好的经济效益。但是，就目前国内割缝管加工现状而言，虽然大都采用先进的激光切割方式，但由于激光功率普遍偏小和受主机结构等多种因素的影响，最多只能连续切割4m，而且都采用人工装卸，人工定位，劳动强度大，自动化程度低，定位精度低，加工效率低。为此，本着满足割缝管市场的发展需求，增加油井使用寿命、降低完井成本的原则，专门设计了这台高功率、全自动、多功能的数控激光切割机。机床自动化程度高，定位精度高，能够实现自动装卡，最长可连续加工11m，加工过程中可以实现三轴联动，可以在套管上加工中8-中12mm的孔，从而实现本油田在用的防砂筛管的加工(目前的筛管加工是通过电钻钻孔来实现的，强度大，效率低，钻孔不均匀等)。此外，借助针床可以实现板才孔加工、几何形状板切割等辅助功能，而且可以通过更换喷嘴来实现金属的表面淬火、焊接等功能，做到了一机多用，具备了广阔的应用前景。

一、激光切割的特性与原理

激光束聚焦成很小的光点(其最小直径小于0.1mm)，使焦点处达到很高的功率密度(可超过106W/cm2)这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束与材料的相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝，从而实现激光切割。在切割过程中还添加与被切材料相适应的辅助气体，它既可以吹走割缝内的熔渣，又可以冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热损坏。

二、激光切割机主要部件的设计与选型

激光切割机的机床主机、控制系统、激光器、冷水机组等几大部件的设计与选型均按照割缝管加工的技术要求，既要考虑加工效1率和加工能力，又要考虑当前的市场和潜在的市场需求。

(一)、机床主机的设计

数控切割机机床一般由工作台、光束传输系统和微机数控系统三部分组成，为了满足加工要求，根据筛管加工的实际情况，主机采用三轴联动方式，光束(由割炬射出)沿Y方向移动，行程500mm，工作台沿X1方向移动行程1200mm，床身沿X轴方向移动，行程为11000mm，光头采用非接触电容式Z轴浮动测高，自动调节光头离套管表面的距离，使光头离表面的距离始终限定在设定的范围内，且反应灵敏，以保护透镜不受损伤，Z轴行程150mm.

(1)床身和工作台

床身和工作台为内有纵横筋板的箱形焊接件，工作台进给由固定在床身中间的齿轮进给箱双齿轮带动齿条实现工作台进给，工作台上有带动自动卡盘的主轴箱，可实现工件的回转运动，其主电机上带有编码器可实现工件的分度，在工作台上设有5个中心托架用来支撑套管，托架间隔为1.8m，托架与工件的接触点采用万向滚珠作为支撑，减小摩擦力，使得工件转动灵活方便，支点的位臵可以根据工件直径的大小通过手轮用带自锁的梯形丝杠正反向螺纹进行调节，保证工件的高度在同一高度上不变。11米长的工件(割缝套管)支撑在托架上，工件的输送通过减速器带动链条靠尼龙滚轮的摩擦力实现，工件到位后由汽缸上下运动使工件落在或离开中心托架。在加工过程中工件固定在托架上与滑座一同沿X轴方向(即床身纵向)移动，X轴方向驱动采用交流伺服电机齿轮齿条消除间隙结构，滑座的一端是装夹

2工件并可以回转分度的卡盘，在床身的中部固定一立柱，立柱带有悬臂梁机构，激光切割头可以沿立柱上的悬臂式横梁作Y方向运动，由交流伺服电机直接驱动高精度滚珠丝杠传动，光路部分固定不动，同时切割头也可以沿Z轴方向移动，以满足多种管径的加工要求。

(2)横梁

横梁为内有纵横筋板的箱形焊接件，横梁可通过X1轴床身上的滚珠丝杠实现水平移动，横梁上装有滚动导轨，通过滚动导轨付溜板平放在横梁之上，光头的水平运动即Y轴方向的运动是由交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠实现，并且滚珠丝杠两端各有一个径向球轴承和一个推力轴承，用双螺母预紧，以提高轴向刚度。溜板及光头的行程是靠两个组合行程开关控制，溜板的两侧装有档块。横梁下方有固定安装的防护罩，其周围有玻璃外罩将丝杠及导轨罩在壳内，以防灰尘进入。

(3)光头及光头移动装臵

光头为传输激光和将激光束聚焦后从喷嘴小孔中射出进行切割的部件，光头的上下移动靠交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠，丝杠螺母与光筒固定联接，光筒装在直线滚动导轨副上，当电机带动滚珠丝杠传动时，光筒作上下移动，而滚珠丝杠两端各有一个径向球轴承和一个推力轴承，用双螺母预紧，以提高轴向刚度。光筒作上下行程靠溜板上的接近开关控制，光筒的顶部装有和光轴成45度的反射镜以使水平射来的激光束改变为垂直方向，并通过聚焦镜聚焦从喷嘴小孔中射出，由于激光束温度很高，为防止反射镜

3特别是聚焦镜过热，机床采用循环冷却水进行冷却。在光头上聚焦下方有辅助气体通入，辅助气体和激光从同一喷嘴中射出对准工件表面，辅助气体可以防止聚焦镜上附着使其损害的化学材料，清除光束与材料相互作用产生的等离子体或蒸发的混合体并清除由于表面张力黏结于工件上的金属残渣，辅助气体还为金属切割提供使化学反应产生额外的热能。

三、激光器的选择

对于激光切割而言，除少数场合采用YAG固体激光器之外，大多数采用电一光转换效率较高并能输出较高功率的CO2激光器。CO2分子是一种线性三原子分子，原子之间以共价键相连，当振动处于平衡时，三原子是在一条直线上，振动方式有对称振动(V1)、弯曲振动(V2)和反对称振动(V3)三种。为了满足加工要求，选用光束模式较好的轴快流CO2激光器，工作气体沿放电管轴向流动来实现冷却，气体流动方向同电场方向和激光方向一致，气流速度大于100m/s。激光光束波长10.6μm，采用直流激励的方式，激光功率3500W，激光束模式为TEM10。为了保证加工质量，使激光器免于振动，激光器与机床之间相互独立，确保激光稳定，光路采用高效传输系统，正压除尘装臵以保护镜片。

四、冷水机组及控制系统的选择

为了保证激光加工的质量，确保激光器能够连续、稳定的运行，需要对激光器及其光路进行冷却。激光器的水冷器是一个空冷、自制冷、自容纳、组装式的水冷器，主要由蓄水槽、离心泵、制冷剂冷却4器、电子水温恒温器、电控板等几部分组成，根据激光器的功率选择制冷功率为28KW，冷却液温度16℃。

五、控制系统的选择

数控系统、可编程控制器、控制站采用西门子数控系统SINUMERIK802D，该系统是SIEMENS公司最新推出的基于工业现场总线的经济型CNC系统。它通过PROFIBUS 总线，把机床伺服驱动装臵611U及其逻辑控制部件S7-200连成为一个整体。使得控制系统之间的连接线最大限度的减少，极大的提高了机床工作的可靠性;同时，它的中文显示也为操作者提供了方便:报警信息的中文显示也大大缩短了机床故障的排除时间。