吳許祥，孫斌，方亮，盧源，丁慶偉，戴樹晶，沈店祥，陳金盛

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇捷凱電力器材有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

1 研究背景

在激光切割機(jī)生產(chǎn)加工過程中，需先對(duì)工件進(jìn)行穿孔處理再進(jìn)行切割操作。受所切割板材位置不同，密度不均勻、板材整體不平整、不同切割時(shí)長(zhǎng)下板材溫差較大等外界因素影響，每次穿孔過程的實(shí)際用時(shí)并不相同。

傳統(tǒng)的激光切割設(shè)備是無(wú)法辨別激光是否穿透板材的，只能依靠激光切割機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間參數(shù)來定時(shí)結(jié)束穿孔過程。該方式會(huì)衍生出兩個(gè)問題：①激光穿孔過程中由于多種因素的干擾使激光穿孔時(shí)間難以保持一個(gè)定值，時(shí)間設(shè)置太長(zhǎng)則板材易過燒，且極大降低了生產(chǎn)效率；時(shí)間設(shè)置太短，則激光無(wú)法有效穿透板材，造成起刀處工件損壞甚至出現(xiàn)整個(gè)工件無(wú)法切透現(xiàn)象；②由于激光穿孔時(shí)間很難保持一個(gè)固定值，因此用戶在設(shè)置該參數(shù)時(shí)往往比較保守，造成加工時(shí)間浪費(fèi)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 等離子云介紹

如圖1 所示，激光切割金屬的原理是利用激光光束作為熱源照射在金屬材料表面，使表面溫度升高達(dá)到熔（沸）點(diǎn)，同時(shí)噴嘴噴出與激光光束照射方向平行的切割氣體將熔（氣）化物吹走。通過控制運(yùn)動(dòng)裝置，切割頭按照預(yù)定線路運(yùn)動(dòng)，切割出各種形狀的工件。

圖1 激光切割原理

在激光切割金屬過程中，入射激光的功率密度不一樣，金屬材料表面發(fā)生的變化也不一樣。一般而言，當(dāng)金屬材料表面的激光功率密度達(dá)到10MW/cm2數(shù)量級(jí)時(shí)，金屬材料表面會(huì)迅速升溫至材料的沸點(diǎn)，強(qiáng)烈汽化成金屬蒸汽。當(dāng)金屬材料表面的激光功率密度超過100MW/cm2數(shù)量級(jí)時(shí)，未能及時(shí)排走的金屬蒸汽會(huì)被激光能量重新加熱，形成等離子云。

2.2 穿孔檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

如圖2 所示為穿孔檢測(cè)功能流程圖。當(dāng)激光照射至穿孔產(chǎn)生的等離子云體上時(shí)，有一定的反射信號(hào)傳輸至切割頭內(nèi)部傳感器（信號(hào)強(qiáng)度受板材穿透與否影響），通過數(shù)控系統(tǒng)對(duì)切割頭反饋穿孔檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的識(shí)別和處理，得到相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，與參數(shù)庫(kù)中設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)是否滿足穿孔完成條件迅速做出判斷，若滿足，結(jié)束穿孔過程并轉(zhuǎn)入切割過程；若不滿足，界面生成報(bào)警，提醒客戶檢查相關(guān)事宜，確認(rèn)硬件是否損壞，切割頭內(nèi)部鏡片是否污染，以此提高批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性。該功能使得激光切割設(shè)備可有效獲取到激光穿透板材的狀態(tài)反饋，及時(shí)控制穿孔過程，進(jìn)而提升設(shè)備的性能和加工效率。

圖2 功能流程圖

如圖3 所示為總線版切割頭輸出的穿孔檢測(cè)信號(hào)波形圖，其值位于區(qū)間200～10000（可理解為激光反射強(qiáng)度2%～100%）。在反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)采集過程中，圖中標(biāo)識(shí)區(qū)域?yàn)橛涗浀拇┛走^程反饋信號(hào)，信號(hào)輸出穩(wěn)定，穿孔過程與穿透瞬間反饋值差異較大，具有良好的辨識(shí)度。

圖3 反射信號(hào)波形圖

在信號(hào)識(shí)別程序中，當(dāng)程序啟用時(shí)，對(duì)穿孔檢測(cè)信號(hào)設(shè)定閾值，當(dāng)穿孔檢測(cè)信號(hào)值低于閾值時(shí)，立即結(jié)束穿孔并進(jìn)入切割過程。

3 等離子云穿孔檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

以15kW 20mm 不銹鋼氮?dú)獯┛诪槔ㄟB續(xù)穿孔81 次）。

如圖4a 所示為不開啟穿孔檢測(cè)功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時(shí)1′41″，工件底部穿孔位置有過燒現(xiàn)象，且整體表面發(fā)黑。

圖4 穿孔檢測(cè)試驗(yàn)

圖4b 所示為開啟穿孔檢測(cè)功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時(shí)49s，工件底部穿孔位置無(wú)過燒現(xiàn)象，且整體表面潔凈。

再以15kW 25mm 碳鋼板氧氣穿孔為例（連續(xù)穿孔20 次）。

如圖5a 所示為不開啟穿孔檢測(cè)功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時(shí)34s，工件底部穿孔孔徑較大，熔渣較多，不利于小孔切割。

圖5b 所示為開啟穿孔檢測(cè)功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時(shí)25s，工件底部穿孔孔徑較小，熔渣較小，更利于小孔切割。

圖5 穿孔檢測(cè)試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

穿孔檢測(cè)功能的開發(fā)與應(yīng)用，不但在保證機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行的前提下大大提升了客戶現(xiàn)場(chǎng)的加工效率，還在一定程度上提升了穿孔質(zhì)量，為部分客戶特殊工件的下一道切割工序打下了良好基礎(chǔ)。