胡延軍

山東魯碧建材有限公司，山東濟(jì)南，271103

0 引言

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)備、備品、備件有了更高的質(zhì)量加工要求，普通板材切割方式方法已經(jīng)無(wú)法滿足設(shè)備高精度、高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)需求。比如，火焰切割、等離子切割中最大的問(wèn)題是材料加工精度比較低，想要得到光潔度相對(duì)較高的材料需要機(jī)加工進(jìn)一步加工，更多時(shí)候兩種切割是作為一道加工工序，輔助設(shè)備制造加工。根據(jù)設(shè)備加工需求，某公司引進(jìn)一臺(tái)功率為三千瓦的大族6025F激光板材切割機(jī)。通過(guò)兩年的使用運(yùn)行，激光切割機(jī)充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)，目前已全面取代傳統(tǒng)切割機(jī)。通過(guò)在操作工藝上的不斷調(diào)整和優(yōu)化，全面考慮切割前切割速度、切割氣體、切割壓力及一二段的穿孔等因素的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)也綜合評(píng)估切割后熔渣排泄、反濺、反光燒鏡等諸多因素的影響，形成了不同板材、板厚的材料標(biāo)準(zhǔn)工藝，其中包含了大量輔助工具的應(yīng)用。

1 激光切割原理

激光的原理是光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。微觀粒子都具有特定的一套能級(jí)（通常這些能級(jí)是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表述為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。激光切割就是將輻射光子通過(guò)透鏡層層收集、聚焦形成激光束，通過(guò)激光頭將激光束照射到工件表面，釋放出高能量來(lái)使工件融化并蒸發(fā)，以達(dá)到切割和雕刻的目的，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)工件切割，激光切割屬于熱切割方法之一[1]。激光就其自身有以下特點(diǎn)。①激光的高單色性保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度；②激光的高方向性決定了其能有效地傳遞較長(zhǎng)的距離；③激光的高相干性主要用來(lái)描述光波各個(gè)部分的相位關(guān)系；④激光的高亮度，具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)度的高溫，這就使其可能加工幾乎所有的材料。正是因?yàn)榧す饩哂幸陨咸匦?，使得激光在切割鋼材時(shí)切割質(zhì)量好，由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量；激光氣割切口細(xì)窄、切縫兩面平行，切割表面光潔美觀，精度可達(dá)到2絲；材料經(jīng)過(guò)激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，加工成本低。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光切割正從輕工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展[2]。

2 激光切割機(jī)操作平臺(tái)上的改進(jìn)

2.1 地線接地不良的改進(jìn)

設(shè)備安裝初期，根據(jù)廠家要求對(duì)設(shè)備做了接地保護(hù)，采用10毫米厚銅板埋到地下2.5米以下。但是，在設(shè)備測(cè)試期間接地電阻在50歐左右，設(shè)備測(cè)試期間沒(méi)有引起切割問(wèn)題。在使用半年左右，設(shè)備檢測(cè)所有水溫模塊顯示正常區(qū)間值，但是，實(shí)際激光頭冷水溫度過(guò)低，模塊3中實(shí)際溫度降低到-2攝氏度，各檢測(cè)儀器均未出現(xiàn)報(bào)警，這種情況非常危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞激光頭性能；另外也出現(xiàn)了設(shè)備顯示器顯示激光頭處于正常切割狀態(tài)，實(shí)際激光頭已經(jīng)不出光的現(xiàn)象，類似于激光頭切換在預(yù)切狀態(tài)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)排查和分析，最終原因還是因?yàn)榻拥仉娮杼?，阻值變化引起了切割電流紊亂，出現(xiàn)飄零，部分?jǐn)?shù)據(jù)處于失真狀態(tài)造成的。為了更好地改善接地電阻，嘗試從不同位置多地點(diǎn)接地，最終因?yàn)閺S房所屬地下屬于石土回填區(qū)，效果不理想。為了能夠改善接地最值，最終選擇在地線位置處壘砌面積1平方米、高0.5米的水泥框，內(nèi)部填滿工業(yè)鹽、蓄水巖棉，巖棉上部不斷加注清水，讓水池內(nèi)部始終保持一定的水量，通過(guò)鹽水增加導(dǎo)電性，改善設(shè)備與大地的局部接地阻值。經(jīng)過(guò)大約2周時(shí)間，后續(xù)通過(guò)連續(xù)測(cè)量接地線，實(shí)現(xiàn)了地線阻值處于3～7歐之間，設(shè)備飄零等問(wèn)題沒(méi)有再發(fā)生[3]。

2.2 打標(biāo)過(guò)程改進(jìn)

激光切割機(jī)使用HANS 801操作系統(tǒng)，床身板材加工尺寸6米*2.5米，采用雙床身送料模式，在一定程度上節(jié)省了激光切割的換料時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了“換料-切割”同時(shí)進(jìn)行模式，而且，激光在切割整張板材（6米*1.5米、6米*1.8米、6米*2米等）時(shí)，大部分用時(shí)在15～20分鐘，這一時(shí)間對(duì)于床身卸料、換料是足夠的。但是，兩床身在交替使用時(shí)，激光頭要重新對(duì)激光器交換后的床身進(jìn)行定位，激光器通過(guò)發(fā)給伺服電機(jī)指令，激光頭移到標(biāo)定塊上，先進(jìn)行鏡頭的清掃，然后通過(guò)紅光檢測(cè)床身平臺(tái)位置，從而限定激光頭的工作位置，這一標(biāo)定過(guò)程稱為激光頭的打標(biāo)（見(jiàn)圖1）。只要床身更換或設(shè)備重啟，都要進(jìn)行激光頭打標(biāo)，標(biāo)定過(guò)程一般需要35～40秒，通過(guò)打標(biāo)，激光切割機(jī)能夠識(shí)別當(dāng)前使用床身。打標(biāo)結(jié)束后，激光頭移到材料區(qū)，再次對(duì)板材厚度進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)板材厚度，激光器會(huì)自動(dòng)選取該板材該厚度下的相對(duì)應(yīng)的切割參數(shù)。

圖1 標(biāo)定塊打標(biāo)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期操作調(diào)整，我們?cè)诩す忸^打標(biāo)過(guò)程中，越過(guò)激光頭對(duì)標(biāo)定塊的檢測(cè)，直接在當(dāng)前材料的切割位置處進(jìn)行打標(biāo)（見(jiàn)圖2），打標(biāo)結(jié)束后直接進(jìn)入切割模式，省略了激光頭打標(biāo)標(biāo)定塊的過(guò)程和激光頭手動(dòng)尋找材料起始切割位置的過(guò)程。通過(guò)兩者打標(biāo)前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)對(duì)激光頭的切割基本沒(méi)有影響，但是對(duì)于切割頭的工作時(shí)間可以節(jié)約近3分鐘。

圖2 Q235 打標(biāo)

打標(biāo)斜線表示板材表面光潔度（精度），斜線越平滑，激光檢測(cè)到的材料表面光潔度越高，激光頭跟蹤板材起伏越小，板材在加工過(guò)程中的速度增加，輔助（比如氣壓、氣量、伺服耗電）等都會(huì)減少，尤其是激光頭的跟從功能變化明顯。

2.3 激光器余料裁剪改進(jìn)

該激光切割系統(tǒng)在切割材料時(shí)，激光器為保護(hù)激光頭鏡片因材料余料變形不受傷害，材料邊界線以內(nèi)1厘米是材料的有效切割范圍，也就是說(shuō)材料切割結(jié)束會(huì)留下一寬度1厘米的邊框廢料，不僅對(duì)材料是一種浪費(fèi)，對(duì)邊框廢料清理也比較困難。而且當(dāng)板材不能整張使用時(shí)，也就是激光二次切割時(shí)會(huì)以上次切割剩余部分邊界作為邊框處理，又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)1厘米寬的邊框，對(duì)于不連續(xù)切割和余料切割來(lái)說(shuō)是非常不利的。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)和對(duì)激光頭的研究，發(fā)現(xiàn)激光頭在切割時(shí)對(duì)定位點(diǎn)要求有一個(gè)明顯特點(diǎn)：激光頭只能檢測(cè)到激光頭正下方很小的區(qū)域內(nèi)（約1mm2）,如果該區(qū)材質(zhì)是實(shí)體，激光頭就能檢測(cè)到并能進(jìn)行實(shí)際切割，如果該區(qū)域是虛體，激光頭會(huì)發(fā)出警告無(wú)法切割。為此公司在進(jìn)行余料加工和邊框處理時(shí)會(huì)在切割頭起始位置和終止位置貼一小塊鋼板，鋼板與材料用小磁鐵進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，激光頭系統(tǒng)自帶跟從功能，能夠識(shí)別細(xì)微的板材起伏或局部突變，激光頭在切到邊界線位置時(shí)就會(huì)平滑地過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)了邊框的切割，方便余料處理，這一操作需要了解激光起始和終止切割位置。對(duì)于余料邊框可以通過(guò)設(shè)置，調(diào)整盡可能小的邊距，為防止余料因尺寸小更容易發(fā)生變形，造成余料碰撞激光頭，可以在余料與成品材料之間加0.3～0.5mm微連（不完全切斷），預(yù)加在余料上一部分約束力。目前隨著設(shè)備不斷更新?lián)Q代，余料切除系統(tǒng)也逐步應(yīng)用到新的激光設(shè)備，對(duì)板材加工更方便。

3 激光操作系統(tǒng)的改進(jìn)

激光切割零點(diǎn)的標(biāo)定是手動(dòng)調(diào)整到切割原點(diǎn)再進(jìn)行切割，只有給激光賦予一個(gè)坐標(biāo)，激光器才能按圖切割。這就造成每切割完成一個(gè)工件后就要對(duì)第二個(gè)工件重新進(jìn)行尋點(diǎn)，而且手動(dòng)尋點(diǎn)的精度是通過(guò)打紅光決定。以綠色裝配建筑模具（見(jiàn)圖3）加工為例，激光在切割角鋼結(jié)束后，在切割下一工件時(shí)，激光頭需要重新定位切割位置，否則激光無(wú)法識(shí)別起始坐標(biāo)。

圖3 綠色裝配建筑模具

為了實(shí)現(xiàn)激光切割機(jī)連續(xù)工作，減少激光尋點(diǎn)定位時(shí)間，提高切割精度，可利用角鋼做加緊裝置，通過(guò)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便被切割工件裝卸，角鋼上部焊接與角鋼端面吻合的定位平板（見(jiàn)圖4），平板上表面與被切割工件上表面齊平，平板與角鋼吻合部分作為基準(zhǔn)，平板上部提前做好打標(biāo)點(diǎn)。激光頭經(jīng)過(guò)毛刷清理，光標(biāo)定位后確定切割平臺(tái)，激光頭紅光手動(dòng)調(diào)節(jié)到達(dá)標(biāo)位置，并對(duì)位置坐標(biāo)進(jìn)行鎖定，啟動(dòng)工作按鈕，激光頭按照?qǐng)D紙黃色路徑進(jìn)行切割（見(jiàn)圖5）。模具裝夾機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了立體工件的平面切割，被切割工件利用平板端面基準(zhǔn)進(jìn)行定位后，提高了裝夾定位的勞動(dòng)效率，方便工件固定和拆裝；激光頭位置被鎖定在打標(biāo)點(diǎn)位置，每完成一次切割，激光頭被移動(dòng)到其他任何位置，完成切割的工件拆下，激光頭在進(jìn)行下一工件切割時(shí)，通過(guò)自動(dòng)尋點(diǎn)回到打標(biāo)點(diǎn)，重復(fù)以上切割路徑。此過(guò)程利用設(shè)置打標(biāo)點(diǎn)，激光頭自動(dòng)找到坐標(biāo)位置，提高工作中坐標(biāo)原點(diǎn)的精度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割。

圖4 定位平板

圖5 切割路徑

沒(méi)有定位模具前，加工一件1.2米的疊合板模具需要297秒，而且在加工過(guò)程中容易因?yàn)楣ぜ軣嵝巫?、余料移?dòng)觸碰激光頭，造成激光頭報(bào)警終止切割，如果因此引起工件整體移動(dòng)，工件切割需要重新定位甚至造成廢件；通過(guò)設(shè)置打標(biāo)原點(diǎn)定位裝置，激光切割裝配模具需要27秒（見(jiàn)圖6），工件的安裝和拆卸需要76秒，完成一件切割需要103秒。

圖6 切割器計(jì)時(shí)

4 設(shè)備故障分析

激光切割機(jī)所需要的高壓空氣由空壓機(jī)制造產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)、凈化、干燥，作為系統(tǒng)風(fēng)源，其中該切割機(jī)采用的是淺層再生吸附式壓縮空氣干燥器，該干燥器采用雙氣室（見(jiàn)圖7）提供高壓干燥過(guò)濾，一個(gè)氣室儲(chǔ)存壓力干燥同時(shí)另一個(gè)氣室向系統(tǒng)提供干燥高壓風(fēng)，兩氣室交替工作，最終兩氣室含有雜質(zhì)和水分的空氣在電磁閥作用下控制排放閥排出。切割機(jī)使用一年半多后，在一次切割材料時(shí)發(fā)現(xiàn)氣室壓力一直上升且不排氣，經(jīng)過(guò)拆檢發(fā)現(xiàn)放氣閥閥芯斷裂，活塞閥門被頂死，無(wú)法控制閥門排氣。閥芯螺桿每3分鐘往復(fù)一次，排氣時(shí)壓力1.6MPa，沖擊載荷比較大，初步懷疑是螺桿的疲勞拉伸造成的。后期通過(guò)計(jì)算比較，螺桿材質(zhì)所能承受的拉伸力是其在當(dāng)前環(huán)境下受力的13倍，通過(guò)螺桿斷面（見(jiàn)圖8）分析來(lái)看，主要原因是螺桿加工過(guò)程中螺桿車絲引起材質(zhì)裂紋，導(dǎo)致閥芯螺桿最終斷裂。通過(guò)測(cè)繪加工，選擇相同不銹鋼材質(zhì)加工備件使用，目前應(yīng)有近半年工作正常。

圖7 雙氣室工作圖

圖8 斷裂活塞

5 結(jié)論

激光切割機(jī)是高科技的時(shí)代產(chǎn)物，集中了當(dāng)前比較先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)也體現(xiàn)了對(duì)電氣、液壓、機(jī)械及自動(dòng)化控制的綜合水平，隨著科技不斷發(fā)展，創(chuàng)新不斷深入，激光技術(shù)和操作水平會(huì)越來(lái)越人性化，激光技術(shù)也會(huì)日趨成熟，并充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。