穿孔監測在激光切割上的應用

郭宇

[摘? ? 要]與傳統切割方法相比，激光切割具有明顯的優勢。激光切割采用非接觸加工技術，切割精度高，縫窄效果明顯。在當前的工業形

勢下，激光切割的優勢已經得到了廣泛的認可，國內的鈑金行業在多年的發展過程中不斷地改進了對加工材料的切割工藝，大大提高了生產效率，此外還表現出降低生產成本和提高切割質量的優勢。隨著制造業的進一步發展，對激光切割質量的要求越來越高，而切割后的質量檢測無法滿足客戶及時止損、盡早干預的需求。因此，智能化過程監控成為首選解決方案，在切割前穿孔和切割中進行監測，并將信號實時反饋，確保穩定生產和較高的切割質量。

[關鍵詞]激光切割;穿孔監測;切割中監測;切割解決方案

[中圖分類號]U466;TG485 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–000–04

Application of Perforation Monitoring in Laser Cutting

Guo Yu

[Abstract]Compared with traditional cutting methods， laser cutting has obvious advantages. Laser cutting adopts non-contact technology， with high cutting precision and obvious narrow seam effect. In the current industrial situation， the advantages of laser cutting have been widely recognized. The domestic sheet metal industry has continuously improved the cutting process of processing materials in the development process of many years， greatly improving the production efficiency. In addition， it also shows the advantages of reducing production costs and improving the cutting quality. However， with the further development of the manufacturing industry， the requirements for the quality of laser cutting are higher and higher， and the quality detection after cutting can not meet the needs of customers' timely stop loss and early intervention. Therefore， intelligent process monitoring has become the preferred solution， monitoring before and during cutting， real-time signal feedback to ensure stable production and high cutting quality.

[Keywords]laser cutting; Perforation monitoring; monitoring during cutting; cutting solutions

一套完整的激光切割系統，不僅包括硬件設備、軟件控制，而且生產過程監測（穿孔、切割過程監測）也極其關鍵。目前穿孔按照其加工特性可分為脈沖穿孔和爆破穿孔。在實際生產中，無論哪種穿孔方式都會受到以下因素的影響：焦點位置、氣體壓力、氣體純度、噴嘴間距、激光功率和材料質量等。這些參數往往是造成突發問題的原因，如果不能可靠地監測到穿孔結束，光學元件可能會損壞，并影響之后的切割過程。因此，穿孔監測技術（Laser PierceTec，LPT）應運而生，實現了激光切割過程中快速、干凈和可復現的穿孔。該技術不僅監控穿孔過程，還可以控制穿孔過程，從而獲得均勻、穩定的穿孔和表面質量，使整個穿孔過程中形成的材料飛濺明顯減少。不僅減少了所需的返工量，也大大縮短了穿孔時間。

另外，LPT還確保了切割過程中更高的可靠性。實時監測到意外的切割中斷，并立即將其反饋給客戶的控制系統。PLC可根據客戶的系統編程，自動進行“切割中斷”后的動作，急停、關閉激光、降低切割速度等操作。因此，如果突發板材批次質量不一致或切割參數發生變化等情況，則不再需要機床操作人員的直接干預，系統會智能化快速反應。此外，LPT系統還可以保護常見的磨損耗材，例如，下保護玻璃和切割噴嘴等，延長了使用壽命，降低了配件成本，減少了機床的停機時間。

1 工作原理

激光穿孔監測系統通過等離子體傳感器和背光反射傳感器監測收集的光學信號，來實時控制激光輸出的脈沖頻率。通過調節穿孔過程，為激光穿孔提供了理想的激光能量。切割板材時，會產生等離子體，根據其信號的強弱，判別切割是否存在異常，進行切割中監測和控制。當孔未被穿透時，背光反射光信號（藍色）在穿孔過程中是高于穿孔探測閾值（紅色虛線）的;但是當穿透時，就會低于穿孔探測閾值（紅色虛線）。同時，穿孔探測信號（紅色實線）輸出高電平。如圖1所示。

切割中斷（cut lost）是LPT系統的一個額外功能，監測依然由傳感器接收的光信號完成。如果切割不良或切割中斷（cut lost），切割過程中通常會產生大量等離子體;與正常切割相比，等離子體強度會顯著增加。通過設置適當的強度閾值（cut error threshold），可以監測切割中斷時發生的等離子體強度，如圖2所示。

如圖3所示，除閾值外，啟動報警延遲時間設置（cut error time）可防止在短時間內超過閾值（例如，由機床板材支撐條或工件污染引起的）意外觸發監控報警輸出。當超過閾值且延遲時間已超時，發生切割中斷，此時PLC將被告知切割中斷，輸出報警。切割中斷延遲系數（cut error dropback）可調節超過閾值后的計時速率，數值越大，報警延遲時間越快到達。

2 現場調試中出現的主要問題及解決方案

2.1 LPT系統的搭建

傳感器模組可以靈活地內置安裝在激光切割頭里或者同軸集成在激光器光路中。集成在激光器中有許多優勢，不僅能獲得優良的信號，保證了高質量的過程控制，也確保了切割頭精簡緊湊的空間設計，避免了穿孔時的污染飛濺物等。客戶可根據激光器的類型，選擇適配的傳感器安裝方式，如圖4所示。

在客戶現場進行激光穿孔監測系統LPT的安裝，其中包括LPT硬件結構的搭建和LPT軟件系統的調試。LPT軟件系統的數據通信原理如圖5所示。AE PierceTec Box根據穿孔監測傳感器輸出的信號進行分析，能實時監控和控制穿孔、切割過程。具備有兩種功能：穿孔監測、切割中斷監測。整個激光穿孔監測系統LPT（傳感器集成在激光器光路里）硬件連接如圖6所示。

2.2 LPT系統的參數設定

由于激光穿孔監測系統LPT只是一個監測系統，在安裝初期，內部沒有數據庫，所以無法通過反饋的光信號，來自動定義穿孔是否穿透。只能通過安裝在激光器光路上的背光反射傳感器和等離子體監測傳感器，在每次穿孔過程中描繪出一條實時的信號曲線。在沒有強大數據源的支撐下，這些信號曲線是沒有任何意義的。所以針對這一技術難點，首先在試驗室進行測試，建立數據庫;以減少安裝調試時的工作，方便客戶現場使用。采取的解決方法如下：以材料類型、氣體類型、激光器類型為可變參數，利用軟件編程，制定不同程序號，見表1。調節激光出光脈沖頻率，通過穿孔質量的好壞、數百次優質穿孔監測信號曲線的擬合，確定與程序號匹配的激光脈沖頻率，燒錄在AE PierceTec Box內程序，用于實際穿孔AE PierceTec Box來控制激光器輸出脈沖頻率。

客戶可在工控機（IPC）上安裝過程監控軟件（Laser Process Monitoring LPM），如圖7所示，與AE PierceTec Box進行數據通信，來設置激光器類型、傳感器類型、最大穿孔時間、功率系數等。并且，通過LPM軟件，可記錄穿孔時信號強度，如圖8所示，便于穿孔后進行數據分析，來優化參數或查找問題。

2.3 LPT系統監測信號強弱的校準

由于背光反射傳感器、等離子體監測傳感器安裝在激光器光路上，光路的同軸、安裝位置等，都會影響信號的強弱。信號過強或者過弱都無法進行有效監測，這是因為LPT系統內部分析信號強度的范圍和精度都有限。所以，切割頭同軸校準后，在噴嘴處安裝極低功率激光光源，從噴嘴處向里射入1.5 mW激光，如圖9所示，模擬激光出光時的背光反射，測試監測到的信號強度。根據信號的強弱，如圖10所示，調節背光反射傳感器的安裝位置，以達到理想的信號強度。

2.4 LPT系統測試方案和測試結果

2.4.1 LPT系統測試方案

穿孔監測測試：根據板材和氣體選取AE PierceTec Box中對應的程序號，調取客戶數據庫中的穿孔參數，除了激光器脈沖頻率，PLC可控制其他穿孔參數。編寫如圖11所示圖形，進行穿孔;根據穿孔質量和時間，優化穿孔參數。

通過記錄的信號曲線，利用分析軟件LPM測量起點電脈沖和光脈沖之間的延遲，如圖12所示，延遲應在200～300 μs（如信號曲線No.1）;如果數值更大，那么很可能需要優化下穿孔參數（如信號曲線No.2）;如果數值大于500 ～600 μs（如信號曲線No.3），需檢查激光器和電器柜的接地，排除信號干擾;如果激光器未準備好，導致出光延遲，起初無光脈沖反饋（如信號曲線No.4）。

切割中斷（cut lost）測試：首先調整切割參數，得到優質的切割質量，記錄切割時的信號強度;然后，改變切割參數，促使切割質量逐漸變差，直到切不透。監測此過程信號強度變化和切割質量變化，以優化報警參數，致使切割中斷報警能有效觸發。同時，兩種情況下切割時的信號強度需進行比較分析。

2.4.2 LPT系統測試結果

如表2和圖13所示，以激光功率4 kW穿孔舉例，穿孔時間大大減少;適用于所有輪廓尺寸，即使是小輪廓;穿孔后板材不會過熱，而是溫的，從而減少了板材受熱變形的風險;提高了板材切割效率，無需散熱;引線更簡單，可以更短。

穿孔質量對比（帶穿孔監測VS無穿孔監測）如圖14和圖15所示，穿孔質量明顯提高;板材表面飛濺較少，避免影響切割中隨動;穿孔穩定，不易暴孔，減少了噴嘴、下保護鏡等損耗;避免了材料的浪費。

切割過程信號對比：調整好切割參數后，優質切割質量的信號強度如圖16所示（舉例），信號強度大約在450 000左右。

切割穩定后，不斷提高切割速度，如圖17所示，等離子體信號強度開始增加，信號強度大約在500 000以上，超過設置的報警延遲時間，AE PierceTec Box輸出報警給PCL，切割中斷。另外，更改其他切割參數（切割氣壓、焦點位置、隨動距離、激光功率等）造成切割不穩定后（切不透冒藍光等），報警依然能正常輸出。根據客戶要求的切割質量，分析測試樣品的切割質量，優化參數設置，再進行多次測試，驗證傳感器工作正常。

3 結語

LPT系統在實際切割生產過程中起到了對整個過程的智能化監控，減少了操作人員的人工干預，大大提高了生產安全性。該系統的調試不僅涉及前期硬件連接和信號通信，而且需要長時間的后期現場測試、優化參數等。只有處理好安裝過程中遇到的實際問題，并調試好穩定、有效的信號反饋，才能確保LPT系統發揮最大的監測效用，并保證整個項目的順利運行。

參考文獻

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