激光等離子云穿孔檢測技術的開發與應用

吳許祥，孫斌，方亮，盧源，丁慶偉，戴樹晶，沈店祥，陳金盛

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

1 研究背景

在激光切割機生產加工過程中，需先對工件進行穿孔處理再進行切割操作。受所切割板材位置不同，密度不均勻、板材整體不平整、不同切割時長下板材溫差較大等外界因素影響，每次穿孔過程的實際用時并不相同。

傳統的激光切割設備是無法辨別激光是否穿透板材的，只能依靠激光切割機主控系統設定的時間參數來定時結束穿孔過程。該方式會衍生出兩個問題：①激光穿孔過程中由于多種因素的干擾使激光穿孔時間難以保持一個定值，時間設置太長則板材易過燒，且極大降低了生產效率；時間設置太短，則激光無法有效穿透板材，造成起刀處工件損壞甚至出現整個工件無法切透現象；②由于激光穿孔時間很難保持一個固定值，因此用戶在設置該參數時往往比較保守，造成加工時間浪費。

2 功能實現

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，使表面溫度升高達到熔（沸）點，同時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。通過控制運動裝置，切割頭按照預定線路運動，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，金屬材料表面發生的變化也不一樣。一般而言，當金屬材料表面的激光功率密度達到10MW/cm2數量級時，金屬材料表面會迅速升溫至材料的沸點，強烈汽化成金屬蒸汽。當金屬材料表面的激光功率密度超過100MW/cm2數量級時，未能及時排走的金屬蒸汽會被激光能量重新加熱，形成等離子云。

2.2 穿孔檢測技術的實現

如圖2 所示為穿孔檢測功能流程圖。當激光照射至穿孔產生的等離子云體上時，有一定的反射信號傳輸至切割頭內部傳感器（信號強度受板材穿透與否影響），通過數控系統對切割頭反饋穿孔檢測信號強度的識別和處理，得到相應的參數數據，與參數庫中設定的閾值進行對比，并對是否滿足穿孔完成條件迅速做出判斷，若滿足，結束穿孔過程并轉入切割過程；若不滿足，界面生成報警，提醒客戶檢查相關事宜，確認硬件是否損壞，切割頭內部鏡片是否污染，以此提高批量生產的穩定性。該功能使得激光切割設備可有效獲取到激光穿透板材的狀態反饋，及時控制穿孔過程，進而提升設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信號波形圖，其值位于區間200～10000（可理解為激光反射強度2%～100%）。在反饋信號的實時采集過程中，圖中標識區域為記錄的穿孔過程反饋信號，信號輸出穩定，穿孔過程與穿透瞬間反饋值差異較大，具有良好的辨識度。

圖3 反射信號波形圖

在信號識別程序中，當程序啟用時，對穿孔檢測信號設定閾值，當穿孔檢測信號值低于閾值時，立即結束穿孔并進入切割過程。

3 等離子云穿孔檢測技術的應用

以15kW 20mm 不銹鋼氮氣穿孔為例（連續穿孔81 次）。

如圖4a 所示為不開啟穿孔檢測功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時1′41″，工件底部穿孔位置有過燒現象，且整體表面發黑。

圖4 穿孔檢測試驗

圖4b 所示為開啟穿孔檢測功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時49s，工件底部穿孔位置無過燒現象，且整體表面潔凈。

再以15kW 25mm 碳鋼板氧氣穿孔為例（連續穿孔20 次）。

如圖5a 所示為不開啟穿孔檢測功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時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功能下，板材底部穿孔效果，全程耗時25s，工件底部穿孔孔徑較小，熔渣較小，更利于小孔切割。

圖5 穿孔檢測試驗

4 結束語

穿孔檢測功能的開發與應用，不但在保證機床穩定運行的前提下大大提升了客戶現場的加工效率，還在一定程度上提升了穿孔質量，為部分客戶特殊工件的下一道切割工序打下了良好基礎。