激光切割中的問題處理

胡延軍

山東魯碧建材有限公司，山東濟南，271103

0 引言

隨著技術不斷發展，設備、備品、備件有了更高的質量加工要求，普通板材切割方式方法已經無法滿足設備高精度、高質量運轉需求。比如，火焰切割、等離子切割中最大的問題是材料加工精度比較低，想要得到光潔度相對較高的材料需要機加工進一步加工，更多時候兩種切割是作為一道加工工序，輔助設備制造加工。根據設備加工需求，某公司引進一臺功率為三千瓦的大族6025F激光板材切割機。通過兩年的使用運行，激光切割機充分發揮了它的優勢，目前已全面取代傳統切割機。通過在操作工藝上的不斷調整和優化，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結合，同時也綜合評估切割后熔渣排泄、反濺、反光燒鏡等諸多因素的影響，形成了不同板材、板厚的材料標準工藝，其中包含了大量輔助工具的應用。

1 激光切割原理

激光的原理是光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。微觀粒子都具有特定的一套能級（通常這些能級是分立的）。任一時刻粒子只能處在與某一能級相對應的狀態（或者簡單地表述為處在某一個能級上）。與光子相互作用時，粒子從一個能級躍遷到另一個能級，并相應地吸收或輻射光子。激光切割就是將輻射光子通過透鏡層層收集、聚焦形成激光束，通過激光頭將激光束照射到工件表面，釋放出高能量來使工件融化并蒸發，以達到切割和雕刻的目的，同時借助與光束同軸的高速氣流去除熔融物質，從而實現工件切割，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。①激光的高單色性保證了光束能精確地聚焦到焦點上，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的距離；③激光的高相干性主要用來描述光波各個部分的相位關系；④激光的高亮度，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，能在焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能加工幾乎所有的材料。正是因為激光具有以上特性，使得激光在切割鋼材時切割質量好，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量；激光氣割切口細窄、切縫兩面平行，切割表面光潔美觀，精度可達到2絲；材料經過激光切割后，熱影響區寬度很小，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。隨著激光技術的不斷發展，激光切割正從輕工業薄板的鈑金加工向著重工業厚板切割方向發展[2]。

2 激光切割機操作平臺上的改進

2.1 地線接地不良的改進

設備安裝初期，根據廠家要求對設備做了接地保護，采用10毫米厚銅板埋到地下2.5米以下。但是，在設備測試期間接地電阻在50歐左右，設備測試期間沒有引起切割問題。在使用半年左右，設備檢測所有水溫模塊顯示正常區間值，但是，實際激光頭冷水溫度過低，模塊3中實際溫度降低到-2攝氏度，各檢測儀器均未出現報警，這種情況非常危險，嚴重時會破壞激光頭性能；另外也出現了設備顯示器顯示激光頭處于正常切割狀態，實際激光頭已經不出光的現象，類似于激光頭切換在預切狀態。經過仔細排查和分析，最終原因還是因為接地電阻太大，阻值變化引起了切割電流紊亂，出現飄零，部分數據處于失真狀態造成的。為了更好地改善接地電阻，嘗試從不同位置多地點接地，最終因為廠房所屬地下屬于石土回填區，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，內部填滿工業鹽、蓄水巖棉，巖棉上部不斷加注清水，讓水池內部始終保持一定的水量，通過鹽水增加導電性，改善設備與大地的局部接地阻值。經過大約2周時間，后續通過連續測量接地線，實現了地線阻值處于3～7歐之間，設備飄零等問題沒有再發生[3]。

2.2 打標過程改進

激光切割機使用HANS 801操作系統，床身板材加工尺寸6米*2.5米，采用雙床身送料模式，在一定程度上節省了激光切割的換料時間，實現了“換料-切割”同時進行模式，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，大部分用時在15～20分鐘，這一時間對于床身卸料、換料是足夠的。但是，兩床身在交替使用時，激光頭要重新對激光器交換后的床身進行定位，激光器通過發給伺服電機指令，激光頭移到標定塊上，先進行鏡頭的清掃，然后通過紅光檢測床身平臺位置，從而限定激光頭的工作位置，這一標定過程稱為激光頭的打標（見圖1）。只要床身更換或設備重啟，都要進行激光頭打標，標定過程一般需要35～40秒，通過打標，激光切割機能夠識別當前使用床身。打標結束后，激光頭移到材料區，再次對板材厚度進行檢測，確認板材厚度，激光器會自動選取該板材該厚度下的相對應的切割參數。

圖1 標定塊打標

經過長期操作調整，我們在激光頭打標過程中，越過激光頭對標定塊的檢測，直接在當前材料的切割位置處進行打標（見圖2），打標結束后直接進入切割模式，省略了激光頭打標標定塊的過程和激光頭手動尋找材料起始切割位置的過程。通過兩者打標前后對比，發現對激光頭的切割基本沒有影響，但是對于切割頭的工作時間可以節約近3分鐘。

圖2 Q235 打標

打標斜線表示板材表面光潔度（精度），斜線越平滑，激光檢測到的材料表面光潔度越高，激光頭跟蹤板材起伏越小，板材在加工過程中的速度增加，輔助（比如氣壓、氣量、伺服耗電）等都會減少，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

該激光切割系統在切割材料時，激光器為保護激光頭鏡片因材料余料變形不受傷害，材料邊界線以內1厘米是材料的有效切割范圍，也就是說材料切割結束會留下一寬度1厘米的邊框廢料，不僅對材料是一種浪費，對邊框廢料清理也比較困難。而且當板材不能整張使用時，也就是激光二次切割時會以上次切割剩余部分邊界作為邊框處理，又會出現一個1厘米寬的邊框，對于不連續切割和余料切割來說是非常不利的。

經過長期實驗和對激光頭的研究，發現激光頭在切割時對定位點要求有一個明顯特點：激光頭只能檢測到激光頭正下方很小的區域內（約1mm2）,如果該區材質是實體，激光頭就能檢測到并能進行實際切割，如果該區域是虛體，激光頭會發出警告無法切割。為此公司在進行余料加工和邊框處理時會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行無縫對接，激光頭系統自帶跟從功能，能夠識別細微的板材起伏或局部突變，激光頭在切到邊界線位置時就會平滑地過渡，實現了邊框的切割，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。對于余料邊框可以通過設置，調整盡可能小的邊距，為防止余料因尺寸小更容易發生變形，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），預加在余料上一部分約束力。目前隨著設備不斷更新換代，余料切除系統也逐步應用到新的激光設備，對板材加工更方便。

3 激光操作系統的改進

激光切割零點的標定是手動調整到切割原點再進行切割，只有給激光賦予一個坐標，激光器才能按圖切割。這就造成每切割完成一個工件后就要對第二個工件重新進行尋點，而且手動尋點的精度是通過打紅光決定。以綠色裝配建筑模具（見圖3）加工為例，激光在切割角鋼結束后，在切割下一工件時，激光頭需要重新定位切割位置，否則激光無法識別起始坐標。

圖3 綠色裝配建筑模具

為了實現激光切割機連續工作，減少激光尋點定位時間，提高切割精度，可利用角鋼做加緊裝置，通過螺栓進行調節，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，平板上部提前做好打標點。激光頭經過毛刷清理，光標定位后確定切割平臺，激光頭紅光手動調節到達標位置，并對位置坐標進行鎖定，啟動工作按鈕，激光頭按照圖紙黃色路徑進行切割（見圖5）。模具裝夾機構實現了立體工件的平面切割，被切割工件利用平板端面基準進行定位后，提高了裝夾定位的勞動效率，方便工件固定和拆裝；激光頭位置被鎖定在打標點位置，每完成一次切割，激光頭被移動到其他任何位置，完成切割的工件拆下，激光頭在進行下一工件切割時，通過自動尋點回到打標點，重復以上切割路徑。此過程利用設置打標點，激光頭自動找到坐標位置，提高工作中坐標原點的精度，實現自動切割。

圖4 定位平板

圖5 切割路徑

沒有定位模具前，加工一件1.2米的疊合板模具需要297秒，而且在加工過程中容易因為工件受熱形變、余料移動觸碰激光頭，造成激光頭報警終止切割，如果因此引起工件整體移動，工件切割需要重新定位甚至造成廢件；通過設置打標原點定位裝置，激光切割裝配模具需要27秒（見圖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 切割器計時

4 設備故障分析

激光切割機所需要的高壓空氣由空壓機制造產生，經過存儲、凈化、干燥，作為系統風源，其中該切割機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（見圖7）提供高壓干燥過濾，一個氣室儲存壓力干燥同時另一個氣室向系統提供干燥高壓風，兩氣室交替工作，最終兩氣室含有雜質和水分的空氣在電磁閥作用下控制排放閥排出。切割機使用一年半多后，在一次切割材料時發現氣室壓力一直上升且不排氣，經過拆檢發現放氣閥閥芯斷裂，活塞閥門被頂死，無法控制閥門排氣。閥芯螺桿每3分鐘往復一次，排氣時壓力1.6MPa，沖擊載荷比較大，初步懷疑是螺桿的疲勞拉伸造成的。后期通過計算比較，螺桿材質所能承受的拉伸力是其在當前環境下受力的13倍，通過螺桿斷面（見圖8）分析來看，主要原因是螺桿加工過程中螺桿車絲引起材質裂紋，導致閥芯螺桿最終斷裂。通過測繪加工，選擇相同不銹鋼材質加工備件使用，目前應有近半年工作正常。

圖7 雙氣室工作圖

圖8 斷裂活塞

5 結論

激光切割機是高科技的時代產物，集中了當前比較先進的技術，同時也體現了對電氣、液壓、機械及自動化控制的綜合水平，隨著科技不斷發展，創新不斷深入，激光技術和操作水平會越來越人性化，激光技術也會日趨成熟，并充分發揮它的優勢。