激光标刻技术在自由锻生产中的应用

文/王炳正，杨武，杨宪军，王军军·兰州兰石铸锻有限责任公司

针对当前自由锻产品标识与信息溯源追踪方面存在的不足，在锻造生产过程采用激光标刻技术替代人工砸号，提高生产效率与产品质量，同时为库存管理和生产过程追踪的信息化提供了有效的手段。该研究为锻件的全生命周期管理以及逐只跟踪提供了新的方法和技术，有利于自由锻数字化车间的建设。

自由锻毛坯件生产属于单件小批量零散生产模式，产品的标识问题始终困扰着各个锻件生产厂商，尤其是应用信息化管理系统，由于缺乏对物料追溯的有效手段，难以实现精细化生产管理。激光标刻属于DPM方法中的一种，工作原理是利用激光高温快速烧蚀金属表面，形成可识别的信息编码，碳钢表面进行激光标刻技术已经较为成熟。激光标刻技术已开始应用在物料追溯领域，在自由锻行业，由于其产品的特殊性，尚没有应用激光标刻的先例。

我公司承接国家智能制造新模式项目，应用激光标刻技术实现自由锻毛坯件的产品全生命周期追溯，探索自由锻数字化车间建设新模式。

激光标刻工作原理及参数选型

激光自腔体中产生后，电机驱动器根据其输入的控制信号实现对X轴振镜电机及Y轴振镜电机位置的控制，两路电机的相互运动使入射激光的聚焦点在一个X-Y二维平面内运动，场镜系统将激光束聚焦到一个点，使激光能量集中，完成对物料的精细化加工，激光直接标刻线条精细，在金属表面可以实现类似于纸张打印效果，如图1所示。

图1 激光标刻系统工作原理示意图

我公司锻件产品涵盖1kg到50t，产品形状吨位跨度大，工况较为复杂，平面不平整导致焦距定位精度存在问题，且考虑到锻件密度高难以烧蚀，激光器选用IPG公司的YLPN-1-100-100W激光发生器，参数如表1所示。

表1 YLPN-1-100-100W各项参数

工艺流程及试验效果

针对锻件生产过程，制定基于激光的标刻生产流程如图2所示。

图2 激光标刻生产工艺流程示意图

在全序锻造生产过程中，进行激光标刻主要有四个工序点：

⑴原材料钢锭的激光标刻，需在钢锭表面标刻炉号、材质、重量以及质量信息追溯二维码，经过试验验证，在钢锭粗糙表面，激光标刻清晰，二维码可识别（图3），较传统的油漆书写，更加的规范，涵盖信息更丰富，而且信息由MES系统直接读取，书写错误率大大降低。

图3 激光在钢锭表面标刻

⑵锻造成形后对毛坯进行标识，等待热处理，需标识追溯号，由于锻件在热处理过程中长时间处于高温状态，表面产生2mm以上的氧化皮，对标识有极大的难度，通过试验对比，采用150W激光，三次烧结，热处理后标识清晰可辨别（图4），采用传统人工砸号的操作方式，如果用力较轻或用力不均会造成无法识别的情况（图5）。

图4 激光标刻锻件热处理后效果

图5 人工砸号热处理后效果

⑶热处理后如直接毛坯交货，直接根据锻件表面追溯号，查找MES系统，生成需标刻的产品信息完成表面激光标刻，如果该锻件不属于不锈钢，则还需经过防锈处理，最后基于PDA扫码和MES集成，实现入库管理（图6）。

图6 激光在毛坯交货锻件表面标刻

⑷粗加工交货的产品，加工以后根据锻件表面前期激光标刻追溯号，查找MES系统，生成二维码数据，最后基于PDA扫码和MES集成，实现入库管理，加工后表面激光标识效果非常好（图7），可以大幅的提高公司产品的形象。

图7 激光标刻效果（a）、人工砸号效果（b）

结论

经过生产全序的工艺验证，激光标刻与传统人工砸号相比有其独有的优势，其可通过激光自定位实现自动二维码标刻，通过扫码PDA系统可以实现物料识别、跟踪与管理，既明显提高了成品的管理效率，又降低了期间的人力消耗，是自由锻数字化车间建设不可缺少的物联手段。