穿孔监测在激光切割上的应用

郭宇

[摘    要]与传统切割方法相比，激光切割具有明显的优势。激光切割采用非接触加工技术，切割精度高，缝窄效果明显。在当前的工业形

势下，激光切割的优势已经得到了广泛的认可，国内的钣金行业在多年的发展过程中不断地改进了对加工材料的切割工艺，大大提高了生产效率，此外还表现出降低生产成本和提高切割质量的优势。随着制造业的进一步发展，对激光切割质量的要求越来越高，而切割后的质量检测无法满足客户及时止损、尽早干预的需求。因此，智能化过程监控成为首选解决方案，在切割前穿孔和切割中进行监测，并将信号实时反馈，确保稳定生产和较高的切割质量。

[关键词]激光切割;穿孔监测;切割中监测;切割解决方案

[中图分类号]U466;TG485 [文献标志码]A [文章编号]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统，不仅包括硬件设备、软件控制，而且生产过程监测（穿孔、切割过程监测）也极其关键。目前穿孔按照其加工特性可分为脉冲穿孔和爆破穿孔。在实际生产中，无论哪种穿孔方式都会受到以下因素的影响：焦点位置、气体压力、气体纯度、喷嘴间距、激光功率和材料质量等。这些参数往往是造成突发问题的原因，如果不能可靠地监测到穿孔结束，光学元件可能会损坏，并影响之后的切割过程。因此，穿孔监测技术（Laser PierceTec，LPT）应运而生，实现了激光切割过程中快速、干净和可复现的穿孔。该技术不仅监控穿孔过程，还可以控制穿孔过程，从而获得均匀、稳定的穿孔和表面质量，使整个穿孔过程中形成的材料飞溅明显减少。不仅减少了所需的返工量，也大大缩短了穿孔时间。

另外，LPT还确保了切割过程中更高的可靠性。实时监测到意外的切割中断，并立即将其反馈给客户的控制系统。PLC可根据客户的系统编程，自动进行“切割中断”后的动作，急停、关闭激光、降低切割速度等操作。因此，如果突发板材批次质量不一致或切割参数发生变化等情况，则不再需要機床操作人员的直接干预，系统会智能化快速反应。此外，LPT系统还可以保护常见的磨损耗材，例如，下保护玻璃和切割喷嘴等，延长了使用寿命，降低了配件成本，减少了机床的停机时间。

1 工作原理

激光穿孔监测系统通过等离子体传感器和背光反射传感器监测收集的光学信号，来实时控制激光输出的脉冲频率。通过调节穿孔过程，为激光穿孔提供了理想的激光能量。切割板材时，会产生等离子体，根据其信号的强弱，判别切割是否存在异常，进行切割中监测和控制。当孔未被穿透时，背光反射光信号（蓝色）在穿孔过程中是高于穿孔探测阈值（红色虚线）的;但是当穿透时，就会低于穿孔探测阈值（红色虚线）。同时，穿孔探测信号（红色实线）输出高电平。如图1所示。

切割中断（cut lost）是LPT系统的一个额外功能，监测依然由传感器接收的光信号完成。如果切割不良或切割中断（cut lost），切割过程中通常会产生大量等离子体;与正常切割相比，等离子体强度会显著增加。通过设置适当的强度阈值（cut error threshold），可以监测切割中断时发生的等离子体强度，如图2所示。

如图3所示，除阈值外，启动报警延迟时间设置（cut error time）可防止在短时间内超过阈值（例如，由机床板材支撑条或工件污染引起的）意外触发监控报警输出。当超过阈值且延迟时间已超时，发生切割中断，此时PLC将被告知切割中断，输出报警。切割中断延迟系数（cut error dropback）可调节超过阈值后的计时速率，数值越大，报警延迟时间越快到达。

2 现场调试中出现的主要问题及解决方案

2.1 LPT系统的搭建

传感器模组可以灵活地内置安装在激光切割头里或者同轴集成在激光器光路中。集成在激光器中有许多优势，不仅能获得优良的信号，保证了高质量的过程控制，也确保了切割头精简紧凑的空间设计，避免了穿孔时的污染飞溅物等。客户可根据激光器的类型，选择适配的传感器安装方式，如图4所示。

在客户现场进行激光穿孔监测系统LPT的安装，其中包括LPT硬件结构的搭建和LPT软件系统的调试。LPT软件系统的数据通信原理如图5所示。AE PierceTec Box根据穿孔监测传感器输出的信号进行分析，能实时监控和控制穿孔、切割过程。具备有两种功能：穿孔监测、切割中断监测。整个激光穿孔监测系统LPT（传感器集成在激光器光路里）硬件连接如图6所示。

2.2 LPT系统的参数设定

由于激光穿孔监测系统LPT只是一个监测系统，在安装初期，内部没有数据库，所以无法通过反馈的光信号，来自动定义穿孔是否穿透。只能通过安装在激光器光路上的背光反射传感器和等离子体监测传感器，在每次穿孔过程中描绘出一条实时的信号曲线。在没有强大数据源的支撑下，这些信号曲线是没有任何意义的。所以针对这一技术难点，首先在试验室进行测试，建立数据库;以减少安装调试时的工作，方便客户现场使用。采取的解决方法如下：以材料类型、气体类型、激光器类型为可变参数，利用软件编程，制定不同程序号，见表1。调节激光出光脉冲频率，通过穿孔质量的好坏、数百次优质穿孔监测信号曲线的拟合，确定与程序号匹配的激光脉冲频率，烧录在AE PierceTec Box内程序，用于实际穿孔AE PierceTec Box来控制激光器输出脉冲频率。

客户可在工控机（IPC）上安装过程监控软件（Laser Process Monitoring LPM），如图7所示，与AE PierceTec Box进行数据通信，来设置激光器类型、传感器类型、最大穿孔时间、功率系数等。并且，通过LPM软件，可记录穿孔时信号强度，如图8所示，便于穿孔后进行数据分析，来优化参数或查找问题。

2.3 LPT系统监测信号强弱的校准

由于背光反射传感器、等离子体监测传感器安装在激光器光路上，光路的同轴、安装位置等，都会影响信号的强弱。信号过强或者过弱都无法进行有效监测，这是因为LPT系统内部分析信号强度的范围和精度都有限。所以，切割头同轴校准后，在喷嘴处安装极低功率激光光源，从喷嘴处向里射入1.5 mW激光，如图9所示，模拟激光出光时的背光反射，测试监测到的信号强度。根据信号的强弱，如图10所示，调节背光反射传感器的安装位置，以达到理想的信号强度。

2.4 LPT系统测试方案和测试结果

2.4.1 LPT系统测试方案

穿孔监测测试：根据板材和气体选取AE PierceTec Box中对应的程序号，调取客户数据库中的穿孔参数，除了激光器脉冲频率，PLC可控制其他穿孔参数。编写如图11所示图形，进行穿孔;根据穿孔质量和时间，优化穿孔参数。

通过记录的信号曲线，利用分析软件LPM测量起点电脉冲和光脉冲之间的延迟，如图12所示，延迟应在200～300 μs（如信号曲线No.1）;如果数值更大，那么很可能需要优化下穿孔参数（如信号曲线No.2）;如果数值大于500 ～600 μs（如信号曲线No.3），需检查激光器和电器柜的接地，排除信号干扰;如果激光器未准备好，导致出光延迟，起初无光脉冲反馈（如信号曲线No.4）。

切割中断（cut lost）测试：首先调整切割參数，得到优质的切割质量，记录切割时的信号强度;然后，改变切割参数，促使切割质量逐渐变差，直到切不透。监测此过程信号强度变化和切割质量变化，以优化报警参数，致使切割中断报警能有效触发。同时，两种情况下切割时的信号强度需进行比较分析。

2.4.2 LPT系统测试结果

如表2和图13所示，以激光功率4 kW穿孔举例，穿孔时间大大减少;适用于所有轮廓尺寸，即使是小轮廓;穿孔后板材不会过热，而是温的，从而减少了板材受热变形的风险;提高了板材切割效率，无需散热;引线更简单，可以更短。

穿孔质量对比（带穿孔监测VS无穿孔监测）如图14和图15所示，穿孔质量明显提高;板材表面飞溅较少，避免影响切割中随动;穿孔稳定，不易暴孔，减少了喷嘴、下保护镜等损耗;避免了材料的浪费。

切割过程信号对比：调整好切割参数后，优质切割质量的信号强度如图16所示（举例），信号强度大约在450 000左右。

切割稳定后，不断提高切割速度，如图17所示，等离子体信号强度开始增加，信号强度大约在500 000以上，超过设置的报警延迟时间，AE PierceTec Box输出报警给PCL，切割中断。另外，更改其他切割参数（切割气压、焦点位置、随动距离、激光功率等）造成切割不稳定后（切不透冒蓝光等），报警依然能正常输出。根据客户要求的切割质量，分析测试样品的切割质量，优化参数设置，再进行多次测试，验证传感器工作正常。

3 结语

LPT系统在实际切割生产过程中起到了对整个过程的智能化监控，减少了操作人员的人工干预，大大提高了生产安全性。该系统的调试不仅涉及前期硬件连接和信号通信，而且需要长时间的后期现场测试、优化参数等。只有处理好安装过程中遇到的实际问题，并调试好稳定、有效的信号反馈，才能确保LPT系统发挥最大的监测效用，并保证整个项目的顺利运行。

参考文献

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[2] 曹凤国.激光加工[M].北京：化学工业出版社，2015.

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