激光切割中的问题处理

2022-02-24胡延军

新型工业化 2022年12期

胡延军

山东鲁碧建材有限公司，山东济南，271103

0 引言

随着技术不断发展，设备、备品、备件有了更高的质量加工要求，普通板材切割方式方法已经无法满足设备高精度、高质量运转需求。比如，火焰切割、等离子切割中最大的问题是材料加工精度比较低，想要得到光洁度相对较高的材料需要机加工进一步加工，更多时候两种切割是作为一道加工工序，辅助设备制造加工。根据设备加工需求，某公司引进一台功率为三千瓦的大族6025F激光板材切割机。通过两年的使用运行，激光切割机充分发挥了它的优势，目前已全面取代传统切割机。通过在操作工艺上的不断调整和优化，全面考虑切割前切割速度、切割气体、切割压力及一二段的穿孔等因素的有机结合，同时也综合评估切割后熔渣排泄、反溅、反光烧镜等诸多因素的影响，形成了不同板材、板厚的材料标准工艺，其中包含了大量辅助工具的应用。

1 激光切割原理

激光的原理是光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。激光切割就是将辐射光子通过透镜层层收集、聚焦形成激光束，通过激光头将激光束照射到工件表面，释放出高能量来使工件融化并蒸发，以达到切割和雕刻的目的，同时借助与光束同轴的高速气流去除熔融物质，从而实现工件切割，激光切割属于热切割方法之一[1]。激光就其自身有以下特点。①激光的高单色性保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度；②激光的高方向性决定了其能有效地传递较长的距离；③激光的高相干性主要用来描述光波各个部分的相位关系；④激光的高亮度，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎所有的材料。正是因为激光具有以上特性，使得激光在切割钢材时切割质量好，由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，激光切割能够获得较好的切割质量；激光气割切口细窄、切缝两面平行，切割表面光洁美观，精度可达到2丝；材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，加工成本低。随着激光技术的不断发展，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展[2]。

2 激光切割机操作平台上的改进

2.1 地线接地不良的改进

设备安装初期，根据厂家要求对设备做了接地保护，采用10毫米厚铜板埋到地下2.5米以下。但是，在设备测试期间接地电阻在50欧左右，设备测试期间没有引起切割问题。在使用半年左右，设备检测所有水温模块显示正常区间值，但是，实际激光头冷水温度过低，模块3中实际温度降低到-2摄氏度，各检测仪器均未出现报警，这种情况非常危险，严重时会破坏激光头性能；另外也出现了设备显示器显示激光头处于正常切割状态，实际激光头已经不出光的现象，类似于激光头切换在预切状态。经过仔细排查和分析，最终原因还是因为接地电阻太大，阻值变化引起了切割电流紊乱，出现飘零，部分数据处于失真状态造成的。为了更好地改善接地电阻，尝试从不同位置多地点接地，最终因为厂房所属地下属于石土回填区，效果不理想。为了能够改善接地最值，最终选择在地线位置处垒砌面积1平方米、高0.5米的水泥框，内部填满工业盐、蓄水岩棉，岩棉上部不断加注清水，让水池内部始终保持一定的水量，通过盐水增加导电性，改善设备与大地的局部接地阻值。经过大约2周时间，后续通过连续测量接地线，实现了地线阻值处于3～7欧之间，设备飘零等问题没有再发生[3]。

2.2 打标过程改进

激光切割机使用HANS 801操作系统，床身板材加工尺寸6米*2.5米，采用双床身送料模式，在一定程度上节省了激光切割的换料时间，实现了“换料-切割”同时进行模式，而且，激光在切割整张板材（6米*1.5米、6米*1.8米、6米*2米等）时，大部分用时在15～20分钟，这一时间对于床身卸料、换料是足够的。但是，两床身在交替使用时，激光头要重新对激光器交换后的床身进行定位，激光器通过发给伺服电机指令，激光头移到标定块上，先进行镜头的清扫，然后通过红光检测床身平台位置，从而限定激光头的工作位置，这一标定过程称为激光头的打标（见图1）。只要床身更换或设备重启，都要进行激光头打标，标定过程一般需要35～40秒，通过打标，激光切割机能够识别当前使用床身。打标结束后，激光头移到材料区，再次对板材厚度进行检测，确认板材厚度，激光器会自动选取该板材该厚度下的相对应的切割参数。

图1 标定块打标

经过长期操作调整，我们在激光头打标过程中，越过激光头对标定块的检测，直接在当前材料的切割位置处进行打标（见图2），打标结束后直接进入切割模式，省略了激光头打标标定块的过程和激光头手动寻找材料起始切割位置的过程。通过两者打标前后对比，发现对激光头的切割基本没有影响，但是对于切割头的工作时间可以节约近3分钟。

图2 Q235 打标

打标斜线表示板材表面光洁度（精度），斜线越平滑，激光检测到的材料表面光洁度越高，激光头跟踪板材起伏越小，板材在加工过程中的速度增加，辅助（比如气压、气量、伺服耗电）等都会减少，尤其是激光头的跟从功能变化明显。

2.3 激光器余料裁剪改进

该激光切割系统在切割材料时，激光器为保护激光头镜片因材料余料变形不受伤害，材料边界线以内1厘米是材料的有效切割范围，也就是说材料切割结束会留下一宽度1厘米的边框废料，不仅对材料是一种浪费，对边框废料清理也比较困难。而且当板材不能整张使用时，也就是激光二次切割时会以上次切割剩余部分边界作为边框处理，又会出现一个1厘米宽的边框，对于不连续切割和余料切割来说是非常不利的。

经过长期实验和对激光头的研究，发现激光头在切割时对定位点要求有一个明显特点：激光头只能检测到激光头正下方很小的区域内（约1mm2）,如果该区材质是实体，激光头就能检测到并能进行实际切割，如果该区域是虚体，激光头会发出警告无法切割。为此公司在进行余料加工和边框处理时会在切割头起始位置和终止位置贴一小块钢板，钢板与材料用小磁铁进行无缝对接，激光头系统自带跟从功能，能够识别细微的板材起伏或局部突变，激光头在切到边界线位置时就会平滑地过渡，实现了边框的切割，方便余料处理，这一操作需要了解激光起始和终止切割位置。对于余料边框可以通过设置，调整尽可能小的边距，为防止余料因尺寸小更容易发生变形，造成余料碰撞激光头，可以在余料与成品材料之间加0.3～0.5mm微连（不完全切断），预加在余料上一部分约束力。目前随着设备不断更新换代，余料切除系统也逐步应用到新的激光设备，对板材加工更方便。

3 激光操作系统的改进

激光切割零点的标定是手动调整到切割原点再进行切割，只有给激光赋予一个坐标，激光器才能按图切割。这就造成每切割完成一个工件后就要对第二个工件重新进行寻点，而且手动寻点的精度是通过打红光决定。以绿色装配建筑模具（见图3）加工为例，激光在切割角钢结束后，在切割下一工件时，激光头需要重新定位切割位置，否则激光无法识别起始坐标。

图3 绿色装配建筑模具

为了实现激光切割机连续工作，减少激光寻点定位时间，提高切割精度，可利用角钢做加紧装置，通过螺栓进行调节，方便被切割工件装卸，角钢上部焊接与角钢端面吻合的定位平板（见图4），平板上表面与被切割工件上表面齐平，平板与角钢吻合部分作为基准，平板上部提前做好打标点。激光头经过毛刷清理，光标定位后确定切割平台，激光头红光手动调节到达标位置，并对位置坐标进行锁定，启动工作按钮，激光头按照图纸黄色路径进行切割（见图5）。模具装夹机构实现了立体工件的平面切割，被切割工件利用平板端面基准进行定位后，提高了装夹定位的劳动效率，方便工件固定和拆装；激光头位置被锁定在打标点位置，每完成一次切割，激光头被移动到其他任何位置，完成切割的工件拆下，激光头在进行下一工件切割时，通过自动寻点回到打标点，重复以上切割路径。此过程利用设置打标点，激光头自动找到坐标位置，提高工作中坐标原点的精度，实现自动切割。

图4 定位平板

图5 切割路径

没有定位模具前，加工一件1.2米的叠合板模具需要297秒，而且在加工过程中容易因为工件受热形变、余料移动触碰激光头，造成激光头报警终止切割，如果因此引起工件整体移动，工件切割需要重新定位甚至造成废件；通过设置打标原点定位装置，激光切割装配模具需要27秒（见图6），工件的安装和拆卸需要76秒，完成一件切割需要103秒。

图6 切割器计时

4 设备故障分析

激光切割机所需要的高压空气由空压机制造产生，经过存储、净化、干燥，作为系统风源，其中该切割机采用的是浅层再生吸附式压缩空气干燥器，该干燥器采用双气室（见图7）提供高压干燥过滤，一个气室储存压力干燥同时另一个气室向系统提供干燥高压风，两气室交替工作，最终两气室含有杂质和水分的空气在电磁阀作用下控制排放阀排出。切割机使用一年半多后，在一次切割材料时发现气室压力一直上升且不排气，经过拆检发现放气阀阀芯断裂，活塞阀门被顶死，无法控制阀门排气。阀芯螺杆每3分钟往复一次，排气时压力1.6MPa，冲击载荷比较大，初步怀疑是螺杆的疲劳拉伸造成的。后期通过计算比较，螺杆材质所能承受的拉伸力是其在当前环境下受力的13倍，通过螺杆断面（见图8）分析来看，主要原因是螺杆加工过程中螺杆车丝引起材质裂纹，导致阀芯螺杆最终断裂。通过测绘加工，选择相同不锈钢材质加工备件使用，目前应有近半年工作正常。