基于无瘤加工技术的光纤激光切割工艺应用分析

文/李春龙，王飞锦·上海柏楚电子科技股份有限公司

光纤激光切割作为一种先进的切割技术，以其高速、高精度和高适应性等特点，在钣金加工中得到广泛的应用。激光加工切削、不切削割不仅技术的特点是不需要模具，而钣金加工具有少的技术特点。在钣金加工过程中，应用激光切可以有效缩短加工周期、提升加工精度、降低加工成本，最主要的是可以在高精度加工高度复杂零件时省去更换各种冲压模具。

激光切割的影响因素

激光切割作业中，激光切割速度对工件的表面粗糙度和热影响区范围均有一定影响，如切割过程中产生的浮渣、熔融、燃烧物质和瘤子等。目前激光加工行业针对浮渣、熔融和燃烧物质已经有了相对完善的工艺解决方案，唯独在激光切割作业中，当加工碳钢材料时，工件末端会留有一个呈水滴状的熔瘤，后续需要通过人工打磨将瘤子去掉，来达到工件表面干净光滑的效果。切割加工后瘤子的存在增加了工件的后续处理工序，费时费力。柏楚工艺实验室针对这一用户场景，使用高速摄像机器记录了工件的整个加工过程，并针对残存的瘤子问题进行分析与研究，实验结果显示，形成末端瘤子的主要原因是在切割过程中末端收刀工艺不匹配，结尾处熔融物无法顺畅地从割缝中排出，特别是工件内壁为圆弧的这一场景尤为突出，所以在工件末端容易形成水滴状的瘤子，如图1所示。

图1 激光切割形成的水滴状瘤子

由于在成品中形成水滴状瘤子后，无法将其与成品工件轻松剥离，导致后续需要对成品工件进行大批量的打磨。现如今，随着社会经济的高度发展，工厂模式步入机械智能化时代，人工劳动力的减少导致工厂招工困难、用工成本高等社会问题的出现，而激光切割后期仍需投入大量人力进行除瘤工作，无异于增加了工厂的成本，造成生产成本难以把控。

综合上述分析，优化激光收刀工艺，一次性实现无瘤无缺的工件成品是目前迫切需要解决的激光切割工艺难题。柏楚相关研究员和技术人员经过长期的实验室分析测试，对激光切割过程中材料熔化物的尺寸形貌及相态变化做出了模型预测与观测分析，并作为切割质量评价的手段，从机理上解释了材料去除过程对切割质量的影响。同时，通过一线市场调研与验证以及软硬件联合算法开发，针对以上痛点，在有效提高产能、轻松实现劳动强度和人工成本双重降低的高功率8000总线系统搭配波刺BLT智能切割头上，如图2所示，推出“智能收刀”工艺，可精准定位，快速除瘤，实现一次性产出光滑无瘤无缺的高精度工件。

图2 高功率8000总线系统搭配波刺BLT智能切割头

什么是“智能收刀”

“智能收刀”是柏楚高功率8000总线系统与波刺BLT智能切割头深度开发的其中一项重大智能工艺功能，它是利用切割头内部传感器中的“穿孔检测”传感器，通过检测切割过程中的反射光所反馈的参数信息来自动判断收刀距离，从而达到无瘤切割的工艺，称为“智能收刀”，如图3所示。

图3 “智能收刀”功能示意图

“智能收刀”功能的好处不仅可以解决工件表面瘤子的问题，还能很好地解决工件在掉落过程中激光头未能及时关光造成的打伤工件问题。开启“智能收刀”功能前后加工工件对比如图4所示。在钣金激光切割作业中，“智能收刀”功能的推出，整体缩短产品交付周期，缩短后续工序处理时间，进而提高生产效率，大幅度降低人工成本。

图4 开启“智能收刀”功能前后加工工件对比

“智能收刀”与普通收刀调试工艺不同，普通收刀调试工艺需要针对不同板材、不同厚度逐一进行工艺调试，对激光设备制造商的现场工艺人员技术要求高。收刀调试完毕后一旦改变了切割图形，可能无法保证效果，并且大部分工厂操作人员不具备自行调整收刀工艺的技术水平。而“智能收刀”是通过传感器自主判断，无需人为干预，8000总线系统搭配了波刺BLT智能切割头后，只需要在系统工艺界面上勾选“智能收刀”功能即可实现，如图5所示。

图5 系统界面

“智能收刀”功能也只是柏楚产品整合后众多实力派智能功能之一，还有更多面向钣金加工市场的智能功能在不断地开发与应用，如穿孔检测、过程监控、熔池检测等先进检测技术，针对钣金行业生产痛点量身定制智能切割系统，进而解决客户生产难题，为光纤激光切割稳定提升生产效率添砖加瓦。

“智能收刀”的应用

随着“智能收刀”工艺技术的逐步提高，激光切割表面的光滑程度也随之提高，激光切割工艺从原来的低精度钣金切割工艺逐渐发展到高精度钣金切割工艺。“智能收刀”工艺不仅可以实现无瘤生产，而且切割件变形小、内壁断面更平整，对于材料尺寸的精准度具有良好的控制效果。

柏楚“智能收刀”工艺在钣金激光切割领域将发挥巨大潜能，这种“无瘤无缺”工艺非常适合钣金内控对接管状等部件的密封性要求，如图6所示。

图6 不锈钢冷凝器

所适合的加工对象还有冷凝器、散热器、循环管道、定位孔等一切对内孔精度有要求的加工工件，如图7所示。

图7 应用“智能收刀”工艺加工的冷凝器、法兰盘、循环管道

结 束 语

激光切割是钣金加工的一次工艺革命，由于激光切割具有切割速度快、产品质量好等特点，因此在机械加工行业得到了广泛的认可。目前，激光切割技术正朝高速度、多自由度、大幅面、大厚板、高智能化方向发展，我国激光产业及其配套技术发展迅速，但是在高端激光设备核心技术方面与国外发达国家仍有差距，这就需要我们在不断提高激光切割技术的同时，加强实践应用，积累工作经验，从而实现激光切割工艺技术的不断进步。