文/李桐娜·上海柏楚電子科技股份有限公司

隨著功率的增長，鐳射可切割的板材厚度也隨之增長，鐳射製造應用的行業領域愈加廣泛（如鋼構、造船業、風能發電、重型工程裝置製造等），鐳射切割可以有效縮短加工週期、提升加工精度、降低加工成本。隨之而來，對生產的穩定性訴求愈加強烈，從穿孔到切割，鐳射下料的全過程，每一環的穩定性都會影響到下一環的效率。

在鐳射切割作業中，為保證工件能自然掉落且工件斷面質量效果好，大多數厚板加工常見的行為是，操作工手拿手持盒爬上機床，透過雙眼“監視”出光過程，見圖1。一旦割縫異常便即刻暫停機床運作，並執行回退重切動作。若重切效果仍是不好，則操作工需要下機床進行工藝微調後，再上機床按手持盒上的“繼續”按鍵，繼續“監視”出光過程。上述流程反覆進行，直至確保工件能自然掉落、斷面質量效果又好，才可安心離開機床。這樣的“監控生產”，雖然保證了穩定性，卻降低了效率，並且最關鍵的是整個流程下來操作工的人身安全時刻會受到威脅。

圖1 操作工上機床“盯梢”

智慧採集、精準分析，為穩定性安全生產保駕護航

柏楚8000高功率系統，搭配波刺BLT智慧切割頭，針對以上問題開發了多種方式來保障鐳射下料的穩定性。其核心理念是用智慧化、自動化替代操作經驗和人工，主要流程是透過系統將操作工的經驗、切割物件、外部裝置等一系列環境因素的不同狀態轉化成一系列資料，再透過BLT智慧切割頭的內部感測器進行資料採集，經過系統分析實現實時判斷工件的切割質量是否穩定，切割頭鏡片、氣體、鐳射器等外設的狀態是否正常等。並且可以自動最佳化工藝引數，保證切割質量一致性，進而減少後道處理工序。異常發生時能即刻報警，減少損失，減少停機次數，避免機床的意外損壞。最重要的是無需操作工再上機床，省去人為監視和干預，在提高裝置自動化運轉和智慧化生產的同時，人身安全也得到了保證。

實時檢測、穩定輸出，讓切割裝置更持久

在鐳射加工前，切割頭、氣體、鐳射器的狀態需要準備好才能投產。普通切割頭的出氣過程，不同噴嘴和同一噴嘴的氣壓值不能保證始終達到理論值，只能保證比例閥輸出的氣壓是穩定的。同樣10公斤壓力的空氣，透過不同大小噴嘴口吹出來的氣壓值也是不同的，小口徑的噴嘴氣壓要比大口徑的噴嘴氣壓大。其次普通的切割頭無法監控到氣壓的波動，也無法檢測到氣源不足等資料資訊。氣壓不足、氣壓不穩定，都會導致切割不穩定，尤其在氣壓不足時，很容易炸掉保護鏡。

氧氣氣壓穩定性是厚板切割的核心要素之一，氣路佈局質量直接影響加工效率和氣壓效能。柏楚8000系統搭配BLT智慧切割頭，在更換噴嘴後僅需一鍵氣壓標定即可測定該噴嘴的氣壓DA比例關係，保證噴嘴處的氣壓可以準確達到理論值，見圖2、圖3。由於搭配了BLT智慧切割頭，柏楚8000系統能夠實時監測和反饋氣壓狀態，在氣壓不穩時能實時動態調整輸出的氣壓，保證切割質量的穩定性；若氣壓不足，系統會及時報警提醒操作員，避免炸裂保護鏡，降低保護鏡損耗。此外，透過BLT智慧切割頭，還可以智慧分析氣路的質量，輔助OEM檢查和最佳化氣路等。

圖2 氣壓自標定

圖3 氣壓標定結果

系統依靠BLT智慧切割頭內部的感測器，也能實時監測切割頭保護鏡的狀態，當氣路異常、鏡片汙染、鐳射光束髮散角過大時，系統透過感測器採集的資料智慧分析並報警，防止保護鏡炸裂，減少損失。

智慧穿孔：智慧最佳化，質量效率雙提高

在鐳射下料過程中，為了保證工藝的通用性和穿孔的穩定性，往往穿孔引數的設定會相對保守，這就導致了效率的降低，在厚板加工中尤為明顯。厚板生產中，穿孔效率提高，整體的能效也會提升。針對這一情況，柏楚8000系統利用BLT切割頭的感測器，實現了“智慧穿孔”功能，見圖4。首先，該功能可實時監測穿孔過程中板材是否穿透，一旦穿透即刻開始按軌跡切割。假設初始設定為三級穿孔，但在二級穿孔完成時板材就已經被穿透，無需執行下一級穿孔就可以直接開始切割，所節省下來的時間可以再多加工一張板材。其次，系統藉助感測器這雙眼睛，能智慧判斷下方板材是否已被切透，防止沒有切透的地方由於直接切割激起碎渣而導致保護鏡炸裂。透過“智慧穿孔”功能，智慧最佳化整個穿孔過程，不僅大幅縮短穿孔時間，並提高了穿孔質量，減少了保護鏡損耗。

圖4 智慧穿孔與傳統穿孔對比

熔池檢測：多材適配，引數互聯降低工藝難度

在同一種材質中，如碳鋼根據其含碳量的不同又分為多種型號，不同型號的碳鋼成分不同（如Q235、Q345、45#、Q355、紅皮板、青皮板、大鏽板等），隨著含碳量的增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。這種情況下用一套工藝來適配不同型號的碳鋼，顯然很難。當面對新的材質、同一板材中不同區域的材質發生變化或厚板長時間大功率出光導致焦點偏移等問題時，原本的工藝無法保證切割的一致性。

透過BLT切割頭這雙“眼睛”，柏楚8000系統實現了“熔池檢測”（圖5）功能。開啟“熔池檢測”功能後，透過切割頭與系統資料互聯，在演算法上實現工藝引數閉環，見圖6。調整焦點實現割縫閉環，解決了焦點偏移割不透的問題；主動調速實現速度閉環，保證零件閉口掉落；針對材質不明的情況下可提供引數推薦。無需人為介入就可以保證生產的穩定性，在操作工毫無察覺的情況下就將工藝調整到穩定的效果，同時也大大降低了工藝除錯難度，不管對OEM還是終端，都是一個省時省力的工具。

圖5 熔池檢測

圖6 資料監控

過程監控：省時省力，自動安全高效生產

在超厚不鏽鋼的切割過程中，由於高溫作用和板材材質不均勻等原因，板材表面的部分割槽域易產生等離子體。等離子體會使鐳射光束不能直接照射到金屬材料上，同時還會吸收光束的能量，使原本可以穩定切割的工藝無法繼續切割，出現切不透的情況。傳統的解決方案不外乎兩種：一是降速切割，二是操作工盯梢加工隨時準備暫停回退再切割。前者效率低，後者不安全。針對這種情況，柏楚8000系統搭配BLT智慧切割頭的感測器，開發了“過程監控”功能，見圖7，在切割過程時刻監測等離子體，一旦發現等離子體自動回退重新切割，操作工無需爬上機床盯梢。

圖7 使用過程監控自動回切——切透的效果

智慧收刀：無瘤無缺，加工更暢快

常見的鋼結構建築裡，構件的鉚合離不開螺栓，尤其在H型構件的兩端連線處，對螺栓的強度要求更高，這也就要求構件上的螺栓孔斷面質量必須很高，斷面要光滑，不能有瘤子。但在加工碳鋼材料時，工件末端的內壁底部會留有一個水滴狀的熔瘤，後續需要透過人工打磨除瘤來達到工件表面的乾淨光滑效果。這一過程既費時又費力，多了工序不說，工件質量也無法保證，加工殘瘤一直以來都是困擾鐳射切割的一大難題。

針對這一情況，柏楚8000系統搭配智慧BLT切割頭，推出“智慧收刀”工藝，見圖8，可精準定位、快速除瘤，實現一次性產出光滑無瘤無缺的高精度工件。這一重大智慧工藝，高效解決了多數行業如插螺栓、換熱器插管等的加工痛點，見圖9。

圖8 智慧收刀效果對比

圖9 行業應用

結 束 語

鐳射切割具備高精度、快切割速度、不受切割圖案限制、自動排版、切口平滑、加工成本低等特點。然而，鐳射切割技術的諸多優點能否有效應用於生產實踐，提高產品加工的質量與速度，關鍵取決於鐳射切割數控系統是否穩定可靠且高精高速。柏楚8000系統的複雜運算能力強、通訊速度快、可靠性高、對電機運動的控制精度高，能充分發揮出鐳射切割技術的優勢，快速加工出更加完美的產品。為了實現鐳射切割數控系統的國產化，滿足鐳射裝置的整合化、自動化、智慧化、安全化以及控制方式數字化等要求，同時響應可持續發展的社會要求，柏楚8000系統搭配BLT智慧切割頭，軟硬體結合，強強聯手，針對高功率鐳射切割過程中各個環節的問題、痛點給予最優質的解決方案，提升客戶生產的效能和滿意度，為光纖鐳射穩定生產保駕護航。

作者簡介

李桐娜

平面高功率產品經理，主要負責平面高功率鐳射加工系統、生產工藝等新技術的研發設計工作，主要研究方向為產品的智慧化、自動化、資訊化。

——摘自《鈑金與製作》2022年第9期

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