激光切割可控能量模型研究及數(shù)控實現(xiàn)

朱向陽 王洪義 李 虹 柏 松

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司 沈陽）

一、引言

激光數(shù)控切割機是一種多功能、高速、高效、低勞動強度和高度自動化的薄板材料自動切割設(shè)備，廣泛地應(yīng)用在汽車制造、航空航天、機械制造、石油化工等領(lǐng)域。也是激光加工技術(shù)中最具有市場前景和工業(yè)應(yīng)用背景的技術(shù)之一，占70%以上份額。同常見的火焰切割和等離子切割相比，數(shù)控激光切割機具有特殊優(yōu)點，這些優(yōu)點決定了激光切割技術(shù)更加廣泛的適應(yīng)范圍和應(yīng)用前景。

激光切割具有高速度、高精度和高適應(yīng)性。其中割縫細（0.2～0.3 mm），熱影響區(qū)?。?.2～0.4 mm），切割端面質(zhì)量好（表面粗糙度可達到Ra6.3），且切割無噪聲。激光可切割大部分的金屬、非金屬材料、合成材料、纖維織物等，尤其是其他工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等。

開展對高速數(shù)控激光切割技術(shù)和裝備的研究，系統(tǒng)解決高速激光切割的一些關(guān)鍵問題，使得國產(chǎn)的數(shù)控激光高速切割機在速度、精度指標(biāo)上達到國際先進水平。并通過對高速激光切割設(shè)備的控制系統(tǒng)研究，可以突破激光切割裝備對國外控制系統(tǒng)的依賴，促進我國高速激光切割裝備設(shè)計與制造水平的發(fā)展。并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化來提高國內(nèi)切割行業(yè)的技術(shù)水平，創(chuàng)造出良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

二、影響切割質(zhì)量的切割工藝參數(shù)分析

在實際生產(chǎn)中，激光切割質(zhì)量的優(yōu)劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面質(zhì)量的好壞。目前國際上對激光切割的質(zhì)量評價還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般按以下4個指標(biāo)進行判斷：

（1）切口寬度及表面粗糙度。

（2）熱影響區(qū)的寬度，有無燒傷。

（3）切口斷面的波紋。

（4）切口斷面或下表面有無掛渣。

影響激光切割質(zhì)量的因素很多，除了切割參數(shù)和工件本身特性的影響以外，還同照射功率密度、噴嘴直徑和噴嘴與工件表面間距等因素有關(guān)。綜合國內(nèi)外大量的理論研究和實驗分析，影響激光切割質(zhì)量的主要因素可以分為兩類：一類是加工系統(tǒng)性能和光的影響；另一類是加工材料因素和工藝參數(shù)的影響，具體如圖1所示。

在影響激光切割質(zhì)量的諸多因素中，有的是由加工工作臺本身確定的，如機械系統(tǒng)精度、工作臺振動程度等；有的是材料固有的因素，如材料的物理化學(xué)性質(zhì)、材料的反射率等；而還有一些因素是要根據(jù)具體的加工對象以及用戶質(zhì)量的要求做出選擇，進行相應(yīng)的調(diào)整，來確定相關(guān)的參數(shù)，如輸出功率、焦點位置、切割速度以及輔助氣體壓力等等。因此，對于一個完整的系統(tǒng)，必須對其可控因素與加工質(zhì)量之間的關(guān)系進行深入地研究，在掌握其規(guī)律基礎(chǔ)上，采用數(shù)控方法進行最優(yōu)化控制。

1.激光功率

激光功率是影響切割質(zhì)量的重要因素之一。對于特定的工件，一定的功率對應(yīng)一定的最佳切割速度。激光功率越大，可切割的厚度就越大。但隨著激光功率的增加，切縫寬度和熱影響區(qū)均增大，容易產(chǎn)生端面燒傷。表面粗糙度和切口端面波紋隨激光功率變化不明顯。

圖1 影響激光切割質(zhì)量的因素

2.切割速度

在激光功率一定時，不同的切割速度對切縫質(zhì)量及工件背面的掛渣影響不一樣。實驗表明，在能切透的前提下，切割速度越慢，工件光照時間越長，溫度越高，熱影響區(qū)越大，因而切縫粗糙，掛渣多。切割速度在一定程度內(nèi)越快，切縫質(zhì)量越好，其切縫整齊，寬度小，掛渣少，變形??；當(dāng)切割速度快到一定程度時，輔助氣體來不及吹除切縫的熔渣，造成切口清渣不凈，切縫變得粗糙。

可見，對任何一種材料，在激光功率等加工條件一定的情況下有一個最佳切割速度。若能在切割過程中保證恒定的最佳切割速度，效果最好。

3.焦點位置

切割過程中激光的焦點位置也是影響激光切割質(zhì)量的重要因素，它直接影響切口寬度、切斷面粗糙度、掛渣附著情況。這是因為根據(jù)焦點位置，被加工物表面的光束以及焦點深度有所變化，從而使加工溝的形狀引起變化，影響通過加工溝內(nèi)的加工氣體及熔融金屬的流動。圖2表示激光焦點位置的幾種情況。

在圖2中，左圖表示焦點在工件表面，可進行切割溝窄、切割精度高的加工；中圖表示焦點在工件表面以上，可以擴寬切割溝下部的寬度，提高氣體及熔融物的流動性；右圖表示焦點在工件表面以下，可以擴寬切割溝上部的寬度，提高氣體及熔融物的流動性。

圖2 激光切割焦點位置分布圖

焦點位置的控制好壞對于切口質(zhì)量影響極大。對于6 mm以內(nèi)金屬薄板的切割，焦點在材料表面上下一定范圍內(nèi)都可以不沾熔渣地切割。對于不同的激光切割以及不同的切縫寬度和質(zhì)量要求，具體的焦點位置應(yīng)由實驗確定。為了獲得穩(wěn)定的高質(zhì)量切割，焦點位置（即噴嘴高度）必須恒定。一般工業(yè)激光切割機都配有高度傳感器，也就是采用Z軸隨動系統(tǒng)來自動跟蹤噴嘴高度。

4.輔助氣體種類與壓力

激光切割時需噴射同軸輔助氣體，其主要作用一是吹除切割熔體和熔渣，保持切割斷面整潔；二是加快切割過程，加深切割深度，減小切縫寬度和熱影響區(qū)寬度；三是保護激光器透鏡不受加工飛濺物損傷并冷卻透鏡。使用不同種類的輔助氣體，對切割質(zhì)量會產(chǎn)生不同的影響，對于不同材料和不同加工參數(shù)也應(yīng)選擇不同的輔助氣體壓力，以獲得良好的切割質(zhì)量。因此輔助氣體的選擇是獲得高質(zhì)量切割效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。

5.噴嘴

噴嘴對激光切割質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在對切口空氣流動性的影響。如果切割噴嘴選用不當(dāng)或維護不善會造成污染或損傷，或者噴嘴口不圓或堵塞，會形成噴氣渦流，導(dǎo)致切割質(zhì)量明顯下降。

（1）噴嘴直徑。激光切割中，都有針對不同材料推薦使用的噴嘴型號，因為噴嘴口大小會影響出口壓力分布，影響切割速度。噴嘴直徑過大或過小，都會對熱影響區(qū)、切縫寬度和熔渣的順利排出造成影響。

（2）噴嘴距離。噴嘴距離過大或過小，都會減弱對熔渣的驅(qū)散能力，不利于切割。

綜上所述，影響激光切割質(zhì)量的最重要原因可以歸結(jié)兩個方面：一是激光輸出能量在切口處的能量分布，二是切割過程中切口附近空氣的流動特性。對于切口附近的空氣流動性通常需要通過實驗的方式調(diào)整加工條件及加工參數(shù)來選擇最合適的組合，而切口處的能量分布則可以通過理論分析和仿真來進行分析。

三、激光切割過程中能量分布模型的研究

1.激光切割過程中的能量分布

激光切割的一個重要因素是入射激光在工件切口燒蝕前沿的吸收，它是激光進行有效切割的基礎(chǔ)。激光的吸收取決于激光的偏振性、模式、燒蝕前沿的形狀和傾角以及材料性質(zhì)等一系列因素。燒蝕前沿由吸收的激光能量加熱而融化，并被氣流吹除，部分熱量則通過熱傳導(dǎo)傳入基體材料。在激光切割的加熱階段，板材在激光照射下，其表面被加熱到達燃點溫度時開始熔化。假設(shè)不發(fā)生汽化，則切割過程的熱平衡方程見式（1）。

式中Plas——工件吸收的激光功率

Qheat——將切縫金屬加熱至熔點所消耗的熱量

Qmelt——將切縫金屬熔化所消耗的熱量，即材料的熔化潛熱

Qcond——單位時間熱傳導(dǎo)熱量損失

能量從切割區(qū)損失的方式除了熱傳導(dǎo)，還有對流和輻射。根據(jù)Lim研究報道可知，激光切割中最主要的熱損失是由于熱傳導(dǎo)，而熱輻射以及對流導(dǎo)致的散熱非常小，以至于可以忽略不計。

切割過程中的能量平衡方程中，工件吸收的激光功率Plas由式（2）得到。

式中A——工件對激光的吸收率

Pout——激光輸出功率

材料對激光的吸收率受到波長、溫度、表面粗糙度、表面涂層等多因素的影響。經(jīng)過實驗驗證，波長越短，吸收率越高。材料對激光的吸收率隨溫度而變化的趨勢是隨溫度升高而增大。計算中可取其平均吸收率。

將切縫金屬加熱至熔點所消耗的熱量Qheat的計算公式見式（3）。

式中m——單位時間燃燒的切縫金屬質(zhì)量

c——比熱容

DT——溫升，DT=Tm-T0

Tm——工件的熔點溫度

T0——環(huán)境溫度

將切縫金屬熔化所消耗的熱量Qmelt的計算公式見式（4）。

式中Lm——材料熔化相變的比焓

單位時間燃燒的切縫金屬可以看作一個長方體，其長為單位時間割炬移動的距離，寬為切縫寬度，高為板材厚度。因此，單位時間燃燒的切縫金屬質(zhì)量可由式（5）得出。

式中r——工件密度

v——切割速度

D——切縫寬度

H——板材厚度

因此，綜合（1）～（5）式可得激光切割熱平衡方程式（6）：

2.數(shù)控系統(tǒng)可控能量模型的分析

由（6）式可得激光輸出功率和速度的關(guān)系見式（7）。

對于一定的材料，其熔點、比熱容、密度、厚度和吸收率都是一定的，因此，要想切割出的切縫寬度為D，則熱平衡方程中r和v在其變化范圍內(nèi)應(yīng)呈線性關(guān)系，即激光的輸出功率應(yīng)隨速度的升高而升高，隨速度的降低而降低。由此可知，激光器輸出功率和切割速度是密切相關(guān)的，增大激光功率和降低切割速度，都會造成切縫寬度增加，熱影響區(qū)變大。反之，則有利于減小切縫和熱影響區(qū)寬度。

從板材對激光能量吸收的角度來看，激光功率和切割速度之所以對切割質(zhì)量產(chǎn)生相關(guān)的影響，是因為當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，激光功率和切割速度共同決定了板材上單位面積吸收的激光功率，即激光功率密度。如果把單位時間板材表面的切縫看成長為v，寬為D的矩形，則激光功率密度如式（8）所示。

通過前面的加工參數(shù)對切割質(zhì)量的分析可知，對于特定的材料，切口處的能量分布是影響激光切割加工質(zhì)量的重要因素，而切口處的能量輸入就是激光切割的功率密度。功率密度過大，則材料過燒，使切縫變寬，并使熱影響區(qū)域顯著增大；功率密度過小，則會使切口清渣不凈，切口變得粗糙，甚至切不透。

激光切割某一種板材，要想獲得最佳的切割質(zhì)量（盡量小的切縫和良好的表面質(zhì)量），必須將激光功率密度調(diào)整到一個最佳值。這個調(diào)整過程一般是在開始切割之前，根據(jù)NC代碼設(shè)定的切割速度和板材性質(zhì)設(shè)定一個合適的激光輸出功率，而在切割過程中激光輸出功率一般是不變的。但是在實際切割過程中，由于激光切割頭是有一定慣量的，在啟動和停止時必須有一個加速和減速的過程，對于有些軌跡圖形的拐角處也需要有一個加速和減速的過程，甚至?xí)诠战翘帉⑺俣葴p到零。由于在材料尖角等處激光停留時間加長，很容易使尖角燒蝕。因此，如果能讓激光輸出功率隨切割速度的改變而改變，將能獲得平穩(wěn)的激光切割功率密度，達到滿意的激光切割質(zhì)量。

四、可控能量模型在數(shù)控激光切割系統(tǒng)中的實現(xiàn)

1.可控能量模型實現(xiàn)的原理

通過上節(jié)分析知道控制激光輸出功率可以提供穩(wěn)定的激光功率密度，改善切割質(zhì)量，而要控制激光輸出功率就要實時監(jiān)控系統(tǒng)的切割速度反饋信號。在CNC系統(tǒng)中反饋信號的采集一般采用專用的運動控制卡或數(shù)據(jù)采集卡，由于本數(shù)控系統(tǒng)采用的是全軟數(shù)控系統(tǒng)平臺，因此可以直接調(diào)用NC系統(tǒng)API就可以直接從運動控制引擎中讀取當(dāng)前的切割速度信息。其控制原理圖如圖3所示。

功率控制模塊通過ServoWorks提供的API函數(shù)獲得切割速度值，并通過上節(jié)提到的功率速度模型最佳匹配模型計算出當(dāng)前速度需要加載的激光輸出功率，再經(jīng)過數(shù)字電位計將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（電阻信號），通過這些電阻信號來調(diào)節(jié)電流大小，經(jīng)多級放大后來控制激光器高壓激勵電流的大小，以達到控制激光輸出功率的目的。

2.可控能量模型的實現(xiàn)

由上節(jié)可控能量模型原理可知，功率控制模塊輸出的功率信號經(jīng)過數(shù)字電位器轉(zhuǎn)換成模擬量信號，再經(jīng)過放大去控制激光器高壓激勵電流的大小，從而來控制激光器的輸出功率。

由于激光輸出功率隨切割速度呈線性變化，只要速度一有變化就會引起激光器輸出功率的變化。因此，如果激光輸出功率簡單地與速度的變化成比例，勢必造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和激光器壽命的過度耗損。為了更好地實現(xiàn)激光器的功率控制，需要解決以下幾個問題。

（1）切割速度為零時，系統(tǒng)可能處于兩種加工狀態(tài)：一種是割炬正在對板材進行切割前的開孔，一種是割炬走到了待切割圖形的拐角處，速度暫時減到了零。功率控制模塊需要能識別這兩種狀態(tài)，在第一種狀態(tài)時提供額定輸出功率，在第二種狀態(tài)時提供較低的輸出功率。

（2）當(dāng)切割速度處于加速或減速階段，速度的變化很快，為了使系統(tǒng)更穩(wěn)定，激光輸出功率不能時刻隨速度變化而變化，而要相對的穩(wěn)定。

圖3 激光切割機床功率控制原理圖

（3）激光器的輸出功率有一個變化范圍，一般是在最低輸出功率和額定功率之間。如果根據(jù)速度計算出的最佳匹配功率超出這個范圍，則需自動進行截斷。即高于額定功率就取額定功率輸出，低于最低輸出功率就取最低功率作為輸出。

五、小結(jié)

由激光切割的原理與方式，引出激光切割質(zhì)量的一般評價標(biāo)準(zhǔn)。介紹影響激光切割質(zhì)量的各種因素，著重分析主要可控因素對激光切割質(zhì)量影響的結(jié)果和原因，并且對切口端面的能量分布做了理論分析，根據(jù)切割過程中的能量平衡方程建立了功率密度最佳化的功率—速度匹配模型。最后介紹了在激光切割機數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)功率自適應(yīng)控制的方法。