在全球范圍內(nèi)，光纖激光器正日益受到各類(lèi)工業(yè)激光應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。用于金屬切割的各類(lèi)激光器的全球銷(xiāo)售額已超過(guò)11億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)到3–4%。2017年，全球約有7000臺(tái)鈑金切割機(jī)安裝了相應(yīng)的激光器。在該市場(chǎng)領(lǐng)域，光纖激光器相較二氧化碳 (CO2) 激光器展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，并已逐漸穩(wěn)步取代CO2激光器。它的優(yōu)勢(shì)包括更高的加工效率、更優(yōu)異的光束質(zhì)量以及加工銅與銅合金等高反射材料的能力。因此，在金屬切割領(lǐng)域中，光纖激光器的銷(xiāo)售額現(xiàn)在已經(jīng)遠(yuǎn)超CO2激光器。
隨著金屬制品在全球經(jīng)濟(jì)中的重要性日益提高，激光器性能的改善將會(huì)顯著影響全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。如今，新一代的光纖激光器開(kāi)始納入更多的傳感器和診斷功能，可以實(shí)現(xiàn)很多更高級(jí)的功能，例如，SPI Laser公司推出的6kW redPOWER QUBE光纖激光器，它在PIPA-Q傳輸光纖中采用了已獲專(zhuān)利的激光毛細(xì)管，消除激光器中的背光反射，避免因其造成損壞或降低性能，并通過(guò)添加光電二極管實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)（圖1）。
一般而言，工業(yè)激光切割系統(tǒng)的鉆孔和切割操作單獨(dú)執(zhí)行，并針對(duì)規(guī)定的材料和厚度采用固定的參數(shù)設(shè)置。通常情況下，鉆孔流程需要設(shè)定固定的停留時(shí)間，這樣不僅會(huì)降低設(shè)備的加工效率，還會(huì)影響鉆孔質(zhì)量，尤其是涉及大量鉆孔操作的厚板材。然而，如果可以實(shí)時(shí)感應(yīng)從工件到激光器的返回光，則有可能改進(jìn)加工流程。人們通常認(rèn)為背射(BR) 光是一個(gè)不利因素，但它同時(shí)也包含了切割流程的相關(guān)信息，可以用于檢測(cè)鉆孔工藝的末端流程。
目前，市場(chǎng)上已有的鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)安裝于切割工作站內(nèi)。而新一代的光纖激光器，如redPOWER QUBE系列激光器，內(nèi)置了鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)，無(wú)需在切割頭中額外安裝價(jià)格昂貴的傳感器。
鉆孔檢測(cè)
許多現(xiàn)有的鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)都可以在機(jī)器穿透通孔時(shí)向切割機(jī)的控制器提供即時(shí)反饋。這樣控制器便可以最大限度地縮短停留時(shí)間，快速進(jìn)入切割階段。鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)一般安裝于聚焦頭附近的切割工作站，這不僅增加了切割頭的復(fù)雜性和成本，而且光學(xué)系統(tǒng)上新增的光學(xué)表面也會(huì)降低激光的光束強(qiáng)度。與此同時(shí)，在切割區(qū)域附近操作時(shí)，鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)也容易因存在的粉塵而受損。
在3m×2m規(guī)格的基板上切割骨架時(shí)，可能需要鉆2,500個(gè)孔，假設(shè)每個(gè)鉆孔節(jié)省100ms，則每塊基板的加工時(shí)間可減少超過(guò)4分鐘。采用鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)基于不同材料和厚度的試驗(yàn)，一般可節(jié)省10-15%的時(shí)間，因此，對(duì)于所有的高性能切割系統(tǒng)而言，投資自動(dòng)化鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。
激光切割流程包含多個(gè)不同的階段。鉆孔是第一道工序，沿著整塊基板制作一個(gè)近乎垂直的切割正面，構(gòu)成每次切割操作的起點(diǎn)。根據(jù)材料和基板厚度的不同，為減少鉆孔次數(shù)和工件表面上的焊渣和折皺，有時(shí)需要構(gòu)建復(fù)雜的脈沖形狀和功率斜坡。同時(shí)，即使在一個(gè)鉆孔程序中，由于溫度、表面粗糙度、工件的材料質(zhì)量的不同，鉆孔次數(shù)也會(huì)有很大的差別。在工業(yè)加工中，平均停留時(shí)間中會(huì)應(yīng)用一個(gè)特定的安全系數(shù)（通?？蛇_(dá)3倍），雖然對(duì)于大多數(shù)工件而言并沒(méi)有必要，但它可以確保每次鉆孔的穩(wěn)定性。
圖2. 鉆孔過(guò)程中觀察到的典型背射。
采用光纖激光器和氣輔切割頭的鈑金鉆孔與激光器鉆孔類(lèi)似。工藝開(kāi)始時(shí)，光束會(huì)被板材的頂部平面吸收，導(dǎo)致局部溫度升高，在不同的光束強(qiáng)度下，可能會(huì)導(dǎo)致板材融化和蒸發(fā)。同軸噴嘴口的壓力與蒸發(fā)金屬的蒸發(fā)壓力會(huì)形成盲孔，造成金屬熔滴向上和向外飛濺。隨著激光器光束在板材厚度方向深入，鉆孔流程持續(xù)進(jìn)行。遇到盲孔（未將板材完全鉆透）時(shí)，由于所有的光束都會(huì)撞擊在板材上，向上反射的激光強(qiáng)度便會(huì)增加。這與穩(wěn)態(tài)切割工藝恰恰相反，它的切割正面呈一定的角度，大多數(shù)未使用的光束會(huì)穿透至板材背面。
鉆孔過(guò)程中，會(huì)發(fā)出隨時(shí)間變化的BR信號(hào)，激光器控制系統(tǒng)可以使用此信號(hào)確定鉆孔是否完成。在切割工作站內(nèi)，該信息會(huì)以清晰的數(shù)字標(biāo)記的形式顯示，提示鉆孔流程可以停止。圖2顯示了采用垂直的聚焦光束在板材上實(shí)現(xiàn)的鉆孔結(jié)果。該流程可被劃分為多個(gè)不同的階段：
◆從開(kāi)始鉆孔到t1時(shí)間段內(nèi)，BR信號(hào)強(qiáng)。在此期間，激光撞擊坯料表面，降低初始的反射率。
◆t1-t2時(shí)間段內(nèi)，激光深入板材厚度時(shí)遭遇盲孔。由于熔池位置和形狀發(fā)生變化，BR信號(hào)變得不穩(wěn)定，但與穩(wěn)態(tài)切割相比，BR能級(jí)更高。
◆在t2-t3時(shí)間段內(nèi)，鉆透板材背面時(shí)有一個(gè)過(guò)渡。
◆t3時(shí)間段后，激光器在到達(dá)t4前BR能級(jí)相對(duì)較低（但非零值）。
圖3顯示了鉆孔流程中真實(shí)的BR信號(hào)軌跡（檢測(cè)器最初為飽和狀態(tài)）。該軌跡的條件為：采用功率為1.5kW、具有50µm傳輸光纖的激光器（光束參數(shù)產(chǎn)品= 2.0）和約100µm的焦點(diǎn)加工6mm不銹鋼板，光束腰置于工件表面之下。在本實(shí)驗(yàn)中，將補(bǔ)充的檢測(cè)器放置在工件底部來(lái)確定鉆入深度。隨著補(bǔ)充檢測(cè)器逐漸飽和，數(shù)字鉆孔標(biāo)記明顯變高，說(shuō)明已鉆好通孔。重要的是，鉆孔標(biāo)記在激光器關(guān)閉前會(huì)自動(dòng)重置參數(shù)。
圖3. 該圖顯示了完整激光脈沖 (a) 和僅鉆孔階段（b）的背射情況。
鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別在t3時(shí)所處的位置來(lái)運(yùn)行。這樣可以啟用可編程延時(shí)，這對(duì)確保鉆孔流程的正常完成非常重要。一旦BR信號(hào)低于延時(shí)的閾值，則認(rèn)為鉆孔已完成，激光器將提供可以集成至機(jī)床的鉆孔標(biāo)記。由于閾值和停留時(shí)間均可編程，因此用戶(hù)可以調(diào)整設(shè)置，確保鉆孔標(biāo)記根據(jù)具體的加工流程優(yōu)化，鉆孔完成后鉆孔標(biāo)記升高。
在很多操作實(shí)例中，采用脈沖式激光器鉆孔可以實(shí)現(xiàn)更干凈、更容易控制的鉆孔過(guò)程。針對(duì)檢測(cè)算法選擇合適的參數(shù)，鉆孔檢測(cè)標(biāo)記仍將在合適點(diǎn)觸發(fā)。
結(jié)論
鉆孔檢測(cè)系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代平板切割機(jī)的必備要素，用于確保機(jī)器優(yōu)異的性能和效率。例如，利用內(nèi)置鉆孔檢測(cè)傳感器的redPOWER激光器，客戶(hù)可以選擇性?xún)r(jià)比更高的切割頭。
監(jiān)控切割流程的BR等級(jí)對(duì)設(shè)置正確的加工參數(shù)以及監(jiān)控過(guò)程質(zhì)量而言，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。由此，可以檢查并優(yōu)化鉆孔和切割操作，避免高反射板材的高能度BR。
最后，采用工件檢測(cè)系統(tǒng)可以提高激光器切割系統(tǒng)的生產(chǎn)率，確保機(jī)器擁有高加工效率并節(jié)省加工時(shí)間。模擬顯示，加工布置有真實(shí)零件構(gòu)造的3×1.5m板材時(shí)，加工時(shí)間最多可減少15%。由于零件的復(fù)雜性和尺寸不同，實(shí)際時(shí)間和節(jié)省的成本甚至?xí)摺?/div>
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