在全球范圍內(nèi)，光纖激光器正日益受到各類工業(yè)激光應用領(lǐng)域的青睞。用于金屬切割的各類激光器的全球銷售額已超過11億美元，年增長率達到3–4%。2017年，全球約有7000臺鈑金切割機安裝了相應的激光器。在該市場領(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，并已逐漸穩(wěn)步取代CO2激光器。它的優(yōu)勢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，光纖激光器的銷售額現(xiàn)在已經(jīng)遠超CO2激光器。
隨著金屬制品在全球經(jīng)濟中的重要性日益提高，激光器性能的改善將會顯著影響全球經(jīng)濟的增長。如今，新一代的光纖激光器開始納入更多的傳感器和診斷功能，可以實現(xiàn)很多更高級的功能，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利的激光毛細管，消除激光器中的背光反射，避免因其造成損壞或降低性能，并通過添加光電二極管實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和保護（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執(zhí)行，并針對規(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)定固定的停留時間，這樣不僅會降低設(shè)備的加工效率，還會影響鉆孔質(zhì)量，尤其是涉及大量鉆孔操作的厚板材。然而，如果可以實時感應從工件到激光器的返回光，則有可能改進加工流程。人們通常認為背射(BR) 光是一個不利因素，但它同時也包含了切割流程的相關(guān)信息，可以用于檢測鉆孔工藝的末端流程。
目前，市場上已有的鉆孔檢測系統(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)置了鉆孔檢測系統(tǒng)，無需在切割頭中額外安裝價格昂貴的傳感器。
鉆孔檢測
許多現(xiàn)有的鉆孔檢測系統(tǒng)都可以在機器穿透通孔時向切割機的控制器提供即時反饋。這樣控制器便可以最大限度地縮短停留時間，快速進入切割階段。鉆孔檢測系統(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雜性和成本，而且光學系統(tǒng)上新增的光學表面也會降低激光的光束強度。與此同時，在切割區(qū)域附近操作時，鉆孔檢測系統(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，可能需要鉆2,500個孔，假設(shè)每個鉆孔節(jié)省100ms，則每塊基板的加工時間可減少超過4分鐘。采用鉆孔檢測系統(tǒng)，根據(jù)基于不同材料和厚度的試驗，一般可節(jié)省10-15%的時間，因此，對于所有的高性能切割系統(tǒng)而言，投資自動化鉆孔檢測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益顯而易見。
激光切割流程包含多個不同的階段。鉆孔是第一道工序，沿著整塊基板制作一個近乎垂直的切割正面，構(gòu)成每次切割操作的起點。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，有時需要構(gòu)建復雜的脈沖形狀和功率斜坡。同時，即使在一個鉆孔程序中，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)也會有很大的差別。在工業(yè)加工中，平均停留時間中會應用一個特定的安全系數(shù)（通?？蛇_3倍），雖然對于大多數(shù)工件而言并沒有必要，但它可以確保每次鉆孔的穩(wěn)定性。
圖2. 鉆孔過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似。工藝開始時，光束會被板材的頂部平面吸收，導致局部溫度升高，在不同的光束強度下，可能會導致板材融化和蒸發(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)進行。遇到盲孔（未將板材完全鉆透）時，由于所有的光束都會撞擊在板材上，向上反射的激光強度便會增加。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)未使用的光束會穿透至板材背面。
鉆孔過程中，會發(fā)出隨時間變化的BR信號，激光器控制系統(tǒng)可以使用此信號確定鉆孔是否完成。在切割工作站內(nèi)，該信息會以清晰的數(shù)字標記的形式顯示，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現(xiàn)的鉆孔結(jié)果。該流程可被劃分為多個不同的階段：
◆從開始鉆孔到t1時間段內(nèi)，BR信號強。在此期間，激光撞擊坯料表面，降低初始的反射率。
◆t1-t2時間段內(nèi)，激光深入板材厚度時遭遇盲孔。由于熔池位置和形狀發(fā)生變化，BR信號變得不穩(wěn)定，但與穩(wěn)態(tài)切割相比，BR能級更高。
◆在t2-t3時間段內(nèi)，鉆透板材背面時有一個過渡。
◆t3時間段后，激光器在到達t4前BR能級相對較低（但非零值）。
圖3顯示了鉆孔流程中真實的BR信號軌跡（檢測器最初為飽和狀態(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的焦點加工6mm不銹鋼板，光束腰置于工件表面之下。在本實驗中，將補充的檢測器放置在工件底部來確定鉆入深度。隨著補充檢測器逐漸飽和，數(shù)字鉆孔標記明顯變高，說明已鉆好通孔。重要的是，鉆孔標記在激光器關(guān)閉前會自動重置參數(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。
鉆孔檢測系統(tǒng)通過識別在t3時所處的位置來運行。這樣可以啟用可編程延時，這對確保鉆孔流程的正常完成非常重要。一旦BR信號低于延時的閾值，則認為鉆孔已完成，激光器將提供可以集成至機床的鉆孔標記。由于閾值和停留時間均可編程，因此用戶可以調(diào)整設(shè)置，確保鉆孔標記根據(jù)具體的加工流程優(yōu)化，鉆孔完成后鉆孔標記升高。
在很多操作實例中，采用脈沖式激光器鉆孔可以實現(xiàn)更干凈、更容易控制的鉆孔過程。針對檢測算法選擇合適的參數(shù)，鉆孔檢測標記仍將在合適點觸發(fā)。
結(jié)論
鉆孔檢測系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代平板切割機的必備要素，用于確保機器優(yōu)異的性能和效率。例如，利用內(nèi)置鉆孔檢測傳感器的redPOWER激光器，客戶可以選擇性價比更高的切割頭。
監(jiān)控切割流程的BR等級對設(shè)置正確的加工參數(shù)以及監(jiān)控過程質(zhì)量而言，具有巨大的優(yōu)勢。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，采用工件檢測系統(tǒng)可以提高激光器切割系統(tǒng)的生產(chǎn)率，確保機器擁有高加工效率并節(jié)省加工時間。模擬顯示，加工布置有真實零件構(gòu)造的3×1.5m板材時，加工時間最多可減少15%。由于零件的復雜性和尺寸不同，實際時間和節(jié)省的成本甚至會更高。
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