激光切割可控能量模型研究及數控實現

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)有限責任公司 沈陽）

一、引言

激光數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備，廣泛地應用在汽車制造、航空航天、機械制造、石油化工等領域。也是激光加工技術中最具有市場前景和工業(yè)應用背景的技術之一，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更加廣泛的適應范圍和應用前景。

激光切割具有高速度、高精度和高適應性。其中割縫細（0.2～0.3 mm），熱影響區(qū)小（0.2～0.4 mm），切割端面質量好（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。

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

二、影響切割質量的切割工藝參數分析

在實際生產中，激光切割質量的優(yōu)劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面質量的好壞。目前國際上對激光切割的質量評價還沒有統一的標準，一般按以下4個指標進行判斷：

（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。

影響激光切割質量的因素很多，除了切割參數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。綜合國內外大量的理論研究和實驗分析，影響激光切割質量的主要因素可以分為兩類：一類是加工系統性能和光的影響；另一類是加工材料因素和工藝參數的影響，具體如圖1所示。

在影響激光切割質量的諸多因素中，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，如材料的物理化學性質、材料的反射率等；而還有一些因素是要根據具體的加工對象以及用戶質量的要求做出選擇，進行相應的調整，來確定相關的參數，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，必須對其可控因素與加工質量之間的關系進行深入地研究，在掌握其規(guī)律基礎上，采用數控方法進行最優(yōu)化控制。

1.激光功率

激光功率是影響切割質量的重要因素之一。對于特定的工件，一定的功率對應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越快，切縫質量越好，其切縫整齊，寬度小，掛渣少，變形小；當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量影響極大。對于6 mm以內金屬薄板的切割，焦點在材料表面上下一定范圍內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量要求，具體的焦點位置應由實驗確定。為了獲得穩(wěn)定的高質量切割，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，對切割質量會產生不同的影響，對于不同材料和不同加工參數也應選擇不同的輔助氣體壓力，以獲得良好的切割質量。因此輔助氣體的選擇是獲得高質量切割效果的關鍵參數之一。

5.噴嘴

噴嘴對激光切割質量的影響主要表現在對切口空氣流動性的影響。如果切割噴嘴選用不當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，導致切割質量明顯下降。

（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散能力，不利于切割。

綜上所述，影響激光切割質量的最重要原因可以歸結兩個方面：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整加工條件及加工參數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。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——單位時間熱傳導熱量損失

能量從切割區(qū)損失的方式除了熱傳導，還有對流和輻射。根據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，而熱輻射以及對流導致的散熱非常小，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.數控系統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在其變化范圍內應呈線性關系，即激光的輸出功率應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量產生相關的影響，是因為當其他參數不變的情況下，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對切割質量的分析可知，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量（盡量小的切縫和良好的表面質量），必須將激光功率密度調整到一個最佳值。這個調整過程一般是在開始切割之前，根據NC代碼設定的切割速度和板材性質設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，甚至會在拐角處將速度減到零。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量。

四、可控能量模型在數控激光切割系統中的實現

1.可控能量模型實現的原理

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，改善切割質量，而要控制激光輸出功率就要實時監(jiān)控系統的切割速度反饋信號。在CNC系統中反饋信號的采集一般采用專用的運動控制卡或數據采集卡，由于本數控系統采用的是全軟數控系統平臺，因此可以直接調用NC系統API就可以直接從運動控制引擎中讀取當前的切割速度信息。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前速度需要加載的激光輸出功率，再經過數字電位計將數字信號轉換為模擬信號（電阻信號），通過這些電阻信號來調節(jié)電流大小，經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

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過數字電位器轉換成模擬量信號，再經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，勢必造成系統的不穩(wěn)定和激光器壽命的過度耗損。為了更好地實現激光器的功率控制，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

由激光切割的原理與方式，引出激光切割質量的一般評價標準。介紹影響激光切割質量的各種因素，著重分析主要可控因素對激光切割質量影響的結果和原因，并且對切口端面的能量分布做了理論分析，根據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控系統中實現功率自適應控制的方法。