激光標刻技術在自由鍛生產中的應用

文/王炳正，楊武，楊憲軍，王軍軍·蘭州蘭石鑄鍛有限責任公司

針對當前自由鍛產品標識與信息溯源追蹤方面存在的不足，在鍛造生產過程采用激光標刻技術替代人工砸號，提高生產效率與產品質量，同時為庫存管理和生產過程追蹤的信息化提供了有效的手段。該研究為鍛件的全生命周期管理以及逐只跟蹤提供了新的方法和技術，有利于自由鍛數字化車間的建設。

自由鍛毛坯件生產屬于單件小批量零散生產模式，產品的標識問題始終困擾著各個鍛件生產廠商，尤其是應用信息化管理系統，由于缺乏對物料追溯的有效手段，難以實現精細化生產管理。激光標刻屬于DPM方法中的一種，工作原理是利用激光高溫快速燒蝕金屬表面，形成可識別的信息編碼，碳鋼表面進行激光標刻技術已經較為成熟。激光標刻技術已開始應用在物料追溯領域，在自由鍛行業，由于其產品的特殊性，尚沒有應用激光標刻的先例。

我公司承接國家智能制造新模式項目，應用激光標刻技術實現自由鍛毛坯件的產品全生命周期追溯，探索自由鍛數字化車間建設新模式。

激光標刻工作原理及參數選型

激光自腔體中產生后，電機驅動器根據其輸入的控制信號實現對X軸振鏡電機及Y軸振鏡電機位置的控制，兩路電機的相互運動使入射激光的聚焦點在一個X-Y二維平面內運動，場鏡系統將激光束聚焦到一個點，使激光能量集中，完成對物料的精細化加工，激光直接標刻線條精細，在金屬表面可以實現類似于紙張打印效果，如圖1所示。

圖1 激光標刻系統工作原理示意圖

我公司鍛件產品涵蓋1kg到50t，產品形狀噸位跨度大，工況較為復雜，平面不平整導致焦距定位精度存在問題，且考慮到鍛件密度高難以燒蝕，激光器選用IPG公司的YLPN-1-100-100W激光發生器，參數如表1所示。

表1 YLPN-1-100-100W各項參數

工藝流程及試驗效果

針對鍛件生產過程，制定基于激光的標刻生產流程如圖2所示。

圖2 激光標刻生產工藝流程示意圖

在全序鍛造生產過程中，進行激光標刻主要有四個工序點：

⑴原材料鋼錠的激光標刻，需在鋼錠表面標刻爐號、材質、重量以及質量信息追溯二維碼，經過試驗驗證，在鋼錠粗糙表面，激光標刻清晰，二維碼可識別（圖3），較傳統的油漆書寫，更加的規范，涵蓋信息更豐富，而且信息由MES系統直接讀取，書寫錯誤率大大降低。

圖3 激光在鋼錠表面標刻

⑵鍛造成形后對毛坯進行標識，等待熱處理，需標識追溯號，由于鍛件在熱處理過程中長時間處于高溫狀態，表面產生2mm以上的氧化皮，對標識有極大的難度，通過試驗對比，采用150W激光，三次燒結，熱處理后標識清晰可辨別（圖4），采用傳統人工砸號的操作方式，如果用力較輕或用力不均會造成無法識別的情況（圖5）。

圖4 激光標刻鍛件熱處理后效果

圖5 人工砸號熱處理后效果

⑶熱處理后如直接毛坯交貨，直接根據鍛件表面追溯號，查找MES系統，生成需標刻的產品信息完成表面激光標刻，如果該鍛件不屬于不銹鋼，則還需經過防銹處理，最后基于PDA掃碼和MES集成，實現入庫管理（圖6）。

圖6 激光在毛坯交貨鍛件表面標刻

⑷粗加工交貨的產品，加工以后根據鍛件表面前期激光標刻追溯號，查找MES系統，生成二維碼數據，最后基于PDA掃碼和MES集成，實現入庫管理，加工后表面激光標識效果非常好（圖7），可以大幅的提高公司產品的形象。

圖7 激光標刻效果（a）、人工砸號效果（b）

結論

經過生產全序的工藝驗證，激光標刻與傳統人工砸號相比有其獨有的優勢，其可通過激光自定位實現自動二維碼標刻，通過掃碼PDA系統可以實現物料識別、跟蹤與管理，既明顯提高了成品的管理效率，又降低了期間的人力消耗，是自由鍛數字化車間建設不可缺少的物聯手段。