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智能制造背景下的激光切割头自动控制成新趋势

来源: | 作者:oukaisheng | 发布时间: 2018-07-07 | 1067 次浏览 | 分享到:

激光切割技术具有加工可控、高效率、高质量的特点，在工业加工上有着非常广阔的应用，如汽车工业、纺织机械、钣金加工等。激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。由于我国的激光技术起步较晚，切割核心技术依赖于进口，这导致了国内在高端激光切割上的缓慢发展。

激光切割技术具有加工可控、高效率、高质量的特点，在工业加工上有着非常广阔的应用，如汽车工业、纺织机械、钣金加工等。激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。由于我国的激光技术起步较晚，切割核心技术依赖于进口，这导致了国内在高端激光切割上的缓慢发展。
但是，近年来，随着“中国制造2025”的推动，激光切割技术也面临着变革和机遇。变革意味着激光企业不仅要加大切割技术的投入，还要顺应工业自动化的潮流，让激光切割更加的个性化；同时，激光企业也将迎来更大的机遇，激光切割技术在提高工业加工效率上有着不可替代的优势，工控技术的发展给激光行业带来更多的可能，切割技术未来将会拓展到更多的领域，对促进行业的发展功不可没。
据业内人士表示，未来激光切割将向着这些方向发展，高速、高精度的切割技术、厚板切割和大尺寸工件切割、三维立体多轴数控激光切割技术、无人化与自动化的激光切割技术成主要的研究方向。
激光切割头在激光切割中扮演着至关重要的角色
激光切割机是体现激光切割技术最直接的设备，它是将从激光器发射出的激光，经光路系统，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而达到切割的目的。
激光切割机作为一种新兴的板材加工设备，经过不断的技术更新和工艺发展，激光切割工艺及激光切割机设备，正被广大板材加工企业所熟悉和接受，并以其加工效率高、加工精度高、切割断面质量好、可进行三维切割加工等诸多优势逐步取代等离子切割、水切割、火焰切割、数控冲床等传统板材加工手段。根据激光发生器的不同，目前市面上激光切割机大致可分为三种：CO2激光切割机、固体（YAG）激光切割机、光纤激光切割机。
喷嘴、聚焦透镜和聚焦跟踪系统的好坏关系着切割质量
在激光切割机的几项关键技术中，激光切割头的好坏直接影响到切割的质量，常见的激光切割机切割头由喷嘴、聚焦透镜和聚焦跟踪系统组成。
1、激光头喷嘴在激光切割中的作用
激光头喷嘴是光纤激光切割机床上最常用的易耗件，随着光纤激光切割技术的发展和广泛运用，这几年激光头喷嘴的需求大增。喷嘴的形式主要有平行式、收敛式和锥形式三种，切割质量与喷嘴的形式和喷头尺寸有着密不可分的关系。
第一个作用是收集电容信号，通过陶瓷环将其传送到信号处理器，信号处理器发出信号到机床控制中心，机床控制中心依据该信号做出反馈，调整激光头垂直方向的位置，从而保持切割过程中激光头对工件的距离跟踪；
第二个作用是用其内部形状，引导气体顺利通过被切割工件，并在喷嘴出口附件形成高压。喷嘴出口孔径越小，形成的气压越高。如果是氧化切割，高压氧气在通过喷嘴后，在工作面上一部分通过同被切割件发生氧化反应提供热量，加速切割；另一部分就高速通过切割面，带走熔渣并在切割面保持适当的压力，确保切割顺利进行。
第三个作用是保护激光头内部镜片。激光切割过程中，尤其是打孔时，常常有溶渣溅射，激光头喷嘴吹出的高压气体能将绝大部分的溅射物挡在外面，保护镜片免受伤害。
2、聚焦透镜与激光切割关系
聚焦透镜具有普通光学透镜的一般特性但又有其独特之处。利用它可以制成超短焦距的透镜，也可以在端面上形成实象，容易获得与物体同样大小的正立实象。
利用激光束的能量进行切割, 必须把激光器射出的原始光束经过透镜聚焦, 才能形成高能量密度的光斑。透射式透镜使用非常简单，激光束穿过该透镜时，透镜把激光束沿轴向聚焦到工件上。在常见的工业激光系统中，喷嘴都含有气体洗涤的功能，也就是在喷嘴处引入气体喷流,以帮助提高激光束和材料相互作用的性能，同时高速气流还起着与光学系统隔离的作用。气体喷流防止材料加工污染物进入喷嘴而污染透镜表面。反射式聚焦系统用了另加的光束折向器和后聚焦反射镜。在此条件中，有两个额外光学系统，即硒化锌窗和光束折向器，窗口的作用是使在喷嘴上面封离聚焦系统。
透射式聚焦头有两个主要优点，即光束易于调整和允许光束有偏心之类的小偏差，即允许光束偏心或角度偏离地射入透镜。反射式透镜头适用于高功率水平的场合，对大功率激光系统的应用很理想，产生的热透镜效应少，在苛刻的焊接环境下很耐用。理论上，抛物反射镜应把激光束聚焦到光束的衍射极限。衍射极限是对特定激光束直径和模式质量所能达到的最小焦斑。抛物面反射镜是最难调整的反射镜系统之一，因此，在高功率激光系统中，通常很难达到衍射极限的聚焦。对焊接来说，并非总是要求使用小光斑，因此，在此种应用中反射镜很合适。
近几年，市场对大功率激光器的需求上升，传统透镜焦深和焦斑存在制约关系，增加焦深必然引起焦斑尺寸的扩大，在很多情况下无法满足激光加工的要求，长焦深、高分辨的聚焦透镜成为了新的市场需求。
聚焦透镜的焦距和焦点位置都对激光切割质量有影响，高速切割薄型材料适合选用短焦长透镜，切割厚工件适合选用长焦长透镜。
3、聚焦跟踪系统在激光切割中的角色

激光切割机聚焦跟踪系统一般是由聚焦切割头和跟踪传感器系统组成。切割头包括导光聚焦、水冷、吹气以及机械调整部分组成; 传感器是由传感元件和放大控制部分组成。传感元件的不同，跟踪系统也不同。
目前，主要有两种形式的跟踪系统，第一种是电容式传感器跟踪系统, 又被称为非接触式跟踪系统；第二种是电感式传感器跟踪系统, 又被称为接触式跟踪系统。
激光头的工作流程是这样的，激光器产生激光，通过外光路传输，在切割头内经聚焦镜聚焦后，作用于被加工材料表面，将材料气化或者在切割气体（主要是氧化）辅助下形成熔池。切割辅助气体经过切割头（含喷嘴）导流后产生一个强有力的气流吹掉产生的熔渣，同时防止材料气化附着在聚焦镜的表面使其损坏，防止产生等离子体或者等离子体和气体的混合体。