CO2激光切割不锈钢的自适应控制优化

童 桂，徐 宏，郁汉琪

（南京工程学院 工程基础实验与训练中心，南京 211167）

0 引言

与传统的板材加工方式（开模和冲压）相比较，激光切割在多个方面占有优势：加工路径灵活、重复精度高、加工速度快等，并且当批量小或者面板厚度超过6mm时，传统方法的成本会变得很高，激光切割就成为一种理想的替代手段[1～3]。资料显示，在激光切割板材的过程中，将近有50多个参数影响激光的切割质量[4～6]。然而在激光实际切割时，需要用户选择和调整的工艺参数只有几个关键因素。各因素及相互组合对激光切割质量的影响较难用理论模型进行分析，往往要借助试验观察总结[7～9]。对于静态参数，例如透镜焦距、辅助气体类型等，在切割过程中保持一致不变，需要初始时确定；对于动态参数，例如输出功率、加工速度等，可以在加工过程中实时调整，借此可以通过调整这些参数来应对激光切割板材的动态变化。数控加工过程中，路径变化往往会影响到激光切割时局部切割位置的能量输入，速度趋缓时，高速输出参数不变易导致过烧、挂渣，于是需要在切割过程中自适应调整各工艺参数以保持切割质量的一致。针对上述问题，陈继民[10]等提出采用控制输出功率、切割速度来合理优化激光的切割质量。对于CO2脉冲激光加工机其参数控制原理更加复杂，本文研究如何合理配置各动态参数来解决上述问题。

1 小尺度切割路径的自适应控制

数控激光切割终端在切割过程中的路径变化较为复杂，包括了直线、圆弧等规则形式，也包括其它各种复杂曲线，因此速度起伏变化很大。数控加工的基本原理是将加工路径逐点离散、插补，拟合或逼近机床的刀具所需经过的路径。激光切割过程由于能量的高度集中，不同形式的路径轨迹、速度很可能会导致加工质量的差异，特别当激光切割速度出现很大波动时易导致初始加工条件不再符合要求，例如在经过大幅度转角路径，切割速度必然要产生起伏，这时较易出现沾渣、过烧等现象。

1.1 切割路径转角判定

在激光切割板材时，首先要进行切割路径中小尺度路径的判断，假设平面中曲线的由多个线段离散组成，离散点越多，拟合近似度越好。一个线段上的三个离散点，如图1所示，假设线段AB的向量表达式：

线段AB的向量表达式：Ai+Bj，其中A=x2-x1，B=y2-y1

线段BC的向量表达式：Ci+Dj，其中C=x3-x2，D=y3-y2

其中，AB和BC线段之间的角度为：

则两直线的夹角可以表示为:

1.2 切割控制策略的优化

由于在激光切割过程中，切割速度的变化容易导致局部位置产生过烧、沾渣。于是考虑如何合理的设置工艺参数来优化加工过程，当激光切割通过某一位置小尺度路径时，如小角度转角，由于速度减缓，若加工条件不改变，则切割部位过多地吸收激光能量，造成过烧、沾渣等加工质量缺陷。于是需要针对上述情况实时调整切割部位的输入能量，而工艺参数中直接控制输出能量的因素包括：输出功率P、切割速度V、脉冲激光频率F和脉冲占空比D。控制策略中分别考虑加工参数中高速切割条件、低速切割条件，分别设置为Ph、Fh、Vh、Dh和Pl、Fl、Vl、Dl，高速条件和低速条件分别为满足加工要求下不同的加工条件组合形式。对于介于高速和低速条件之间的工艺参数可通过式（2）进行调整：

式（2）为工艺参数的线性回归表达式。其中ap、bp为输出功率线性回归的权值系数；af、bf为脉冲频率线性回归的权重系数；ad、bd为脉冲占空比线性回归的权值系数。当已知速度的变化，则可由式推断出输出功率、频率和占空比的改变值，保证切割部位的吸收能量在一定值域内趋于稳定、一致。

切割路径中的拐角等易引起速度起伏的路径，将其分为三段：正常切割区段、加减速区段和区间条件区段，其中区间条件区段是指拐角等微小尺寸区段，这个区段一般以指定的低速条件进行切割。加减速区段是指正常的高速切割与低速切割之间的过渡阶段，其控制策略如上所述。

图2 基于分段

2 实验及分析

试验分析上述的调整策略，加工机床采用日本三菱公司的CO2激光加工机LVP35，最大输出功率为3.5KW，试验板材采用SUS304，厚3mm，辅助气体氮气。喷嘴压力提高有利于减少不锈钢沾渣，其条件值为1.2MPa，透镜焦距为190mm，喷嘴高度1mm。该机床的标准高低速条件如表1所示。

表1 激光切割3mm不锈钢的高速、低速条件

由此计算出式（2）的具体形式：

式3中，V、P、F、D为实时变化的激光切割速度；Vl、Pl、Fl、Dl为激光切割某一小尺寸路径的最优低速条件，最优低速条件可通过实验加工获取。式(3)表示了速度变量V起伏变化时，输出功率P、频率F和脉冲占空比D对应值。其中上述表达式只是确定了P、F和D的大致范围，控制变量可在一定范围内进行小幅调整。由此确定激光切割此板材的区间条件就为表1中低速条件，区间长度2mm，图3分别为速度变化通过尖锐转角（角度30°）时，控制参数是否自适应调整所获得的切割端面微观图像。

图3 小尺度路径的激光切割微观图

图3(a)中，高速切割遇到转角时减速，控制参数P/D/F仍然保持恒定，转角处出现过烧，挂渣严重，角度尖端有烧损。图3(b)和3(c)中，控制参数有所调整，主要是在一定范围内降低P/D/F的比例，切割表面沾渣明显减少，只在切割面底部略有过烧痕迹，但路径在过尖角时加工质量明显发生变化。图3(d)中采用切割质量自适应控制，切割路径在小转角处并无明显的过烧、挂渣，并且在整个路径上，切割质量基本保持一致。结果说明通过上述方式自适应动态调整切割输入参数可以提高激光切割的整体质量。

3 结论

在激光切割不锈钢板材的过程中，切割状态会起伏变化，这种情况会导致切割质量下降，出现沾渣、过烧，据此提出建立激光切割质量的自适应控制系统。模型针对速度起伏进行分段线性控制，利用激光切割中高速和低速参数条件来合理规划输出功率、占空比和频率输入条件，从而控制激光切割质量的趋于一致。实际试验采用CO2激光加工机切割3mm不锈钢板，得到了如下结论：1）激光切割不锈钢板材，速度起伏时合理规划其它输入参数可避免激光切割质量的降低；2）利用激光切割高速条件和低速条件来建立线性自适应控制模型，可以改善激光在小尺寸路径处的切割质量；3）在小尺度路径设置合理区间长度，区间长度内使用低速条件可保证小尺度路径的切割质量；4）实际采用上述方法进行不锈钢试验切割，结果表明具有定的可靠性和应用价值。面对上述结论，可将其推广到其它金属板材的切割加工。

[1] 邓前松,唐霞辉,秦应雄,等.中厚钢板小圆孔的高功率CO2激光切割工艺研究[J],激光技术,2008,32(5):554～557.

[2] 金冈优.激光加工[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3] 阎启,刘丰.工艺参数对激光切割工艺质量的影响[J].应用激光,2006,26(3):151-153.

[4] J.Fieret,M.J.Terry,B.A.Ward.Aero dynamic interaction during laser cutting[C].SPIE,1986,668:53-62.

[5] Ebrahim Abdulhadi,Jean Marc. Pelletier,Michel Lambertin Development in laser cutting of steel:analytical modelling an Experimental validation of the metallurgical effects[C].SPIE 1997,3097:17-28.

[6] S L Chen.Analysis and modelling of reactive three dimensional high power CO2 laser cutting [C].Proc.Instn.Mech.Eng.1998,212(PartB):113-128.

[7] 王昆林.激光材料加工的数学模型[J].激光技术,1996,(3):105-109.

[8] 鄢锉,李力钧,李娟.激光切割板材切口波纹和挂渣研究综述[J].现代制造工程,2004,(10):270-274.

[9] 李祥友,曾晓雁.激光精密切割不锈钢模板割缝质量控制[J].中国激光,2002,29(2):177-181.

[10]陈继民,肖荣诗,左铁钏.激光切割工艺的自适应研究[J].应用激光,2002,22(3):317-319.