一种厚板激光切割的分级穿孔与渐进引切方法与流程

本发明属于激光加工，尤其涉及一种厚板激光切割的分级穿孔与渐进引切方法。

背景技术：

1、激光切割在切割任一封闭或开放的轮廓之前，必须先在板材上加工出贯穿的起始孔，再由该起始孔将光束引入轮廓线上开始切割，由穿孔向切割过渡的这一区段通常称为引切段。对于较薄的板材，穿孔可一次直接完成；而随着板厚的增大，单次穿孔所需的能量与时间迅速增加，熔池加深且熔渣不易排出，因而对于厚板通常采用将一次穿孔拆分为若干级的分级穿孔方式，逐级加深穿透并配合调整聚焦位置、辅助气体与脉冲参数。穿孔质量的优劣直接影响后续切割的稳定性，良好的穿孔是保证光束与气流稳定的基础。此外，在切割头上同轴设置光电器件以采集加工区的辐射信号，可用于对加工过程进行监测。

2、然而，现有的厚板穿孔与起切方式仍存在若干不足。穿孔的级间切换多依据预先设定的固定时长，而板面的锈蚀、油污以及板厚的波动会改变实际的熔透节奏，固定的时长既可能在熔腔尚未稳定时过早切换而导致穿孔失败，也可能在熔腔已经稳定之后继续停留而导致熔坑过度扩大与飞溅加剧。穿孔的分级数与各级聚焦位置多凭经验确定，聚焦位置未能随熔坑底部的推进而前移，使得深部的能量耦合变差而穿孔效率偏低。穿孔阶段与切割阶段的参数相互独立地设定，穿孔结束时孔径较大且孔周预热较重，若随即以稳态切割速度与稳态切割功率进入轮廓，则引切起始段容易出现过烧、塌角与挂渣，甚至因热失衡而发生断切。由穿孔向切割的过渡多表现为参数的突变，过渡过程中单位长度的热输入不稳定，难以同时兼顾不过烧与不挂渣。

3、基于上述问题，有必要提供一种能够使穿孔分级自适应、并使穿孔阶段与引切阶段相互衔接协同的厚板激光切割方法，以提高厚板起切的效率、稳健性与切割面质量。

技术实现思路

1、本发明的技术方案为:一种厚板激光切割的分级穿孔与渐进引切方法，包括以下步骤：

2、s1、获取待切割厚板的板厚与材料类别，并对穿孔过程进行分级规划，确定穿孔的分级数以及各级所对应的聚焦位置、辅助气体压力与脉冲占空比；

3、s2、自第一级起逐级对所述厚板实施脉冲穿孔，并使聚焦位置随穿孔级数的增加逐级向所述厚板的内部方向移动；

4、s3、在穿孔过程中，通过与激光束同轴设置的光电传感器实时采集加工区的辐射信号，根据所述辐射信号的滑动平均值及其变化率判定每一级穿孔是否正常完成，在正常完成时触发正常级间切换，在达到本级时长上限而仍未正常完成时执行异常处理，逐级进行直至判定所述厚板被穿透；

5、s4、对穿孔过程中采集的所述辐射信号进行积分，得到与本次穿孔热输入相关的辐射积分特征量，并根据所述辐射积分特征量确定渐进引切的起始切割速度；

6、s5、沿引切路径自穿孔位置行进至切割轮廓的引入点，使切割速度由所述起始切割速度逐渐升高至稳态切割速度，并使激光功率与切割速度按预设的单位长度输入能量关系协同变化，在过渡完成后转入稳态轮廓切割。

7、进一步的，所述步骤s1包括：

8、s11、获取所述厚板的板厚与材料类别，并根据预先标定的材料—板厚—工艺参数映射关系调取单级熔深增量，所述单级熔深增量为在相同激光功率、辅助气体种类、喷嘴高度、首级聚焦位置与脉冲参数条件下标定得到的单级穿孔稳定熔透的厚度增量；

9、s12、对所述板厚与所述单级熔深增量的比值向上取整，得到所述分级数，按下式计算：

10、；

11、式中，为所述分级数；为所述板厚；为所述单级熔深增量，且大于0；为向上取整运算符；

12、s13、以所述厚板的入射侧表面为聚焦位置零点、并以沿激光入射方向指向所述厚板内部为正方向，按穿孔级数的顺序确定各级聚焦位置；并按预设序列设定各级辅助气体压力与脉冲占空比，使至少一个后续穿孔级的辅助气体压力与脉冲占空比中的至少一者高于其前一穿孔级；各级聚焦位置按下式确定：

13、；

14、式中，为第级的聚焦位置；为首级的聚焦位置；为穿孔级的序号，取从1至所述分级数的整数；为相邻两级之间聚焦位置沿所述正方向的移动量，且大于0；由此得到用于指导逐级穿孔的分级穿孔规划数据。

15、进一步的，所述步骤s2包括：

16、s21、按所述分级穿孔规划数据，将聚焦位置、辅助气体压力与脉冲占空比设定为第一级所对应的数值，开启激光与辅助气体，进行第一级脉冲穿孔；

17、s22、在本级穿孔正常完成并触发所述正常级间切换后，将聚焦位置沿所述正方向移动一个所述移动量，并将辅助气体压力与脉冲占空比更新为下一级所对应的数值，进行下一级脉冲穿孔；

18、s23、重复所述步骤s22，使聚焦位置随穿孔级数的增加向预计穿孔深度方向逐级移动，直至完成末级穿孔，从而在穿孔深度增大的同时维持激光能量与穿孔底部的耦合。

19、进一步的，所述步骤s3包括：

20、s31、在穿孔过程中以固定的采样时间间隔通过所述光电传感器采集所述加工区的辐射信号，得到所述辐射信号的采样序列；

21、s32、在所述采样序列中取由设定数量的相邻采样点构成的滑动窗口，计算所述滑动窗口的滑动平均值，并由相邻两个滑动窗口的滑动平均值计算变化率，所述滑动平均值与所述变化率分别按下式计算：

22、；

23、；

24、式中，为第个采样点对应滑动窗口的滑动平均值；为所述滑动窗口包含的采样点数；为第个采样点的辐射信号值；为对序号自至求和的运算符；为当前采样点的序号，且不小于；为第个采样点的变化率；为第个采样点对应滑动窗口的滑动平均值；为相邻两采样点之间的采样时间间隔；

25、s33、当所述滑动平均值不小于预先标定的电平阈值，且所述变化率的绝对值不大于预先标定的斜率阈值，并连续维持设定的保持时长时，判定当前级穿孔正常完成并触发所述正常级间切换，所述绝对值为所述变化率去除正负号后的数值；

26、s34、当本级穿孔的持续时间达到预设的时长上限而仍未满足所述步骤s33的正常完成条件时，执行异常处理，所述异常处理包括延长本级穿孔、调用备用穿孔参数、降低激光功率后重试与停机报警中的至少一种，且所述异常处理不作为当前级穿孔正常完成的判定；

27、s35、逐级重复所述步骤s31至所述步骤s34；当末级穿孔正常完成并连续维持所述保持时长时，判定所述厚板被穿透，得到自适应于板面状态与板厚波动的穿透判定结果。

28、进一步的，所述步骤s4包括：

29、s41、在自第一级穿孔开始至判定所述厚板被穿透的整个穿孔过程内，对采集的所述辐射信号按采样时间间隔进行累加积分，得到与本次穿孔热输入相关的所述辐射积分特征量，按下式计算：

30、；

31、式中，为所述辐射积分特征量；为第个采样点的辐射信号值；为相邻两采样点之间的采样时间间隔；为对穿孔过程内各采样点求和的运算符；为采样点的序号；

32、s42、在所述辐射积分特征量的预先标定上限大于其预先标定下限的条件下，将所述辐射积分特征量限幅归一化，得到归一化特征量，按下式计算：

33、；

34、式中，为所述归一化特征量；为所述辐射积分特征量；为预先标定的所述辐射积分特征量的下限；为预先标定的所述辐射积分特征量的上限，且大于；为取花括号内数值中的较小者的运算符；为取花括号内数值中的较大者的运算符；

35、s43、根据所述归一化特征量确定渐进引切的所述起始切割速度，使所述起始切割速度随所述归一化特征量的增大而减小、并不低于预设的速度下限，按下式计算：

36、；

37、式中，为所述起始切割速度；为预设的速度下限，且大于0并小于；为所述稳态切割速度；为起点整定系数，且大于0并小于1；为所述归一化特征量；为取花括号内数值中的较大者的运算符；由此使引切的起始切割速度与本次穿孔的辐射积分特征量相适应。

38、进一步的，所述步骤s5包括：

39、s51、规划引切路径，使所述引切路径的起点位于穿孔位置、末端位于所述切割轮廓的引入点，且所述引切路径在所述引入点处与所述切割轮廓相切，所述引切路径为圆弧线或螺旋线；

40、s52、沿所述引切路径行进，按行进进度使所述切割速度由所述起始切割速度线性增大至所述稳态切割速度，所述切割速度按下式确定：

41、；

42、；

43、式中，为行进进度为时的切割速度；为所述起始切割速度；为所述稳态切割速度；为行进进度；为沿所述引切路径已行进的弧长；为所述引切路径的总长度；

44、s53、在所述切割速度增大的同时调节所述激光功率，使所述激光功率与所述切割速度满足下式所示的设定单位长度输入能量关系：

45、；

46、式中，为行进进度为时的激光功率；为行进进度为时的切割速度；为所述稳态切割速度所对应的稳态切割功率；为所述稳态切割速度；在行进进度达到1后，按所述稳态切割功率与所述稳态切割速度进行轮廓切割。

47、进一步的，在所述穿孔过程所采用的辅助气体与所述稳态轮廓切割所采用的辅助气体种类相同或在完成辅助气体种类切换之后，沿所述引切路径行进时使辅助气体压力按下式过渡：

48、；

49、式中，为行进进度为时的辅助气体压力；为穿透所述厚板时所采用的辅助气体压力；为所述稳态轮廓切割所采用的辅助气体压力；为行进进度。

50、进一步的，所述电平阈值与所述斜率阈值通过预先的穿孔试验标定得到：在多次穿孔试验中分别记录穿透情形与未穿透情形下所述滑动平均值与所述变化率的数值；所述电平阈值取为高于未穿透情形的滑动平均值且低于穿透情形的滑动平均值的数值；所述斜率阈值取为穿透稳定阶段中所述变化率的绝对值的统计上限值，或取为使穿透情形与未穿透情形的误判率不高于预设误判率的数值。

51、本发明的有益效果为：

52、本发明在穿孔规划阶段以等熔深为原则确定穿孔的分级数，并使聚焦位置随穿孔级数的增加逐级向厚板内部方向移动，该技术手段使每一级穿孔所去除的厚度大致相等而各级的能量负担较为均衡，同时使聚焦点随熔坑底部的推进而前移。由于聚焦点持续地与熔透前沿相耦合，激光能量得以高效地作用于熔坑底部，因而厚板的穿孔过程更为顺畅，穿孔效率得到提升，熔渣的回喷与镜片的污染随之减轻。

53、本发明在穿孔过程中通过与激光束同轴设置的光电传感器实时采集加工区的辐射信号，并依据辐射信号的滑动平均值与其变化率以双重判据判定每一级穿孔是否正常完成，同时将达到时长上限而仍未正常完成的情形归入异常处理，该技术手段使穿孔的级间切换与穿透判定不再依赖固定的时长，而能够自适应于板面的锈蚀、油污以及板厚的波动。由于切换发生在熔腔建立并趋于稳定之后，既避免了在熔腔尚未稳定时过早切换所造成的穿孔失败，又避免了在熔腔已经稳定之后继续停留所造成的熔坑过度扩大，因而起切的一次成功率得到提高，穿孔过程的稳健性随之增强。

54、本发明对穿孔阶段所采集的辐射信号进行积分，得到与本次穿孔热输入相关的辐射积分特征量，并据此对渐进引切的起始切割速度进行自整定，同时以速度下限对其加以约束，该技术手段使引切阶段的起点不再独立于穿孔阶段而设定，而能够依据本次穿孔实际形成的热状态加以调整。由于穿孔所注入的热量越多则所确定的起始切割速度越低，引切起始段的热输入随之减小，因而在孔周预热较重时的起始段过烧得到抑制，由热失衡所引起的断切随之减少。

55、本发明在引切阶段使引切路径自穿孔位置起、并在切割轮廓的引入点处与轮廓相切，同时使激光功率与切割速度按恒定的单位长度输入能量关系协同变化，该技术手段使由穿孔状态向稳态切割状态的过渡连续而无突变，并使过渡过程中单位长度的热输入维持在稳态设定值。由于切向的引入避免了光束二次进入已经扩大的熔坑，而恒定的单位长度输入能量兼顾了既不过烧又不挂渣的要求，因而引切起始段的切割面质量得到改善，起切的缺陷随之减少；上述各阶段的技术手段相互衔接，共同使厚板激光切割的起切过程更为高效、稳健与可靠。