技術干貨 | 加速智能化浪潮，用編程實現坡口轉角“一刀流”
在船舶、石油管道、工程機械等大型生產制造過程中，為保證焊接質量與強度，厚鋼板結構件焊前，坡口加工是一道必不可少的工序，目前市面上機械、火焰或電弧等多種方式加工坡口的過程均被稱為“開坡口”。開坡口的目的是為保證電弧能深入到焊縫根部使其焊接更加充分，并獲得良好的焊縫成型與清渣便利，對于合金鋼來說，坡口還能起到調節母材金屬和填充金屬比例的作用。
根據材料厚度和焊接質量需求，市面上主要的坡口形式有V型坡口、Y型坡口、X型坡口、K型坡口，如圖1所示。V坡口和Y坡口是單面焊接，切割和后期焊接過程都較為便利，缺點是焊后容易變形。當焊件厚度增大時，一般采用X坡口或K坡口，同樣厚度下可減少焊縫金屬量約1/2，對稱施焊，焊后變形小，缺點是焊接過程中要翻轉焊件，在筒形焊件的內部施焊，需耗費一定的時間、人力成本。
傳統開坡口的方式很多：剪邊、刨邊、車削、火焰切割、等離子切割等，前三種是通過剪板機、刨床、車床等設備進行機械加工；手工火焰切割，在坡口軌跡復雜情況下，非常考驗工人的熟練程度和工作狀態，對于批量焊件的一致性并不能很好滿足；等離子切割由于割縫很寬，會導致尺寸精度低，并且切割過程中產生弧光輻射、煙塵及噪聲等公害。
相比以上傳統開坡口方式，激光是目前在市場運用中熱變形最小，切口質量最佳，尺寸精度最高并且穩定性最好的一種新型加工方式。目前，國內外已經普遍采用激光切割機完成20mm甚至更厚鋼板的坡口加工，可一次成形V、X、Y等形狀的坡口，將傳統切割、銑削等多道工序流程一次完成，不僅可以大大提高效率、保證質量、節約資源，并且切割零件質量、尺寸精度較高，Y、K等形態坡口留根均勻一致，具有較高的表面質量，如圖2所示。
激光坡口切割的原理即是在平面激光切割的基礎上添加旋轉軸，搭配可以控制五軸聯動的數控系統，實現坡口轉角切割。目前市場上直線或曲線的坡口切割技術已趨于成熟，但坡口轉角過渡一直是激光坡口切割設備面臨的難題。根據轉角位置不同，可以分為外輪廓轉角和內輪廓轉角，兩者的處理方式也有所不同。
外輪廓坡口轉角切割
外輪廓坡口轉角過渡，一般可以分成兩種情況。
當轉角是鈍角或是超過一定角度（這個角度在編程軟件里可設置）的時候，切割頭可以直接通過旋轉達到相鄰線段所需角度。如圖4所示，對于135 °的外輪廓，當我們在軟件里面設置好轉角回路閾值，在出程序時，就可以決定我們是直接成型，還是重新打孔加引線兩次成型。
例如圖5所示：切135 °角的鈍角三角形，我們可以選擇轉角的切割方式，實現一次成型，這樣節省了打孔、切割頭回正和偏轉的時間；同時也可以選擇添加引線，重新打孔、偏轉切割坡口，對于轉角質量要求高的零件可以采取這種切割方式。
當外輪廓轉角是銳角或是小于一定角度（這個角度在編程軟件里可設置）的時候，過渡角度太小導致切割頭沒有辦法直接旋轉到位，這個時候需要通過添加引線，相鄰線段重新打孔的方式完成切割。
如圖6所示，正方形的4條邊都切割坡口，每條邊都是單獨打孔然后偏轉切割頭。通過修改軟件中引線參數，我們可以決定轉角過渡時引入線和引出線的長度。這種切割方式的好處是轉角處切割質量好，相鄰邊切割相互獨立，不會出現轉角燒融的現象。從切割樣件圖片可以看到，25mm鐵板四周坡口轉角處的切割質量良好，沒有出現轉角過燒現象。
內輪廓90°轉角切割
對于內輪廓90°轉角坡口，由于在零件內部，添加引入線和引出線會破壞工件，所以需要切割頭在轉角處能直接快速旋轉到指定角度。使用常規坡口編程軟件編程時，當內輪廓是正方形，四條邊切30°正V坡口，通過程序模擬可以看到，程序從內輪廓一邊中間引入，然后旋轉切割一周，一次成型。
但實際切割時可以發現，轉角處切割頭旋轉速度很慢，不能立刻旋轉到相鄰邊所需的角度，導致切割頭一邊切割一邊旋轉，最終形成了漸變坡口的成型狀態，無法滿足加工需求。實際上，內輪廓90°轉角坡口切割一直是行業難題，因為常規軟件不能準確計算出切割頭轉角運動時的G代碼，所以內輪廓轉角切割也一直沒有得到很好解決。
針對以上問題，華工激光軟件開發人員改進軟件算法，突破切割頭路徑規劃和G代碼生成兩大難點，在內輪廓轉角處生成新的程序，滿足內輪廓坡口拐角切割一刀成型的需求。在編寫內輪廓90°轉角程序時，將引入線放在內輪廓一邊中點處，模擬NC路徑如圖8所示。
在實際切割過程中，內輪廓的轉角處切割頭可以快速轉到相鄰邊所需角度，切割過程中，保證每個邊的坡口角度一致，并且轉角處成型良好。圖9為10mm鐵板內輪廓轉角切換狀態，將引入線放到內輪廓轉角處，可以看到內輪廓4邊坡口角度一樣且切割面質量更好，無引線痕跡。
目前，根據板材厚度和坡口角度，華工激光套料軟件可精確計算出激光頭轉角運動軌跡，完美解決內外輪廓轉角一刀成型的問題。在整個操作過程中效率快、精度高、品質優良，滿足坡口切割市場的必要需求，也為今后其他激光坡口編程軟件提供啟發性的開發方向。
“十三五”以來，我國鐵路建設、公路建設、水利水電建設等多項重大工程的迅速推進，工程機械市場需求量逐年穩增，不斷推動智能制造生產轉型進程。在坡口切割領域內，坡口轉角“一刀流”可一次性實現智能化加工，優化生產流程，有效提高切割效率和工件品質，未來在激光切割一次成型技術研發領域里必然發揮著極其重要的作用。
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