技术干货 | 加速智能化浪潮，用编程实现坡口转角“一刀流”
在船舶、石油管道、工程机械等大型生产制造过程中，为保证焊接质量与强度，厚钢板结构件焊前，坡口加工是一道必不可少的工序，目前市面上机械、火焰或电弧等多种方式加工坡口的过程均被称为“开坡口”。开坡口的目的是为保证电弧能深入到焊缝根部使其焊接更加充分，并获得良好的焊缝成型与清渣便利，对于合金钢来说，坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用。
根据材料厚度和焊接质量需求，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，如图1所示。V坡口和Y坡口是单面焊接，切割和后期焊接过程都较为便利，缺点是焊后容易变形。当焊件厚度增大时，一般采用X坡口或K坡口，同样厚度下可减少焊缝金属量约1/2，对称施焊，焊后变形小，缺点是焊接过程中要翻转焊件，在筒形焊件的内部施焊，需耗费一定的时间、人力成本。
传统开坡口的方式很多：剪边、刨边、车削、火焰切割、等离子切割等，前三种是通过剪板机、刨床、车床等设备进行机械加工；手工火焰切割，在坡口轨迹复杂情况下，非常考验工人的熟练程度和工作状态，对于批量焊件的一致性并不能很好满足；等离子切割由于割缝很宽，会导致尺寸精度低，并且切割过程中产生弧光辐射、烟尘及噪声等公害。
相比以上传统开坡口方式，激光是目前在市场运用中热变形最小，切口质量最佳，尺寸精度最高并且稳定性最好的一种新型加工方式。目前，国内外已经普遍采用激光切割机完成20mm甚至更厚钢板的坡口加工，可一次成形V、X、Y等形状的坡口，将传统切割、铣削等多道工序流程一次完成，不仅可以大大提高效率、保证质量、节约资源，并且切割零件质量、尺寸精度较高，Y、K等形态坡口留根均匀一致，具有较高的表面质量，如图2所示。
激光坡口切割的原理即是在平面激光切割的基础上添加旋转轴，搭配可以控制五轴联动的数控系统，实现坡口转角切割。目前市场上直线或曲线的坡口切割技术已趋于成熟，但坡口转角过渡一直是激光坡口切割设备面临的难题。根据转角位置不同，可以分为外轮廓转角和内轮廓转角，两者的处理方式也有所不同。
外轮廓坡口转角切割
外轮廓坡口转角过渡，一般可以分成两种情况。
当转角是钝角或是超过一定角度（这个角度在编程软件里可设置）的时候，切割头可以直接通过旋转达到相邻线段所需角度。如图4所示，对于135 °的外轮廓，当我们在软件里面设置好转角回路阈值，在出程序时，就可以决定我们是直接成型，还是重新打孔加引线两次成型。
例如图5所示：切135 °角的钝角三角形，我们可以选择转角的切割方式，实现一次成型，这样节省了打孔、切割头回正和偏转的时间；同时也可以选择添加引线，重新打孔、偏转切割坡口，对于转角质量要求高的零件可以采取这种切割方式。
当外轮廓转角是锐角或是小于一定角度（这个角度在编程软件里可设置）的时候，过渡角度太小导致切割头没有办法直接旋转到位，这个时候需要通过添加引线，相邻线段重新打孔的方式完成切割。
如图6所示，正方形的4条边都切割坡口，每条边都是单独打孔然后偏转切割头。通过修改软件中引线参数，我们可以决定转角过渡时引入线和引出线的长度。这种切割方式的好处是转角处切割质量好，相邻边切割相互独立，不会出现转角烧融的现象。从切割样件图片可以看到，25mm铁板四周坡口转角处的切割质量良好，没有出现转角过烧现象。
内轮廓90°转角切割
对于内轮廓90°转角坡口，由于在零件内部，添加引入线和引出线会破坏工件，所以需要切割头在转角处能直接快速旋转到指定角度。使用常规坡口编程软件编程时，当内轮廓是正方形，四条边切30°正V坡口，通过程序模拟可以看到，程序从内轮廓一边中间引入，然后旋转切割一周，一次成型。
但实际切割时可以发现，转角处切割头旋转速度很慢，不能立刻旋转到相邻边所需的角度，导致切割头一边切割一边旋转，最终形成了渐变坡口的成型状态，无法满足加工需求。实际上，内轮廓90°转角坡口切割一直是行业难题，因为常规软件不能准确计算出切割头转角运动时的G代码，所以内轮廓转角切割也一直没有得到很好解决。
针对以上问题，华工激光软件开发人员改进软件算法，突破切割头路径规划和G代码生成两大难点，在内轮廓转角处生成新的程序，满足内轮廓坡口拐角切割一刀成型的需求。在编写内轮廓90°转角程序时，将引入线放在内轮廓一边中点处，模拟NC路径如图8所示。
在实际切割过程中，内轮廓的转角处切割头可以快速转到相邻边所需角度，切割过程中，保证每个边的坡口角度一致，并且转角处成型良好。图9为10mm铁板内轮廓转角切换状态，将引入线放到内轮廓转角处，可以看到内轮廓4边坡口角度一样且切割面质量更好，无引线痕迹。
目前，根据板材厚度和坡口角度，华工激光套料软件可精确计算出激光头转角运动轨迹，完美解决内外轮廓转角一刀成型的问题。在整个操作过程中效率快、精度高、品质优良，满足坡口切割市场的必要需求，也为今后其他激光坡口编程软件提供启发性的开发方向。
“十三五”以来，我国铁路建设、公路建设、水利水电建设等多项重大工程的迅速推进，工程机械市场需求量逐年稳增，不断推动智能制造生产转型进程。在坡口切割领域内，坡口转角“一刀流”可一次性实现智能化加工，优化生产流程，有效提高切割效率和工件品质，未来在激光切割一次成型技术研发领域里必然发挥着极其重要的作用。
关于华工激光
华工激光是中国激光工业化应用的开创者、引领者，全球激光加工解决方案权威提供商。我们全面布局激光智能装备、量测与自动化产线、智慧工厂建设，为智能制造提供整体解决方案。
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