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{\fad(500,500)\pos(380,770)}莱因哈特. 波普拉韦教授

{\fad(500,500)\pos(526,838)}激光技术有限公司主席 亚琛工业大学

你好，欢迎观看这个视频

在这个视频是关于激光切割

激光切割是当今我们使用最广泛的激光加工方法

我们在这个领域已经有很多年的经验

直到今天，它仍然是我们所有研究最多的激光应用课题之一

本视频分为四部分内容

首先，我们来看看激光切割的基础知识

然后我们将根据它们的经典领域来研究切割的三个主要领域

第一种是激光升华切割

第二种是激光熔切割

第三种是激光氧切割

激光切割的基本原理相当简单

我们把激光辐射集中在材料上

我们增加强度

这样吸收的能量就会导致材料的熔化或蒸发

我们在熔融或汽化状态中将以惰性气体或反应性气体支持的材料拿走

它显示在右手边的草图中

你可以看到激光束从顶部射出

在喷嘴中同轴平行地把材料熔化

我们使用气体射流来加速熔化过程

并帮助他们熔化得到吹出加工区通常到切割底部

与传统工艺相比，这些切削工艺的优点在于

我们可以提高加工速度以及降低低热负荷，切割精确

如果我们使用惰性气体，切割就不会氧化，

并且大多数情况下不需要后处理

如果我们看一下影响过程的各个工艺参数

激光就起主导作用

在波长、强度、光束质量、光束直径、偏振和激光功率方面

当然还有我们如何合理地应用它的问题

连续波或脉冲连续波

切割气体当然是重要的

它可以是惰性的，也可以是反应性的

实际上没有材料是不能应用激光切割的

而处理需要高精度的控制

然后我们有时需要根据切割的方向来定位加工头

根据切割方向尤其是当我们在更高规格的材料上工作时

光学在焦距、焦距和成像特性方面也很重要

如果你看这个过程，想象一下激光从左边进来

现在我们得到这个材料，在切割曲线的投影中

只是在这张图中没有显示

根据光轴的位置，光强分布会发生变化

在这里用所谓的高斯光束等光波来表示

在这个例子中，我们采用TM零高斯光束

你们看到，这里有一个等光点

其中强度定义为峰值强度的一半

这或多或少与高斯光束的瑞利长度精确地对应

瑞利长度可以说是聚焦深度

通常匹配的切削厚度是1：1

这意味着我们可以选择激光束的聚焦

也就是说，辐射分布的强度下降到大约一半

与瑞利长度的材料相对应

这是我们想要根据材料厚度进行切割的尺寸

我们从激光升华切割这三个切割过程的第一个过程开始

顾名思义，大多数材料是汽化的

实际上没有形成熔体

如果材料可以熔化，可能会有一个小的熔融膜厚度

我们有非常平滑的切削刃

低热负荷，没有氧化

而且我们可以将这个过程非常有效地运用于

那些没有明显熔化温度的材料

例如木材、纸张、陶瓷或塑料

看看这些优点

缺点是我们需要相对较高的强度

因为我们需要克服蒸发能量密度

如果我们使用激光切割与熔体

那么我们只需要超越熔体密度

这是一个木头切割的例子

厚度大约是2.5厘米

你可以看到一个千瓦的二氧化碳激光器

以每分钟大约1.5米的速度切割它

正如你所看到的，表面看上去并没有被碳化

这是真的

但不是100%

实际上有碳化

因为我们蒸发木材，碳化作用很薄，大约低于一微米

以可见光不能分辨碳化膜

第二个过程是激光熔化切割

在熔化切割中，大部分能量用于熔化材料

然后由惰性气体如氮、氩、氦或任何其它惰性气体喷射

其优点在于，与升华相比，只需要较低的能量

在相同的强度下，我们得到较高的切割速度，而且没有切割的氧化

我们几乎可以切割所有表现出熔融行为的材料

这对于热塑性塑料、玻璃，当然还有所有金属都是如此

缺点是

我们需要对所有工艺参数进行相当精确的调整

经过几十年的应用表明

是对长期运行和应用要求最高的参数之一

这就是激光切割机中

所有相关部件的定位精度和可重复性

液体熔体形成条纹

所以我们将了解到的这些条纹是非常系统的

它们会产生我们不想要的渣滓

有时，惰性气体会催化切割过程

我们会消耗相当高的切割气体

因为我们在相应的喷嘴中工作压力高达10到20bar

你可以看到切割过程的原理图

有来自顶部的激光

然后，有一些容器压力室，在这可以形成一个激光气体射流

这很简单

如果你有透明光学技术，你可以使用它

然后，我们将得到一个同轴切割气体射流

它把熔体从切割曲线上沿平行于光轴的方向往下喷出

如果我们使用反射光学

系统要求就比较高

这是我们使用的反射镜系统

聚焦的激光束在这里离开这个喷嘴系统

喷嘴由双锥形同轴喷嘴组成

这能让我们再一次用镜面光学

来形成与激光束同轴的同轴气体射流

以便激光束的光能共线地

供应气体射流的机械能

因此，我们得到了像这样的切割

这里显示了一个15毫米的铝合金切割

你能看到它是一个正矩形

这比所有其他的等离子体切割工艺都好

但是我们得到一个由这些条纹形成的微粗糙度

你们可以看到它们已经出现的不同区域

以不同的属性

为了弄清原因

这些过程已经被广泛地模拟了

在第一个视频动画中

你可以看到过程和原理

激光辐射击中待切割工件的冷却部分

然后它开始形成一个熔化膜

这个熔化膜在开始时非常薄

所以表面张力超过沿着切割曲线后面吹出熔体所需的力

所以回到切割曲线，它仍然会粘在这里

但是，如果你再多给一点时间

熔体膜厚度就会增加

这样表面张力就会变得很小

比起气体射流施加的力

然后熔体就会沿着切割曲线向下移动

然后熔体会沿着这个切割曲线

它将沿着切割曲线滑动，熔体将被清除

然而，这种现象是周期性发生的

因为一旦我们带走一部分熔体

熔体膜厚就几乎为零或非常小

以至于表面张力再次上升

然后我们需要再多留一点时间

就会再次形成其中一种这样的滴液

然后形成熔滴

虽然它有足够的质量，但却没有足够的表面张力，所以只能停留在那里

但它会沿着曲线加速

这种切割过程的周期性

可以在一个非常实际的例子中观察到

如果你想到落在窗户上的雨滴

你会看到在窗户的顶部

那里只有小雨滴

它们会像雨滴一样依附在那里

但只要窗户上出现更多的雨滴

在窗户的底部

你那时会看到

重力在这种条件下超过水滴的表面张力

水滴会开始沿着窗户流下

原理和这里是完全一样的

正如水的重力一样

激光切割是将熔融膜挤出的加速气体射流

回到我们的视频

现在我会再展示一遍

现在你们就能更好地理解熔体周期性的形成和熔滴

也就是说，你们可以在熔体厚度的变化中很好地看到这一点

因此

熔体流动的这种周期性的调节导致了这些条纹的产生

这是一个非常系统的，尚未被理解的问题

如何防止周期性振荡过程

如果你看了下一个视频，你就会知道在现实中它会更加复杂

正如你所看到的，现实中产生的条纹现在变得更加复杂

原因在于，熔体流动不仅垂直，

而且还有水平分量

在激光束本身周围的分量

所以径向分量与垂直分量叠加

因此我们得到这些合力

产生我们称之为第一和第二种条纹

又看到了这个非常好的片段

这是第一种条纹，这是第二种条纹

事实上，还有第三种条纹

为了使这些效果可见

我们设计了一个名为“修剪”的过程

所以，我们要做的是取一个切削刃

然后切割并修剪那块金属的边缘

在没有工件的另一边

我们放置一块玻璃

通过这块玻璃我们可以用照相机观察过程

通过这样做，我们得到切削曲线的模拟非常接近现实

并具有查看切削曲线本身的能力

因此，我们现在可以看到二氧化碳激光切割

和钕YAG激光切割一微米固体激光器

用来解释这里的动力

当然，如果你使用10微米的激光

原理速度会受到激光聚焦能力的限制

1微米的激光也是如此

然而，正如你可能记得或知道的

1微米的辐射可以聚焦在可比较的光束质量上

比波长的顺序高出10倍

因此，在原理上，在功率相当的情况下

与二氧化碳激光器相比，使用1微米激光器的切削曲线要小10倍

这导致理论上在切削速度提高10倍时达到极限

事实上，我们不能降低切割曲线，因为它比较低

我们不能低于某些维度的原因有很多

但是因素三绝对是可行的

因此，用一千瓦一微米的激光

可以比一千瓦的二氧化碳激光切割速度快三倍

然而，缺点是这种切割的质量是不同的

你看，这里总结了我们在这方面面临的挑战

如果我们现在来看这个修剪切割技术

对于两种不同性质的切割

我们在使用二氧化碳激光器时所观察到的

实际上是非常稳定和非常好的连续熔体流

你们在这里看到的是熔融玻璃

所以忽略这个

这就是说，我们对切割的另一边不感兴趣

金属切割本身是非常，非常稳定

正如你在这里看到的慢动作视频就是10微米波长的二氧化碳激光切割

如果我们用钕钇铝石榴石激光器

用同样的参数，做同样的事情

我们来观察这个

我们在这里看到的就像切割曲线上的烟花

没有连续的熔体流动

而是像烟花一样拥有不断变化、局部和及时、变化的过程特性

所以这就是切割质量为一微米激光的原因

与二氧化碳激光相比仍然要差得多

其原因和首要解释是入射角

和最终由于布鲁斯特效应引起的吸收特性

第二个是衍射特性

一个微米的辐射会形成阴影

如果你有熔鼻

那么辐射不会弯曲

也就是说，在这些熔鼻周围

使热输入均匀化

但是也会出现反作用

熔鼻将蒸发

它会爆炸

它会使切割的其他部分蒙上阴影

导致非常高和非常低的切割温度

从而导致受热不均匀

这个过程的理论分析将在下一个视频中展示

在这部视频中，你们再一次看到

些熔化膜特性的系统周期性的形成

然后你们可以看到这些相应的熔鼻

你们知道这些液滴的形成

并且知道它们沿着切割曲线被加速

于是，我们得到了高温区和低温区

因此切割曲线是均匀的

这就是我们在未来发展一微米激光切割时需要解决的问题

说到氧气切割

它实际上和熔化切割是一样的

但是，现在我们不使用惰性气体

我们现在使用氧气

你可能知道

如果我们使用氧气

就会产生氧化

这是一个放热反应

于是我们得到更高的切割速度，更低的气体消耗

缺点是我们的切削刃会被氧化

并且会有材料被烧毁的危险

正如我所说，最有用的优点是我们从气体喷射中获得的额外能量

如果你看一下用于切割和减去损耗的净功率

你可以说大约50%

大约50%的线能量

提供来自化学反应的反应能

因此，这对于切割过程来说是一个巨大的助推器

假如我们想用激光功率的一半

或者我们可以达到氧气使用速度的两倍

你可以看一下这里的一些典型的氧气切割例子

切割质量相当好

质量相当好

但是与其他的等离子体或热切割工艺相比

更重要的是切割的矩形度

在所有的图片中，你可以看到

这种几何精度确实是激光切割的最大优点之一

这里的微切削的结构都非常小

或者只是中等尺寸的应用

每年都有数千个这样的系统投入到新的过程中使用

例如制造这样24/7的零件

从长远来看，切削当然仍然是一个非常重要的过程

但它也可以与单个机器、单个系统中的其它过程相结合

因此，我们讨论集成切割和焊接或高亮度激光生产系统的具体应用

或高亮度激光生产系统的具体应用

在这种情况下，切割和焊接被用于生产非线性特制焊接毛坯

特制焊接毛坯是由两个厚度甚至两个材料组成的毛坯

如果我们想要有一个不是直线的过渡区域

那么我们可以单独切割

并且用相同的数据切割其他部分

然后在下一步，

我们将这两个部分放在一起

并用相同的控制数据焊接

最终，额外的功能可以加入到这些表单中

就像你在这里看到的

一些椭圆形的切割，它们具有100%的精确重复性

因为所有的焊接变形都发生在我们引入这些形状的切割之前

因此，激光切割是当今使用最多的激光应用

将来可能还会继续大量使用

问题是要引入什么资源

今天我们将讨论从CO2激光器到YAG激光器的转变

YAG激光器的优点是具有火焰切割速度

4毫米以上厚度的材料仍然具有可比性

超过4毫米的数量还是很低

因此CO2激光器的使用更加密集

将来会应用到二极管激光器

首先应用二极管激光器进行切割

并且在低量程中已经应用

这只是时间和质量的问题

直到它们也用于高速高量程激光切割