激光大佬又来分享干活啦，掌握它可吃十年红利：激光切割过程的动力学分析

激光大佬又来分享干活啦，掌握它可吃十年红利：激光切割过程的动力学分析：激光切割面的熔体流动动力学的不稳定性导致由于术后横向损失而导致的质量损失。事实证明，高速视频诊断对于有意识的过程分析非常有用。因此，最初观察到切削刃上熔膜的动力学具有几乎与工艺参数无关的特征频率。有趣的是，它们的局部外观与切割面的不规则区域较少相关。这一发现表明，要在整个切削深度上实现较小的粗糙度，需要增加固有频率。基于对固有频率起源的物理理解，可以定义可理解的规则来优化激光束和气流的参数。

用于宏观加工的高性能激光切割系统除光纤或平板激光器外，主要配备 CO2 激光器。可实现的切割质量不断提高，但在使用光纤或圆盘激光器切割厚板金属时，可实现的切割质量仍远低于 CO2 激光器。激光手术前的不稳定性会导致手术侧面出现划痕，导致质量差，甚至拖尾。激光切割仅指边缘形成机制的某些方面。近年来，Hirano、Fabbro、Ermolaev 等人、Pokorny 等人。在手术过程中融合和凝固动力学的快速原位成像方面做了重要的工作。 Hirano 和 Fabbro 观察到辅助气体（p = 2.5 bar）低压熔化平台的大部分（> 1.7 mm 宽），他们称之为“隆起”。

他们使用 3 mm 厚的不锈钢样品，观察到熔体流动速度 ≈ 3.2 m / s 和尖端速度 ≈ 0.2 m / s。对于 6 mm 不锈钢样品，Ermolaev 等人。 10 m / s 在狭窄的路径上。波科尼等人。他们描述了他们称之为“影响”的熔体沉积速率，10mm 厚的不锈钢样品的平均熔体速率约为 0.4 m / s，平均熔体速率约为 1.1 Frk。使用先进的算法，我们能够量化浇注砌体表面顶部的熔体波的流动动力学和速度分布。因此，可以看出，融合波的主要数量达到了 ≈15 m / s 的速度。结果表明，具有快速熔波的稳定熔膜有利于获得良好的切割表面质量和低表面粗糙度。

此外，有必要进一步评估切割过程的时空参数及其关系。这项工作的主要目的是研究熔体波沿切削刃顶部流动的频率，并将其与切削速度、设置位置焦点和支撑的变化相关的切削表面划痕模式进行比较。

实验装置和评估方法

实验使用波长为 1030 nm、输出功率为 5 kW 的 12 kW 圆盘激光器（Trumpf，TruDisk 12002）进行。使用 Precitec HPSSL 切割头，光纤引导的激光束 (Ø 200 µm) 分别在 100 mm 和 250 mm 的焦距处居中和聚焦。这种配置提供了 500 µm 的焦距。

为了可视化和分析切割面头部的流动动力学，制作了截面并在开发零件的帮助下校正了观察方向。高速相机（Photron SA 5）设置为 64 × 376 像素的范围，能够以 140,000 fps 的速度录制。使用尼康的 200mm 微距镜头可实现 20 µm/像素的空间分辨率。为了消除凹槽开始处的伪影并获得对速度分布的充分统计估计，评估的起点位于凹槽开始后 2 mm 处，每个度数使用 5 mm 切片段。

熔化峰和峰的动态与处理随时间的演变和切割深度相关。考虑到由于不同切割速度导致的不同加工时间，熔化峰的数量已随时间标准化。通过了解每个熔化峰的时间位置，您可以分析熔化峰之间时间间隔的阈值深度或熔化波的频率。

表面粗糙度

在保持焦点位置和辅助气压的同时，切削速度 (v) 的增加导致表面粗糙度的整体下降，其值随切削深度的变化而变化很大。最小平均表面粗糙度 (Rz ≈ 20 µm) 较少取决于切削速度，介于切削深度的 1/3 和 1/2 之间。在更大的切削深度，平均表面粗糙度在所研究的四种切削速度下增加。分析作为焦点位置和辅助气压函数的峰值波高的发展确定了相同的切割深度剖面。从板的顶部开始，平均表面粗糙度在样品厚度的前三分之一到一半降低，向板的底部增加。切削深度处的表面粗糙度近似为 S 形，所有切削参数均已研究。

熔化波的频率

为了管理切割表面顶部的熔体波的流动频率，对在不同切割深度研究的所有切割参数进行了映射。除了分布，还考虑模态值，取决于切削深度、上下四分位数和一般频率最大值。

对于所有检查的切割参数，可以确定切割深度的特定频率分布作为熔体波之间时间间隔的函数。与切削深度 绘制的模态值表明，对于所研究的所有切削参数，板的 S 形轮廓从上到下都是相对相同的。从 1/3 到 1/2 深度的切割开始，熔化波的时频模态值上升到最大值 27 到 33 kHz，但有一些例外。然后频率略微增加至切割深度的大约 2/3，并部分再次增加，直到达到切割功率。

由于在切削深度的大约 1/3 到 1/2 的切削深度范围内，瞬时熔体波的较小色调似乎有助于降低表面粗糙度。这与之前的发现一致，即快速熔化波可用于光滑的侧切表面。

熔融波特征动力学的解释与应用

有趣的是，作为切削深度函数的熔体波频率（即熔体波之间的时间间隔）的分析表明，对工艺参数的依赖性很小。可以看出，对于所研究的工艺参数范围，27-33 kHz 的频率对应于 30-35 μs 的典型熔化波时间间隔。

我们的解释方法是基于切割刀片中空气或气柱的纵向振动。这个原理可以用人工哨子来解释。在人工哨子中，声音是通过将气流引导到锋利的边缘或类似障碍物上来产生的。这会产生与谐振腔相互作用的涡流，产生声波，进而产生适当频率的声音。频率取决于空腔的长度和形状，两端是封闭的还是开放的，以及空气或空气柱中的声速。

我们假设熔融膜上融合共振波的形成可能是由于上述波动过程。结果，气流对熔膜的摩擦力局部增加，熔融材料的迁移得到改善，导致峰底的局部高度降低。

这种物理理解为提高边缘质量开辟了一条有希望的途径。我们假设这种嘶嘶声效应可能是由于工艺参数在谐振频率下的调制。因此，有必要在焊缝金属中产生有效的共振波，以显着稳定焊缝金属在整个板厚上的摩擦力。

激光束参数的时间调制，如光束功率和功率密度分布，以及空间光束振荡，是一种自我识别激发共振的方法。另一种可能性是产生已经在凹槽上方以共振频率振荡的气流。为此，可以在喷嘴的几何形状中形成一个特殊的谐振腔，其长度与待切割板的厚度相适应。