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ULS气体辅助与光学器件保护的工作原理

ULS气体辅助与光学器件保护功能使用一系列组件来处理激光材料加工过程中的副产物，从而提高加工质量和产量，同时减少维护需求。以下是四类用于此目的的组件。

手动气体辅助与计算机控制气体辅助

“气体辅助”将气流喷射到被加工材料上激光在材料上聚焦的位置。该组件可用于清理基板上的碎片，阻止或促进某些化学反应，并移除大块的材料。气体可由空压机提供，也可来自外部气罐。

光学器件保护

光学器件保护组件向激光系统内部的多个扩散器提供稳定的清洁压缩空气气流。这些扩散器流出的气流在反射镜和镜头等重要光学元件周围构成一层正空气压力的屏障。这可以防止加工过程中产生的粉尘和碎片对光学表面造成污染，从而延长光学元件的使用寿命，并提高加工产量和品质。

计算机控制气体辅助的功能与气体辅助相同，但除此之外还通过伺服阀控制气流的流量。这让气体喷射流量可以在不同的设计文件之间或同一设计文件中的单独过程之间变化。此外，用户可在某些ULS系统上选择气体混合物及其比例。

ULS空气压缩机

可通过车间气源、储气罐或空气压缩机等不同来源提供压缩空气。选择用于激光材料加工的气源需考虑多种因素，包括空气清洁度、含油量及含水量。ULS提供为“光学器件保护”和“气体辅助”组件均可带来优化调节空气的压缩空气解决方案。此外，压缩机通过仅在需要时供气来控制激光切割、雕刻和打标设备，减少了不必要的磨损、电费和噪声。

气体辅助附件

可通过两类不同的气体辅助附件之一提供气体：“同轴气体辅助”附件或“横向气体辅助”附件。“同轴气体辅助”附件引导气流垂直于材料表面。每种聚焦镜头都有不同的“同轴气体辅助”附件；这些附件保持了与材料的最优距离，同时避免了光路阻挡。“横向气体辅助”附件引导空气流经材料，并可由用户调节位置和方向，以便完全满足给定材料的需求。两种气流类型都能为多种不同的材料加工应用提供优势。

未配备气体辅助附件的载具示意图（左），“同轴气体辅助”附件（中)，“横向气体辅助”附件（右）

未配备气体辅助附件的载具示意图（左），“同轴气体辅助”附件（中)，以及“横向气体辅助”附件（右）

更好的激光材料加工

激光材料加工会产生粉尘、碎片、流出物、烟雾、蒸气等多种副产物。此类副产物的性质主要取决于材料。例如，对木质和纸质产品进行激光加工会产生可燃物，并生成CO₂与水蒸气以及烟雾和灰烬。在阳极氧化铝材料上打标几乎不会产生任何副产物，因为激光将分解阳极镀层内的死亡有机物。在铁质和铁质化合物材料上打标会产生金属氧化物，这有助于高对比度打标应用，但不利于切割应用。

气体辅助和计算机控制气体辅助组件在加工点喷射氮、氦、氩或空气等气体，帮助对这些副产物进行控制。通过以机械方式去除副产物、热传导以及增强或抑制化学反应等三种不同机制，显著提升最终的产品加工质量。

以机械方式去除副产物

无论使用哪种气体，向加工点喷射有力气流都有助于清除积聚在材料表面及周围的副产物。对于会在接触激光能量时熔化的材料，这可通过排除熔池来提供帮助，使得激光切割和激光打标产品变得更清洁、更一致。可生成气体的材料会阻碍激光能量的传输或改变局部化学性质。吹除此类气体有助于改进加工质量。某些材料会快速固化并阻拦激光束到达其表面，从而影响激光材料加工进程。在此情况下，清除材料以免对加工造成影响十分重要。

“同轴气体辅助”与“横向气体辅助”附件允许用户操控从加工表面去除材料的方式。“同轴气体辅助”附件强制气体吹向材料，有助于去除切割、雕刻和打标过程产生的激光材料加工副产物。“横向气体辅助”附件是一种可调整的附件，可以按各种各样的入射角沿材料表面导入空气。“同轴气体辅助”与“横向气体辅助”附件均易于拆除和重装，无需使用工具，因此提高了加工灵活性，尤其适用于光栅标记应用（必须在所有光栅线不受任何污染的情况下才能取得理想的加工效果）。

“同轴气体辅助”（左）通过使用空气辅助的情况下对材料进行冷却和增加可用的氧气量，引导激光材料加工的副产物穿过切口，改进切割性能。“横向气体辅助”（右）将激光材料加工的副产物从材料处导向排气系统。

热传导

除使用机械方法将副产物从材料上移除以外，气体辅助还有助于消除因激光材料加工而产生的热量。这有助于加工具有高温敏感性或可能产生热影响区域的材料。

化学环境控制

在加工点喷射的气体会取代其周围的空气，而空气中含有氮气、氧气以及其他微量气体的混合物。这些气体可在激光加工过程中与材料发生化学相互作用。此类反应的化学性质主要取决于材料，而且可能极端复杂。不适当的气体组分可导致一系列的加工缺陷，如过度的碳化、氧化和变色。另外，这还将降低加工效率，甚至影响设备的操作安全性。

幸运的是，通过使用“同轴气体辅助”或“横向气体辅助”，在以不同的气体混合物取代空气（氮气和氧气）之后，依然能够实现良好的激光材料加工。两种附件都允许对局部的化学环境实施精密控制。

聚乙烯和聚丙烯等含低分子量有机的材料，以及纸张和木头等天然材料，都易于在激光与材料的交界处产生火焰。火焰是由于激光加工的高热与材料以及空气中的氧气相互作用而引起的。这类火焰会对零部件成品产生不良影响，并可能损害操作安全性。可使用气体辅助以氮、氩或氦等惰性气体取代环境空气，大幅度降低氧气浓度，从而抑制燃烧反应并消除任何潜在的明火。

更低的运营成本

通过使用加工辅助气体可显著提高产量，而且在某些情况下，不使用气体辅助方法完全无法对材料进行加工。在使用加工辅助气体的情况下，将加工产量提升两倍乃至三倍并不罕见。这有助于缩短加工周期时间并减少零部件生产所需的所有相关资源。

加工辅助气体（特别是稀有类型的气体）的价格可能相当昂贵。ULS的计算机控制气体辅助技术通过在局部将气体导向加工点，最大限度地减少浪费。通过特种阀门自动控制气体输送流量，进一步减少浪费。这些阀门还能在不需气体时切断气流，例如激光系统闲置，或是不要求使用气体的特定工艺。所有这些功能都有助于降低使用气体辅助的运营成本。

更高的系统安全性

在没有气体辅助的情况下使用某些材料可能会造成安全隐患。气体可以在加工点清除易燃的碎片，扑灭可能从材料上燃起的火焰，并制止自持燃烧。所有这些机制均可降低材料在加工过程中起火燃烧的风险，从而增强系统、设施与用户安全性。

在没有气体辅助的情况下切割亚克力会导致丙烯酸酯副产物着火，从而造成加工质量低下以及极大的安全隐患（左）。 使用气体辅助切割亚克力则可形成火焰抛光边缘，同时消除丙烯酸酯副产物失控燃烧的问题，从而提高加工安全性（右）。

减少维护

光学器件保护能够最大限度地减少对重要光学元件的污染。机械和化学清洁过程会磨掉特种光学器件的涂层或可能刮伤其表面，因此可能增大对激光能量的吸收，进而导致进一步损伤。光学器件保护能够轻松地制止这种雪球效应，延长昂贵光学元件的使用寿命。此外，受污染的光学元件将降低传输至材料的能量，从而可能降低某些应用中的激光系统产出能力。光学器件保护可免除这种问题，即使在污染最严重的环境下，仍然能够让激光系统以最佳功率运行。