在材料加工領(lǐng)域按照市場份額來算的話，金屬加工是激光器最重要的應(yīng)用范圍。鈑金切割要求高輸出功率和高光束質(zhì)量的完美結(jié)合，特別是在厚截面金屬切割的時候；因此，只有少數(shù)激光器適合用于厚截面的金屬切割，因為激光光束質(zhì)量通常會隨著輸出功率的增加而衰減。在鈑金切割方面占據(jù)主導(dǎo)地位的激光產(chǎn)品是CO2激光器，因為它具有高功率的單元和高光束質(zhì)量。而光纖激光器可望在加工過程優(yōu)化方面超過CO2激光器，一個最主要的原因就是，相比CO2激光器產(chǎn)生的長波長，光纖激光器發(fā)出的短波長更容易被金屬表面吸收。

惰性輔助氣體——通常是氮氣——優(yōu)先考慮用于激光切割不銹鋼，在此，激光束提供所有需要的能量，也能獲得清潔的未氧化的切割邊緣。激光切割軟鋼通常是利用氣體噴射反應(yīng)協(xié)助提供氧氣或壓縮空氣完成。氧氣與融化的金屬結(jié)合產(chǎn)生熱量，這些化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的能量，對整個切割過程來說可以作為一個額外的能量來源。從釋放熱量的化學(xué)反應(yīng)中所獲得的額外能量促使切割以更快的速度進(jìn)行。這種切割方式會產(chǎn)生含有氧化層的切割面，需要在進(jìn)一步加工作業(yè)前去除氧化層，如通過噴涂來去掉，因為氧化層具有隨時間推移而剝落的傾向。

圖１　　　　　　　　　　　　　圖２ 

圖３　　　　　　　　　　　　　表１

切割速度

光纖激光器切割在切割薄型金屬的時候，相比CO2激光器有明顯的速度優(yōu)勢，如圖1所示。從圖2和圖3中可以看出，在所標(biāo)明的切割速度下，光纖激光器切割比CO2激光器所需要的功率要低，說明工件材料所吸收的光纖激光器光束更多，從而提高光纖激光器光束的融化速度。表1中呈現(xiàn)的是圖2和圖3光纖激光系統(tǒng)應(yīng)用中的規(guī)格。光纖激光器的速度優(yōu)勢在切割厚型金屬的時候并不明顯。對于較大的工件厚度（大于4毫米），光纖激光器切割速度下降到一個相當(dāng)于CO2激光器切割速度的水平。從本質(zhì)上講，光纖激光器切割大型厚工件的速度大幅下降，主要歸因于光纖激光器輻射的吸收機制。金屬部件對光纖激光器輻射的吸收性在其厚度較小的時候達(dá)到最高值，隨之變厚時而下降；相反CO2激光器的輻射吸收性隨著加工金屬部件的厚度增加而增強，在加工部件厚度達(dá)到最高的時候吸收性也隨之達(dá)到最高值。

圖４

切割質(zhì)量

圖4顯示了使用類似加工參數(shù)的光纖激光器和CO2激光器在加工10毫米厚的不銹鋼中獲得的典型切割邊緣質(zhì)量。與光纖激光器相比，CO2激光器可獲得更卓越的切割邊緣質(zhì)量。利用高光度的光纖激光器在高速切割厚型鋼材時產(chǎn)生的狹窄切縫實現(xiàn)有效的熔融噴射是有難度的，結(jié)果造成切割邊緣質(zhì)量的下降。

通過惰性氣體切割不銹鋼的切割邊緣質(zhì)量，很大程度上取決于切縫的大小和切縫中的輔助氣體質(zhì)量流量。因此，切縫寬度大，輔助氣體壓力高，噴嘴直徑大是確保高熔體去除率和高切割邊緣質(zhì)量的加工條件。根據(jù)加工部件的厚度適當(dāng)調(diào)整焦點位置，以便獲得較大的切縫，這樣能產(chǎn)生高效的熔融噴射。焦點位置根據(jù)加工部件的表面情況而定，焦點在加工部件的表面上方定義為正，反之在加工部件表面的下方，定義為負(fù)。在切割厚型不銹鋼的時候，通過將焦點位置安排在離加工部件底部表面最近的地方而獲得高的切割邊緣質(zhì)量。

圖５

在用氧氣作為輔助氣體切割厚型軟鋼的時候，切割邊緣的質(zhì)量高度取決于放熱氧化反應(yīng)速率，而這受到輔助氣體壓力和噴嘴直徑的影響而定。放熱氧化反應(yīng)的功率隨著加工部件厚度的增加而增加，因為在厚型金屬切割的時候會產(chǎn)生大量的金屬熔液。此外，適用于厚型金屬切割的較慢速度提高了氧化反應(yīng)率，造成在切割邊緣留下深槽。氧氣輔助的噴射壓力和噴嘴直徑根據(jù)加工部件的厚度來調(diào)節(jié)，以便能有效控制氧化反應(yīng)速率，確保得到好的切割邊緣質(zhì)量。圖5顯示的是光纖激光器和CO2激光器加工15毫米軟鋼所獲得的典型切割邊緣質(zhì)量。

表２

圖６

表2給出了利用光纖激光器切割10毫米厚不銹鋼和15毫米厚軟鋼要達(dá)到最佳的切割質(zhì)量所需要的加工參數(shù)（見圖6）。為了獲得最好的切縫質(zhì)量，所需的最佳切割速度要比能實現(xiàn)的所給出的輸出激光功率慢，因為所用的切割速度對切縫下端的殘渣累積會產(chǎn)生影響。累積殘渣產(chǎn)生于切割速度大于最佳的預(yù)防殘渣累積切削速度的時候。

結(jié)論

隨著高亮度激光光源的發(fā)展，熔融去除率現(xiàn)在似乎是限制切割最大厚度的主要因素，而不是受制于現(xiàn)有的激光束強度。加工參數(shù)提高了熔融流動性，從而獲得更高的切割質(zhì)量和切割速度。在切割厚型金屬時的加工參數(shù)通過惰性氣體射流協(xié)助影響熔融去除效率，包括：焦點位置，輔助氣體壓力和噴嘴直徑。奧爾森等人也嘗試采用高亮度、短波長的激光器，利用其中的多光束模式用于控制切縫中的熔體流動，以提高金屬切割質(zhì)量。