在材料加工領(lǐng)域按照市場(chǎng)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(shí)候；因此，只有少數(shù)激光器適合用于厚截面的金屬切割，因?yàn)?span id="08iqt8f" class="hrefStyle">激光光束質(zhì)量通常會(huì)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?yàn)樗哂懈吖β实膯卧透吖馐|(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(gè)最主要的原因就是，相比CO2激光器產(chǎn)生的長(zhǎng)波長(zhǎng)，光纖激光器發(fā)出的短波長(zhǎng)更容易被金屬表面吸收。

惰性輔助氣體——通常是氮?dú)?mdash;—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(duì)整個(gè)切割過程來說可以作為一個(gè)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(huì)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?yàn)檠趸瘜泳哂须S時(shí)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(shí)候，相比CO2激光器有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，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(shì)在切割厚型金屬的時(shí)候并不明顯。對(duì)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(gè)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?dú)w因于光纖激光器輻射的吸收機(jī)制。金屬部件對(duì)光纖激光器輻射的吸收性在其厚度較小的時(shí)候達(dá)到最高值，隨之變厚時(shí)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(qiáng)，在加工部件厚度達(dá)到最高的時(shí)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(shí)產(chǎn)生的狹窄切縫實(shí)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(diǎn)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(diǎn)位置根據(jù)加工部件的表面情況而定，焦點(diǎn)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(shí)候，通過將焦點(diǎn)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(shí)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?yàn)樵诤裥徒饘偾懈畹臅r(shí)候會(huì)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(shí)現(xiàn)的所給出的輸出激光功率慢，因?yàn)樗玫那懈钏俣葘?duì)切縫下端的殘?jiān)鄯e會(huì)產(chǎn)生影響。累積殘?jiān)a(chǎn)生于切割速度大于最佳的預(yù)防殘?jiān)鄯e切削速度的時(shí)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(qiáng)度。加工參數(shù)提高了熔融流動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(zhǎng)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(dòng)，以提高金屬切割質(zhì)量。