近年來(lái)，隨著對(duì)鈑金切割的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的切割方式因精度低、熱影響區(qū)域大等缺點(diǎn)而難以更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求；而光纖激光切割具有熱影響區(qū)域小、精度高、速度快、無(wú)接觸加工等諸多優(yōu)勢(shì)，正在逐步取代傳統(tǒng)切割工藝。

如圖1所示，激光切割金屬的原理是利用激光光束作為熱源照射在金屬材料表面，使得金屬材料表面溫度升高達(dá)到熔（沸）點(diǎn)，同時(shí)噴嘴噴出與激光光束照射方向平行的切割氣體將熔（氣）化物吹走（當(dāng)切割氣體為氧氣這類(lèi)活性氣體時(shí)，切割氣體還會(huì)與金屬材料發(fā)生氧化反應(yīng)，提供氧化熱量）。通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)裝置，切割頭按照預(yù)定線(xiàn)路運(yùn)動(dòng)，切割出各種形狀的工件。

圖1激光切割金屬原理

在激光切割金屬過(guò)程中，入射激光的功率密度不一樣，金屬材料表面發(fā)生的變化也不一樣。一般而言，當(dāng)金屬材料表面的激光功率密度達(dá)到10MW/cm²數(shù)量級(jí)時(shí)，金屬材料表面會(huì)迅速升溫至材料的沸點(diǎn)，強(qiáng)烈汽化成金屬蒸汽。當(dāng)金屬材料表面的激光功率密度超過(guò)100MW/cm²數(shù)量級(jí)時(shí)，未能及時(shí)排走的金屬蒸汽會(huì)被激光能量重新加熱，形成等離子云。

激光切割金屬材料所產(chǎn)生的等離子云大部分會(huì)被切割氣體吹走，剩下的小部分則會(huì)形成等離子云團(tuán)影響金屬切割：

1）等離子云團(tuán)會(huì)滯留在金屬材料表面，阻礙激光能量的傳輸，降低切割速度。

2）滯留在噴嘴下方的等離子云團(tuán)不僅會(huì)改變噴嘴與金屬材料之間的電容介質(zhì)，還會(huì)加熱噴嘴、影響其電容性能參數(shù)，對(duì)電容式調(diào)高器的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，降低了隨動(dòng)控制的精度，影響了切割效果。

以目前市面上廣泛應(yīng)用的2000W激光器為例，假如配合100/125的（準(zhǔn)直鏡焦距/聚焦鏡焦距）切割頭使用，如表1所示，當(dāng)尾纖的芯徑小于40μm時(shí)，零焦處光斑的平均功率密度就會(huì)達(dá)到100MW/cm²數(shù)量級(jí)，尤其是在切割薄金屬板時(shí)，更容易產(chǎn)生等離子云。

表1 零焦點(diǎn)處光斑的平均功率密度表

注：公式1：切割頭變焦比：M=d₁/d₂（ d₁：聚焦鏡焦距    d₂：準(zhǔn)直鏡焦距））

公式2：零焦處光斑半徑：R=0.5 * D * M  （D：激光器尾纖芯徑）

公式3：光斑平均功率密度：P=P₁/（ π* R² ） (P₁ ：激光器功率)

近年來(lái)單模激光器的優(yōu)勢(shì)得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，隨著光學(xué)方案的不斷優(yōu)化，單模激光器的功率也在逐步提升。由表1可以看出，更高的光束質(zhì)量（一般對(duì)應(yīng)更細(xì)的尾纖芯徑），更高的輸出功率，使得零焦處光斑的平均功率密度也越來(lái)越高，在切割薄金屬板時(shí)更容易產(chǎn)生等離子云。

針對(duì)該難題，采用以下切割工藝可以有效降低等離子云對(duì)切割過(guò)程的影響：

1.采取脈沖式切割。采取脈沖式切割方式，一方面可以保證激光的峰值功率，另一方面又能縮短激光對(duì)金屬材料的照射時(shí)間，減少了等離子云的產(chǎn)生。

2.適當(dāng)降低激光器切割功率。在不改變其他條件的前提下，降低切割功率可以減小焦點(diǎn)處平均功率密度、減少等離子云的產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)某大型激光公司曾做過(guò)測(cè)試，用單模2000W激光器滿(mǎn)功率零焦切割1mm不銹鋼時(shí)，因等離子云的影響導(dǎo)致切割速度不理想，在將切割功率降低至1800W時(shí)，切割速度反而提升了50%。

3.適當(dāng)增寬切割割縫。增寬切割割縫不僅為等離子云團(tuán)向下方散去提供了更寬的通道，降低等離子云對(duì)切割的影響，還有助于加速割縫中熔渣的排出，增強(qiáng)切割效果。

4.適當(dāng)縮短切割高度。切割高度不僅直接決定了噴嘴與金屬材料表面之間的等離子云團(tuán)厚度（距離越短，等離子云團(tuán)越�。�，而且越靠近切割噴嘴，噴嘴中心噴出的切割氣體壓力會(huì)越高（見(jiàn)圖2），切割氣壓升高有助于加快噴嘴下方等離子云團(tuán)的散開(kāi)，減少等離子云團(tuán)對(duì)入射激光的屏蔽。所以在保證切割頭安全的前提下，隨動(dòng)距離越近越好。

圖2噴嘴下方不同距離處噴出氣體壓力分布圖 

5.采用合適的切割噴嘴。合適的噴嘴可以在不增大噴嘴口徑的前提下，氣體流速更快，能夠加速金屬等離子云團(tuán)的散去。

6.在切割頭上增加側(cè)吹氣裝置與噴嘴冷卻裝置。側(cè)吹氣裝置用于吹散部分等離子云，減少?lài)娮煜路降入x子云的聚集，噴嘴冷卻裝置則可以減少等離子云對(duì)噴嘴的熱影響，避免影響噴嘴的電容性能參數(shù)。

7.采用高采樣率電容式調(diào)高器。高采樣率電容式調(diào)高器不僅可以保證隨動(dòng)精度，還可以通過(guò)監(jiān)控電容值的變化判斷出噴嘴下方等離子云的變化，機(jī)床通過(guò)監(jiān)控等離子云的變化，可以采取減速、暫停、脈沖切割等措施來(lái)降低等離子云對(duì)切割產(chǎn)生的影響。

湖南大科激光有限公司生產(chǎn)的DK-YSM 2000AR單�？垢叻催B續(xù)光纖激光器，采用單諧振腔型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，其光束質(zhì)量M²<1.2，接近衍射極限，在切割薄金屬板時(shí)由于光斑功率密度很高，很容易就產(chǎn)生等離子云，影響切割效率。湖南大科激光的切割工藝工程師通過(guò)工藝驗(yàn)證，在保證切割頭安全的前提下，盡量降低切割高度，再配合定制的雙層噴嘴等工藝措施，降低了等離子云對(duì)切割的影響，充分發(fā)揮了該激光器高亮度（高能量密度）的優(yōu)點(diǎn)，在金屬薄板上的切割速度不僅可以趕超多模3000W，甚至能夠媲美多模4000W（見(jiàn)表2）。

圖3  DK-YSM 2000AR單模激光器的外觀(guān)與光學(xué)參數(shù)

表2 大科單模2000W激光器與典型多模激光器切割速率對(duì)比

此外，DK-YSM 2000AR單�？垢叻催B續(xù)光纖激光器具有獨(dú)特的抗回反光設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高反材料（如鋁、黃銅、紫銅）長(zhǎng)時(shí)間無(wú)誤警的連續(xù)切割。

圖4   4mm紫銅連續(xù)1h切割樣品