武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司激光應(yīng)用工程師高輝博士在第十五屆“中國激光技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用論壇”論壇做了演講，介紹了激光加工幾個重要的基礎(chǔ)理論和提高激光切割、焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

致敬先賢：激光發(fā)展的四個關(guān)鍵時間點(diǎn)

提到當(dāng)今的激光科技，不得不提到對激光科學(xué)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的四位先賢。高博士演講的第一個話題，便是表達(dá)了對四位先賢的敬意。

第一位是1917年提出受激輻射理論的愛因斯坦；第二位是1959年在哥倫比亞大學(xué)發(fā)現(xiàn)受激輻射能放大一束光，并由此奠定了激光概念的Gordon Gould；第三位是發(fā)明了第一臺紅寶石激光器的梅曼，當(dāng)時的激光器主要用于軍事領(lǐng)域測距；第四位是發(fā)明了第一臺工業(yè)級二氧化碳激光器的Kumar Patel。高博士認(rèn)為，1963年是一個劃時代的時間節(jié)點(diǎn)，Kumar Patel的發(fā)明開啟了激光加工的時代。

工程師必須了解幾何光學(xué)

激光的應(yīng)用十分廣泛，包括航天、航海、汽車、核能、制造業(yè)、加工業(yè)等。激光可加工的物質(zhì)也很多，包括金屬、非金屬、塑料、玻璃、木材、陶瓷、橡膠等。高博士認(rèn)為：“激光產(chǎn)業(yè)不存在光纖激光器會永遠(yuǎn)取代換CO₂激光器的可能，因為不同的激光器都有它對應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域?！?

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從2014年到2018年，激光加工的產(chǎn)值逐年上升，其中材料加工是最主要的應(yīng)用板塊。而在具體的加工方式中，切割、焊接、打標(biāo)占據(jù)了激光加工的主體地位。

當(dāng)前，激光器分為連續(xù)和脈沖兩大類。在使用連續(xù)激光或長脈沖激光進(jìn)行加工時，材料往往需要經(jīng)過固態(tài)加熱、熔化、液態(tài)加熱到汽化的過程，如果使用短脈沖激光器，就會跳過前面這三個變化，直接到達(dá)最后一步，實現(xiàn)汽化切割。

高博士認(rèn)為：“作為激光應(yīng)用工程師必須了解幾何光學(xué)。只有這樣才能合理地改變參數(shù)，獲得想要的加工效果?！边@里涉及的幾個相關(guān)概念，高博士都一一作了解釋。光束質(zhì)量的兩個參數(shù)BPP值和M²，通過公式可知二者可以相互轉(zhuǎn)化，且成正比。

第二個概念是大家平時經(jīng)常忽略的關(guān)鍵詞——亮度。高博士解釋說：“光纖激光器屬于高亮度激光器，所以亮度這個概念非常重要。實際上在激光加工領(lǐng)域，最重要的因素不是功率，而是功率密度和能量密度，為此我們引入了光斑大小的概念。而光斑大小決定了激光切割的縫寬。如果懂得了這個原理，那么即便更換100個切割頭，焦點(diǎn)位置都不一樣，也可以知道在什么光斑位置下切出來的板是最好的?！?

隨后，高博士展示了市面上常見的兩款切割頭的光斑變化圖（離焦量均?。?5～＋15）。從圖上可見，M1.5的切割頭在束腰范圍內(nèi)光斑更小，但離焦量越大則光斑越大。為此高博士表示：“當(dāng)離焦量更大的時候，M2.0切割頭的光束更窄，因此M1．5的切割頭在薄板加工具有優(yōu)勢，但M2.0切割頭則在加工厚板或功率更高時優(yōu)勢更明顯。因為這不僅可以抑制噴嘴發(fā)熱現(xiàn)象，還能獲得更好的錐度?！?

提高激光切割與焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素

高博士認(rèn)為：“激光切割有四點(diǎn)非常重要，分別是：更好的材料、更好的噴嘴、更好的工藝、更好的激光器和光束質(zhì)量?！逼渲嘘P(guān)于噴嘴，他重點(diǎn)介紹了Laval超高速噴嘴。傳統(tǒng)噴嘴對切割頭距離要求較高，切割頭高度越高，氣流變化越紊亂，通常設(shè)置為0.5mm－2mm。而Laval噴嘴可在切割頭高度0－6mm范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定的出氣氣流，端面效果也更好。

隨后，高博士還提到了氧氣切割。他表示：“如果懂得計算方法的話，氧氣切割時，把鐵開口需要的激光功率加上氧氣所提供的功率，才是加工中最精確的功率。而通過對噴渣速度的計算，也可以反向推出最佳的切割速度?！?

隨著激光加工走向高功率時代，激光加工的要求也逐漸發(fā)生變化。高博士用“三高”總結(jié)了當(dāng)下市場對激光加工的要求：“高功率、高速度、高質(zhì)量” 。高博士表示：“功率增加的作用首先體現(xiàn)在切割速度提高，速度提高意味著效率提高，而效率提高則意味著收益由此提高?！?

關(guān)于激光焊接，高博士介紹了波形可調(diào)對激光焊接效果的重要影響。高博士認(rèn)為：“對熱敏材料而言，使用上升沿波形效果不好，但對溫度敏感度較低的材料而言，上升沿波形則能起到好的效果，因此組合式波形焊接效果最好。此外，對銅鋁焊接及金屬－塑料焊接而言，不同的疊放次序所適配的波形也不相同?！?