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

致敬先賢：激光發(fā)展的四個關鍵時間點

提到當今的激光科技，不得不提到對激光科學發(fā)展做出重要貢獻的四位先賢。高博士演講的第一個話題，便是表達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年在哥倫比亞大學發(fā)現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，當時的激光器主要用于軍事領域測距；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。高博士認為，1963年是一個劃時代的時間節(jié)點，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

激光的應用十分廣泛，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。高博士認為：“激光產業(yè)不存在光纖激光器會永遠取代換CO₂激光器的可能，因為不同的激光器都有它對應的應用領域?！?

有數據統(tǒng)計，從2014年到2018年，激光加工的產值逐年上升，其中材料加工是最主要的應用板塊。而在具體的加工方式中，切割、焊接、打標占據了激光加工的主體地位。

當前，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行加工時，材料往往需要經過固態(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，直接到達最后一步，實現汽化切割。

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

第二個概念是大家平時經常忽略的關鍵詞——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（離焦量均取－15～＋15）。從圖上可見，M1.5的切割頭在束腰范圍內光斑更小，但離焦量越大則光斑越大。為此高博士表示：“當離焦量更大的時候，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)熱現象，還能獲得更好的錐度?！?

提高激光切割與焊接質量的關鍵因素

高博士認為：“激光切割有四點非常重要，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量?！逼渲嘘P于噴嘴，他重點介紹了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，通常設置為0.5mm－2mm。而Laval噴嘴可在切割頭高度0－6mm范圍內均保持穩(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”總結了當下市場對激光加工的要求：“高功率、高速度、高質量” 。高博士表示：“功率增加的作用首先體現在切割速度提高，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?！?

關于激光焊接，高博士介紹了波形可調對激光焊接效果的重要影響。高博士認為：“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。”