二氧化碳激光器切割厚板能否像CO2一樣優(yōu)秀,？

CO2和光纖激光器的最主要區(qū)別是波長,，10.6um和1.07um,。

由于波長的差異導(dǎo)致了不同材料的吸收不同，吸收率隨入射角度變化較大,。

同樣光束質(zhì)量即相同M2前提下,，CO2的BPP是光纖激光器的10倍。粗糙理解就是 CO2焦點(diǎn)直徑是光纖激光器的10倍,。

激光熔化金屬切割是個(gè)熱動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)共同作用的物理變化過程,。

在切割過程中，激光光斑在切面前沿（左圖陰影部分）上投影為橢圓,，光斑與側(cè)面相交于圓弧EQ,。EQ段吸收激光能量被加熱過程中形成了自上而下的累積熔化金屬流MA1（Metl Accumulation）、MA2,、MA3,。MA隨時(shí)間周期性的出現(xiàn),，并在高壓氣體作用下向下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了第一類條紋的形成。在MA下降過程中被CF（Central Flow）熔化前沿（左圖陰影部分）截?cái)嗖⑽?，便形成了第二類條紋,，第三類條紋由CF順著切面前沿下降過程中形成。

 MA和CF包含了大量的熱,，且溫度高于熔化溫度,，在他們移動(dòng)的過程中一邊吸收激光能量一邊通過熱傳導(dǎo)在經(jīng)過的路徑上腐蝕（熔化）材料，在側(cè)面上形成了凹進(jìn)去的條紋結(jié)構(gòu),。

在高速相機(jī)觀察下,，側(cè)邊條紋形成的周期性：

側(cè)面條紋的形成是由于側(cè)面熔化金屬流的不連續(xù)性造成的。從下圖可以看到熔化前沿的不連續(xù)性也會(huì)影響側(cè)面金屬流的不連續(xù),，間歇的熔化前沿會(huì)匯入側(cè)面累積金屬流,。還可以從CF截?cái)鄠?cè)面MA的位置起影響，從而造成垂直方向條紋的形成,。

上圖a-e切割速度逐漸提高,。在速度逐漸增加過程中入射角在逐漸變大（前沿斜面逐漸變得平緩，傾斜程度逐漸降低）,，增加吸收,，隨著吸收能量的增加，熔化前沿和側(cè)面的熔化金屬流變得連續(xù)和穩(wěn)定,。

下圖對(duì)應(yīng)不同切割速度下，熔化前沿傾斜角度的變化,，傾斜角度變化引起入射角度的變化,。速度越快，入射角越大,，吸收率越高,。

兩個(gè)基本的過程導(dǎo)致了切割質(zhì)量的差異。一個(gè)是熔化前沿上熔化金屬的離散性,，流動(dòng)的不穩(wěn)定性,，切口側(cè)邊累積的離散金屬流體及其不穩(wěn)定性造成。無論熔化前沿還是切口側(cè)邊的不穩(wěn)定性都是由于材料的吸收對(duì)入射角度的依賴造成的,。

     二,、由于CO2和光纖激光器的波長不同，導(dǎo)致了吸收率對(duì)于不同入射角度的吸收率曲線很大的區(qū)別,。

下圖所示為通快公司CO2和光纖激光器切割對(duì)比：

1. CO2和光纖（或固體）激光器切不銹鋼的區(qū)別：

2. CO2和光纖（或固體）激光器切割鋁板的區(qū)別：

上圖為通快CO2激光器與其碟片激光器切割鋁板的實(shí)際加工圖片,。

CO2在厚板切割上 （不銹鋼和鋁），切割質(zhì)量明顯高于固體激光器,，在這里對(duì)于碟片,、光纖,，由于激光器參數(shù)相近，我們不做區(qū)分,。所以我們推斷CO2激光器在切割鋁板過程中,，在熔化前沿和側(cè)面上能形成穩(wěn)定的熔化金屬流，穩(wěn)定的金屬流造成了高質(zhì)量的切割效果,。

3.Trumpf切割碳鋼 CO2 VS Fiber

而碳鋼切割質(zhì)量差異并無太明顯區(qū)別,。因?yàn)樘间撉懈钍褂醚鯕馊紵尫艧崃孔饔糜诓牧希煌诩す庵苯幼饔糜诓牧?。碳鋼氧氣切割中,，大部份熱量來自與金屬燃燒釋放的熱量，而金屬點(diǎn)燃后對(duì)波長的依賴沒那么大,。

三,、所以通過以上分析：可以推斷CO2和固體激光器切割的區(qū)別來自于波長及由此導(dǎo)致的入射角度對(duì)波長的依賴造成的。

CO2與固體激光器不同入射角吸收曲線,，如下圖所示：

由吸收曲線結(jié)合,，激光移動(dòng)速度和切面前沿相對(duì)速度關(guān)系（切面前沿法線方向相對(duì)激光靜止）可以得到如下關(guān)系：縱坐標(biāo)代表熔化前沿相對(duì)于激光移動(dòng)速度相關(guān)的一個(gè)量，可粗糙理解為相對(duì)激光頭的速度,。

如果整個(gè)熔化前沿相對(duì)于激光在前沿法向方向的分量靜止,，則前沿幾何形狀保持不變，激光入射到熔化前沿的角度不會(huì)變化,，則前沿對(duì)于激光的吸收是穩(wěn)定的,、前沿熔化金屬流在前沿斜面方向向下流動(dòng)是穩(wěn)定的，所以每時(shí)每刻同一位置熔化金屬層厚度一致,，包含能量一致,，通過熱傳導(dǎo)傳遞到側(cè)面的能量一致，在激光頭橫向移動(dòng)過程中側(cè)面切割效果一致,，前沿對(duì)側(cè)面無擾動(dòng),，側(cè)面不會(huì)由于前沿?zé)岣?dòng)而產(chǎn)生條紋。

在實(shí)際切割過程中,，切面前沿整體移動(dòng)速度（或短時(shí)間內(nèi)的平均速度）和激光頭速度保持一致這個(gè)是沒問題的,。切割過程中，前沿上總會(huì)由于某些原因（熔化金屬的張力,、粘度與噴射氣體的平衡關(guān)系或者局部的入射角度變化較大等）存在擾動(dòng),，導(dǎo)致局部熔化速度相對(duì)激光頭移動(dòng)的速度或快或慢。上圖表示了局部某點(diǎn)相對(duì)于激光頭速度的相對(duì)快慢和入射角度關(guān)系,。

縱坐標(biāo)為零的位置就是局部某點(diǎn)相對(duì)于激光頭靜止的局部入射角,。通過簡化模型，得到這個(gè)角度CO2=1.4度,；固體=5.2度,。這個(gè)角度大概對(duì)應(yīng)布魯斯特角的一半,，最終還是回到對(duì)激光波長的依賴上。在這里的模型是簡化模型,，如果考慮到高壓氣體,，張力、粘滯,、速度等因素的影響,，實(shí)際過程中這個(gè)角度可能更大。

切割過程中熔化前沿存在擾動(dòng)是不可避免的,，對(duì)于厚板切割而言假設(shè)板厚>4mm, 光斑直徑200um,，則入射角<3度。從相對(duì)速度與入射角關(guān)系曲線上看,對(duì)于固體激光器1um,，當(dāng)入射角< 3時(shí),，熔化前沿參考點(diǎn)的速度大于激光頭的移動(dòng)速度。參考點(diǎn)上邊速度最快,，下邊最慢,，前沿的傾斜變化導(dǎo)致了參考點(diǎn)所在位置局部入射角逐漸變大，直到達(dá)到截止角5.2度,。從<3度 到5.2度,，不穩(wěn)定區(qū)間較大，達(dá)到5.2度還可以觸發(fā)更大的不穩(wěn)定性,。對(duì)于10.6um激光器,，入射角<3度且小于截止角1.4度時(shí)，從相對(duì)速度曲線和入射角關(guān)系圖來看,，熔化前沿參考點(diǎn)相對(duì)于激光速度快,，熔化前沿上參考點(diǎn)上邊快，下邊慢,，逐漸增大入射角到1.4度截止角，這個(gè)不穩(wěn)定區(qū)間從0度到1.4度,，振蕩幅度很小,、不穩(wěn)定區(qū)間很小。3度>當(dāng)入射角>1.4度時(shí),，熔化前沿比激光速度慢,，這個(gè)時(shí)候熔化前沿上半部分移動(dòng)快，下半部分移動(dòng)慢,，導(dǎo)致入射角變小達(dá)到1.4度的截止角,。從3度到1.4度的角度去見振蕩也很小，不穩(wěn)定區(qū)間小,。所以可以看出1um光纖或固體激光器切厚板時(shí),，不穩(wěn)定和震蕩區(qū)間都很大,，影響了熔化前沿的穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的熔化金屬流,，前沿不穩(wěn)定的金屬流還會(huì)影響到側(cè)面的金屬流體的不穩(wěn)定,。同樣的道理，在激光加熱切割側(cè)面時(shí),，側(cè)面相對(duì)于前沿更加陡峭,，所以固體激光器的不穩(wěn)定區(qū)間更大。而CO2激光器受影響并不大,。這個(gè)是CO2和光纖,、固體激光器切割不銹鋼、鋁板的巨大差別所在,。

   在了解了CO2和固體激光器差別后,，就可以采取一些措施改善小入射角切割導(dǎo)致的熔化金屬流不穩(wěn)定的問題，進(jìn)一步改善切割質(zhì)量,，使光纖激光器達(dá)到和CO2激光器在厚板切割上一致的效果,。