*通訊作者：李超，1983年9月，男，漢族，河北廊坊人，任職于中國航空制造技術(shù)研究院機械設(shè)計，高級工程師，碩士研究生。研究方向：激光加工裝備。

摘 要：在經(jīng)濟迅速發(fā)展和科技迅速進步的背景下，激光技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展和改進，現(xiàn)已應(yīng)用于工業(yè)各個領(lǐng)域。目前，在科技力量的推動下，光纖激光切割技術(shù)已廣泛應(yīng)用于精加工生產(chǎn)技術(shù)，為制造業(yè)的迅速發(fā)展提供了新的機遇和動力。本文介紹了光纖激光切割相對于傳統(tǒng)CO2激光切割的技術(shù)、經(jīng)濟、技術(shù)和資金優(yōu)勢，介紹了高質(zhì)量光纖激光切割的研究現(xiàn)狀，最后對其在精密加工中的應(yīng)用進行了展望。

關(guān)鍵詞：激光切割;光纖激光;CO2激光;切割質(zhì)量;精密加工

一、引言

自1960年第一臺激光誕生以來，一直在研究其在加工領(lǐng)域的應(yīng)用。1967年，世界上第一臺CO2激光切割機問世。激光切割是一種高精度、高質(zhì)量、高效的非接觸切割方法，使用高密度能量在微小空間中聚焦能量。近幾十年來，激光切割系統(tǒng)的輸出功率和光束質(zhì)量有了顯著提高，成為成熟可靠的技術(shù)，占激光加工市場的70%以上，在汽車、航空和工程機械等工業(yè)部門有廣泛應(yīng)用。對于某些激光切割應(yīng)用，制造商在選擇激光切割系統(tǒng)時更加重視經(jīng)濟指標，這使其生產(chǎn)線能夠進行高效、高質(zhì)量和可復(fù)制的加工，從而降低成本。目前，CO2激光器在切割行業(yè)占主導(dǎo)地位。隨著光纖激光器的技術(shù)成熟和迅速發(fā)展，其具有切割速度、能量濃度和電光轉(zhuǎn)化速度、高加工柔性等很多優(yōu)點，傳統(tǒng)的CO2激光器預(yù)計會被替代[1]。

二、光纖激光切割應(yīng)用原理

（一）系統(tǒng)設(shè)計

光纖精密切割系統(tǒng)主要由激光器、運動機構(gòu)、工作臺、伺服控制系統(tǒng)等組成。控制系統(tǒng)控制激光器、伺服系統(tǒng)、運動機構(gòu)，為了準確地移動零件，激光通過控制系統(tǒng)定期發(fā)送脈沖，以高速、非接觸方式切斷零件。

1. 控制系統(tǒng)

其主要是使激光設(shè)備、輔助氣體、運動裝置等部件運轉(zhuǎn)，并協(xié)調(diào)斷開設(shè)備的操作。用電腦輸入命令，接受命令，達到控制命令的目的，操作電腦后產(chǎn)生兩個控制信號。一個控制信號控制機構(gòu)移動方向和速度的伺服系統(tǒng);另一個傳送到伺服控制卡，以控制激光器的運行狀態(tài)，如激光器的啟動和關(guān)閉、輸出大小和頻率、輔助氣體的開啟及氣體量的大小等。為了提高切割質(zhì)量，工作人員需要多次調(diào)整機構(gòu)的運動速度、激光脈沖頻率和激光輸出功率。

2. 導(dǎo)光系統(tǒng)

激光到達材料表面后，不同材料產(chǎn)生不同程度的反射。反射光會返回到激光發(fā)射器。當返回的光線達到一定強度時，會影響和破壞激光的工作穩(wěn)定性。將切割系統(tǒng)應(yīng)用于金屬材料加工時，反射率特別高。為保證系統(tǒng)正常運行和處理安全，反射光必須減弱。光學(xué)分離器可用于減弱反射光線。光學(xué)分離器是一種光學(xué)吸收元件，直接傳輸損耗低，反向傳輸衰減能力強，無聯(lián)鎖裝置。因此，為了提高加工精度，必須注意壓縮光源的尺寸和作用。同時，優(yōu)化工件表面的光束，提高能量密度，有效利用工件的高能量、高密度激光加工[2]。

（二）原理和特點

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光切割在加工業(yè)繼續(xù)改進和完善，材料切割技術(shù)呈現(xiàn)出不斷創(chuàng)新和多樣化的趨勢。生產(chǎn)工藝復(fù)雜、精度高，采用光纖激光切割技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

1. 激光切割原理

根據(jù)激光切割原理，高強度激光到達材料表面，激光光源迅速轉(zhuǎn)化為熱，照射區(qū)溫度迅速達到材料的熔點或沸點，同時利用輔助氣體將殘渣吹開以形成冷卻后的小洞。當工件和激光相對于彼此移動時，熔化的殘余物會不斷地被吹出來，從而在切割的曲面上形成光滑的切口。

2. 激光切割特性

激光切割由于其高性能、高質(zhì)量、無接觸處理，具有較大的適用性和靈活性，因此應(yīng)用范圍很廣。由于切割時切口小，材料使用量大得多的小部件也可以進行精確切割。高精度激光切割的工作時間短，對材料的熱影響小、變形小，材料質(zhì)量保證較高。激光切割速度很快，噪音低、振動低，對環(huán)境的影響小[3]。

三、光纖激光切割優(yōu)勢

（一）技術(shù)優(yōu)勢

激光波長為1064納米，是CO2激光器波長的十分之一。圖1顯示了金屬材料被不同波長吸收的速率，可見短波光纖激光容易被金屬吸收。例如，低碳鋼激光的CO2吸收不到10%，但光纖的吸收為35%。因此，光纖反射材料（如鋁和鈦）可以切割。

光束參數(shù)積（BPP）與不同工業(yè)激光類型性能的功率表明，BPP值越低，光束質(zhì)量越好。光纖的光束質(zhì)量比其它激光好，其功率比CO2激光少5～10千瓦。BPP值較低的光學(xué)激光可實現(xiàn)亮度、焦斑、深度和焦距的遠程工作，提高了材料加工的適用性和切削精度。此外，光纖可以傳輸高質(zhì)量、高能效的光束，這也適用于CO2激光的厚金屬切割[4]。

（二）效率優(yōu)勢

高光束質(zhì)量和高能量密度提高了光纖激光的切割效率，并允許對較薄和中等厚度材料進行快速切割。圖2比較了光纖激光器與CO2激光之間不銹鋼材料的切割速度，可見光學(xué)激光接口的速度可達CO2激光切割速度的2至3倍。IPG 2 kW光纖激光切割0.5 mm碳素鋼的速度高達40 m/min。切割厚度為6 mm的材料時，1.5 kw光纖激光的切割速度等于3 kw的CO2激光切割速度。光纖激光切割已在許多研究中得到驗證[5]。

（三）設(shè)備的優(yōu)點

傳統(tǒng)的激光切割電路很難識別，因為它們?nèi)Q于反射鏡的傳播、大小和尺寸以及機架和軌道的高要求。光纖激光通過光纖引導(dǎo)至激光頭，無需調(diào)整激光路徑，這簡化了機械系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。光纖激光的主要優(yōu)點之一是在處理各種激光時具有高度的靈活性，例如，切割可用來處理各種表面的管材，從而，多維激光切割技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于車身制造中[6]。

（四）成本優(yōu)勢

1. 高效電光轉(zhuǎn)換

CO2激光的光路完全取決于反射鏡的傳播，光路快速下降、能量損失大、光轉(zhuǎn)換效率不到10%，從而大大降低了運行中的能耗，而光纖激光電光轉(zhuǎn)換高效。

2. 結(jié)構(gòu)簡單

CO2激光系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護成本高，反射鏡和諧振腔的定期維護費用高，渦輪軸承更換費用高。光學(xué)激光采用光學(xué)傳輸機制，沒有復(fù)雜反射鏡，具有路徑簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外光路不維修、平均故障時間超過10萬小時、幾乎沒有耗材等優(yōu)點[7]。

四、光纖激光精密切割及其應(yīng)用展望

切割面條紋是影響激光切割質(zhì)量、外觀和工件尺寸精度的最重要因素之一。重要的是消除切割面，特別是在條紋切割領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的不懈努力，科學(xué)家確定了條紋形成機制，優(yōu)化了工藝參數(shù)。對光纖和CO2激光進行了基于最小表面粗糙度的激光切割試驗，評價了獲得最小表面無條紋的處理條件，并給出了相應(yīng)的參數(shù)值。采用單模光纖激光切割1～2 mm厚的低碳鋼，在一定技術(shù)條件下獲得高質(zhì)量無條紋裂紋，為實現(xiàn)無條紋切割面提供工藝窗口，建立無條紋切割速度閾值預(yù)測的理論模型。研究了在醫(yī)療領(lǐng)域使用精密切割光纖激光，如不銹鋼血管支架，使用0.2 mm和0.3 mm光纖激光將不銹鋼薄板微細切割。在不銹鋼板上使用光纖激光切割精密齒輪其精度應(yīng)達到0.02 mm。使用光纖激光切割厚度為1 mm的Ti6Al4V板，將端對端激光焊接到切割邊，并找到由激光切割邊組成的邊對邊激光焊接接頭及其加工參數(shù)，大量的機械特性表明光纖激光切割邊的質(zhì)量可直接用于后續(xù)激光焊接[8]。

光纖激光切割具有高光束質(zhì)量、高能量密度和高處理靈活性等特點，與傳統(tǒng)的CO2激光切割相比，具有技術(shù)、效率、設(shè)備和資金方面的優(yōu)勢。它為工業(yè)切割提供了全面、經(jīng)濟高效的解決方案。研究人員深入研究了機理和工藝。高質(zhì)量的光纖激光切割在精密制造領(lǐng)域提供了廣泛的應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)、電子、機械、航空和空間領(lǐng)域的薄壁切割。

參考文獻：

[1] 秦玉.CO2激光切割[M].第2版， 2019.

[2]馬江.CO2與光纖激光：切割零件的成本.激光切割/75-co2與光纖激光切割成本對比[M]. 2019.

[3]萬瑞.制造用激光切割指南[M].制造工程師學(xué)會， 2019.

[4]李澤.高功率摻鐿光纖激光器基礎(chǔ)與應(yīng)用[J].國際現(xiàn)代工程學(xué)報物理B， 2019，28（12）：493-499.

[5]張小偉. 光纖激光切割低碳鋼板切口質(zhì)量研究[D]. 華中科技大學(xué)， 2009.

[6]吳娜.《高功率高功率》高亮度工業(yè)光纖激光器技術(shù)[C]激光和電光應(yīng)用大會， 2019：301-307.

[7]郝小小.切削應(yīng)用高亮度激光器的研究[J].激光加工技術(shù)學(xué)報可塑性， 2019，33（1/2）：63-70.

[8]李瑞.用纖維切割厚型鋼激光[J].工業(yè)激光解決方案， 2019，25（5）：25-27.