二氧化碳激光器切割厚板能否像CO2一样优秀？

CO2和光纤激光器的最主要区别是波长，10.6um和1.07um。

由于波长的差异导致了不同材料的吸收不同，吸收率随入射角度变化较大。

同样光束质量即相同M2前提下，CO2的BPP是光纤激光器的10倍。粗糙理解就是 CO2焦点直径是光纤激光器的10倍。

激光熔化金属切割是个热动力学和流体动力学共同作用的物理变化过程。

在切割过程中，激光光斑在切面前沿（左图阴影部分）上投影为椭圆，光斑与侧面相交于圆弧EQ。EQ段吸收激光能量被加热过程中形成了自上而下的累积熔化金属流MA1（Metl Accumulation）、MA2、MA3。MA随时间周期性的出现，并在高压气体作用下向下运动导致了第一类条纹的形成。在MA下降过程中被CF（Central Flow）熔化前沿（左图阴影部分）截断并吸收，便形成了第二类条纹，第三类条纹由CF顺着切面前沿下降过程中形成。

 MA和CF包含了大量的热，且温度高于熔化温度，在他们移动的过程中一边吸收激光能量一边通过热传导在经过的路径上腐蚀（熔化）材料，在侧面上形成了凹进去的条纹结构。

在高速相机观察下，侧边条纹形成的周期性：

侧面条纹的形成是由于侧面熔化金属流的不连续性造成的。从下图可以看到熔化前沿的不连续性也会影响侧面金属流的不连续，间歇的熔化前沿会汇入侧面累积金属流。还可以从CF截断侧面MA的位置起影响，从而造成垂直方向条纹的形成。

上图a-e切割速度逐渐提高。在速度逐渐增加过程中入射角在逐渐变大（前沿斜面逐渐变得平缓，倾斜程度逐渐降低），增加吸收，随着吸收能量的增加，熔化前沿和侧面的熔化金属流变得连续和稳定。

下图对应不同切割速度下，熔化前沿倾斜角度的变化，倾斜角度变化引起入射角度的变化。速度越快，入射角越大，吸收率越高。

两个基本的过程导致了切割质量的差异。一个是熔化前沿上熔化金属的离散性，流动的不稳定性，切口侧边累积的离散金属流体及其不稳定性造成。无论熔化前沿还是切口侧边的不稳定性都是由于材料的吸收对入射角度的依赖造成的。

     二、由于CO2和光纤激光器的波长不同，导致了吸收率对于不同入射角度的吸收率曲线很大的区别。

下图所示为通快公司CO2和光纤激光器切割对比：

1. CO2和光纤（或固体）激光器切不锈钢的区别：

2. CO2和光纤（或固体）激光器切割铝板的区别：

上图为通快CO2激光器与其碟片激光器切割铝板的实际加工图片。

CO2在厚板切割上 （不锈钢和铝），切割质量明显高于固体激光器，在这里对于碟片、光纤，由于激光器参数相近，我们不做区分。所以我们推断CO2激光器在切割铝板过程中，在熔化前沿和侧面上能形成稳定的熔化金属流，稳定的金属流造成了高质量的切割效果。

3.Trumpf切割碳钢 CO2 VS Fiber

而碳钢切割质量差异并无太明显区别。因为碳钢切割使用氧气燃烧释放热量作用于材料，不同于激光直接作用于材料。碳钢氧气切割中，大部份热量来自与金属燃烧释放的热量，而金属点燃后对波长的依赖没那么大。

三、所以通过以上分析：可以推断CO2和固体激光器切割的区别来自于波长及由此导致的入射角度对波长的依赖造成的。

CO2与固体激光器不同入射角吸收曲线，如下图所示：

由吸收曲线结合，激光移动速度和切面前沿相对速度关系（切面前沿法线方向相对激光静止）可以得到如下关系：纵坐标代表熔化前沿相对于激光移动速度相关的一个量，可粗糙理解为相对激光头的速度。

如果整个熔化前沿相对于激光在前沿法向方向的分量静止，则前沿几何形状保持不变，激光入射到熔化前沿的角度不会变化，则前沿对于激光的吸收是稳定的、前沿熔化金属流在前沿斜面方向向下流动是稳定的，所以每时每刻同一位置熔化金属层厚度一致，包含能量一致，通过热传导传递到侧面的能量一致，在激光头横向移动过程中侧面切割效果一致，前沿对侧面无扰动，侧面不会由于前沿热浮动而产生条纹。

在实际切割过程中，切面前沿整体移动速度（或短时间内的平均速度）和激光头速度保持一致这个是没问题的。切割过程中，前沿上总会由于某些原因（熔化金属的张力、粘度与喷射气体的平衡关系或者局部的入射角度变化较大等）存在扰动，导致局部熔化速度相对激光头移动的速度或快或慢。上图表示了局部某点相对于激光头速度的相对快慢和入射角度关系。

纵坐标为零的位置就是局部某点相对于激光头静止的局部入射角。通过简化模型，得到这个角度CO2=1.4度；固体=5.2度。这个角度大概对应布鲁斯特角的一半，最终还是回到对激光波长的依赖上。在这里的模型是简化模型，如果考虑到高压气体，张力、粘滞、速度等因素的影响，实际过程中这个角度可能更大。

切割过程中熔化前沿存在扰动是不可避免的，对于厚板切割而言假设板厚>4mm, 光斑直径200um，则入射角<3度。从相对速度与入射角关系曲线上看,对于固体激光器1um，当入射角< 3时，熔化前沿参考点的速度大于激光头的移动速度。参考点上边速度最快，下边最慢，前沿的倾斜变化导致了参考点所在位置局部入射角逐渐变大，直到达到截止角5.2度。从<3度 到5.2度，不稳定区间较大，达到5.2度还可以触发更大的不稳定性。对于10.6um激光器，入射角<3度且小于截止角1.4度时，从相对速度曲线和入射角关系图来看，熔化前沿参考点相对于激光速度快，熔化前沿上参考点上边快，下边慢，逐渐增大入射角到1.4度截止角，这个不稳定区间从0度到1.4度，振荡幅度很小、不稳定区间很小。3度>当入射角>1.4度时，熔化前沿比激光速度慢，这个时候熔化前沿上半部分移动快，下半部分移动慢，导致入射角变小达到1.4度的截止角。从3度到1.4度的角度去见振荡也很小，不稳定区间小。所以可以看出1um光纤或固体激光器切厚板时，不稳定和震荡区间都很大，影响了熔化前沿的稳定性，容易产生不稳定的熔化金属流，前沿不稳定的金属流还会影响到侧面的金属流体的不稳定。同样的道理，在激光加热切割侧面时，侧面相对于前沿更加陡峭，所以固体激光器的不稳定区间更大。而CO2激光器受影响并不大。这个是CO2和光纤、固体激光器切割不锈钢、铝板的巨大差别所在。

   在了解了CO2和固体激光器差别后，就可以采取一些措施改善小入射角切割导致的熔化金属流不稳定的问题，进一步改善切割质量，使光纤激光器达到和CO2激光器在厚板切割上一致的效果。