二氧化碳激光器切割厚板能否像CO2一樣優秀？

CO2和光纖激光器的最主要區別是波長，10.6um和1.07um。

由于波長的差異導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焦點直徑是光纖激光器的10倍。

激光熔化金屬切割是個熱動力學和流體動力學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隨時間周期性的出現，并在高壓氣體作用下向下運動導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）截斷并吸收，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，在他們移動的過程中一邊吸收激光能量一邊通過熱傳導在經過的路徑上腐蝕（熔化）材料，在側面上形成了凹進去的條紋結構。

在高速相機觀察下，側邊條紋形成的周期性：

側面條紋的形成是由于側面熔化金屬流的不連續性造成的。從下圖可以看到熔化前沿的不連續性也會影響側面金屬流的不連續，間歇的熔化前沿會匯入側面累積金屬流。還可以從CF截斷側面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，熔化前沿和側面的熔化金屬流變得連續和穩定。

下圖對應不同切割速度下，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。

兩個基本的過程導致了切割質量的差異。一個是熔化前沿上熔化金屬的離散性，流動的不穩定性，切口側邊累積的離散金屬流體及其不穩定性造成。無論熔化前沿還是切口側邊的不穩定性都是由于材料的吸收對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，導致了吸收率對于不同入射角度的吸收率曲線很大的區別。

下圖所示為通快公司CO2和光纖激光器切割對比：

1. CO2和光纖（或固體）激光器切不銹鋼的區別：

2. CO2和光纖（或固體）激光器切割鋁板的區別：

上圖為通快CO2激光器與其碟片激光器切割鋁板的實際加工圖片。

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

3.Trumpf切割碳鋼 CO2 VS Fiber

而碳鋼切割質量差異并無太明顯區別。因為碳鋼切割使用氧氣燃燒釋放熱量作用于材料，不同于激光直接作用于材料。碳鋼氧氣切割中，大部份熱量來自與金屬燃燒釋放的熱量，而金屬點燃后對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別來自于波長及由此導致的入射角度對波長的依賴造成的。

CO2與固體激光器不同入射角吸收曲線，如下圖所示：

由吸收曲線結合，激光移動速度和切面前沿相對速度關系（切面前沿法線方向相對激光靜止）可以得到如下關系：縱坐標代表熔化前沿相對于激光移動速度相關的一個量，可粗糙理解為相對激光頭的速度。

如果整個熔化前沿相對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變化，則前沿對于激光的吸收是穩定的、前沿熔化金屬流在前沿斜面方向向下流動是穩定的，所以每時每刻同一位置熔化金屬層厚度一致，包含能量一致，通過熱傳導傳遞到側面的能量一致，在激光頭橫向移動過程中側面切割效果一致，前沿對側面無擾動，側面不會由于前沿熱浮動而產生條紋。

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

縱坐標為零的位置就是局部某點相對于激光頭靜止的局部入射角。通過簡化模型，得到這個角度CO2=1.4度；固體=5.2度。這個角度大概對應布魯斯特角的一半，最終還是回到對激光波長的依賴上。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，實際過程中這個角度可能更大。

切割過程中熔化前沿存在擾動是不可避免的，對于厚板切割而言假設板厚>4mm, 光斑直徑200um，則入射角<3度。從相對速度與入射角關系曲線上看,對于固體激光器1um，當入射角< 3時，熔化前沿參考點的速度大于激光頭的移動速度。參考點上邊速度最快，下邊最慢，前沿的傾斜變化導致了參考點所在位置局部入射角逐漸變大，直到達到截止角5.2度。從<3度 到5.2度，不穩定區間較大，達到5.2度還可以觸發更大的不穩定性。對于10.6um激光器，入射角<3度且小于截止角1.4度時，從相對速度曲線和入射角關系圖來看，熔化前沿參考點相對于激光速度快，熔化前沿上參考點上邊快，下邊慢，逐漸增大入射角到1.4度截止角，這個不穩定區間從0度到1.4度，振蕩幅度很小、不穩定區間很小。3度>當入射角>1.4度時，熔化前沿比激光速度慢，這個時候熔化前沿上半部分移動快，下半部分移動慢，導致入射角變小達到1.4度的截止角。從3度到1.4度的角度去見振蕩也很小，不穩定區間小。所以可以看出1um光纖或固體激光器切厚板時，不穩定和震蕩區間都很大，影響了熔化前沿的穩定性，容易產生不穩定的熔化金屬流，前沿不穩定的金屬流還會影響到側面的金屬流體的不穩定。同樣的道理，在激光加熱切割側面時，側面相對于前沿更加陡峭，所以固體激光器的不穩定區間更大。而CO2激光器受影響并不大。這個是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致的熔化金屬流不穩定的問題，進一步改善切割質量，使光纖激光器達到和CO2激光器在厚板切割上一致的效果。