光纖耦合激光為系統(tǒng)制造商和用戶打開了新的前景。節(jié)能和提高產(chǎn)出量，幫助這項靈活的切割技術(shù)特別是在薄板加工方面明顯地提高生產(chǎn)率前提是與該技術(shù)應(yīng)相互適用。

　　在過去十年里，激光切割在世界范圍內(nèi)計件加工企業(yè)中以及在生產(chǎn)企業(yè)批量加工中的應(yīng)用，和這方面相關(guān)的國際研究活動一樣經(jīng)歷了可觀的繼續(xù)發(fā)展。隨著激光源、機器技術(shù)、過程自動化以及需要切割的材料上種種創(chuàng)新的出現(xiàn)，隨之而來的是世界范圍內(nèi)正處于變革當(dāng)中的經(jīng)濟和生態(tài)上的各種要求。在新近舉辦的博覽會，如漢諾威2010年Euroblech博覽會和國際專業(yè)會議如美國Anaheim舉辦的Icaleo會議上，均可令人印象深刻地看出激光切割方面當(dāng)前的技術(shù)水平和未來的發(fā)展趨勢。

　　在過去的五年里，光纖激光器和玻璃激光器的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的CO2激光切割市場變得越來越不穩(wěn)定了。根據(jù)視角的不同，系統(tǒng)制造商、用戶和研究機構(gòu)對此做出的反應(yīng)不一，從面臨對傳統(tǒng)市場的威脅表示拒絕到面對將要打開的機遇而毫無保留地表示歡迎。要等到云開霧散，可能還需要若干年。在此期間，新型激光器的性能是不可能一筆勾銷的。另一方面，CO2碳激光技術(shù)保留下來的標(biāo)準(zhǔn)也依然值得重視。

　　雖說如此，光纖耦合激光技術(shù)的高系統(tǒng)效率和高可用性，包括調(diào)節(jié)面、運營成本和維護費用的減少，仍然贏得了市場的關(guān)注。諧振器的預(yù)熱沒有時間損失，光束的引導(dǎo)不必再供應(yīng)沖洗氣體，也不必再做定期（或不定期）的補充校準(zhǔn)了這些對經(jīng)過共患難的傳統(tǒng)激光技術(shù)的用戶來說都是強有力的論據(jù)。雖則如此，光纖耦合的激光系統(tǒng)在大材料厚度切割時能夠取得的切割質(zhì)量方面的局限性依然不可逾越。不過，這種技術(shù)得到某些客戶市場的認可，而且通過雄心勃勃的努力研究，也一再推向了更大的板材厚度。

圖1 正在高速切割1.2mm厚的車身板材

　　早在上個世紀(jì)九十年代，在2008年第一臺玻璃激光平板式切割設(shè)備上市之前，Trumpf公司就向市場推出了光纖耦合的平板式激光切割設(shè)備，其基礎(chǔ)是光泵Nd:YAG激光器，射束質(zhì)量依然為12 mm*mrad。新型激光切割技術(shù)的先驅(qū)者是印度的Sahajanand公司和意大利Finsomac集團的Cy-Laser。二者均于2005年安裝了第一批激光切割設(shè)備。 即使不把純粹的管加工和3D設(shè)備也計算進來，在弗勞恩霍費爾ILT研究所不久前所做的市場調(diào)研范圍內(nèi)，全世界就已經(jīng)調(diào)查出了24家用于鋼板加工的光纖耦合Multi-kW-激光平板切割設(shè)備，這些公司相應(yīng)的主要產(chǎn)品匯集如圖2。

圖2 按字母順序排列的24家制造廠商的光纖耦合激光平床切割設(shè)備

　　機器提供商把五家不同公司的激光源集成在一起，其中IPG提供了他們當(dāng)中2/3以上的光纖激光器。1/4的機器制造商屬于Multi-kW-激光平板切割設(shè)備著名的世界市場領(lǐng)先者，有1/3以上的廠家迄今主要是因制造采用等離子和火焰切割以及沖切和水射流技術(shù)的機器而出了名的。他們抓住這個機會，擴大了自己的產(chǎn)品范圍。其中有幾家公司還在一臺機器里把一個或多個激光切割頭和上述傳統(tǒng)切割技術(shù)組合起來使用。

　　激光源在可以達到的切割速度和切割質(zhì)量方面所具有的潛力，只有在同時也采用合適的激光射束光學(xué)儀器和切割氣體噴嘴、過程傳感器和調(diào)節(jié)回路、足夠的機器動態(tài)性能和剛性以及高效的鋼板裝卸裝置，在實踐中加以落實才有意義。此外還必須滿足相關(guān)的安全規(guī)定。

　　最后在材料、厚度范圍、零件尺寸、切割輪廓和必要的產(chǎn)量方面起決定作用的是作為項目的切割設(shè)備當(dāng)前和未來的用途，是它決定著哪種系統(tǒng)提供的解決方案最為經(jīng)濟合算。

　　對激光切割基本理解的前提是對工藝過程的詳細觀察。高速攝像在時間和空間上提供很高的分辨率，可以觀察激光切割過程的動態(tài)情況。弗勞恩霍費爾ILT研究所以這種方式得以發(fā)現(xiàn)并弄清了用10μm波長和1μm波長的激光對不銹鋼切割時的根本差別。當(dāng)除了波長之外所用的其它工藝過程參數(shù)相同情況下，使用光纖激光器時的動態(tài)波動的熔液流和在CO2激光切割情況下平滑而均勻的正面切割現(xiàn)象有著明顯的差別（圖3）。

　　圖3 CO2激光（左）和光纖激光切割4mm厚不銹鋼的切割正面高速攝像圖片

　　在對參數(shù)相關(guān)性理解上的先驅(qū)性，成為在全球競爭中成功設(shè)計現(xiàn)今加工工藝過程的關(guān)鍵。假如需要對優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計和適當(dāng)?shù)倪^程參數(shù)做出預(yù)言而又不會因為耗時費力的大量測試而浪費資源的話，那仿真計算就是可供選擇的工具。能夠描述固定式過程監(jiān)控并經(jīng)得起在廣闊的戰(zhàn)線上進行實驗比較的具備足夠水平的激光切割理論模型少之又少。不過，是否必須對可以達到的切割速度和切割質(zhì)量的原因去深入思考，或者是否能夠計算出對作為過程參數(shù)（如波長、射束的功率和質(zhì)量、聚束系數(shù)和焦點位置）功能的質(zhì)量起決定作用的速度極限和工藝過程特性，這中間又有很大的差別（圖4）。

　　圖4 仿真計算CO2激光切割正面的固定狀態(tài)

　　弗勞恩霍費爾ILT研究所使用仿真程序Calcut對采用1μm波長的激光器切割時多重反射造成的提高速度的積極作用以及降低穩(wěn)定性的負面影響進行了澄清。目前，切割過程的動態(tài)性能也日益得到基礎(chǔ)的理論分析。計算機硬件以及數(shù)字方法的改進，在對激光/氣體/材料系統(tǒng)中的交互作用進行與時間相關(guān)的計算時以及在對過程結(jié)果做預(yù)測方面提供了重大的進展。國際上在這個領(lǐng)域所做的努力也在與日俱增，今后也將不斷對激光切割過程的進一步揭密吹吹風(fēng)。

　　激光切割系統(tǒng)包括一套激光源、射束引導(dǎo)和射束成型光學(xué)儀器、一臺用于光束和材料控制的機器和一套控制單元。激光源提供激光功率和激光質(zhì)量。1μm激光的波長較短，可以有效地切割包括紫銅和黃銅在內(nèi)的有色金屬。切割非金屬也有激光方案。特別是復(fù)合材料，像光纖增強型塑料，如今的意義越來越重要，例如在運輸領(lǐng)域。由于在非金屬中的吸收甚高，這為CO2激光器打開了進入新型市場的良好機遇。

　　千瓦級的超短脈沖激光器由于具有非線性的射束-材料相互作用而可以進行保護材料但卻非常有效的切割，將來也將具有越來越重要的意義。

　　利用高射束質(zhì)量激光器獲得的自由度，目前還遠未挖掘殆盡。這種激光器提供的改進潛力遠遠超出了當(dāng)前的參數(shù)范圍，因為這種激光器允許射束工具大幅度地按照材料的要求和切割任務(wù)進行調(diào)整。射束導(dǎo)向和射束造型決定所使用的射束特性。據(jù)此，今后激光過程開發(fā)的一項重要任務(wù)是，利用全面的光學(xué)設(shè)備，對激光能、波長、極化以及輻射向量等在時間和空間上的分布進行恰如其分的控制。

　　高動態(tài)的射束或材料的運動，可以用掃描儀或直接驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn)。切割氣體支持的高速切割以及無切割氣體的遙控切割方面的最新成果表明，利用適當(dāng)?shù)纳涫煨秃蜕涫刂疲诒“寮庸し矫婵梢赃_到前所未有的生產(chǎn)率（圖5）。當(dāng)前的基準(zhǔn)是用4kW的激光功率以100m/min切割1mm厚的鋼板。

　圖5 遙控切割0.5mm不銹鋼板

　　這種過程的調(diào)整和運行，需要具備全面的過程知識，而且這些知識最理想的方式是安裝在機器的控制裝置里。當(dāng)前的認知是對未來系統(tǒng)提出相應(yīng)的關(guān)鍵要求。借助成像的傳感器、超模型支持的智能數(shù)據(jù)處理和自我優(yōu)化切割機參數(shù)調(diào)整的封閉式調(diào)節(jié)回路，就可以實現(xiàn)這一認知。這對新的十年來說，即使像對激光切割這樣一種成熟的技術(shù)來說，也是一項巨大的挑戰(zhàn)。

　　（作者：Dirk Petring）