武汉锐科光纤激光技术股份有限公司激光应用工程师高辉博士在第十五届“中国激光技术及工业应用论坛”论坛做了演讲，介绍了激光加工几个重要的基础理论和提高激光切割、焊接质量的关键因素。

致敬先贤：激光发展的四个关键时间点

提到当今的激光科技，不得不提到对激光科学发展做出重要贡献的四位先贤。高博士演讲的第一个话题，便是表达了对四位先贤的敬意。

第一位是1917年提出受激辐射理论的爱因斯坦；第二位是1959年在哥伦比亚大学发现受激辐射能放大一束光，并由此奠定了激光概念的Gordon Gould；第三位是发明了第一台红宝石激光器的梅曼，当时的激光器主要用于军事领域测距；第四位是发明了第一台工业级二氧化碳激光器的Kumar Patel。高博士认为，1963年是一个划时代的时间节点，Kumar Patel的发明开启了激光加工的时代。

工程师必须了解几何光学

激光的应用十分广泛，包括航天、航海、汽车、核能、制造业、加工业等。激光可加工的物质也很多，包括金属、非金属、塑料、玻璃、木材、陶瓷、橡胶等。高博士认为：“激光产业不存在光纤激光器会永远取代换CO₂激光器的可能，因为不同的激光器都有它对应的应用领域。”

有数据统计，从2014年到2018年，激光加工的产值逐年上升，其中材料加工是最主要的应用板块。而在具体的加工方式中，切割、焊接、打标占据了激光加工的主体地位。

当前，激光器分为连续和脉冲两大类。在使用连续激光或长脉冲激光进行加工时，材料往往需要经过固态加热、熔化、液态加热到汽化的过程，如果使用短脉冲激光器，就会跳过前面这三个变化，直接到达最后一步，实现汽化切割。

高博士认为：“作为激光应用工程师必须了解几何光学。只有这样才能合理地改变参数，获得想要的加工效果。”这里涉及的几个相关概念，高博士都一一作了解释。光束质量的两个参数BPP值和M²，通过公式可知二者可以相互转化，且成正比。

第二个概念是大家平时经常忽略的关键词——亮度。高博士解释说：“光纤激光器属于高亮度激光器，所以亮度这个概念非常重要。实际上在激光加工领域，最重要的因素不是功率，而是功率密度和能量密度，为此我们引入了光斑大小的概念。而光斑大小决定了激光切割的缝宽。如果懂得了这个原理，那么即便更换100个切割头，焦点位置都不一样，也可以知道在什么光斑位置下切出来的板是最好的。”

随后，高博士展示了市面上常见的两款切割头的光斑变化图（离焦量均取－15～＋15）。从图上可见，M1.5的切割头在束腰范围内光斑更小，但离焦量越大则光斑越大。为此高博士表示：“当离焦量更大的时候，M2.0切割头的光束更窄，因此M1．5的切割头在薄板加工具有优势，但M2.0切割头则在加工厚板或功率更高时优势更明显。因为这不仅可以抑制喷嘴发热现象，还能获得更好的锥度。”

提高激光切割与焊接质量的关键因素

高博士认为：“激光切割有四点非常重要，分别是：更好的材料、更好的喷嘴、更好的工艺、更好的激光器和光束质量。”其中关于喷嘴，他重点介绍了Laval超高速喷嘴。传统喷嘴对切割头距离要求较高，切割头高度越高，气流变化越紊乱，通常设置为0.5mm－2mm。而Laval喷嘴可在切割头高度0－6mm范围内均保持稳定的出气气流，端面效果也更好。

随后，高博士还提到了氧气切割。他表示：“如果懂得计算方法的话，氧气切割时，把铁开口需要的激光功率加上氧气所提供的功率，才是加工中最精确的功率。而通过对喷渣速度的计算，也可以反向推出最佳的切割速度。”

随着激光加工走向高功率时代，激光加工的要求也逐渐发生变化。高博士用“三高”总结了当下市场对激光加工的要求：“高功率、高速度、高质量” 。高博士表示：“功率增加的作用首先体现在切割速度提高，速度提高意味着效率提高，而效率提高则意味着收益由此提高。”

关于激光焊接，高博士介绍了波形可调对激光焊接效果的重要影响。高博士认为：“对热敏材料而言，使用上升沿波形效果不好，但对温度敏感度较低的材料而言，上升沿波形则能起到好的效果，因此组合式波形焊接效果最好。此外，对铜铝焊接及金属－塑料焊接而言，不同的叠放次序所适配的波形也不相同。”