1.概述

    最近幾年，GSI集團激光事業部在泵浦Nd: YAG光源的研發和應用方面進行了多項原創性研究，以發揮其最大性能。研發工作主要集中在大功率（400～2000W）、連續波長（CW）的激光系統。該系統除連續波長模式外，還可以工作在脈沖或可調輸出功率模式下，與傳統連續模式相比，峰值功率可提高兩倍。GSI集團首先在20世紀90年代初提出這項技術，并成功地在焊接和切割領域獲得應用。

    Nd: YAG激光（CW）輸出功率穩定，并且可以在平均功率的10%～ 100%范圍內可調。GSI集團特有的SuperModulationTM（超脈沖）技術能夠在無激光輸出或在低平均功率時將部分能量儲存在激光電源中，然后在激光輸出或高平均功率時將能量傳遞到工作介質上，而產生如表1所示的兩倍的峰值功率輸出。因此，SM激光可以像其他激光一樣工作在連續波長模式下，并且能夠在峰值功率高于額定功率的情況下產生方波、正弦波或其他重復性輸出，而此時仍可實現平均功率的全額輸出。例如，矩形波輸出暫載率為50%時，在激光的脈沖“接通”時間，輸出功率值能夠達到連續波長模式下的200%，因此平均輸出功率和激光的全定額功率相等。典型的激光輸出如圖1所示。某些時候并不需要200%的激光調節，這取決于激光聚焦斑點的尺寸、和表面形成的夾角、所切割材料的厚度、合金的種類以及材料表面的電鍍和鍍鋅涂層等因素。在切割鍍鋅鋼板和鋁合金等汽車工業所需的材料時，由于峰值功率的瞬間增長，使超脈沖激光具有一些特殊的優勢。

圖1   超脈沖模式下的方波和正弦波波形

    接下來的內容我們會選擇部分優點加以闡述。這些技術上的改進大體分為以下三類：

    （1）更高的切割速度。

    （2）和材料表面呈銳角切割。

    （3）掛渣減少和更好的切割邊緣質量。

    采用超脈沖激光切割不同厚度的鍍鋅鋼板和鋁合金，結果表明超脈沖技術可以在保證切割速度、切割質量的同時，減少不可控的材料燃燒。此外，在切割鋁合金和鍍鋅鋼板時，切割偏差分別減少100%和400%，并且增加鋁合金的切割厚度。當切割復雜形狀的零件時，在保證切割質量、峰值功率不降低的情況下使平均輸出功率降低。

    超脈沖激光的應用領域包括：汽車車身焊縫清理；液壓成形管材的切割和打孔。

    2.試驗條件

    試驗的對象是鍍鋅鋼板和鋁合金。研究對象是連續波長輸出和超脈沖輸出兩種切割模式下的切割速度、邊緣質量和掛渣程度。具體的切割參數見表2。

    3.結果和討論

    （1）鍍鋅鋼板  方波超脈沖技術通過引起更多的吸收來提高切割效率，并且使燒蝕前沿更加整齊，并和材料表面垂直。當切割2mm以下鋼板時，SM模式速度比連續輸出模式快，這在切割鍍鋅鋼板時效果尤其顯著。連續波長輸出模式下，鋅鍍層會與母體材料發生反應，這就是為什么鍍層越厚、鋼板越薄，切口質量就會越差的原因。從圖2可以看出，連續波長輸出模式下，在厚度值的中間范圍，切割速度有一反常的下降。這應該是鋅鍍層沸騰揮發造成激光束發散或降低了基體對熱量的吸收。超脈沖技術使切割速度更快，因為兩個峰值功率之間存在遲滯時間，所以揮發的煙塵在下一個峰值到來之前被驅散。圖2是切割1.5mm厚鍍鋅鋼板的速度比較，切割同樣材料時孔洞的背部質量比較見圖3。

圖2  鍍鋅鋼板切割速度和材料厚度關系