激光熔化切割过程涉及了光学、材料学、热学、流体力学、机械控制等众多学科的知识,影响激光熔化切割质量的因素很多,通过实验工艺来研究这些参数对切割过程的影响,要花费大量的时间、人力和物力,因此,建立激光熔化切割模型对于实际的激光切割加工具有重要的意义。根据空气动力学原理设计出适合在高压惰性气体辅助条件下激光熔化切割的超音速喷嘴。超音速喷嘴在设计的工作条件下能输出具有良好的气体动态特性,可以更有效地把熔化金属及其夹渣物从切缝前沿吹走,提高切割速度和切割质量。采用了切割前沿的能量平衡方程,在一定的合理假设条件下建立了同轴双焦距激光熔化切割前沿的三维几何模型。该模型不但考虑了激光功率、激光束模式、激光波长、激光束偏振、材料对光的吸收率、材料热性质、厚度、切割速度、双焦距透镜的结构和焦点位置等参数,而且还考虑了切缝内光束多次反射效应对光能吸收率的影响。给出了该模型的数值求解方法,计算了304不锈钢的激光熔化切割效果,获得了不同的激光熔化切割参数条件下的切割前沿几何曲线,分析了激光功率、激光模式、切割速度、材料性质、材料厚度、焦点位置、双焦距透镜表面直径和两个焦距的长度对切割前沿曲线的影响,计算结果与实际情况吻合得较好。结果表明,在一定条件下,双焦距透镜的切割效果比单焦距透镜的切割效果好。使用本文建立的激光熔化切割模型,能够指导实际的激光熔化切割平台的建立,获得最佳的激光熔化切割参数组合。