雷射切割

雷射切割（英語：）是一種使用雷射光切割材料的技術，通常用於工業製造應用，但也開始被學校、小企業和業餘愛好者使用。工作原理是透過光學系統引導高功率雷射的輸出。雷射光切割採用的雷射光是可控的單色光，強度高，能量密度大，透過光學系統聚焦可以產生巨大的功率密度。雷射光學和CNC（電腦數值控制）被用來引導雷射光束至材料表面，使高能雷射束照射在工件的被加工的地方来完成加工。商用雷射用於切割材料，使用運動控制系統根據CNC或G代碼來追蹤切割圖案。聚焦的雷射光束射向材料，材料熔化、燃燒、蒸發或被氣體射流吹走，從而留下高質量表面光潔度的切割邊緣。工業雷射切割機用於切割平板材料以及結構和管道材料。[1][2][3]

雷射光的光強度很高，幾乎可以加工所有的金属和非金属材料，不止可以加工高硬度、高熔點材料，也可以加工脆性和柔性材料。由於激光加工是非接觸加工，工作時不需要使用金属切刀或是磨料刀具。

歷史

1965 年，西部電氣工程研究中心製造了第一台量產型雷射切割機，其運用為在鑽石模具上鑽孔[4]。隨後於1967 年，英國首創了雷射輔助氧氣噴射切割金屬的技術[5]。在70 年代初期，這項技術開始投入生產，並被應用於切割航空航天應用的鈦合金。與此同時，CO2 雷射也被用於切割非金屬材料，例如紡織品，儘管當時 CO2 雷射的功率還不足以克服金屬的導熱性[6]。

方法

雷射切割有許多不同的方法，不同的類型用於切割不同的材料。

汽化切割

這種方法通常用於切割木材、碳和熱固性塑膠等不易融化的材料。在汽化切割中，利用聚焦光束將材料表面加熱至一定溫度，造成小孔洞形成。小孔洞導致材料對光的吸收率急劇增加，進而迅速加深孔洞。隨著孔洞的加深和材料的沸騰，產生的蒸氣會侵蝕周圍的材料，形成噴射物，進一步擴大孔洞。

熔化並吹氣

此方法常用於金屬材料。利用高壓氣體將熔融材料從切割區域吹出，從而降低了功率需求，無需進一步升高材料的溫度。

熱應力開裂

可運用於脆性材料如玻璃的切割。利用光束局部加熱和熱膨脹，從而產生裂縫，並可通過移動光束來引導裂縫，裂紋移動速度可達每秒公尺（m/s）級別。

矽晶圓的隱形切割
更多：晶圓切割

在半導體裝置製造過程中，微電子晶片與矽晶圓的分離可以透過所謂的隱形切割製程進行。這個製程使用脈衝式Nd:YAG雷射器進行操作，其波長為1064納米。這個波長非常適合電子矽的帶隙（約1.11電子伏特，相當於約1117納米）。

反應切削

又稱為「燃燒穩定雷射氣體切割」或「火焰切割」，是一種類似於氧氣炬切割的方法，但是使用雷射光束作為點火源。這種技術主要用於切割厚度超過1毫米的碳鋼。相對於傳統的氧氣炬切割，反應切割可以使用相對較小功率的雷射來切割非常厚的鋼板。

能量消耗

雷射切割的主要缺點之一是高功耗。工業雷射的效率通常介於5%到45%之間[7]。具體而言，特定雷射的功耗和效率取決於輸出功率和工作參數。這些參數包括雷射的類型以及其與當前工作的匹配程度。對於特定的作業，所需的雷射切割功率（也被稱為熱輸入）會根據材料類型、厚度、使用的製程類型以及所需的切割速率而有所不同。

使用 CO2 雷射處理不同厚度的不同材料所需的熱輸入量（瓦）[8]
材質 材質厚度
0.51 mm 1.0 mm 2.0 mm 3.2 mm 6.4 mm
不鏽鋼 1000 1000 1000 1500 2500
鋁 1000 1000 1000 3800 10000
軟鋼 − 400 − 500 −
鈦 250 210 210 − −
木合板 − − − − 650
硼/環氧樹脂 − − − 3000 −

生產力與切割率

生產力和切削率受到多種因素的限制，包括雷射功率、材料厚度、製程類型和材料特性。一般工業級系統（功率≥1千瓦）可以處理0.51至13毫米厚度的碳鋼金屬。相較於標準的鋸切，對於許多應用而言，雷射切割的速度快上許多，甚至可以達到三十倍[9]。

使用 CO2 雷射的切割速率（公分/秒）
材質 材質厚度
0.51 mm 1.0 mm 2.0 mm 3.2 mm 6.4 mm 13 mm
不鏽鋼 42.3 23.28 13.76 7.83 3.4 0.76
鋁 33.87 14.82 6.35 4.23 1.69 1.27
軟鋼 − 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
鈦 12.7 12.7 4.23 3.4 2.5 1.7
木合板 − − − − 7.62 1.9
硼/環氧樹脂 − − − 2.5 2.5 1.1

參考來源
  1. Bromberg, Joan. . MIT Press. 1991: 202 [2018-02-17]. ISBN 978-0-262-02318-4. （原始内容存档于2021-05-11）.
  2. Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. 27th. New York, NY: Industrial Press Inc. 2004. ISBN 978-0-8311-2700-8.
  3. Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo. . Industrial Press Inc. 1994 [2018-02-17]. ISBN 0-8311-3049-0. （原始内容存档于2016-12-06）.
  4. Bromberg 1991，第202頁
  5. The early days of laser cutting, par P. A. Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland, August 20–22, 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-early-days-of-laser-cutting-august-2007
  6. CHEO, P. K. "Chapter 2: CO2 Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.
  7. http://www.laserline.de/tl_files/Laserline/downloads/broschueren/en/Laserline_Image_high_power_diode_laser.pdf - Page 4:"High electrical/optical efficiency of up to 45%"
  8. Todd, Allen & Alting 1994，第188頁.
  9. . Laserage. [2016-08-23]. （原始内容存档于2018-04-28） （美国英语）.

外部連結
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