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摘要

因應雷射具有較小之熱影響區(qū)以及低變形量之優(yōu)點，因此某些較高硬化能以及顯微組織容易變化之材料在切割之應用上，不易使用離子、氧乙炔、電漿之切割方式，相對使得雷射切割技術逐漸獲得重視。目前在雷射先進制造技術當中，雷射加工技術以占有相當重要之地位，且將成為21世紀世界工業(yè)中的主要產(chǎn)業(yè)。由于雷射加工技術具有效率高、質(zhì)量優(yōu)良、清潔、加工范圍廣、經(jīng)濟效益加與容易進行自動化控制等特點，并且能解決傳統(tǒng)加工上許多無法解決的難題。因此有人預測，雷射加工與雷射先進制造技術將引起一次新的工業(yè)革命。

1.雷射去除原理

金屬材料經(jīng)能量密度為10⁶～10⁹W?cm^-2之雷射照射時會產(chǎn)生熔化或汽化，并且從材料內(nèi)部噴出固態(tài)微粒，尤其是發(fā)生在汽化邊界上，雷射光原之移動速度加劇時更是如此。由于雷射光的能量密度很高，會使得材料表面的溫度超過沸點而產(chǎn)生汽化，并將表面被汽化的雜質(zhì)噴賤出來。隨著雜質(zhì)的噴賤，雷射光源系以一個不變的速度向材料內(nèi)部移動，材料會因汽化而去除，因此孔逐漸加深，并隨著孔的直徑與深度的增加，雜質(zhì)相繼被去除，最后形成了一個深孔型態(tài)。若隨著雷射光能量的提升或減低，甚至移動速度的增加或降低等加工參數(shù)的改變，而使得工件形成切割狹縫與溝槽的加工模式，圖一所示。

圖1. 雷射材料去除加工模式(a)鉆孔、(b)切割與(c)挖槽

2.雷射切割技術#p#分頁標題#e#

所有雷射加工方法中，雷射切割之機構(gòu)如圖2所示，可利用高能量密度的雷射光聚焦照射在工件表面來進行。在超過雷射能量密度的前提，雷射光能量以及活性氣體輔助切割過程所產(chǎn)生的化學反應，其中反應的熱能大部分皆被材料所吸收。因此當工件與雷射光作用時，其工作表面溫度急遽上升而達到沸點，材料因而開始汽化，并形成孔洞。隨著激光束與工件的相對移動，最終使材料形成切割狹縫，切口處的熔渣必需逐一被定量的輔助氣體所吹除。

圖2. 雷射切割之模式與影響參數(shù)

雷射切割與其他切割方法比較，具有以下特點：(1)雷射為無接觸、無工具損耗、切口窄、熱影響區(qū)小、切邊潔凈、切口的平行度佳、加工精度高與光滑度好。(2)切割速度快，容易數(shù)字化并與計算機控制結(jié)合，使得自動化程度高。(3)亦有噪音低、無公害與無污染等環(huán)保問題。

雷射切割目前可區(qū)分為汽化切割、熔化切割和氧助燃切割，其中以氧助燃切割應用最廣泛。依照切割材料來做區(qū)分，則可分為金屬雷射切割和非金屬雷射切割。

首先針對汽化切割來做一說明，一般汽化切割指的是藉由雷射光加熱工件至沸點以上的溫度，使得部分材料以蒸汽的形式產(chǎn)生；而另一部分的材料則是以噴射的方式從切口底部吹走，其所需雷射切割之能量是熔化切割的十倍以上。汽化切割主要應用于那些不能熔化的木材、塑料和碳素等材料上，其形成的機制如下所述：(1)雷射加熱材料后，系因部分被反射、部分則是被工件所吸收，因此材料之吸收率會隨溫度的升高而下降。(2)雷射作用的區(qū)域溫升較快，足以避免工件以熱傳導的方式造成熔化。(3)蒸汽從工件表面會以近似音速之速度蒸發(fā)。

此外，熔化切割系當雷射光能量密度達到材料熔融時，工件的內(nèi)部中心會蒸發(fā)而形成孔洞，然后在光軸之同軸上輔以惰性氣體的吹除，即可將孔洞周圍的熔融材料去除帶走。熔化切割的機制主要可分下列三點：(1)雷射光照射工件，除了一部份能量被反射外，其余能量用來加熱材料并蒸發(fā)成小栓孔。(2)一旦小孔形成，其栓孔將呈現(xiàn)黑體而全部吸收雷射光能，栓孔被熔化金屬壁所包圍住，依照蒸汽之高速流動促使熔壁保持穩(wěn)定。(3)熔融金屬貫穿工件需依靠輔助吹氣將熔化材料吹走。(4)隨著工件的移動，栓孔因為橫移成一條切割狹縫。#p#分頁標題#e#

氧助燃熔化切割的形成機制為：(1)在雷射光源照射下，材料達到熔化溫度，隨之與氧接觸后，會發(fā)生劇烈的燃燒反應，進而放出大量的熱量，在雷射與此熱量雙重作用下，材料內(nèi)部容易形成充滿蒸汽的栓孔，其周圍被熔融金屬所包圍。(2)蒸汽的流動使孔周圍熔融金屬壁向前移動，并發(fā)生熱量與質(zhì)量之轉(zhuǎn)移。(3)氧與金屬的燃燒速度受到燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)換成熔渣的限制，氧氣擴散通過熔渣達到燃燒前緣的速度，氧氣流速越高，燃燒的化學反應越快。(4)在未達到燃燒溫度的區(qū)域，氧氣流動亦可作為冷卻劑，來縮小切割所造成之熱影響區(qū)。(5)氧助燃切割存在可分為雷射輻射與化學反應熱兩種熱源。

一般而言，金屬材料的雷射切割大多采用快速軸流CO₂雷射機，這主要是因為縱流CO₂雷射機的光束質(zhì)量較佳。盡管大多數(shù)金屬對CO₂雷射機光束的反射率相當高，然而當室溫下金屬表面被破壞后，其金屬的吸收率可增加至100%。因此就金屬的吸收率而言，理論上來說并不會很小，但對于金屬雷射切割來說，較高的平均功率是有其必要性，因此高功率CO₂雷射機就具備了此一條件。

3.雷射切割參數(shù)

目前傳統(tǒng)常使用之雷射切割機構(gòu)設計如圖3所示，其中包含了重要的光學位置調(diào)節(jié)器、雙光學鏡頭卡匣、高度傳感器以及聚焦尖端之調(diào)節(jié)閥。影響工件切口之寬度因素，最直接的是激光束的大小，也就是光學位置之調(diào)節(jié)器。然而，光束尺寸亦會隨著機構(gòu)的上升與下降所產(chǎn)生正負離焦與聚焦之狀態(tài)。此外，由于雷射切割所需之功率較高，使得機構(gòu)內(nèi)部之光學鏡頭必須利用多重冷卻水路來加以保護，這在雷射切割之加工上尤其重要，影響鏡片之壽命與雷射功率之輸出甚劇。

圖3. 目前常用于雷射切割之切割頭機構(gòu)設計

表1為目前國際上常使用之金屬材料，其雷射切割所需要最佳之參數(shù)如表所列。然而目前國內(nèi)雷射切割產(chǎn)業(yè)由于切割之金屬鐵基合金為主，諸如普通碳鋼、合金鋼、沃斯田鐵系不銹鋼與麻田散鐵系不銹鋼等，且所使用之雷射機臺種類大部分以CO₂為主。這是因為就雷射切割金屬材料而言，以CO#p#分頁標題#e#₂雷射所切割之質(zhì)量為最佳。

表1. 金屬材料的雷射切割參數(shù)

對于一定板厚的金屬板，通常雷射切割速度會隨雷射功率成一線性關系的增加。圖4顯示雷射切割不銹鋼時，切割速度與雷射功率、板厚間的關系。圖中指出，當雷射功率固定時，切割速度與板厚間會隨著板厚增大，切割速度減小。因此有些學者會依此整理出一關系式：，其中v#p#分頁標題#e#₁為雷射切割速度，l為金屬板厚，β為接近1的常數(shù)。

圖4. 雷射功率、切割速度與板厚間的關系圖

探討雷射切割過程中，切口寬度和熱影響區(qū)與雷射切割速度也有相對且密切的相關性。圖5為雷射切割過程中，切口寬度、熱影響區(qū)與雷射切割速度的關系圖。在雷射切口之表面寬度和熱影響區(qū)均隨雷射切割速度的增加而縮小，不過在工件下表面的切口寬度與熱影響區(qū)最小時之切割速度分別為20mm/s與50mm/s。對于中碳鋼來說，獲得最佳的切割質(zhì)量以及最小熱影響區(qū)之參數(shù)為。

圖5. 雷射切割寬度、熱影響區(qū)與切割速度間的關系圖(a)雷射切割3mm厚鋼板時切割寬度與切割速度的關系與(b)雷射切割熱影響區(qū)與切割速度的關系圖

就金屬雷射切割的切口粗糙度之探討，一般以上段為佳，中段次之，下段最差。切口粗糙度與切割的切口有關。圖6(a)顯示切割厚度變化對切口粗糙度之影響。另外圖6(b)可知焦點位置對切口粗糙度的影響，當工件至聚焦透鏡的距離與焦距的比值a₀分布在0.988~1.003之范圍內(nèi)時，無毛邊之產(chǎn)生。例如，雷射切割2.3mm的低碳鋼板時，則采用負離焦0.3～0.7mm為佳。

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圖6. (a)切割厚度、(b)焦點位置與切口粗糙度之間的關系圖

在實際氧助燃雷射切割中氧噴嘴的形狀和大小與輔助氧壓力對雷射切割質(zhì)量有較大的影響。輔助氧能進行氧化反應而放熱，并能吹掉切口內(nèi)之熔渣，同時也能對切口起冷卻作用。一般而言，氧氣流應動方式應以超音速的收斂型態(tài)較佳，以免切口下段的擴大。日本學者松野先生等人對噴嘴設計作了一系列詳細的研究，其研究結(jié)果顯示于圖7。在噴嘴直徑、雷射能量與切割速度間的關系圖中可以觀察到，不論是以何種噴嘴之設計進行試驗，在固定厚度6mm與氣體流量時，普通鋼種之最大切割速度會隨著雷射能量的提升而增加，進而形成一線性關系。

圖7. (a)噴嘴設計與(b)各個噴嘴設計所實驗之最大切割速度與雷射能量間的關系圖

圖8顯示出噴嘴直徑與切割速度之間的關系，從圖中可以看到，對于雷射切割方面存在一個相對最佳的噴嘴直徑，且在厚度2mm之軟鋼試驗中，就噴嘴直徑是以1.5mm為最佳條件。

圖8. 噴嘴直徑與切割速度間的關系圖

此外，雷射切割質(zhì)量還與輔助氧壓力有關，在不同雷射功率與不同厚度的情況下，輔助氧壓力也存在了一個最佳值。圖9可獲得一輔助氧壓與切割速度的關系，并從圖中可以觀察到過高的輔助氧壓力反而會使切割速度下降。切口質(zhì)量、輔助氧壓與切割速度間的關系顯示于圖#p#分頁標題#e#10。圖中B區(qū)為切割質(zhì)量最佳的區(qū)域。

圖9. 輔助氧氣壓力與切割速度間的關系圖

圖10. (a)輔助氧壓力與切割速度以及(b)切割速度增加對切口形狀的影響

除了上述的雷射功率、切割速度、噴嘴直徑與輔助氧壓力等會影響雷射切割的因素之外，為了提高雷射切割質(zhì)量，近幾年來人們還研究了偏振光雷射切割、電弧輔助雷射切割、水冷雷射切割以及紅外雙波段雷射切割等等加工種類。

雷射切割中，切割速度會隨偏振光之取向而發(fā)生變化。由于受到雷射偏振之原因，切口底部容易產(chǎn)生偏斜之現(xiàn)象。由圖11觀察到偏振光的取向?qū)咨淝锌谛螤畹挠绊懀捎脠A偏振光，切口平直，但對一般CO₂雷射并不能直接輸出圓偏振光，因此在雷射切割時，為了獲得較好的切割質(zhì)量，常附加上45°反射的圓偏振鏡。圓偏振鏡通常會鍍上多層膜，以增加雷射光能量集中之程度。

圖11. 不同偏振光所得切口的形態(tài)

#p#分頁標題#e#為了提升雷射切割之速度與厚度，Clarke與Steen于1979年證實電弧輔助雷射切割之可行性，并引證出切割速度與雷射和電弧總輸出功率的關系圖(圖12)。從圖中顯示，當雷射與電弧總功率超過4kW時，切割速度已呈現(xiàn)飽和之狀態(tài)。

圖12. 雷射切割速度與總輸入能量的關系圖

除了以上所述金屬材料外，在許多工業(yè)實際應用上，常采用CW CO₂雷射機切割非金屬材料，這是因為非金屬材料對CO₂雷射之吸收率相當高，故大多使用不超過500W的雷射功率。因為非導電材料的熱導率小，故通過傳導的熱量損耗小，切割材料所需的雷射功率則可由下列公式所表示：

P=QWlv

式中，Q是材料蒸發(fā)所需的能量(kJ?cm^-3)，W是切口寬度，l是板厚，v是切割速度(cm?s^-1)。對于非鐵金屬材料，Q可以小于0.4 kJ?cm^-3；而對于玻璃材料，Q值則高于100 kJ#p#分頁標題#e#?cm^-3。因此在非金屬雷射切割中，為了找到雷射功率P與切割速度v的關系，必須知道材料蒸發(fā)所需的能量Q為何。下表2則列些許非金屬材料之能量Q值僅供參考使用。

表2.非金屬材料之Q值