摘要

因应雷射具有较小之热影响区以及低变形量之优点，因此某些较高硬化能以及显微组织容易变化之材料在切割之应用上，不易使用离子、氧乙炔、电浆之切割方式，相对使得雷射切割技术逐渐获得重视。目前在雷射先进制造技术当中，雷射加工技术以占有相当重要之地位，且将成为21世纪世界工业中的主要产业。由于雷射加工技术具有效率高、质量优良、清洁、加工范围广、经济效益加与容易进行自动化控制等特点，并且能解决传统加工上许多无法解决的难题。因此有人预测，雷射加工与雷射先进制造技术将引起一次新的工业革命。

1.雷射去除原理

金属材料经能量密度为10⁶～10⁹W‧cm^-2之雷射照射时会产生熔化或汽化，并且从材料内部喷出固态微粒，尤其是发生在汽化边界上，雷射光原之移动速度加剧时更是如此。由于雷射光的能量密度很高，会使得材料表面的温度超过沸点而产生汽化，并将表面被汽化的杂质喷贱出来。随着杂质的喷贱，雷射光源系以一个不变的速度向材料内部移动，材料会因汽化而去除，因此孔逐渐加深，并随着孔的直径与深度的增加，杂质相继被去除，最后形成了一个深孔型态。若随着雷射光能量的提升或减低，甚至移动速度的增加或降低等加工参数的改变，而使得工件形成切割狭缝与沟槽的加工模式，图一所示。

图1.雷射材料去除加工模式(a)钻孔、(b)切割与(c)挖槽

2.雷射切割技术#p#分页标题#e#

所有雷射加工方法中，雷射切割之机构如图2所示，可利用高能量密度的雷射光聚焦照射在工件表面来进行。在超过雷射能量密度的前提，雷射光能量以及活性气体辅助切割过程所产生的化学反应，其中反应的热能大部分皆被材料所吸收。因此当工件与雷射光作用时，其工作表面温度急遽上升而达到沸点，材料因而开始汽化，并形成孔洞。随着激光束与工件的相对移动，最终使材料形成切割狭缝，切口处的熔渣必需逐一被定量的辅助气体所吹除。

图2.雷射切割之模式与影响参数

雷射切割与其他切割方法比较，具有以下特点：(1)雷射为无接触、无工具损耗、切口窄、热影响区小、切边洁净、切口的平行度佳、加工精度高与光滑度好。(2)切割速度快，容易数字化并与计算机控制结合，使得自动化程度高。(3)亦有噪音低、无公害与无污染等环保问题。

雷射切割目前可区分为汽化切割、熔化切割和氧助燃切割，其中以氧助燃切割应用最广泛。依照切割材料来做区分，则可分为金属雷射切割和非金属雷射切割。

首先针对汽化切割来做一说明，一般汽化切割指的是藉由雷射光加热工件至沸点以上的温度，使得部分材料以蒸汽的形式产生；而另一部分的材料则是以喷射的方式从切口底部吹走，其所需雷射切割之能量是熔化切割的十倍以上。汽化切割主要应用于那些不能熔化的木材、塑料和碳素等材料上，其形成的机制如下所述：(1)雷射加热材料后，系因部分被反射、部分则是被工件所吸收，因此材料之吸收率会随温度的升高而下降。(2)雷射作用的区域温升较快，足以避免工件以热传导的方式造成熔化。(3)蒸汽从工件表面会以近似音速之速度蒸发。

此外，熔化切割系当雷射光能量密度达到材料熔融时，工件的内部中心会蒸发而形成孔洞，然后在光轴之同轴上辅以惰性气体的吹除，即可将孔洞周围的熔融材料去除带走。熔化切割的机制主要可分下列三点：(1)雷射光照射工件，除了一部份能量被反射外，其余能量用来加热材料并蒸发成小栓孔。(2)一旦小孔形成，其栓孔将呈现黑体而全部吸收雷射光能，栓孔被熔化金属壁所包围住，依照蒸汽之高速流动促使熔壁保持稳定。(3)熔融金属贯穿工件需依靠辅助吹气将熔化材料吹走。(4)随着工件的移动，栓孔因为横移成一条切割狭缝。#p#分页标题#e#

氧助燃熔化切割的形成机制为：(1)在雷射光源照射下，材料达到熔化温度，随之与氧接触后，会发生剧烈的燃烧反应，进而放出大量的热量，在雷射与此热量双重作用下，材料内部容易形成充满蒸汽的栓孔，其周围被熔融金属所包围。(2)蒸汽的流动使孔周围熔融金属壁向前移动，并发生热量与质量之转移。(3)氧与金属的燃烧速度受到燃烧物质转换成熔渣的限制，氧气扩散通过熔渣达到燃烧前缘的速度，氧气流速越高，燃烧的化学反应越快。(4)在未达到燃烧温度的区域，氧气流动亦可作为冷却剂，来缩小切割所造成之热影响区。(5)氧助燃切割存在可分为雷射辐射与化学反应热两种热源。

一般而言，金属材料的雷射切割大多采用快速轴流CO₂雷射机，这主要是因为纵流CO₂雷射机的光束质量较佳。尽管大多数金属对CO₂雷射机光束的反射率相当高，然而当室温下金属表面被破坏后，其金属的吸收率可增加至100%。因此就金属的吸收率而言，理论上来说并不会很小，但对于金属雷射切割来说，较高的平均功率是有其必要性，因此高功率CO₂雷射机就具备了此一条件。

3.雷射切割参数

目前传统常使用之雷射切割机构设计如图3所示，其中包含了重要的光学位置调节器、双光学镜头卡匣、高度传感器以及聚焦尖端之调节阀。影响工件切口之宽度因素，最直接的是激光束的大小，也就是光学位置之调节器。然而，光束尺寸亦会随着机构的上升与下降所产生正负离焦与聚焦之状态。此外，由于雷射切割所需之功率较高，使得机构内部之光学镜头必须利用多重冷却水路来加以保护，这在雷射切割之加工上尤其重要，影响镜片之寿命与雷射功率之输出甚剧。

图3.目前常用于雷射切割之切割头机构设计

表1为目前国际上常使用之金属材料，其雷射切割所需要最佳之参数如表所列。然而目前国内雷射切割产业由于切割之金属铁基合金为主，诸如普通碳钢、合金钢、沃斯田铁系不锈钢与麻田散铁系不锈钢等，且所使用之雷射机台种类大部分以CO₂为主。这是因为就雷射切割金属材料而言，以CO#p#分页标题#e#₂雷射所切割之质量为最佳。

表1.金属材料的雷射切割参数

金属	切割性质	雷射机种类	功率/kW	厚度/mm	辅助气体 #p#分页标题#e#
普通碳钢 合金钢 沃斯田铁系不锈钢 麻田散铁系不锈钢	佳 佳 佳 佳	CO2 Nd: YAG	3~10 #p#分页标题#e# 0.1~0.4	5~18 0.1~3	O2
铝合金	佳	CO2 Nd: YAG	3~10 #p#分页标题#e# 0.1~0.4	0.3~5	O2或空气
镍合金	佳	CO2 Nd: YAG	3~10 0.1~0.4 #p#分页标题#e#	1~6 0.4~3	O2
钛合金	佳	CO2	0.3~5	1~6	Ar或空气 #p#分页标题#e#
钴合金	佳	CO2	0.3~5	1~6	O2

对于一定板厚的金属板，通常雷射切割速度会随雷射功率成一线性关系的增加。图4显示雷射切割不锈钢时，切割速度与雷射功率、板厚间的关系。图中指出，当雷射功率固定时，切割速度与板厚间会随着板厚增大，切割速度减小。因此有些学者会依此整理出一关系式：，其中v#p#分页标题#e#₁为雷射切割速度，l为金属板厚，β为接近1的常数。

图4.雷射功率、切割速度与板厚间的关系图

探讨雷射切割过程中，切口宽度和热影响区与雷射切割速度也有相对且密切的相关性。图5为雷射切割过程中，切口宽度、热影响区与雷射切割速度的关系图。在雷射切口之表面宽度和热影响区均随雷射切割速度的增加而缩小，不过在工件下表面的切口宽度与热影响区最小时之切割速度分别为20mm/s与50mm/s。对于中碳钢来说，获得最佳的切割质量以及最小热影响区之参数为。

图5.雷射切割宽度、热影响区与切割速度间的关系图(a)雷射切割3mm厚钢板时切割宽度与切割速度的关系与(b)雷射切割热影响区与切割速度的关系图

就金属雷射切割的切口粗糙度之探讨，一般以上段为佳，中段次之，下段最差。切口粗糙度与切割的切口有关。图6(a)显示切割厚度变化对切口粗糙度之影响。另外图6(b)可知焦点位置对切口粗糙度的影响，当工件至聚焦透镜的距离与焦距的比值a₀分布在0.988~1.003之范围内时，无毛边之产生。例如，雷射切割2.3mm的低碳钢板时，则采用负离焦0.3～0.7mm为佳。

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图6. (a)切割厚度、(b)焦点位置与切口粗糙度之间的关系图

在实际氧助燃雷射切割中氧喷嘴的形状和大小与辅助氧压力对雷射切割质量有较大的影响。辅助氧能进行氧化反应而放热，并能吹掉切口内之熔渣，同时也能对切口起冷却作用。一般而言，氧气流应动方式应以超音速的收敛型态较佳，以免切口下段的扩大。日本学者松野先生等人对喷嘴设计作了一系列详细的研究，其研究结果显示于图7。在喷嘴直径、雷射能量与切割速度间的关系图中可以观察到，不论是以何种喷嘴之设计进行试验，在固定厚度6mm与气体流量时，普通钢种之最大切割速度会随着雷射能量的提升而增加，进而形成一线性关系。

图7. (a)喷嘴设计与(b)各个喷嘴设计所实验之最大切割速度与雷射能量间的关系图

图8显示出喷嘴直径与切割速度之间的关系，从图中可以看到，对于雷射切割方面存在一个相对最佳的喷嘴直径，且在厚度2mm之软钢试验中，就喷嘴直径是以1.5mm为最佳条件。

图8.喷嘴直径与切割速度间的关系图

此外，雷射切割质量还与辅助氧压力有关，在不同雷射功率与不同厚度的情况下，辅助氧压力也存在了一个最佳值。图9可获得一辅助氧压与切割速度的关系，并从图中可以观察到过高的辅助氧压力反而会使切割速度下降。切口质量、辅助氧压与切割速度间的关系显示于图#p#分页标题#e#10。图中B区为切割质量最佳的区域。

图9.辅助氧气压力与切割速度间的关系图

图10. (a)辅助氧压力与切割速度以及(b)切割速度增加对切口形状的影响

除了上述的雷射功率、切割速度、喷嘴直径与辅助氧压力等会影响雷射切割的因素之外，为了提高雷射切割质量，近几年来人们还研究了偏振光雷射切割、电弧辅助雷射切割、水冷雷射切割以及红外双波段雷射切割等等加工种类。

雷射切割中，切割速度会随偏振光之取向而发生变化。由于受到雷射偏振之原因，切口底部容易产生偏斜之现象。由图11观察到偏振光的取向对雷射切口形状的影响，采用圆偏振光，切口平直，但对一般CO₂雷射并不能直接输出圆偏振光，因此在雷射切割时，为了获得较好的切割质量，常附加上45°反射的圆偏振镜。圆偏振镜通常会镀上多层膜，以增加雷射光能量集中之程度。

图11.不同偏振光所得切口的形态

#p#分页标题#e#为了提升雷射切割之速度与厚度，Clarke与Steen于1979年证实电弧辅助雷射切割之可行性，并引证出切割速度与雷射和电弧总输出功率的关系图(图12)。从图中显示，当雷射与电弧总功率超过4kW时，切割速度已呈现饱和之状态。

图12.雷射切割速度与总输入能量的关系图

除了以上所述金属材料外，在许多工业实际应用上，常采用CW CO₂雷射机切割非金属材料，这是因为非金属材料对CO₂雷射之吸收率相当高，故大多使用不超过500W的雷射功率。因为非导电材料的热导率小，故通过传导的热量损耗小，切割材料所需的雷射功率则可由下列公式所表示：

P=QWlv

式中，Q是材料蒸发所需的能量(kJ‧cm^-3)，W是切口宽度，l是板厚，v是切割速度(cm‧s^-1)。对于非铁金属材料，Q可以小于0.4 kJ‧cm^-3；而对于玻璃材料，Q值则高于100 kJ#p#分页标题#e#‧cm^-3。因此在非金属雷射切割中，为了找到雷射功率P与切割速度v的关系，必须知道材料蒸发所需的能量Q为何。下表2则列些许非金属材料之能量Q值仅供参考使用。

表2.非金属材料之Q值

材料	Q/kJ‧cm-3
胶合板	7.9
有机玻璃 #p#分页标题#e#	7.9
玻璃	78
混凝土	42
硼-环氧树脂混合物	69
纤维-环氧树脂混合物 #p#分页标题#e#	36