雷射切割

雷射切割(英語:Laser cutting)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來完成加工。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]

激光切割機

雷射光的光強度很高,幾乎可以加工所有的金屬和非金屬材料,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屬切刀或是磨料刀具。

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

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
1000 1000 1000 3800 10000
軟鋼 400 500
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
33.87 14.82 6.35 4.23 1.69 1.27
軟鋼 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
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. The Laser in America, 1950-1970. MIT Press. 1991: 202 [2018-02-17]. ISBN 978-0-262-02318-4. (原始內容存檔於2021-05-11). 
  2. ^ Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. Machinery’s Handbook 27th. New York, NY: Industrial Press Inc. 2004. ISBN 978-0-8311-2700-8. 
  3. ^ Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo. Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. 1994 [2018-02-17]. ISBN 0-8311-3049-0. (原始內容存檔於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頁面存檔備份,存於網際網路檔案館
  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頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) - Page 4:"High electrical/optical efficiency of up to 45%"
  8. ^ Todd, Allen & Alting 1994,第188頁.
  9. ^ Laser Cutting. Laserage. [2016-08-23]. (原始內容存檔於2018-04-28) (美國英語). 

外部連結