雷射切割

雷射切割（英语：Laser cutting）是一种使用雷射光切割材料的技术，通常用于工业制造应用，但也开始被学校、小企业和业馀爱好者使用。工作原理是透过光学系统引导高功率雷射的输出。雷射光切割采用的雷射光是可控的单色光，强度高，能量密度大，透过光学系统聚焦可以产生巨大的功率密度。雷射光学和CNC（电脑数值控制）被用来引导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。商用雷射用于切割材料，使用运动控制系统根据CNC或G代码来追踪切割图案。聚焦的雷射光束射向材料，材料熔化、燃烧、蒸发或被气体射流吹走，从而留下高质量表面光洁度的切割边缘。工业雷射切割机用于切割平板材料以及结构和管道材料。^[1][2][3]

激光切割机

雷射光的光强度很高，几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、高熔点材料，也可以加工脆性和柔性材料。由于激光加工是非接触加工，工作时不需要使用金属切刀或是磨料刀具。

历史

1965 年，西部电气工程研究中心制造了第一台量产型雷射切割机，其运用为在钻石模具上钻孔^[4]。随后于1967 年，英国首创了雷射辅助氧气喷射切割金属的技术^[5]。在70 年代初期，这项技术开始投入生产，并被应用于切割航空航天应用的钛合金。与此同时，CO2 雷射也被用于切割非金属材料，例如纺织品，尽管当时 CO2 雷射的功率还不足以克服金属的导热性^[6]。

方法

雷射切割有许多不同的方法，不同的类型用于切割不同的材料。

汽化切割

这种方法通常用于切割木材、碳和热固性塑胶等不易融化的材料。在汽化切割中，利用聚焦光束将材料表面加热至一定温度，造成小孔洞形成。小孔洞导致材料对光的吸收率急剧增加，进而迅速加深孔洞。随著孔洞的加深和材料的沸腾，产生的蒸气会侵蚀周围的材料，形成喷射物，进一步扩大孔洞。

熔化并吹气

此方法常用于金属材料。利用高压气体将熔融材料从切割区域吹出，从而降低了功率需求，无需进一步升高材料的温度。

热应力开裂

可运用于脆性材料如玻璃的切割。利用光束局部加热和热膨胀，从而产生裂缝，并可通过移动光束来引导裂缝，裂纹移动速度可达每秒公尺（m/s）级别。

矽晶圆的隐形切割

更多信息：晶圆切割

在半导体装置制造过程中，微电子晶片与矽晶圆的分离可以透过所谓的隐形切割制程进行。这个制程使用脉冲式Nd:YAG雷射器进行操作，其波长为1064纳米。这个波长非常适合电子矽的带隙（约1.11电子伏特，相当于约1117纳米）。

反应切削

又称为“燃烧稳定雷射气体切割”或“火焰切割”，是一种类似于氧气炬切割的方法，但是使用雷射光束作为点火源。这种技术主要用于切割厚度超过1毫米的碳钢。相对于传统的氧气炬切割，反应切割可以使用相对较小功率的雷射来切割非常厚的钢板。

能量消耗

雷射切割的主要缺点之一是高功耗。工业雷射的效率通常介于5%到45%之间^[7]。具体而言，特定雷射的功耗和效率取决于输出功率和工作参数。这些参数包括雷射的类型以及其与当前工作的匹配程度。对于特定的作业，所需的雷射切割功率（也被称为热输入）会根据材料类型、厚度、使用的制程类型以及所需的切割速率而有所不同。

使用 CO2 雷射处理不同厚度的不同材料所需的热输入量（瓦）^[8]

材质	材质厚度
	0.51 mm	1.0 mm	2.0 mm	3.2 mm	6.4 mm
不锈钢	1000	1000	1000	1500	2500
铝	1000	1000	1000	3800	10000
软钢	−	400	−	500	−
钛	250	210	210	−	−
木合板	−	−	−	−	650
硼/环氧树脂	−	−	−	3000	−

生产力与切割率

生产力和切削率受到多种因素的限制，包括雷射功率、材料厚度、制程类型和材料特性。一般工业级系统（功率≥1千瓦）可以处理0.51至13毫米厚度的碳钢金属。相较于标准的锯切，对于许多应用而言，雷射切割的速度快上许多，甚至可以达到三十倍^[9]。

使用 CO2 雷射的切割速率（公分/秒）

材质	材质厚度
	0.51 mm	1.0 mm	2.0 mm	3.2 mm	6.4 mm	13 mm
不锈钢	42.3	23.28	13.76	7.83	3.4	0.76
铝	33.87	14.82	6.35	4.23	1.69	1.27
软钢	−	8.89	7.83	6.35	4.23	2.1
钛	12.7	12.7	4.23	3.4	2.5	1.7
木合板	−	−	−	−	7.62	1.9
硼/环氧树脂	−	−	−	2.5	2.5	1.1