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]

雷射切割機

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。由於雷射加工是非接觸加工，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

更多資訊：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