摘要

因應(yīng)雷射具有較小之熱影響區(qū)以及低變形量之優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用上，不易使用離子、氧乙炔、電漿之切割方式，相對(duì)使得雷射切割技術(shù)逐漸獲得重視。目前在雷射先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中，雷射加工技術(shù)以占有相當(dāng)重要之地位，且將成為21世紀(jì)世界工業(yè)中的主要產(chǎn)業(yè)。由于雷射加工技術(shù)具有效率高、質(zhì)量?jī)?yōu)良、清潔、加工范圍廣、經(jīng)濟(jì)效益加與容易進(jìn)行自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，并且能解決傳統(tǒng)加工上許多無(wú)法解決的難題。因此有人預(yù)測(cè)，雷射加工與雷射先進(jìn)制造技術(shù)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(shí)會(huì)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(dòng)速度加劇時(shí)更是如此。由于雷射光的能量密度很高，會(huì)使得材料表面的溫度超過(guò)沸點(diǎn)而產(chǎn)生汽化，并將表面被汽化的雜質(zhì)噴賤出來(lái)。隨著雜質(zhì)的噴賤，雷射光源系以一個(gè)不變的速度向材料內(nèi)部移動(dòng)，材料會(huì)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(gè)深孔型態(tài)。若隨著雷射光能量的提升或減低，甚至移動(dòng)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(shù)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

所有雷射加工方法中，雷射切割之機(jī)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(lái)進(jìn)行。在超過(guò)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(guò)程所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，其中反應(yīng)的熱能大部分皆被材料所吸收。因此當(dāng)工件與雷射光作用時(shí)，其工作表面溫度急遽上升而達(dá)到沸點(diǎn)，材料因而開(kāi)始汽化，并形成孔洞。隨著激光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，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(diǎn)：(1)雷射為無(wú)接觸、無(wú)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(jì)算機(jī)控制結(jié)合，使得自動(dòng)化程度高。(3)亦有噪音低、無(wú)公害與無(wú)污染等環(huán)保問(wèn)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(yīng)用最廣泛。依照切割材料來(lái)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(duì)汽化切割來(lái)做一說(shuō)明，一般汽化切割指的是藉由雷射光加熱工件至沸點(diǎn)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(yīng)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(jī)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(huì)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(dǎo)的方式造成熔化。(3)蒸汽從工件表面會(huì)以近似音速之速度蒸發(fā)。

此外，熔化切割系當(dāng)雷射光能量密度達(dá)到材料熔融時(shí)，工件的內(nèi)部中心會(huì)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(jī)制主要可分下列三點(diǎn)：(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(lái)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(dòng)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(dòng)，栓孔因?yàn)闄M移成一條切割狹縫。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

氧助燃熔化切割的形成機(jī)制為：(1)在雷射光源照射下，材料達(dá)到熔化溫度，隨之與氧接觸后，會(huì)發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，進(jìn)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(dòng)使孔周圍熔融金屬壁向前移動(dòng)，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(kuò)散通過(guò)熔渣達(dá)到燃燒前緣的速度，氧氣流速越高，燃燒的化學(xué)反應(yīng)越快。(4)在未達(dá)到燃燒溫度的區(qū)域，氧氣流動(dòng)亦可作為冷卻劑，來(lái)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(xué)反應(yīng)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(jī)，這主要是因?yàn)榭v流CO₂雷射機(jī)的光束質(zhì)量較佳。盡管大多數(shù)金屬對(duì)CO₂雷射機(jī)光束的反射率相當(dāng)高，然而當(dāng)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(lái)說(shuō)并不會(huì)很小，但對(duì)于金屬雷射切割來(lái)說(shuō)，較高的平均功率是有其必要性，因此高功率CO₂雷射機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，其中包含了重要的光學(xué)位置調(diào)節(jié)器、雙光學(xué)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(xué)位置之調(diào)節(jié)器。然而，光束尺寸亦會(huì)隨著機(jī)構(gòu)的上升與下降所產(chǎn)生正負(fù)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(jī)構(gòu)內(nèi)部之光學(xué)鏡頭必須利用多重冷卻水路來(lái)加以保護(hù)，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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1為目前國(guó)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(guó)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(jī)臺(tái)種類大部分以CO₂為主。這是因?yàn)榫屠咨淝懈罱饘俨牧隙裕?/span>CO#p#分頁(yè)標(biāo)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(duì)于一定板厚的金屬板，通常雷射切割速度會(huì)隨雷射功率成一線性關(guān)系的增加。圖4顯示雷射切割不銹鋼時(shí)，切割速度與雷射功率、板厚間的關(guān)系。圖中指出，當(dāng)雷射功率固定時(shí)，切割速度與板厚間會(huì)隨著板厚增大，切割速度減小。因此有些學(xué)者會(huì)依此整理出一關(guān)系式：，其中v#p#分頁(yè)標(biāo)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(guān)系圖

探討雷射切割過(guò)程中，切口寬度和熱影響區(qū)與雷射切割速度也有相對(duì)且密切的相關(guān)性。圖5為雷射切割過(guò)程中，切口寬度、熱影響區(qū)與雷射切割速度的關(guān)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(guò)在工件下表面的切口寬度與熱影響區(qū)最小時(shí)之切割速度分別為20mm/s與50mm/s。對(duì)于中碳鋼來(lái)說(shuō)，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(guān)系圖(a)雷射切割3mm厚鋼板時(shí)切割寬度與切割速度的關(guān)系與(b)雷射切割熱影響區(qū)與切割速度的關(guān)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(guān)。圖6(a)顯示切割厚度變化對(duì)切口粗糙度之影響。另外圖6(b)可知焦點(diǎn)位置對(duì)切口粗糙度的影響，當(dāng)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(shí)，無(wú)毛邊之產(chǎn)生。例如，雷射切割2.3mm的低碳鋼板時(shí)，則采用負(fù)離焦0.3～0.7mm為佳。

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圖6. (a)切割厚度、(b)焦點(diǎn)位置與切口粗糙度之間的關(guān)系圖

在實(shí)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(duì)雷射切割質(zhì)量有較大的影響。輔助氧能進(jìn)行氧化反應(yīng)而放熱，并能吹掉切口內(nèi)之熔渣，同時(shí)也能對(duì)切口起冷卻作用。一般而言，氧氣流應(yīng)動(dòng)方式應(yīng)以超音速的收斂型態(tài)較佳，以免切口下段的擴(kuò)大。日本學(xué)者松野先生等人對(duì)噴嘴設(shè)計(jì)作了一系列詳細(xì)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(guān)系圖中可以觀察到，不論是以何種噴嘴之設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，在固定厚度6mm與氣體流量時(shí)，普通鋼種之最大切割速度會(huì)隨著雷射能量的提升而增加，進(jìn)而形成一線性關(guān)系。

圖7. (a)噴嘴設(shè)計(jì)與(b)各個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)所實(shí)驗(yàn)之最大切割速度與雷射能量間的關(guān)系圖

圖8顯示出噴嘴直徑與切割速度之間的關(guān)系，從圖中可以看到，對(duì)于雷射切割方面存在一個(gè)相對(duì)最佳的噴嘴直徑，且在厚度2mm之軟鋼試驗(yàn)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(guān)系圖

此外，雷射切割質(zhì)量還與輔助氧壓力有關(guān)，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(gè)最佳值。圖9可獲得一輔助氧壓與切割速度的關(guān)系，并從圖中可以觀察到過(guò)高的輔助氧壓力反而會(huì)使切割速度下降。切口質(zhì)量、輔助氧壓與切割速度間的關(guān)系顯示于圖#p#分頁(yè)標(biāo)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(guān)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(duì)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(huì)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(lái)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(huì)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?，采用圓偏振光，切口平直，但對(duì)一般CO₂雷射并不能直接輸出圓偏振光，因此在雷射切割時(shí)，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(huì)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(yè)標(biāo)題#e#為了提升雷射切割之速度與厚度，Clarke與Steen于1979年證實(shí)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(guān)系圖(圖12)。從圖中顯示，當(dāng)雷射與電弧總功率超過(guò)4kW時(shí)，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(guān)系圖

除了以上所述金屬材料外，在許多工業(yè)實(shí)際應(yīng)用上，常采用CW CO₂雷射機(jī)切割非金屬材料，這是因?yàn)榉墙饘俨牧蠈?duì)CO₂雷射之吸收率相當(dāng)高，故大多使用不超過(guò)500W的雷射功率。因?yàn)榉菍?dǎo)電材料的熱導(dǎo)率小，故通過(guò)傳導(dǎo)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(duì)于非鐵金屬材料，Q可以小于0.4 kJ?cm^-3；而對(duì)于玻璃材料，Q值則高于100 kJ#p#分頁(yè)標(biāo)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(guān)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