深入瞭解雷射加工的基礎知識
1.1影響雷射加工性能的因素
將高能密度的聚光於微小點之雷射光應用於加工的雷射加工法，可進行許多採用過去方法屬於困難的加工。雷射加工的用途包括：切斷、開孔、焊接、熱處理等，藉由適當控制影響各個加工性能之光能密度及輔助氣體等因素，即使用同一個加工機仍可依各種用途而分開使用。圖2-1-1顯示使用透鏡進行雷射加工時影響加工性能的因素。
(1)關於雷射光的因素
輸出形態包括連續輸出雷射光的CW振盪、及反覆開啟(ON)與斷開(OFF)的脈衝振盪。依雷射振盪介質而決定的波長影響加工對象的射束吸收特性。輸出表示光能大小，能率表示脈衝輸出中每1脈衝時間的光速開啟時間比率，頻率表示1秒鐘的振盪次數，射束模式表示光能的強度分布。此外，縮短1個脈寬時間可進行非熱加工。
(2)關於加工透鏡的因素
焦點距離表示從透鏡位置至焦點位置的距離，並影響在焦點位置的光點徑與焦點深度。加工透鏡型式包括抑制像差發生的凹凸透鏡、及一般的平凸透鏡。
(3)關於雷射光的因素
點徑依透鏡規格而定，透鏡焦點愈短，其光點徑愈小。焦點位置表示焦點光點對被加工物表面的相對位置，並將上方定義為正值，將下方定義為負值。焦點深度表示在焦點附近接近光點徑之直徑所獲得的範圍。
(4)關於噴嘴的因素
噴嘴直徑影響被加工物的蒸發、熔融狀態及加工部的屏蔽性。為了使各方向的加工性能平均，噴嘴的前端形狀為圓形，噴嘴與被加工物表面的位置關係須隨時保持一定，並儘量狹窄。
(5)關於輔助氣體的因素
輔助氣體壓力影響經雷射光熔融之金屬從切斷溝內排出的作用。氣體種類影響加工品質及加工能力，切斷倚賴氧氣的燃燒作用，焊接及熱處理要求加工部的屏蔽性，依使用的噴嘴保持存在最佳的氣體流量。
(6)被加工物的因素因素包括：
影響光能消耗的材質及板厚，以及容易受到用於穩定吸收光束之表面狀態、熱集中影響的加工形狀。再者，焊接的因素還加上考慮材料對接頭的形狀。
1.2主要加工用雷射的種類
加工用高輸出雷射大致上區分為氣體雷射與固體雷射。用於板金加工的氣體雷射，過去使用二氧化碳雷射，如圖2-1-2所示，依放電方向、雷射氣流方向、及雷射光射出方向的差異，而包括①三軸正交型與②高速軸流型。振盪器雖結構不同，但雷射產生原理皆是將包含二氧化碳的混合氣體作為激射介質(雷射光產生源)，並利用放電而激射。從雷射射振盪器射出的雷射光被數個反射鏡反射而傳播至加工頭。 固體雷射過去使用以半導體雷射(或燈)激射稱為YAG(釔鋁石榴石的簡稱)之玻璃狀結晶(固體)的雷射。但是，使用連續高輸出時，YAG桿中產生稱為熱透鏡效應的熱變形，而使雷射光品質惡化。因此，為了減低該熱透鏡效應，而開發出在圖2-1-3所示的激射介質使用光纖的①光纖雷射;以及激射介質使用平板狀(碟片狀)的結晶的②碟片狀雷射。這些雷射光藉由光纖傳播至加工頭。此外，亦可利用高輸出半導體雷射對樹脂或金屬進行直接加工。不過，半導體雷射的加工對象為金屬材料時，因為聚光性不足不適合切斷，所以使用範圍限定在熱處理及焊接等的用途上。
表2-1-1顯示各種雷射光的波長。加工透鏡所聚光的雷射光，基本上波長愈短愈能集中成小點徑。愈是小點徑光能密度愈高，所以熔融金屬能力強而可高速加工。此外，波長也影響被加工物的射束吸收特性。圖2-1-4顯示雷射光之波長與各種材料的吸收波長帶，波長愈短各種材料的吸收率愈高。 高功率輸出半導體雷射對鋁的吸收率為光纖雷射的2倍，也為二氧化碳雷射的10倍，而廣泛用在熱處理及焊接用途上。但是，半導體雷射最大的問題是前述的聚光特性低，因而期待改善聚光特性的研究有助於擴大應用在切斷領域。
1.3主要加工用雷射的種類
依照射於被加工物的雷射光之光能密度及照射時間與輔助氣體的作用而進行不同的加工。
圖2-1-5是以雷射光之照射時間與被加工物的溫度變化之關係概念性顯示關於切斷、焊接、淬火之加工現象的差異。金屬材料在溫度低的狀態下為固態，當到達熔點時變成液態，進一步到達沸點時變成氣態。雷射加工是依加工目的，對該三態變化的時間與上昇溫度作最佳控制來進行各種加工。
提高設定照射之雷射光的光態密度時，金屬狀態如圖中的A線所示在短時間從固態變成液態、氣態。結果可進行對周圍熱影響小的開孔或切斷加工。
圖中B線的情況，是以比A線低的光能密度且花費時間到達氣態者，不過其大部分保持設定在液態狀態。藉由該變化進行焊接加工。雷射焊接是在光能密度高的加工頭下方形成小孔，將周圍產生的熔融金屬回填在小孔內進行焊接。
圖中C線的清況是進一步花費時間使表面溫度上昇，在固態狀態下停止溫度上昇進行淬火。
活用此種可輕易控制雷射光之光能密度及照射時間的特徵，實現以下所示的雷射加工。
- 陶瓷、玻璃(石英等)、磚瓦、人工大理石等硬脆性樣可輕易加工。
- 因為屬於非接觸加工，所以加工中不產生反作用的，塑膠、布料、橡膠、紙等材質、及板厚極薄的對象不致變形，可高精度加工。
- 與NC控制裝置組合，可藉由圓弧與直線、或自由曲線製作的程式進行加工，切削及磨削可對無法加工的複雜形狀及微細形狀進行加工。
- 因為屬於非接觸加工211，所以加工中產生的噪音極少，不論加工機設置環境為何，夜間亦可連續運轉。
- 藉由控制雷射光的光能密度及強度分布，可進行切斷、焊接、熱處理。
- 因為二氧化碳雷射可在大氣中以小擴散角傳送至遠方，光纖雷射可利用光纖傳送，所以加工範圍擴大，可進行分時加工。
- 因為射束的聚光點徑小可進行局部加工，所以可進行加工變形及熱變形小的加工。
- 可利用半反射鏡及全息等光學零件對雷射光的分光技術進行高效率加工。
- 與電子束加工比較，由於不需要真空，不產生X射線，不受磁場的影響，因此比較容易建立加工系統。
- 因為光纖雷射可光纖傳送雷射光，所以可輕易建立與機器人等組合之複雜射束傳播路徑的加工系統。
