光纖雷射切割技術原理與薄鋼板切割應用簡介

摘要：本文將介紹雷射切割技術原理，說明影響雷射切割品質之主要因素如雷射光源特性（功率、波長、輸出模式）、聚焦方式、輔助氣體種類與氣體壓力等，其次說明500W CW光纖雷射在薄碳鋼板與薄不鏽鋼板之應用實例與切割參數。

Abstract：In this paper, we introduced the principles of fiber laser cutting technology. The major factors of laser cutting qualities such as laser power, wavelength, laser beam mode, focal position, cutting gas and gas pressure were explained. The laser cutting processes of thin carbon steel plates and thin stainless steel plates with ITRI 500 W CW fiber laser are also disclosed.

關鍵詞：光纖雷射、雷射切割、碳鋼、不鏽鋼
Keywords：Fiber Laser, Laser Cutting, Carbon Steel, Stainless Steel

前言
由於全球主要消費市場持續不景氣，2016年工業雷射設備營收預估為3318百萬美金，相較2015年呈現4.4%成長（表1），但年成長趨勢已逐漸減緩[1]。由表1可見在雷射雕刻（marking）、精密加工（micro materials）及巨觀加工（macro materials）年成長相近，但由於巨觀加工的設備營收1987百萬美金，佔設備總營收之60%，因此為雷射設備商研發生產之重點。
雷射巨觀加工的定義是以高功率雷射源做加工，以切割、焊接、熔覆製程為主，一般多使用CO2雷射。近年來由於光纖雷射技術突飛猛進，市面上已有kW級光纖雷射源產品，預估2016年光纖雷射設備營收可成長11%，而CO2雷射則是衰退11%（表2），可知光纖雷射已開始搶占以CO2雷射為主的高功率雷射市場。

光纖雷射所需要之光學元件較傳統雷射光學元件少，且光纖具有波導的特性，可提供許多CO2雷射、固態雷射等無法提供之優點，例如：

1. 雷射體積微小化，可適用於戶外或醫學臨床應用。
2. 光纖波導特性耐震防塵，不受外界環境干擾，輸出品質穩定。
3. 光學元件間不需要特別對光校準（alignment），可節省大量維護時間與成本。
4. 增益光纖（gain fiber）間可互相熔接製造更大體積增益介質，不像固態雷射的雷射晶體受長晶環境限制。
5. 單位體積光纖之散熱表面積比固態雷射晶體大，更容易做為高功率雷射輸出。

由於以上諸多優點，光纖雷射的市佔快速攀升，在2014年佔全體雷射設備營收50%，到2016年預估將可達到60%，成為未來雷射加工技術的主流。

表1  所有工業雷射設備營收統計（應用別）

表2  所有工業雷射設備營收統計（雷射種類別）