擺動式光纖雷射切割加工頭開發研究

摘要：本文針對市售主要廠商之雷射切割加工頭之光學部件進行研究，主要結論有：（1) 鏡片材質為耐熱石英（fused silica)；（2) 在波長1064 ± 10 nm，鏡片穿透率> 99 %，表面粗糙度< 5 nm；（3) 機構件主要選用AISI 304，內部鏡筒選用鋁合金如AA-2014、AA-5083或AA-6014並於表面進行電鍍鎳來提升表面強度及耐蝕性；（4) 針對現有調焦方式，可透過倍率為X之光學槓桿模組，減少鏡片移動產生的偏差；（5) 經由旋轉軸之聯結，可使加工頭擺動角度達到± 45°，擺動精度可達± 0.0125°。

Abstract: Research on existing laser cutting head optical parts yields the following main conclusions: (1) Lens are made of heat-resistant quartz (fused silica); (2) At 1064 ± 10nm wavelength, the transmittance is > 99%, and surface roughness < 5 nm; (3) Main mechanical parts are AISI 304, while the inner barrel may be aluminum alloy as AA-2014, AA-5083 or AA-6014, and nickel plating on the surface improves strength and corrosion resistance; (4) By leverage ratio of the optical module X, the movements of the lens is reduced; (5)Through the coupling of the rotation axis, the cutting head can swing at an angle of ± 45°, with swing accuracy up to ± 0.0125°.

關鍵詞：光纖雷射、切割加工頭、槓桿模組

Keywords：Fiber Laser, Cutting Head, Leverage Module

前言
參照Industry Laser Solution [1]於2014網站資料顯示，在雷射應用領域中以材料加工所占營收金額最高，約達15.25億美元，且當中又以汽機車、鋼鐵、航太等產業元件需要切割與焊接之製程為主，其市場遍布全球，當中預計每年約有1,000台自動化雷射切割機需求，年成長率約20 %。

隨著管件加工複雜化及加值化之時代潮流，目前國內業者主要透過購買國外整機切割設備作為技術能量提升之方式，但因其普遍具有造價昂貴且維護保養成本高之情事，容易造成資金進入門檻；此外在操作介面、治具設計或加工路徑編寫上往往受制於廠商既有標準化規格品，無法有效進行客製化調整及修改，造成使用上不易滿足最適化之追求。

以雷射管件切割設備而言，主要組成元件有雷射源、雷射加工頭、控制系統與移動上下料系統等介面之整合。由於光纖技術的持續提升，除了整機光路較傳統CO2雷射簡易，在加工< 4 mm薄板或管件時其效率更較CO2提升25 ~ 30 %，加上具有體積小、維護成本低等競爭優勢，目前在能量1 ~ 6仟瓦（kW）已逐漸成為新興市場主流選用機種[2]。本文擬針對市售領導廠商之光纖雷射加工頭中的光路組成元件進行相關研究，作為日後培育設備自主化及維修能力之基礎，以期有效滿足國內相關加工業者之整合性需求。

光纖雷射切割加工頭元件研究
針對市售之光纖雷射加工頭，選用德國P牌作為相關研究探討標的，其波長範圍約1064 ± 10 nm，最大輸出能量型式為連續式脈衝6 kW，主要探討其部件主要材質及光路元件基本特性外，並對聚焦方式及增設旋轉軸提出合理之設計討論。

構件成份分析
在取得整體加工頭後，首先透過X射線螢光光譜儀（XRF）非破壞分析方式，了解外部機構件成份主要選用材質，整體對應如圖1所示，在探測表面深度範圍為50 m狀況下，除習知之AISI 304不銹鋼、Al合金及噴嘴部分為Cu外，表面上尚有Ni-P之鍍層處理。經業界廠商提供報廢之料件進行進一步探究，經過物理密度分析及表面研磨處理後，顯示Al合金（密度為2.6-2.8 g/mm3）之組成主要可能為AA-2014、AA-5083及AA-6061，鏡筒內件為避免雜光影響光路，表面有進行染黑處理，參見圖2所示。