雷射切割產業發展及前景分析

雷射切割一直是雷射加工應用最廣泛的一項技術，脈衝雷射適用於金屬材料，連續雷射適用於非金屬材料，後者是雷射切割技術的重要應用領域。與計算機控制的自動設備結合，雷射束具有無限的仿形切割能力，切割軌跡修改方便。雷射切割無機械變形、無刀具磨損，容易實現自動化生產。

雷射切割廣泛應用於鈑金加工、金屬加工、廣告製作、廚具、汽車、燈具、鋸片、升降電梯、金屬工藝品、紡織機械、糧食機械、眼鏡製作、航空航天、醫療器械、儀器儀表等行業。特別是在鈑金加工行業中已取代傳統加工方式，深受行業用戶的青睞。

一、雷射切割工藝

雷射切割利用高功率密度雷射束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續形成寬度很窄的（如0．1mm左右）切縫，完成對材料的切割。

雷射切割可分為雷射汽化切割、雷射熔化切割、雷射氧氣切割和雷射劃片與控制斷裂四類。

1、雷射汽化切割

利用高能量密度的雷射束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以雷射汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

雷射汽化切割多用於極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料、橡皮、泡沫等）的切割。超短脈衝雷射使這項技術可以應用於其他材料。金屬中的自由電子吸收雷射並劇烈升溫。雷射脈衝不與熔融的粒子和等離子體反應，材料直接升華，沒有時間將能量以熱量的形式傳給周圍材料。皮秒脈衝燒蝕材料時沒有明顯的熱效應，沒有熔化和毛刺形成。

2、雷射熔化切割

雷射熔化切割時，用雷射加熱使金屬材料熔化，然後通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出，形成切口。雷射熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1／10。

雷射熔化切割主要用於一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不鏽鋼、鈦、鋁及其合金等，也可以用於切割其他可熔材料，例如陶瓷。

3、雷射氧氣切割（火焰切割）

雷射氧氣切割原理類似於氧乙炔切割。它是用雷射作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出，在金屬中形成切口。由於切割過程中的氧化反應產生了大量的熱，所以雷射氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1／2，而切割速度遠遠大於雷射汽化切割和熔化切割。雷射氧氣切割主要用於碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

4、雷射劃片與控制斷裂

雷射劃片是利用高能量密度的雷射在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。雷射劃片用的雷射器一般為Q開關雷射器和CO2雷射器。

控制斷裂是利用雷射刻槽時所產生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。

二、雷射切割工藝及設備對比

圖表1：不同雷射切割工藝對比（單位：臺）

資料來源：ofweek產業研究院

三、雷射切割機市場發展現狀分析

在現代工業生產中，雷射切割更被廣泛應用於鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導體以及紡織品、木材和紙質等材料加工，在各大重工業輕工業領域的應用也不斷普及。雷射切割佔工業雷射加工的40％以上，是雷射加工行業中最重要的一項應用技術。

雷射切割在工程機械行業應用方面，2010年之前，由於雷射切割設備價格高昂，一臺大幅面雷射切割機（配備4 kW雷射器）售價近600萬元人民幣，國內採用大幅面雷射切割機的企業並不多。

2003年到2009年間，在工業加工要求不斷提升到推動下，國內企業積極引進雷射切割設備，如合肥日立引進5臺大覆蓋雷射切割機、2臺小覆面雷射切割機，三一重工確立了在3年內引進27臺套大覆面面雷射切割機計劃。通過2008年和2009年的引進，已有15臺套的雷射切割機，配備於崑山重機、瀋陽三一等企業。徐工、山推等企業不甘落後相繼引用了雷射切割機。2009年中旬雷射微加工系統製造商JPSA計劃把製造車間的面積擴大一倍，提高公司製造雷射微加工（雷射雕刻）系統的產能，以滿足生產太陽能（包括千瓦級）面板製造廠家的需求。