雷射之控制參數

在諸多雷射參數中，依使用設備不同，能調整與改變的參數也有不一樣的限 制，所控制的參數如脈衝能量、脈衝頻率、脈衝形式等。圖2-8所表示，脈衝式雷 射器的能量輸出模式與參數種類[15]。

圖2-8 脈衝式雷射器的能量輸出模式圖[15]

一、雷射輸出功率

為重要的參數，功率的大小直接影響材料的深度、寬度，雷射功率密度需要 高於最低限閾值(Thewshold)，但是過高又會使表面過於粗糙，甚至出現龜裂情形，

其輸入的熱量不同，會影響過程中是否產生缺陷[16]。雷射輸出能量須配合光學聚 焦系統的聚焦程度，產生不同的密度[17][18]。

二、脈衝頻率

指單位時間內雷射射出的脈衝次數，單位為Hz。Eric Sicard的研究中表示，雷 射的脈衝頻率，將會影響深度以及氮化的效果，如圖2-9表示[19]，同時也是決定 重疊率與熔深的主要因素之一。

圖2-9 雷射脈衝與深度、氮化程度的關係圖[19]

三、脈衝寬度

一般雷射銲接的脈衝時間約在1ms 至10ms 之間，脈衝時間會影響到材料的入 熱量。在相同參數下，改變脈衝時間會有不同熔深。一般脈衝寬度越短則銲點真 圓度越高；相反的脈衝寬度越長，銲點真圓度越差。

四、峰值功率

使用Nd:YAG脈衝式雷射時，在開始瞬間會激發出具有數kW之脈衝峰值功率 (P_K)。此具有高功率、高能量密度的光束會迅速將母材加熱至熔點以上，整個光波 會穿透到與銲深幾乎相同之深度，最後再利用其餘的能量將銲點繼續熔化擴大。

因此峰值功率的大小也是影響深度主要的因素。若改由固定峰值功率大小，增加 脈衝總能量，雖可提高深度，但影響較不明顯。而且會因總能量增加，融熔金屬 不穩定流動，有氣化、空洞的現象產生[20]。

五、聚焦深度與聚焦點

從雷射輸出的平行光，其強度的橫截面並非均勻一致的，而是中心強度最高，

外緣較低的高斯分佈（Gaussian distribution），透過光學透鏡聚焦成較小直徑的光

束，以獲得較大的能量密度。聚焦光點的大小(d)由波長和物鏡的數值孔徑

（Numerical aperture）所決定，參考圖2-10[14]。

f

2 z (depth of focus)

Optical Axis d (spot diameter)

Focal Plane

圖2-11 雷射聚焦位置示意圖[14]

六、保護氣體

根據文獻表示，雷射氮化時所使用氣體為氮氣、氨氣或是氮氣加氫氣[2、21]，

每種氣體都有不同的特性，對於氮化的程度也有所差異。本次雷射實驗中使用到 氮氣、氨氣，以兩種氣體作為比較，再以相同的吹氣角度，進行雷射氮化實驗，

期望達到所需要的氮化層厚度，以及減少晶格缺陷等問題。

七、雷射重疊率 (Overlap)

由於重疊率必須衡量雷射器的輸出性能、雷射光束的擴束程度、工件銲點尺寸、

以及加工的速度限制，因此重疊率並無法由單一因素加以設定。一般計算方式通 常以直徑為基礎，利用單一銲點直徑與下個銲點重疊的比例情況來估算，如圖2-12 所示，其公式如下[22]：

Overlap %,P_ER＝

PER：搭接率； TF：脈衝時間(脈衝頻率倒數)； TP：脈衝經歷的時間；

V：銲接走速； W：銲點直徑。

圖2-12 脈衝式雷射銲點重疊率示意圖[22]