雷射製造活動目前包括切割、焊接、熱處理、熔覆、氣相沉積、雕刻、劃線、修整、退火和衝擊硬化。雷射製造流程在技術和經濟上都與傳統和非傳統製造工藝(例如機械加工和熱加工、電弧焊、電化學加工、電火花加工 (EDM)、磨料水刀切割、等離子切割和火焰切割)競爭。

水刀切割是一種利用高達每平方英吋60,000磅(psi)的高壓水刀切割材料的製程。通常,水會與石榴石等磨料混合,以便更精確地切割各種材料,並確保切口平整、邊緣光潔度高。水刀切割可加工多種工業材料,包括不銹鋼、因科鎳合金、鈦、鋁、工具鋼、陶瓷、花崗岩和裝甲鋼板。該工藝會產生較大的雜訊。

下表對工業材料加工中採用 CO2 雷射切割工藝和水刀切割工藝進行金屬切割進行了比較。
§ 基本過程差異
§ 典型製程應用與用途
初始投資和平均營運成本
§ 工藝精度
§ 安全注意事項與操作環境
基本過程差異
| 主題 | 二氧化碳雷射 | 水刀切割 |
| 能量傳遞方法 | 光強 10.6 公尺(遠紅外線範圍) | 水 |
| 能源來源 | 氣體雷射 | 高壓幫浦 |
| 能量是如何傳遞的 | 鏡面導引光束(飛行光學);光纖傳輸 適用於二氧化碳激光 | 剛性高壓軟管傳遞能量 |
| 切割材料的排出方式 | 氣體噴射,加上額外的氣體,將材料排出 | 高壓水柱將廢料排出 |
| 噴嘴與材料之間的距離及最大允許公差 | 大約 0.2 英寸 0.004 英寸,需要距離感測器、調節裝置和 Z 軸。 | 大約 0.12 英寸至 0.04 英寸,需要距離感測器、調節裝置和 Z 軸。 |
| 物理機器設定 | 雷射光源始終位於機器內部。 | 工作區域和水泵可以分開佈置。 |
| 桌子尺寸範圍 | 8英尺 x 4英尺至20英尺 x 6.5英尺 | 8′ x 4′ 至 13′ x 6.5′ |
| 工件處的典型光束輸出 | 1500至2600瓦 | 4至17千瓦(4000巴) |
典型製程應用及用途
| 主題 | 二氧化碳雷射 | 水刀切割 |
| 典型製程用途 | 切割、鑽孔、雕刻、燒蝕、結構化、焊接 | 切割、消融、結構化 |
| 3D材料切割 | 由於剛性光束導向和距離調節的限制,實現起來比較困難。 | 部分可能性存在,因為工件背後的殘餘能量會被破壞。 |
| 可透過此工藝切割的材料 | 所有金屬(高反射金屬除外)、所有塑膠、玻璃和木材都可以切割 | 所有材料都可以透過這種方法切割。 |
| 材料組合 | 熔點不同的材料幾乎無法切割。 | 有可能,但有分層的風險。 |
| 帶有空腔的夾層結構 | 二氧化碳雷射無法做到這一點。 | 能力有限 |
| 在通道受限或受阻的情況下切割材料 | 由於距離短和雷射切割頭體積大,這種情況很少發生。 | 由於噴嘴與材料之間的距離較小,因此受到限制。 |
| 影響加工的切割材料特性 | 材料在 10.6 公尺處的吸收特性 | 材料硬度是關鍵因素 |
| 切割或加工經濟效益最高的材料厚度 | 根據材料不同,尺寸約為 0.12 英吋至 0.4 英吋。 | 約0.4英寸至2.0英寸 |
| 該過程的常見應用 | 用於鈑金加工的中等厚度扁鋼板的切割 | 切割較厚的石材、陶瓷和金屬 |
初始投資和平均營運成本
| 主題 | 二氧化碳雷射 | 水刀切割 |
| 初始資本投資要求 | 30萬美元,配備一台20千瓦的水泵和一張6.5英尺×4英尺的桌子 | 30萬美元以上 |
| 易損件 | 防護玻璃,氣體 噴嘴,以及灰塵和顆粒過濾器 | 水刀噴嘴、聚焦噴嘴以及所有高壓部件,例如閥門、軟管和密封件。 |
| 整套切割系統的平均能耗 | 假設使用一台1500瓦的二氧化碳雷射: 用電量: 24-40千瓦 雷射氣體(CO2、N2、He): 2-16 公升/小時 切割氣體(O2、N2): 500-2000 公升/小時 | 假設水泵功率為 20 kW: 用電量: 22-35千瓦 水:10 公升/小時 磨料:36 公斤/小時 切割廢料的處理 |
製程精度
| 主題 | 二氧化碳雷射 | 水刀切割 |
| 切割縫的最小尺寸 | 0.006英寸,具體數值取決於切割速度 | 0.02英寸 |
| 切割面外觀 | 切面會呈現條紋狀結構 | 根據切割速度的不同,切割表面看起來會像經過噴砂處理一樣。 |
| 切口邊緣完全平行的程度 | 良好;偶爾會呈現錐形邊緣。 | 很好;對於較厚的材料,曲線確實存在“拖尾”效應。 |
| 加工容差 | 約 0.002 英寸 | 約 0.008 英寸 |
| 切口毛刺程度 | 僅發生部分燒傷 | 未出現毛刺 |
| 材料的熱應力 | 材料中可能會發生形變、回火和結構變化。 | 未發生熱應力 |
| 在加工過程中,氣體或水刀方向上作用於材料上的力 | 氣體壓力 薄的問題 工件,距離 無法維持 | 高:因此,薄而小的零件只能進行有限程度的加工。 |
安全考慮因素和操作環境
| 主題 | 二氧化碳雷射 | 水刀切割 |
| 人身安全設備要求 | 雷射防護眼鏡並非絕對必要 | 需配戴防護眼鏡、耳塞和防高壓水刀接觸裝置。 |
| 加工過程中產生的煙塵 | 確實會發生;塑膠和某些金屬合金可能會產生有毒氣體。 | 不適用於水刀切割 |
| 噪音污染和危險 | 非常低 | 異常高 |
| 由於製程造成的混亂,需要進行機器清潔。 | 低清理 | 高度清潔 |
| 切割過程中產生的廢料 | 切割廢料主要以粉塵形式存在,需要真空吸塵和過濾。 | 由於水與磨料混合,會產生大量的切削廢料。 |
