レーザー切断の基礎知識を必ずマスターしてください。

集束されたレーザー光がワークピースに照射されると、照射エリアが急速に加熱され、材料が溶融または蒸発します。 レーザービームがワークピースを貫通すると、切断プロセスが始まります。レーザービームは材料を溶かしながら輪郭線に沿って移動します。 通常、空気のジェットを使用して溶融材料を切開部から吹き飛ばし、切断セクションとプレートフレームの間に、集束されたレーザービームとほぼ同じ幅の狭い隙間を残します。
火炎切断
火炎切断は、切断ガスとして酸素を使用し、低炭素鋼の切断に使用される標準的なプロセスです。 酸素は最大 6 bar まで加圧され、切開部に吹き込まれます。 そこで、加熱された金属は酸素と反応し、燃焼して酸化し始めます。 化学反応により大量のエネルギー (レーザー エネルギーの最大 5 倍) が放出され、レーザー ビームによる切断が促進されます。

図 1: レーザービームでワークピースを溶解し、切断ガスが切り込み内の溶融材料とスラグを吹き飛ばします。
溶断
溶解切断は、金属の切断に使用されるもう 1 つの標準的なプロセスです。 セラミックなどの他の可融性材料の切断にも使用できます。
切断ガスとして窒素またはアルゴン ガスを使用し、2-20 bar の圧力でガスを切開部に吹き付けます。 アルゴンと窒素は不活性ガスであるため、切り込み内の溶融金属とは反応せず、底部に向かって吹き飛ばされるだけです。 一方、不活性ガスは空気酸化から刃先を保護します。
圧縮空気切断
圧縮空気を使用して薄板を切断することもできます。 5-6 bar の空気圧は、切り込み内の溶融金属を吹き飛ばすのに十分です。 空気の80％近くが窒素ガスであるため、圧縮空気切断は基本的に溶解切断となります。
プラズマ支援切断
パラメータが適切に選択されている場合、プラズマ支援溶融切断切開部にプラズマ雲が表示されます。 プラズマ雲は、イオン化した金属蒸気とイオン化した切断ガスで構成されます。 プラズマ雲は CO2 レーザーのエネルギーを吸収してワークピースに変換し、より多くのエネルギーをワークピースに結合するため、材料の溶解が速くなり、切断速度が速くなります。 したがって、この切断プロセスは高速プラズマ切断とも呼ばれます。
プラズマ雲は固体レーザーに比べて実際には透明であるため、プラズマ支援溶融および切断には CO2 レーザーのみを使用できます。

ガス化切断
ガス化切断により材料を蒸発させ、周囲の材料への熱影響を最小限に抑えます。 上記の効果は、連続的な CO2 レーザー処理を使用して、薄いプラスチック フィルム、木材、紙、発泡体、その他の非溶融材料など、低熱で高吸収の材料を蒸発させることによって達成できます。
超短パルスレーザーにより、この技術を他の材料に応用することが可能になります。 金属中の自由電子はレーザーを吸収し、激しく加熱します。 レーザーパルスは溶融粒子やプラズマと反応せず、材料は周囲の材料に熱の形でエネルギーを伝達する時間がなく直接昇華します。 材料のピコ秒パルスアブレーション中に、重大な熱影響、溶解、またはバリの形成はありません。

図 3 ガス化切断: レーザーにより材料の蒸発と燃焼が引き起こされ、蒸気の圧力によって切り込みからスラグが排出されます。
パラメータ: 加工プロセスの調整
レーザー切断プロセスには多くのパラメーターが影響し、その一部はレーザーと工作機械の技術的性能に依存しますが、その他は変動します。
偏光度
偏光度は、レーザーの何パーセントが変換されるかを示します。 典型的な偏光度は一般に約 90% です。 高品質の切断にはこれで十分です。
焦点径
焦点直径は切開の幅に影響し、集束レンズの焦点距離を変更することで変更できます。 焦点直径が小さいほど、切開範囲が狭くなります。
フォーカス位置
焦点位置により、ワークピース表面のビーム径とパワー密度、および切り込みの形状が決まります。

図4 焦点位置：ワーク内部、ワーク表面、ワーク上
レーザー出力
レーザー出力は、加工の種類、材料の種類、および厚さに一致する必要があります。 電力は、ワークピース上の電力密度が処理しきい値を超えるほど十分に高くなければなりません。

図 5: より高いレーザー出力により、より厚い材料を切断できる
作業モード
連続モードは主に、金属やプラスチックの標準輪郭をミリメートルからセンチメートルのサイズで切断するために使用されます。 穴を溶かしたり、正確な輪郭を作成するには、低周波パルスレーザーが使用されます。
切断速度
レーザー出力と切断速度は一致している必要があります。 切削速度が速すぎたり遅すぎたりすると、粗さが増大したり、バリが発生したりする可能性があります。

図 6: 板厚が増加すると切削速度が低下します
ノズル径
ノズルの直径によって、ノズルから噴出されるガスの流量と気流の形状が決まります。 材質が厚くなるほどガスジェットの径も大きくなり、それに応じてノズル口の径も大きくする必要があります。
ガスの純度と圧力
酸素と窒素は切断ガスとしてよく使用されます。 ガスの純度と圧力は切断効果に影響します。
酸素火炎切断を使用する場合、ガス純度は99.95%に達する必要があります。 鋼板が厚ければ厚いほど、使用するガス圧力は低くなります。
窒素を使用して溶解・切断する場合、ガス純度は99.995％（理想的には99.999％）に達する必要があり、厚鋼板の溶解・切断にはより高い空気圧が必要となります。
技術パラメータ表
レーザー切断の初期段階では、ユーザーは試運転を通じて加工パラメータの設定を決定する必要がありました。 現在、完成した加工パラメータは切断システムの制御装置に保存されています。 材料の種類と厚さごとに、対応するデータがあります。 技術パラメータ表により、この技術に不慣れな方でもレーザー切断装置をスムーズに操作することができます。
レーザー切断の品質を評価する要素
レーザー切断刃の品質を判断するための基準は数多くあります。 バリ、くぼみ、模様などの基準を肉眼で判断できるため、 垂直度、粗さ、切り込み幅などは専用の器具を使って測定する必要があります。 材料の堆積、腐食、熱の影響を受ける領域、変形も、レーザー切断の品質を測定する際の重要な要素です。

図 7: 良い切断、悪い切断。 刃先の品質を評価する基準
広い展望
レーザー切断の持続的な成功は、他のほとんどの加工方法では実現できません。 将来的には、レーザー切断の応用の可能性もますます広がるでしょう。