レーザーは 1970 年代に初めて切断に使用されました。 現代の工業生産では、レーザー切断は金属板、プラスチック、ガラス、セラミック、半導体、繊維、木材、紙の加工に広く使用されています。
今後数年間で、精密加工および微細加工の分野におけるレーザー切断の応用も大幅な成長を遂げるでしょう。
レーザー切断
集束されたレーザービームがワークピースに照射されると、照射領域が劇的に加熱され、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すぐに、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に沿って移動します。 通常、エアジェットを使用して溶融物を切り口から吹き飛ばし、切断部分とプレートホルダーの間に、集束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
酸素切断は、酸素を切断ガスとして使用して軟鋼を切断する標準的なプロセスです。 最大6バールに加圧された酸素が切開部に吹き込まれます。 そこで、加熱された金属が酸素と反応し、燃焼と酸化が始まります。 化学反応により大量のエネルギー (レーザーの出力の最大 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。
写真
図 1 レーザー光線がワークピースを溶かし、切断ガスが溶融した材料と切り込み部分のスラグを吹き飛ばします。
メルトカッティング
溶融切断は、金属を切断するときに使用されるもう 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。
窒素またはアルゴンが切断ガスとして使用され、2-20 bar の圧力のガスが切開部に吹き付けられます。 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、溶融金属を底部に向かって吹き飛ばすだけです。 同時に、不活性ガスは空気による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いシートを切断することもできます。 5-6 bar に加圧された空気は、溶融金属を切り口から吹き飛ばすのに十分です。 空気には窒素がほぼ 80% 含まれているため、圧縮空気切断は基本的に溶融切断となります。
プラズマアシスト切断
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カーフにプラズマ クラウドが表示されます。 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伝達するため、より多くのエネルギーがワークピースに結合され、材料がより速く溶解し、その結果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対して実質的に透明であるため、プラズマ支援溶断には CO2 レーザーのみが使用できます。
写真
ガス化切断
ガス化切断により材料が蒸発し、周囲の材料への熱影響が最小限に抑えられます。 これは、連続的な CO2 レーザー処理を使用して、薄いプラスチック フィルムなどの低熱で吸収性の高い材料や、木材、紙、発泡体などの非溶融材料を蒸発させることによって実現できます。
超短パルスレーザーを使用すると、この技術を他の材料に適用できます。 金属内の自由電子はレーザー光を吸収し、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、材料は直接昇華するため、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なります。 ピコ秒パルスは、重大な熱影響、溶解、バリの形成を伴わずに材料をアブレーションします。
写真
図 3 ガス化切断: レーザーは材料を気化させて燃焼させます。 蒸気の圧力により、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、その他は変化します。
偏光度
偏光度は、レーザー光の何パーセントが変換されるかを示します。 典型的な偏光度は約 90% です。 高品質のカットにはこれで十分です。
焦点径
焦点径はカーフ幅に影響し、集光ミラーの焦点距離を変えることで焦点径を変えることができます。 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、ワーク表面上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。
写真
図 4 焦点位置: ワークの内部、ワークの表面、ワークの上
レーザー出力
レーザー出力は、加工の種類、材料の種類、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加工しきい値を超えるほど十分に高くなければなりません。
写真
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
動作モード
連続モードは主に、金属やプラスチックの標準プロファイル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、バリが発生します。
写真
図6 シートの厚みが増すと切断速度が低下する
ノズル径
ノズルの直径によって、ノズルからのガス流の流量と形状が決まります。 材料が厚ければ厚いほど、ガスジェットの直径が大きくなり、それに応じてノズル開口部の直径も大きくなります。
ガス純度と気圧
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。
酸素燃料を使用して切断する場合、99.95% のガス純度が必要です。 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。
窒素による溶融切断には 99.995 パーセント (理想的には 99.999 パーセント) のガス純度が必要であり、厚い鋼板の溶融切断にはより高いガス圧力が必要です。
テクニカルデータシート
レーザー切断の黎明期においては、加工パラメータの設定は試運転を通じてユーザー自身が決定する必要がありました。 確立された加工パラメータが切断システムの制御ユニットに保存されるようになりました。 材料の種類と厚さごとに、対応するデータがあります。 技術データシートにより、レーザー切断装置の技術に詳しくない方でもスムーズに操作できるようになります。
レーザー切断品質の評価要素
レーザーカットエッジの品質を判断するには多くの基準があります。 バリの形状、凹み、質感などの基準を肉眼で判断できるため、 垂直度、粗さ、切り込み幅などを専用の器具で測定する必要があります。 材料の堆積、腐食、熱影響部、変形も、レーザー切断の品質を測定する重要な要素です。
