レーザー切断マスターガイド：初心者向け総合解説

定義

レーザー切断は、高出力密度レーザービームを被切断材料に照射し、材料を急速に気化温度まで加熱して蒸発させ、孔を形成します。ビームが材料に沿って移動するにつれて、孔が連続的に狭い幅の切れ目（スリット）を形成し、材料の切断を完了します。

原理

レーザーは物質励起によって光を生成します。この光は高温を持ち、材料に接触すると材料表面で急速に溶融して孔を形成します。基準点の動きに従って切断が形成されます。従来の切断方法と比較して、切断隙間が小さく、材料の大半を節約できます。しかし、切断効果に基づいて分析・定義されます。レーザーで切断された材料は満足のいく切断効果と高精度を持ち、これはレーザーの利点を継承しているだけでなく、通常の切断方法では実現できないものです。

レーザー切断は、集光された高出力密度レーザービームをワークに照射し、照射された材料を急速に溶融、気化、アブレーション、または着火点に達させ、同時にビームと同軸の高速気流で溶融材料を吹き飛ばすことでワークを切断します。レーザー切断は熱切断方法の一つです。

種類

レーザー切断は、レーザー気化切断、レーザー溶融切断、レーザー酸素切断、レーザー切溝と制御破断の4カテゴリに分類できます。

1. レーザー気化切断

高エネルギー密度レーザービームでワークを加熱し、温度を急上昇させ、非常に短時間で材料の沸点に達して気化、蒸気を形成します。これらの蒸気の放出速度は非常に大きく、蒸気放出と同時に材料に切れ目が形成されます。材料の気化熱は一般的に非常に大きいため、レーザー気化切断には多くの出力と電力密度が必要です。主に極薄金属材料や非金属材料（紙、布、木材、プラスチック、ゴムなど）の切断に用いられます。

2. レーザー溶融切断

レーザー溶融切断では、レーザー加熱で金属材料を溶融させ、酸化性のないガス（Ar、He、Nなど）をビームと同軸のノズルから噴射し、ガスの強い圧力で液体金属を排出して切れ目を形成します。金属を完全に気化させる必要がなく、必要エネルギーは気化切断の1/10程度です。酸化しにくい材料や活性金属（ステンレス鋼、チタン、アルミニウムとその合金など）の切断に主に使用されます。

3. レーザー酸素切断

レーザー酸素切断の原理は酸素アセチレン切断と似ています。レーザーを予熱熱源とし、酸素などの活性ガスを切断ガスとして用います。一方では吹き付けガスが切断金属と反応して酸化反応を起こし、大量の酸化熱を放出します。他方では溶融酸化物と溶融物が反応ゾーンから吹き出され、金属に切れ目が形成されます。切断プロセスで酸化反応が大量の熱を生むため、レーザー酸素切断に必要なエネルギーは溶融切断の1/2であり、切断速度はレーザー気化切断と溶融切断よりはるかに速いです。炭素鋼、チタン鋼、熱処理鋼など酸化しやすい金属材料の切断に主に用いられます。

4. レーザー切溝と制御破断

レーザー切溝は高エネルギー密度レーザーで脆性材料表面を走査し、材料を加熱して微小溝を蒸発させ、その後一定の圧力を加えることで脆性材料を微小溝に沿って割断させます。レーザー切溝用レーザーは一般的にQスイッチレーザーとCO₂レーザーです。制御破断は、レーザー切溝で生成される急峻な温度分布を利用し、脆性材料に局所熱応力を発生させて微小溝に沿って材料を破断させます。

特徴

他の熱切断方法と比較して、レーザー切断は高速切断と高品質という全体的な特徴を持ちます。具体的には以下の側面にまとめられます。

1. 良好な切断品質

レーザースポットが小さく、高エネルギー密度、高速切断であるため、良好な切断品質が得られます。

• レーザー切断切れ目は狭く、スリットの両側は平行で表面に垂直、切断部品の寸法精度は±0.05mmに達します。
• 切断面は滑らかで美しく、表面粗さはわずか数十ミクロン、レーザー切断を最終工程として機械加工なしで部品を直接使用できます。
• レーザー切断後、熱影響部の幅は非常に小さく、スリット付近の材料特性はほぼ影響を受けず、ワーク変形が小さい、切断精度が高い、スリット断面形状が良好、より規則的な長方形になります。

2. 高い切断効率

レーザーの伝送特性により、レーザー切断機は一般的に複数のCNCワークテーブルを備え、切断プロセス全体を完全にCNC制御できます。操作時はNCプログラムを変更するだけで、異なる形状の部品切断に対応でき、二次元切断と三次元切断の両方が可能です。

3. 高速切断

1200Wレーザーで2mm厚低炭素鋼板を切断する場合、切断速度は600cm/minに達します。5mm厚ポリプロピレン樹脂板では1200cm/minに達します。レーザー切断時、材料をクランプ固定する必要がなく、治具を節約できるだけでなく、積み下ろしの補助時間も短縮できます。

4. 非接触切断

レーザー切断中、切断トーチはワークに接触せず、工具摩耗がありません。異なる形状の部品加工時、「工具」を交換する必要がなく、レーザー出力パラメータを変更するだけで済みます。レーザー切断プロセスは低騒音、低振動、無公害です。

5. 切断材料の種類が豊富

酸素アセチレン切断やプラズマ切断と比較して、レーザー切断材料の種類は多く、金属、非金属、金属基・非金属基複合材料、皮革、木材、繊維などが含まれます。しかし、異なる材料は熱物性とレーザー吸収率が異なるため、レーザー切断への適応性も異なります。

用途

ほとんどのレーザー切断機はCNCプログラムで制御されるか、切断ロボット化されています。精密加工方法として、レーザー切断はほぼすべての材料を切断でき、薄い金属板の二次元・三次元切断が可能です。

自動車製造分野では、車両天井窓などの空間曲線切断技術が広く使用されています。ドイツのフォルクスワーゲンは500Wレーザーを使用して複雑な形状のボディ板材と各種曲面部品を切断しています。航空宇宙分野では、チタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、クロム合金、ステンレス鋼、酸化ベリリウム、複合材料、プラスチック、セラミックス、石英などの特殊航空材料の切断にレーザー切断技術が主に使用されています。レーザー切断で加工される航空宇宙部品には、エンジン炎管、チタン合金薄肉ケーシング、航空機フレーム、チタン合金外皮、翼トラス、尾翼パネル、ヘリコプターメインローター、スペースシャトルセラミック断熱タイルなどがあります。

レーザー切断技術は非金属材料分野でも広く使用されています。窒化ケイ素、セラミックス、石英など高硬度・脆性材料の切断だけでなく、布、紙、プラスチック板、ゴムなど柔軟な材料の切断加工も可能です。例えばレーザーで衣類を切断すると、衣類材料を10～12%節約でき、効率を3倍以上向上させられます。

トレンド

1. レーザー切断機は画期的な製品革命を継続

レーザー光源はレーザー切断機のコアコンポーネントであり、レーザー切断機のタイプと切断能力を決定する重要な指標です。今後のレーザー切断機の変化もレーザー光源で起こることは言うまでもありません。前述の通り、CO₂レーザー切断機がファイバーレーザー切断機に置き換わることは、レーザー切断機誕生から40年間で最も重要な技術革命であり、製造業者と新旧ユーザーに画期的な経済的利益をもたらしました。では、将来、ファイバーレーザーより安価で、性能が良く、より優れたビームモード、より高い電気光学変換効率、またはより低い総コストを実現する新しい光源が登場するでしょうか？答えはもちろんイエスです。では、どの種類のレーザーか？もちろん現時点では正確な答えを出すことはできません。科学技術は時には躓き、時には千里を駆け巡ります。

2. 高出力ファイバーレーザーがレーザー切断機市場の主力に

現在、さまざまな出力レンジのファイバー切断機が大きな発展を遂げています。しかし、将来のレーザー切断機の主流レーザー出力はどこにあるのでしょうか？各出力レンジのレーザー切断機にはそれぞれ用途がありますが、高出力ファイバーレーザーを皮切りに世界的なレーザー切断機技術革命を引き起こしたレーザーの一族は、より高出力、より高精度、より大きな切断能力をファイバーレーザー切断機の重要な開発方向の一つと見なしています。STYLECNCは最近15kW超高速ファイバーレーザー切断機を発売し、切断速度と切断厚で前例のないブレークスルーを達成し、業界の注目を集めています。これはレーザー切断機の将来の発展トレンドを含んでいるのでしょうか？業界専門家、学者、ユーザーの皆様の注目に値します。また、近い将来、多くの国内外のファイバーレーザー切断機メーカーが激しい市場競争を迎えることは確実です。優れた製品品質、継続的なR&D投資、コア競争技術の習得を持つ企業のみが生き残り、無敵となり得ます。

3. 知能化の時代が到来

ドイツのインダストリー4.0であれ、中国のインテリジェント製造であれ、産業分野の第4次産業革命が迫っています。高精度CNCレーザー切断機として、レーザー切断機は時代に合わせ、技術と共に飛躍するでしょう。レーザー切断機の自動化発展は、板金工場の生産能力と自動化レベルを大幅に向上させました。

今後、この基盤の上で、ネットワーク技術、通信技術、コンピュータソフトウェア技術などの分野で、レーザー切断機のインテリジェント製造の時代が醸成されています。精密板金ブランク加工手段として、自らのネットワーク通信能力を用いて、工場の板材開巻ライン、ベンダー、CNCパンチプレス、溶接（リベット）接合ユニット、ショットブラスト・塗装ラインなどの他設備と通信し、統一された生産計画、タスク、評価管理システムに組み込まれ、板金工場管理システムの重要な一部となることが予見されます。その結果、レーザー切断機メーカーは徐々に板金加工請負業者へと変貌していくでしょう。