レーザー加工：定義、構成要素、原理、メリット・デメリット、用途を徹底解説

レーザー加工とは

レーザー加工は、レーザービームを用いて材料を切断、穴あけ、溶接、表面処理などを行う非接触・非従来型の加工技術です。LASERは「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（誘導放出による光増幅）」の略語です。

レーザーの種類には固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザーがありますが、加工や溶接に必要な高出力用途では主に固体レーザーが使用されます。

レーザー加工とは、熱エネルギーを用いてワークピースから材料を除去する非従来型加工プロセスです。レーザービームをワークに照射し、その熱エネルギーで材料を溶融・気化させて除去します。

レーザー加工装置は主に以下の構成要素で構成されます：

システムに電流や電力を供給します。レーザー加工には高電圧電源が使用され、初期電力を供給した後、レーザー内で反応が開始されて材料を加工します。パルス発振を容易にするため高電圧が必要です。

サイクルの大部分で充電し、フラッシュ工程でエネルギーを放出します。コンデンサはパルスモードでの充放電に使用されます。

極めて強い白色光（コヒーレントな高強度ビーム）を生成する電気アークランプです。内部のガスが電離して高エネルギーを生み出し、ワークピースの材料を溶融・気化させます。

内部ミラー（共振器）と外部ミラーの2種類があります。内部ミラーはレーザービームの生成、維持、増幅を行い、外部ミラーはレーザービームをワークピースへ導きます。

活性物質への照射によって生じる光のコヒーレンスに基づく光学増幅プロセスを通じてレーザーから放出される放射ビームです。

ルビーレーザーは深紅色のコヒーレントパルス列を生成します。これは粒子数反転の概念によって達成され、三準位固体レーザーに分類されます。

レーザービームをワークピースに集光するために使用されます。レーザー光はまず拡大レンズに入り、次に平行レンズで光線を平行にし、拡大レンズで所望のビームサイズに拡大されます。

金属・非金属を問わず、あらゆる材料を加工対象とできます。

レーザー加工は、電気エネルギー→光エネルギー→熱エネルギーへの変換プロセスに基づいています。

原子モデルにおいて、負に帯電した電子が正に帯電した原子核の周りを軌道上を回っています。これは電子数、電子構造、隣接原子、電磁場に依存します。各電子軌道は異なるエネルギー準位に対応し、絶対零度ではすべての電子が最低ポテンシャルエネルギーを占める基底状態にあります。

基底状態の電子は、温度上昇に伴う電子振動の増加などのエネルギー吸収によってより高いエネルギー準位へ遷移します。高電圧を印加すると放電が起き、ガスプラズマが形成されます。エネルギー変換により粒子数反転とレーザー発振が生じます。

レーザーには100%反射ミラーと部分反射ミラーの2つがあります。100%反射ミラーは光子をガス管内に導き、部分反射ミラーは一部のレーザービームのみを通して材料加工に利用します。

生成されたレーザービームは加工対象のワークピースに集光されます。レーザーがワークに照射されると、熱エネルギーがワークに入射し、加熱→溶融→気化の順で材料が除去されます。つまりレーザー加工は、コヒーレントな光ビームを用いてワークピースを極めて精密に加工する熱的材料除去プロセスです。

材料除去率（MRR）は使用波長に依存します。波長がワークに入射するエネルギー量を決定するためです。

レーザー加工の主な用途は以下の通りです：

主なメリットは以下の通りです：

主なデメリットは以下の通りです：

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