レーザービーム加工：原理、プロセス、装置、用途、メリット・デメリット

レーザービーム加工（LBM）

レーザービームで熱を発生させる熱機械加工プロセスです。ワーク表面で金属を溶融・気化除去。物理工具を使用しない非従来型加工。金属・非金属両方に適用可能。切削・穴あけ加工に主用。

原理

レーザーは「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」（誘導放出による光増幅）の略。原子電子が外部エネルギー源からエネルギー吸収し、基底状態から励起状態へ遷移。不安定なため吸収エネルギーを光子として放出し基底状態へ復帰。既に励起状態の原子がエネルギー吸収すれば、基底復帰時に2倍のエネルギー放出。放出エネルギーは刺激エネルギーと同一周波数・波長。これがレーザーの基礎。レーザー材料を他エネルギー源存在下に置くと、一定程度エネルギー吸収し吸収限界で放出。この高増幅光ビームがレーザーです。

この加工はレーザーの基本特性を利用。狭く単色・高強度の光ビームで、ワーク硬度に関わらず任意の金属・非金属を切削・加工可能。地球上最硬のダイヤモンド切削も可能。

レーザービーム溶接の原理

装置

レーザービーム加工

電源

電子を低エネルギー準位から高準位へ励起するエネルギー供給。キセノンフラッシュランプに電力供給し光エネルギー生成。レーザー材料を光エネルギーに曝露しエネルギー蓄積。

レーザー放電管

レーザー材料を充填。電子励起・基底復帰プロセスが進行。片側はレーザー出射用に半透明、反対側は100%反射。フラッシュランプ間に配置。

レーザー材料

多種多様だが、機械加工では主にCO₂（パルス/連続波）とNd:YAGを使用。CO₂は赤外領域光放出、連続波で最大25kW出力可能。Nd:YAG（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）は固体レーザーで光ファイバー伝送可能。パルスモードで約50kW、連続モードで1kW出力。

集光レンズ

レーザー加工で使用。ワークに焦点を合わせる凸レンズ。

作業手順

1. レーザー材料（CO₂等ガス）をレーザー放電管に充填
2. フラッシュランプ接続電源投入。ランプ発光で電子励起
3. レーザー材料原子がフラッシュランプ光エネルギー吸収。軌道電子が低準位から高準位へ遷移（不安定状態）
4. 十分エネルギー吸収で連続放出開始。同一周波数・波長の高増幅コヒーレント光
5. 集光レンズでレーザー光収束、ワークへ照射
6. レーザー衝突で接触面の材料溶融・気化、加工開始

用途

• 難削材・セラミックスへの直径約0.005mm微細穴あけ
• 金属・非金属の穴あけ・切削
• 電子・自動車産業で広範使用
• 航空宇宙産業で主用
• 工具加工不可能な複雑プロファイル加工

メリットとデメリット

メリット

• 全材料切削可能
• 物理工具不要で工具コストゼロ
• 仕上げ部品・高仕上げ面獲得
• 工具摩耗なし（物理工具不使用）
• 微細穴高精度加工可能
• レーザー経路自由で複雑形状加工容易
• 超硬質材料切削可能
• 高精度達成可能
• 自動化容易、フレキシブル

デメリット

• 同形状大量切削ではスタンピング比で非経済的
• 高い設備投資・メンテナンスコスト
• 止まり穴加工不可
• レーザー安全ハザード懸念

以上、レーザービーム加工の原理、作業、装置、用途、メリット・デメリット、図解について解説しました。ご質問があればコメントでお知らせください。記事がお役に立てば共有をお願いします。より有益な記事をお届けするため、ウェブサイトの購読もご検討ください。ご覧いただきありがとうございました。