第4章 マクロレーザープロセシング

3. レーザー切断

著者:新井 武二

1. 概要

1.1 はじめに

レーザー切断は日本の産業界において最も普及されているレーザー応用技術である。歴史は長く改良を積んだ結果、従来の板金加工の板厚範囲は言うに及ばず、軟鋼で25mm以上の厚板切断も可能となってきた。また、薄板では精密で微細な加工もできるようになり、加工精度も大幅に改善されて従来の機械加工に十分対抗できるようになってきた。これは特にパルス発振技術の改善と、高い周波数による擬似連続波(CW-like)の発振形態を可能にした発振器技術に負うところが大きい。最近のレーザー切断では、特に発振器の高出力化と切断加工原理の理解の深まりから、軟鋼やステンレスで板厚30mmを超える極厚板の切断加工もできるようになってきた。そのため適用範囲も広がり産業応用の展開が大きく変わってきた。また、光伝搬特性や光路長からくる集光特性など変化が加工の過程で考慮されるようになったことによって、現在では極薄板の精密微細な切断から極厚板の大板の切断までレーザーで実現できるようになってきた。

1.2 切断加工の原理

レーザー切断とは、レーザー吸収による熱作用及び噴射ガスのアシストガスによって材料を強制的に分離する加工法をいう。金属の場合を例にとれば、レンズまたはミラー等の集光光学系によって集光されたレーザー光が材料表面に照射されると、材料のごく表層部(例えば、金属によっては数〜数10nm)で波長吸収され分子振動を誘起することから急激に発熱し昇温する。その結果、表面の照射地点には瞬時に溶融池または蒸発穴が形成される。この状態でアシストガスを噴射しながらレーザービームまたは材料が相対的に移動すると、照射方向(深さ方向)に活性化ガスによって誘起される酸化反応と噴射ガスの運動エネルギーによって溶融金属が強制除去され、除去された部分に連続的な切断溝(カーフ)が形成される。レーザー切断はこのような現象を利用した加工法である。図1にレーザー切断機構を基にした金属材料の切断モデルを示す。
レーザー切断で最も重要なのは切断フロントの状態である。切断フロントにおける温度と溶融膜厚が切断を左右するため、この関係を考察する必要がある。切断フロントでの相対温度は、切断速度が速くなるにつれて切断フロントの相対的な位置が熱源の中心軸に近づくことから極めて高くなる。また、アシストガス噴流の一定ガス圧の下では、切断速度が遅いとレーザー光の真下における切断溝が大きくなり溝内で溶融金属は多く発生するものの、その分ガス噴流のフロントに滞留する時間が長くなることからガス運動量の影響をもろに受けて、直下の溶融金属膜は大量に強制除去されてかえって薄くなる。反対に、切断速度が速いほどレーザー照射の位置とガス噴流の衝突個所が次々と移動することから一点における滞留時間が短くなる。その結果、フロントでの切断幅が小さくなり溶融金属の除去量がむしろ減少し、高熱が作用する熱反応フロントにおける溶融膜厚は大きくなる。このことから、溶融膜厚は切断速度が高速になるほど厚くなる。図2にその結果を図示する。このようにレーザ一切断をつかさどり、切断を維持するのは切断フロントに生じる温度と一定の溶融膜厚であり、これが切断時の加工速度を決定している1)

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