板金加工：レーザ切断について

板金加工におけるブランク加工の『レーザ切断』について説明していきます。レーザ加工機も、NC制御により切断加工を行う設備でありプログラムを作れば切断加工が出来る設備です。レーザ加工が出来る事についてコラムを進めていきたいと思います。

レーザ切断とは

レーザ：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字を取って「LASER」「レーザ」と呼びます。この呼び方も「レーザー」と表現される場合もありますが、工業用用途、例えば切断、溶接、はく離等に使用する場合には「レーザ」と表現し、医療、デザイン等に使用する場合には「レーザー」と表現します。

この技術コラムでは前者の「レーザ」を使用していきます。

このレーザ技術は意外と歴史が古く「誘導放出」現象をレーザの基礎として確立されたのが1917年で今から106年前になります。その後レーザの基礎技術が確立され、1964年にYAGレーザ発振や炭酸ガス（CO2）レーザ発振が発表され1970年代から工業用に自動車メーカーや航空機メーカーに導入されています。このレーザを用いた板金加工用途では、切断加工、溶接加工等が有りますが、今回は切断加工に絞って紹介していきます。

レーザを用いた切断の原理は「溶断」で加工する材料に熱を加えて「高圧の気体」で溶けた金属を吹き飛ばす事で切断をしています。この原理は、ガス溶断、プラズマ溶断でも同様で、母材を溶かす方法が「ガス」であったり「プラズマ」であったりします。それぞれの切断方法で特徴があり、切断面の精度はレーザ切断、プラズマ切断、ガス切断となりますし、切断できる板厚では、ガス切断、プラズマ切断、レーザ切断と言った状況にあります。近年では、レーザ切断も高出力化が進み、板厚が30㎜を超える様な厚板の切断も可能となってきました。

各切断方法と切断トーチ部の形状を下記に示します。ガス切断の場合にはアセチレンガスを用い、余熱混合ガスを燃焼させて母材を余熱し、十分に加熱出来た所に切断用の酸素を高圧で供給する事で、酸化が促進され切断する事が出来ます。プラズマ切断では強力なアーク熱を発生させアークプラズマに凝縮する事で母材を加熱しながら作動ガスを供給し切断を行います。

レーザ切断は、高出力のレーザ光を母材に当てる事で加熱・溶融しアシストガスを供給する事で切断するものです。レーザ切断機の開発初期では炭酸ガス（CO2）を媒質として光を増幅させるＣＯ2レーザが主流でしたが、現在ではファイバーを増幅媒体としたファイバーレーザに置き換わってきております。母材を溶かす方法が進化するにつれ切断精度の高精度化や切断速度の高速化が図られるようになってきました。

レーザ光で材料（金属）を溶かす！

下図に示す様に、レーザ光を材料に照射すると、反射と吸収に分かれます。反射光はレーザ光の入射角に対し同じ角度で反射する特性（正反射と呼びます）を持っています、もう一つが吸収ですが、材料には特有の反射率を持っており、銀、銅、アルミなどの材料は反射率の高い高反射材に区分されレーザ光が吸収されにくく溶けにくいものに区分されます。また、鉄、ニッケルは比較的反射率の低い材料に区分されレーザ光は吸収されやすく溶けやすいものに区分されます。

CO2レーザ切断機に使用されるCO2レーザの波長は10.6μmとレーザ光の中では比較的長い波長のレーザ光で、材料毎の吸収率が低く、切断加工ができる材質が限られています。鉄、ニッケル、アルミは切断が可能ですが、この中でもニッケルやアルミは高出力なものでなければ切断が出来ません。また、銅についても切断できない材料となっています。近年開発が進んできているファイバーレーザ加工機の場合、レーザの波長が1.06μｍと短い事で、材料に対する吸収率が高く切断が難しい銅材などの高反射材でも切断が可能となってきています。

板金加工におけるブランク加工では下記の様なレーザ切断機(㈱アマダ製CO2レーザ切断機)の活用が有ります。レーザ加工(切断・溶接)では、レーザ光の焦点位置（照射径が最も小さくなる高さ）で一番高いエネルギー密度となる為、材料の高さと切断トーチまでの高さが重要となります。下記の設備ではこの焦点位置を「ならいセンサー」を用いる事で最適な切断条件で加工が出来る様になっています。