レーザー切断とその加工システムの基礎 —レーザー切断装置

II．レーザー切断装置の構成

2.1 レーザー切断機の構成要素と動作原理

レーザー切断機は、レーザー発振器、切断ヘッド、ビーム伝送装置、工作機械作業台、数値制御（NC）システム、コンピュータ（ハードウェアおよびソフトウェア）、冷却装置、シールドガスボンベ、集塵装置、およびエアドライヤーで構成されています。

レーザー発生器

レーザー発生器は、レーザー光源を生成する装置です。レーザー切断用途では、YAG固体レーザーが使用されるごく一部の例外を除き、ほとんどの機械が高効率な光電変換効率と高出力を特徴とするCO₂ガスレーザーを採用しています。レーザー切断はビーム品質に厳しい要件を課すため、すべてのレーザーが切断に適しているわけではありません。
カッティングヘッド

主にノズル、集光レンズ、フォーカストラッキングシステムなどの部品で構成されています。

切削ヘッド駆動装置は、あらかじめ設定されたプログラムに従って切削ヘッドをZ軸方向に移動させるために使用されます。サーボモーターと、送りねじやギアなどの伝動部品で構成されています。

（１）ノズル：ノズルには主に平行型、収束型、円錐型の３種類があります。

（２）集束レンズ：レーザービームエネルギーを用いて切断を行うには、レーザーから放出された元のビームをレンズを通して集束させ、高エネルギー密度の光スポットを形成する必要があります。中焦点および長焦点レンズは厚板切断に適しており、トラッキングシステムの間隔安定性に対する要求は低くなっています。短焦点レンズは３mm以下の薄板切断にのみ適しており、トラッキングシステムの間隔安定性に対する要求は厳しいですが、必要なレーザー出力パワーを大幅に削減できます。

（３）トラッキングシステム：レーザー切断機のフォーカストラッキングシステムは、一般的にフォーカス切断ヘッドとトラッキングセンサーシステムで構成されています。切断ヘッドは、ビームガイドとフォーカス、水冷、ガス吹き出し、機械的調整の機能を統合しています。

センサーは、検出素子と増幅制御ユニットで構成されています。トラッキングシステムは、検出素子の種類によって大きく異なります。主な種類は2つあり、1つは静電容量式センサーによるトラッキングシステム（非接触式トラッキングシステムとも呼ばれる）、もう1つは誘導式センサーによるトラッキングシステム（接触式トラッキングシステムとも呼ばれる）です。
ビーム伝送アセンブリ

外部光路：反射鏡を用いてレーザービームを所望の方向に導きます。光路の不具合を防ぐため、すべての反射鏡はシールドで保護され、鏡を汚染から守るために清浄な正圧シールドガスが導入されます。高性能レンズは、非発散ビームを無限に小さなスポットに集束させることができます。焦点距離5.0インチのレンズが一般的に使用されますが、7.5インチのレンズは厚さ12mmを超える材料の切断にのみ適用可能です。
工作機械作業台

機械本体：工作機械部レーザー切断機は、切断作業台を含め、X、Y、Z軸の動きを実現する機械部品です。
数値制御システム

NCシステムは工作機械を制御してX、Y、Z軸の動きを実現すると同時に、レーザーの出力パワーを調整します。
冷却システム

チラーユニット：レーザー発生器を冷却するために使用されます。レーザーは電気エネルギーを光エネルギーに変換する装置です。例えば、CO₂ガスレーザーの変換効率は一般的に20%程度で、残りのエネルギーは熱に変換されます。冷却水は余分な熱を除去し、レーザー発生器の正常な動作を維持します。チラーユニットは、工作機械の外部光路ミラーや集光レンズも冷却し、安定したビーム伝送品質を確保するとともに、過熱によるレンズの変形やひび割れを効果的に防止します。
ガスボンベ

ガスボンベには、レーザー切断機用の作動ガスボンベと補助ガスボンベが含まれており、これらはレーザー発振用の工業用ガスを補うとともに、切断ヘッドに補助ガスを供給するために使用されます。
集塵システム

処理中に発生する煙や粉塵を抽出し、ろ過処理を行うことで、排ガスが環境保護基準を満たすようにする。
空冷式ドライヤー＆フィルター

レーザー発生器とビーム経路に清浄で乾燥した空気を供給し、ビーム経路と反射鏡の正常な動作を維持する。

2.2 レーザー切断用切断トーチ

レーザー切断用切断トーチの構造図を以下に示します。主にトーチ本体、集光レンズ、反射鏡、補助ガスノズルで構成されています。レーザー切断時、切断トーチは以下の要件を満たす必要があります。

① トーチは十分なガス流量を噴射できる。

② トーチ内部のガスの噴射方向は、反射鏡の光軸と同軸でなければならない。

③懐中電灯の焦点距離は簡単に調整できます。

④ 切断中、金属蒸気や切断された金属からの飛沫が反射鏡を損傷しないようにしなければならない。

切断トーチの動きはNCモーションシステムによって調整されます。切断トーチとワークピース間の相対的な動きには、次の3つのシナリオがあります。

① トーチは固定されたままで、ワークピースは作業台を介して移動します。主に小型のワークピースに適しています。

② 加工対象物は静止したままで、トーチが移動する。

③ トーチと作業台は同時に動きます。

2.2.1 切断ヘッド

レーザー切断ヘッドは、集束レンズと切断ノズルから構成されるビーム伝送システムの終端部に位置している。

集束レンズは主に焦点距離によって分類されます。ほとんどのレーザー切断装置には、焦点距離の異なる複数の切断ヘッドが装備されています。CO₂レーザー切断を例にとると、一般的な焦点距離は127 mm（5インチ）と190 mm（7.5インチ）です。焦点距離の短いレンズは、小さな焦点スポットと浅い焦点深度を生み出し、切断幅を小さくしてより精密な切断を実現します。焦点距離の長いレンズは、大きな焦点スポットと深い焦点深度を生み出します。焦点距離の短いレンズと比較して、焦点距離の長いレンズは、焦点付近の材料加工に十分なレーザーエネルギー密度を持つ集束ビームを提供できます。したがって、焦点距離の短いレンズは主に薄板の精密切断に使用され、焦点距離の長いレンズは、切断厚さ範囲内でスポット径の変動を最小限に抑え、十分なパワー密度を確保するために、より厚い材料に対して適切な焦点深度を得るために必要となります。

集光レンズは、切断トーチに入射する平行レーザービームを集束させ、スポットサイズを小さくし、出力密度を高めるために使用されます。レンズはレーザー波長を透過できる材料で作られています。固体レーザーには光学ガラスが一般的に使用されますが、CO₂ガスレーザーにはZnSe、GaAs、Geなどの材料が採用されています（通常のガラスはCO₂レーザービームに対して透明ではないため）。中でもZnSeが最も広く使用されています。

レーザー切断においては、出力密度を高め、高速切断を実現するためには、焦点スポット径を最小化することが望ましい。しかしながら、レンズの焦点距離が短くなると焦点深度が浅くなり、厚板切断時に垂直切断面を得ることが難しくなる。さらに、焦点距離が短くなるとレンズとワークピース間の距離が短くなるため、切断中に溶融金属の飛沫によってレンズが汚染されるリスクが高まり、正常な動作に影響を与える可能性がある。したがって、適切な焦点距離は、切断厚さや切断品質の要求など、様々な要素を総合的に考慮して決定する必要がある。

2.2.2 反射鏡

反射鏡の役割は、レーザーから発せられるビームの方向を変えることです。固体レーザーからのビームの場合、光学ガラス製の反射鏡を使用できます。一方、CO₂ガスレーザー切断装置の反射鏡は、通常、銅または反射率の高い金属で作られています。動作中のレーザー照射による過熱で損傷するのを防ぐため、反射鏡は通常、水で冷却されます。

2.2.3 ノズル

ノズルは切断領域に補助ガスを噴射するために使用され、その構造は切断効率と品質に一定の影響を与える。図4.11はレーザー切断における一般的なノズル形状を示しており、ノズル開口部の形状には円筒形、円錐形、収束発散型などがある。

ノズルの選定は、一般的に、加工対象物の材質と厚さ、および補助ガスの圧力に基づいてテストを行い決定されます。レーザー切断では、通常、同軸ノズル（ガス流が光軸と同軸）が採用されます。ガス流とレーザービームが同軸でない場合、切断中に過剰な飛散が発生する可能性があります。ノズル開口部の内壁は滑らかでなければならず、ガス流が妨げられず、切断幅に影響を与える乱流を回避する必要があります。切断の安定性を確保するため、ノズル端面と加工対象物表面との距離は最小限に抑える必要があり、通常は0.5 mmから2.0 mmの範囲です。ノズル開口部の直径は、レーザービームがスムーズに通過し、ビームが開口部の内壁に接触しないようにする必要があります。開口部の直径が小さいほど、ビームの平行化が難しくなります。所定の補助ガス圧力に対して、ノズル開口部の直径には最適な範囲があります。開口部が小さすぎたり大きすぎたりすると、切削溝から溶融物を除去するのが妨げられ、切削速度に影響が出ます。

図4.12および図4.13は、レーザー出力と補助ガス圧を一定にした場合のノズル開口部径が切断速度に及ぼす影響を示している。最大切断速度を実現する最適なノズル開口部径が存在することがわかる。この最適値は、補助ガスとして酸素またはアルゴンのどちらを使用した場合でも、約1.5mmである。

硬質合金（切断が困難な材料）のレーザー切断に関する試験では、図4.14に示すように、最適なノズル開口部径は上記の結果と非常に近いことが示されています。ノズル開口部径は、切断幅と熱影響部（HAZ）幅にも影響します。図4.15に示すように、ノズル開口部径が増加すると、切断幅は増加し、HAZ幅は狭くなります。HAZが狭くなる主な理由は、切断領域における母材への補助ガス流の冷却効果が高まるためです。

2.3 レーザー切断装置のパラメータ

2.3.1 トーチ駆動式切断装置

トーチ駆動式切断装置では、切断トーチは可動式ガントリーに取り付けられ、ガントリービーム（Y軸）に沿って水平方向に移動します。ガントリーはトーチをX軸方向に移動させ、ワークピースは作業台に固定されます。レーザーと切断トーチは別々に配置されているため、切断プロセス中にレーザーの透過特性、ビーム走査方向の平行度、反射鏡の安定性などが影響を受けます。

トーチ駆動式切断装置は、大型のワークピースを加工できる。切断作業エリアの設置面積は比較的小さく、他の装置と容易に統合して生産ラインを構築できる。ただし、位置決め精度は±0.04mmにとどまる。

トーチ駆動切断装置の典型的な構造を図4.19に示す。連続波CO₂レーザー切断機を採用し、レーザーから切断トーチまでの距離は18mである。この伝送距離におけるビーム径の変化が切断作業に支障をきたさないように、発振ミラーの組み合わせを慎重に設計する必要がある。

トーチ式切断装置の主な技術仕様は以下のとおりです。

レーザー出力：1.5kW（シングルモード）、3kW（マルチモード）
トーチストローク：X軸6.2m、Y軸2.6m
走行速度：0～10m/分（調整可能）
トーチZ軸フローティングストローク：150mm
トーチのZ軸調整速度：300 mm/分
加工鋼板の最大寸法：12 mm × 2400 mm × 6000 mm
制御システム：統合NC制御モード

2.3.2 XYテーブル駆動式切断装置

XYテーブル駆動切断装置では、切断トーチはフレームに固定され、ワークピースは切断テーブル上に置かれます。切断テーブルはNCコマンドに従ってX軸とY軸に沿って移動し、駆動速度は通常0～1m/分または0～5m/分の範囲で調整可能です。切断トーチはワークピースに対して静止しているため、切断プロセス中のレーザービームのアライメントとセンタリングへの影響が最小限に抑えられ、均一で安定した切断性能が確保されます。高い機械的精度を備えた小型切断テーブルを装備した場合、この装置は±0.01mmの位置決め精度と優れた切断精度そのため、小型部品の精密切断に特に適しています。さらに、大型ワークピースの加工用に、X軸ストローク2300～2400mm、Y軸ストローク1200～1300mmの大型切断テーブルもご用意しています。

XYテーブル駆動式切断装置の主な技術仕様は以下のとおりです。

レーザー光源：CO₂ガスレーザー（半密閉型直管タイプ）
レーザー電源：入力電圧 200 VAC、出力電圧 0～30 kV、最大出力電流 100 mA
レーザー出力：550W
切断テーブルのストローク：X軸2300mm、Y軸1300mm
切断テーブル駆動速度（段階調整可能）：0.4～5.0 m/分、0.2～2.5 m/分、0.1～1.3 m/分、0.05～0.6 m/分
トーチZ軸フローティングストローク：180mm
加工済みプレートの最大サイズ：6 mm × 1300 mm × 2300 mm
制御システム：数値制御（NC）モード

2.3.3 二重駆動式切断装置（トーチとテーブル）

デュアル駆動式切断装置（トーチ＆テーブル）は、設計上、トーチ駆動式切断機とXYテーブル駆動式切断機の中間に位置します。切断トーチはガントリーに取り付けられ、ガントリービーム（Y軸）に沿って水平方向に移動し、切断テーブルは長手方向に駆動されます。このハイブリッド設計により、高い切断精度と省スペースという利点を兼ね備えています。位置決め精度は±0.01mm、切断速度は0～20m/分の範囲で調整可能であり、市場で最も広く使用されている切断機の1つです。この機械の大型モデルでは、Y軸ストロークが2000mm、X軸ストロークが6000mmとなっており、大型ワークピースの切断が可能です。

レーザー発振器は、切断トーチと並んでガントリー上に設置されています。この構成により、円形穴の切断において卓越した精度を実現します。また、本機は高い生産効率を誇り、厚さ1mmの鋼板に1分間に46個の円形穴（直径10mm）を切断できます。

2.3.4 統合型切断装置

では一体型切断機レーザー光源はフレームに取り付けられ、フレームと共に長手方向に移動します。一方、切断トーチは駆動機構と一体化されており、フレームビームに沿って水平方向に移動します。この機械は数値制御を用いて様々な形状の部品を切断します。切断トーチの水平移動によって生じる光路長の変動を補正するため、通常は光路長調整モジュールが装備されています。このモジュールにより、切断領域内のレーザービームが均一になり、切断面の品質が一定に保たれます。

投稿日時：2025年12月17日