レーザー切断とその加工システム

レーザー切断応用

高速軸流 CO2 レーザーは、ビーム品質が優れているため、主に金属材料のレーザー切断に使用されます。CO2 レーザー光線に対するほとんどの金属の反射率は非常に高いですが、室温での金属表面の反射率は、温度と酸化度が上昇するにつれて増加します。金属表面が損傷すると、金属の反射率は 1 に近づきます。金属レーザーの切断には、より高い平均出力が必要ですが、この条件を満たすのは高出力 CO2 レーザーだけです。

1. 鋼材のレーザー切断

1.1 CO2 連続レーザー切断 CO2 連続レーザー切断の主なプロセスパラメータには、レーザー出力、補助ガスの種類と圧力、切断速度、焦点位置、焦点深さ、ノズル高さが含まれます。

(1) レーザー出力 レーザー出力は、切断厚さ、切断速度、切り込み幅に大きな影響を与えます。他のパラメータが一定の場合、切断速度は切断プレートの厚さが増加すると減少し、レーザー出力が増加すると増加します。つまり、レーザー出力が大きいほど、切断できる板が厚くなり、切断速度が速くなり、切り込み幅も若干大きくなります。

(2) 補助ガスの種類と圧力 低炭素鋼を切断する場合、鉄と酸素の燃焼反応熱を利用して切断を促進するため、補助ガスとして CO2 を使用します。切断速度が速く、切込み品質が良好で、特にノロの付着のない切込みが得られます。ステンレスを切断する際にはCO2を使用します。切り込みの下部にはスラグが付着しやすいです。CO2+N2混合ガスや二層ガス流がよく使われます。補助ガスの圧力は切断効果に大きな影響を与えます。ガス圧力を適切に高めると、ガス流の勢いが増し、スラグ除去能力が向上するため、スラグが付着することなく切断速度を高めることができます。ただし、圧力が高すぎると切断面が荒れてしまいます。酸素圧力が切開面の平均粗さに及ぼす影響を下の図に示します。

体圧は板厚にも依存します。1kW CO2レーザーで低炭素鋼を切断する場合、酸素圧力と板厚の関係は下図のようになります。

(3) 切削速度 切削速度は切削品質に大きく影響します。レーザー出力の特定の条件下では、低炭素鋼を切断する際の良好な切断速度に対応する上限および下限の臨界値が存在します。切削速度が臨界値より高くても低くても、スラグの固着が発生します。切削速度が遅いと刃先への酸化反応熱の作用時間が長くなり、切削幅が大きくなり切削面が荒れます。切断速度が増加するにつれて、上部の切り込みの幅がスポットの直径と等しくなるまで、切り込みは徐々に狭くなります。このときの切開はややくさび形になり、上部は広く、下部は狭くなります。切断速度が増加し続けると、上部の切り込みの幅は小さくなり続けますが、切り込みの下部は相対的に広くなり、逆くさび形になります。

(5)焦点深度

焦点深度は、切断面の品質と切断速度に一定の影響を与えます。比較的大きな鋼板を切断する場合は、焦点深度の深いビームを使用する必要があります。薄いプレートを切断する場合は、焦点深度が浅いビームを使用する必要があります。

(6)ノズル高さ

ノズル高さとは、補助ガスノズルの先端面からワーク上面までの距離を指します。ノズルの高さが高く、噴出される補助気流の勢いが変動しやすく、切断品質や切断速度に影響を与えます。したがって、レーザー切断の場合、ノズルの高さは通常 0.5 ～ 2.0 mm と最小限に抑えられます。

①レーザー面

ａ．レーザー出力を増加します。より強力なレーザーを開発することは、切断厚さを増やす直接的かつ効果的な方法です。

b.パルス処理。パルスレーザーはピークパワーが非常に高く、厚い鋼板を貫通することができます。高周波、狭パルス幅のパルスレーザー切断技術を応用することで、レーザー出力を上げずに厚鋼板を切断でき、連続レーザー切断に比べて切り込みサイズが小さくなります。

c.新しいレーザーを使用する

②光学系

ａ．補償光学システム。従来のレーザー切断との違いは、切断面の下に焦点を置く必要がないことです。焦点位置が鋼板の厚み方向に数ミリ上下に変動すると、焦点位置の移動に伴って補償光学系の焦点距離も変化します。焦点距離の上下の変化はレーザーとワークピース間の相対運動と一致し、焦点位置がワークピースの深さに沿って上下に変化します。外的条件により焦点位置が変化するこのカット加工により、高品質なカットを実現します。この方法の欠点は、切断深さが制限されており、通常は 30 mm を超えないことです。

b.遠近両用カット技術。特殊なレンズを使用して、ビームを異なる部分に 2 回焦点を合わせます。図 4.58 に示すように、D はレンズの中心部の直径であり、D はレンズの端部の直径です。レンズの中心の曲率半径が周囲よりも大きく、二重焦点を形成します。切削プロセス中、上部焦点はワークピースの上面に位置し、下部焦点はワークピースの下面近くに位置します。この特別な二重焦点レーザー切断技術には多くの利点があります。軟鋼を切断する場合、材料の発火に必要な条件を満たすために金属の上面に高強度のレーザービームを維持するだけでなく、金属の下面近くにも高強度のレーザービームを維持することができます。点火要件を満たすため。材料の厚さの全範囲にわたってきれいなカットを行う必要性。この技術により、高品質のカットを取得するためのパラメータの範囲が拡張されます。たとえば、3kWのCO2を使用する場合。レーザーを使用する場合、従来の切断厚さは 15 ～ 20 mm に達するだけですが、二重焦点切断技術を使用した切断厚さは 30 ～ 40 mm に達します。

③ノズルと補助空気の流れ

ノズルを合理的に設計し、気流場の特性を改善します。超音速ノズルの内壁の直径は最初に縮小し、次に拡大することで、出口に超音速の気流を発生させることができます。空気供給圧力が非常に高くても、衝撃波は発生しません。レーザー切断に超音速ノズルを使用すると、切断品質も理想的になります。超音速ノズルによるワーク表面への切断圧力は比較的安定しているため、特に厚鋼板のレーザー切断に適しています。