レーザー切断応用
高速軸流CO2レーザーは、主にその優れたビーム品質から、金属材料のレーザー切断に広く用いられています。ほとんどの金属はCO2レーザービームに対して高い反射率を示しますが、室温における金属表面の反射率は温度上昇と酸化度の上昇に伴って増加します。金属表面が損傷を受けると、反射率は1に近づきます。金属のレーザー切断にはより高い平均出力が必要であり、この条件を満たすのは高出力CO2レーザーのみです。
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、焦点深度、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、および切断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、切断速度は切断板の厚さが増加するにつれて低下し、レーザー出力が増加するにつれて上昇します。言い換えれば、レーザー出力が大きいほど、切断できる板は厚くなり、切断速度は速くなり、切断幅はわずかに大きくなります。
（２）補助ガスの種類と圧力 低炭素鋼を切断する場合、鉄-酸素燃焼反応の熱を利用して切断プロセスを促進するために、補助ガスとしてCO2が使用されます。切断速度が速く、切断品質が良好で、特に粘着性スラグのない切断が得られます。ステンレス鋼を切断する場合、CO2が使用されますが、切断部の下部にスラグが付着しやすいです。CO2 + N2混合ガスまたは二層ガス流がよく使用されます。補助ガスの圧力は切断効果に大きな影響を与えます。ガス圧を適切に上げると、ガス流の運動量が増加し、スラグ除去能力が向上するため、粘着性スラグのない切断速度を上げることができます。ただし、圧力が高すぎると、切断面が粗くなります。酸素圧力が切断面の平均粗さに及ぼす影響を以下の図に示します。
ボディ圧力は板厚にも依存する。1kWの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に示すとおりである。
（３）切断速度 切断速度は切断品質に大きな影響を与えます。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。切断速度が臨界値よりも高い場合、または低い場合、スラグ付着が発生します。切断速度が遅い場合、切断刃先での酸化反応熱の作用時間が長くなり、切断幅が増加し、切断面が粗くなります。切断速度が増加するにつれて、上部の切断幅がスポットの直径と等しくなるまで、切断幅は徐々に狭くなります。このとき、切断はわずかにくさび形になり、上部が広く、下部が狭くなります。切断速度がさらに増加すると、上部の切断幅は小さくなり続けますが、切断の下部は相対的に広くなり、逆くさび形になります。
（５）被写界深度
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、焦点深度の大きいビームを使用し、薄い鋼板を切断する場合は、焦点深度の小さ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から加工対象物の上面までの距離を指します。ノズルの高さが大きいと、噴射される補助気流の運動量が変動しやすく、切断品質と速度に影響を及ぼします。そのため、レーザー切断においては、ノズル高さは一般的に最小限に抑えられ、通常は0.5～2.0mm程度です。
① レーザーの側面
a. レーザー出力を上げる。より強力なレーザーを開発することは、切断厚さを増やすための直接的かつ効果的な方法です。
b. パルス加工。パルスレーザーはピーク出力が非常に高く、厚い鋼板を貫通することができます。高周波でパルス幅の狭いパルスレーザー切断技術を用いることで、レーザー出力を上げることなく厚い鋼板を切断でき、切断幅は連続レーザー切断よりも小さくなります。
c. 新しいレーザーを使用する
②光学系
a. 適応光学システム。従来のレーザー切断との違いは、焦点を切断面より下に配置する必要がないことです。鋼板の厚さ方向に沿って焦点位置が数ミリメートル上下に変動すると、適応光学システムの焦点距離も焦点位置の変動に合わせて変化します。焦点距離の上下変化は、レーザーとワークピース間の相対運動と一致し、ワークピースの深さ方向に沿って焦点位置が上下に変化します。このように焦点位置が外部条件に応じて変化する切断プロセスでは、高品質な切断が可能です。この方法の欠点は、切断深さが制限されることで、一般的には30mm以下です。
b. 二焦点切断技術。特殊なレンズを使用して、ビームを異なる場所に2回集束させます。図4.58に示すように、Dはレンズの中央部の直径、はレンズの端部の直径です。レンズの中心の曲率半径は周囲よりも大きく、二重焦点を形成します。切断プロセス中、上焦点はワークピースの上面に位置し、下焦点はワークピースの下面付近に位置します。この特殊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、金属の上面に高強度のレーザービームを維持して材料の発火に必要な条件を満たすだけでなく、金属の下面付近にも高強度のレーザービームを維持して発火の要件を満たすことができます。材料の厚さの全範囲にわたってきれいな切断を生成する必要性。この技術は、高品質の切断を得るためのパラメータの範囲を拡大します。たとえば、3kW CO2を使用します。レーザーの場合、従来の切断厚さは15～20mmまでしか達しないが、デュアルフォーカス切断技術を用いた切断厚さは30～40mmに達する。
③ノズルと補助空気の流れ
ノズルを適切に設計することで、気流場の特性を改善します。超音速ノズルの内壁径は、まず縮小し、次に拡大することで、出口で超音速気流を発生させます。衝撃波を発生させることなく、非常に高い空気供給圧力を得ることができます。レーザー切断に超音速ノズルを使用する場合、切断品質も理想的です。超音速ノズルはワークピース表面の切断圧力が比較的安定しているため、厚鋼板のレーザー切断に特に適しています。
投稿日時：2024年7月18日
