レーザー切断
レーザー切断は、集束したレーザー ビームを使用して材料を溶解、燃焼、または蒸発させる、高精度の非接触熱切断プロセスです。-その精度、速度、多用途性により、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、機械、通信、建設、医療などの業界で広く使用されています。炭素鋼、ステンレス、アルミニウム、銅真鍮、チタンなどのあらゆる種類の金属を切断でき、金属の厚さは 0.1 mm から 25 mm まで、±0.1 mm (高精度)、±0.3 mm (工業用) という非常に厳しい公差で切断できます。
説明
ファイバーレーザーはより細いビームを生成することで知られており、同じレーザー出力エネルギーに対して約 4 倍の実効パワーを提供できます。 CO2 対応のものよりも高速かつ高精度に動作します。ファイバーレーザー切断は電力効率により運用コストが低くなりますが、切断プロセスではより多くの窒素シールドガスが必要になります。これらは、薄い金属材料、アルミニウムやステンレス鋼などの高反射材料の高精度切断に適しています。-一方、CO2 レーザー カッターはより広いビームを照射でき、より高いデバイス出力が可能であり、厚い板の精度の低い切断に適しています。-通常、CO2レーザーはファイバーレーザーに比べて設備の初期費用は安くなりますが、単位切断長さ当たりの運用コストは通常より高くなります。 Fabmann は、高品質のレーザー切断のほか、さまざまな金属切断ソリューション、金属成形、溶接、粉体塗装、亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、シャールド処理、二重コーティングなどのさまざまな金属表面処理などの金属加工サービスを提供しています。-ファブマンは、お客様に優れたサービスを提供することに尽力しています。
レーザー切断の利点
金属レーザー切断は、その「精度」、「効率」、「汎用性」、「コスト効率」により、業界全体で広く普及しています。{0}大きな利点の 1 つは、「金型の排除」、「材料の無駄の最小化」、「生産の柔軟性の向上」を通じて工具費用を大幅に削減できることです。以下にその利点の簡単なリストを示します。
√金型の製造とメンテナンスのコストが不要になり、物理的な工具は必要ありません。スタンピングやダイカットとは異なり、レーザー切断では非接触の熱エネルギーを使用して材料を加工するため、カスタムの金型が必要ありません。-
金型関連の出費を回避し、金型の設計、製造、定期的なメンテナンスと修理のコストを簡単に節約できます。
√セットアップと切り替えのコストを削減し、パラメーターを瞬時に調整します。レーザー システムでは、デジタル設定 (出力、速度、ガスの種類など) を変更することでジョブ間の迅速な切り替えが可能となり、時間のかかる金型交換を回避できます。-
√多用途性 により、1 台のレーザー機械で、さまざまな材料 (ステンレス鋼、アルミニウム、銅など) や厚さ (1 ～ 20 mm) を、設備を変更することなく処理できます。
√材料の無駄と二次加工を最小限に抑え、狭い切り口幅（0.1 ～ 0.3 mm）により材料の利用が最適化され、機械的方法と比較してスクラップ率が平均約 15% 削減されます。
√高いエッジ品質。レーザーの切断エッジは通常滑らかで、バリがありません（Ra < 12.5 µm）。多くの場合、研削やバリ取りなどの後処理が不要です。-
√小規模バッチでは費用対効果が高く、少量のプロトタイプ開発をサポートします。{{1}
√設計の反復を迅速化し、製品開発サイクルを加速します。
√セットアップ時間は短く、切り替えは数時間から数分に短縮されます。
異種金属材料のレーザー切断の特徴
アルミニウム
厚さ: 通常、高出力ファイバー レーザー (6 kW 以上) では最大20 mm、薄いシート (1～6 mm) で最高の品質が得られます。-
切り溝幅: 0.1 ～ 0.3 mm、材料の反射率とアシストガスの影響を受ける (酸化を避けるために窒素が好ましい) 許容差: 薄いシートの場合は ±0.05 ～ 0.1 mm。熱歪みによる厚い材料 (±0.15 mm)。
窒素を使用すると、切断品質が向上し、ドロスが最小限に抑えられた滑らかなエッジになります。
酸素アシストでは「酸化」のリスクがあり、後処理が必要です。-
ファイバーレーザーには、アルミニウムの金属切断オプションとして推奨される利点がほとんどありません。
√-電力密度が高く、エネルギーが非常に小さなスポットに集中するため、アルミニウムなどの反射材でも効率的に切断できます。
√ファイバーレーザーの高速切断速度、高出力、優れたビーム品質により、迅速な切断が可能になり、生産性が向上します。
√熱影響ゾーン（HAZ）が最小限に抑えられているため、他の種類のレーザーよりも発生する熱が少なく、熱歪みが少なくきれいな切断が可能です。{0}
√多用途性があり、幅広い厚さのアルミニウムおよび合金を切断できます。
アルミニウムのレーザー切断に関する考慮事項
アルミニウム素材の音響レーザー切断に関係する非常に重要な要素はほとんどありません。オペレーターは常に次の側面を考慮する必要があります。
√アシスト ガス オプションである窒素は、酸化物のない切断を生成するため、アルミニウムの切断によく使用されます。一方、酸素は厚い材料によく使用されますが、エッジが酸化する可能性があります。{0}}窒素の欠点はコストです。
√焦点ポイント。大量切断を開始する前に材料表面に対する焦点位置を試すことが賢明です。経験豊富なオペレータは常にプラスまたはマイナスの焦点の調整を試みることで、切断品質が向上する場合があります。
√低速では過剰な熱入力が発生する可能性があり、高速では完全な貫通が達成されない可能性があるため、切削速度とパワーの適切なバランスを見つけることが重要です。
√清潔さ: オペレータは、アルミニウム シートが清潔で、切断品質に影響を与える可能性のある油や汚染物質がないことを常に確認する必要があります。
√熱管理。材料の変形を引き起こす可能性のある熱の蓄積を防ぐための定期的な冷却間隔。{0}}
√エッジ品質、ドロスの形成や過剰な溶解などの問題に気づいた場合、オペレータはパラメータを調整する必要があります。
アルミニウムのレーザー切断の品質問題
チューブ、シート、プレートなどのアルミニウム素材のレーザー切断に関しては、頭を悩ませることはほとんどありません。これらのハードルを理解できれば、金属切断コストを最小限に抑えながら最適な結果を達成するのに役立ちます。
√反射率は、機械に損傷を与える後方反射の原因にもなる可能性があるため、アルミニウムをレーザー切断する際のほぼ主要な課題です。アルミニウムはレーザービームの大部分を自然に反射するため、適切に管理しないと切断効率が低下し、レーザーシステムに損傷を与える可能性があります。この反射率により、効果的な切断を確実にするために特定のレーザー タイプと出力レベルを使用する必要があり、この問題のため、ファイバー レーザーが非常に一般的な選択肢です。
√熱伝導性。熱伝導率が良いため、材料はすぐに熱を放散し、正確な切断に必要な局所的な溶融を達成することが困難になるため、レーザー切断は非常に困難になります。したがって、熱伝導率が高いと、切り口の幅が広くなり、切断端の周囲に熱の影響を受ける可能性があります。-
√アルミニウム表面に形成される薄い酸化物層である酸化層は、通常、レーザー切断プロセスを妨げます。また、酸化層はアルミニウム自体よりも融点が高いため、切断品質にばらつきが生じたり、貫通するために追加の電力が必要になったりする可能性があります。{0}}
√分子構造、その可鍛性のある分子構造により、エッジの品質が望ましくない場合があり、多くの場合、エッジにバリが現れたり、切断エッジに沿ってわずかな溶解効果が現れたりするため、要求の厳しいプロジェクトによっては後処理が必要になります。{0}}
ステンレス鋼
ファイバー レーザーは CO₂ レーザーよりもエネルギー効率が約 . 40% 高いため、同じ出力で厚い板を約 30% 切断できるため、ステンレス鋼材料の切断ではファイバー レーザーの方が一般的です。酸素は切断能力を向上させますが、暗い酸化層を生成します。たとえば、3000W ファイバー レーザーは 12 mm のプレートを切断できますが、酸素を使用すると限界を 18 mm まで拡大できます。窒素は酸化層を大幅に減少させることができるため、高い表面品質が要求される厚板に広く使用されています。ステンレス鋼材料のレーザー切断品質は、主に次の 6 つのパラメータによって決まります。
√ 出力設定はステンレス鋼材料の厚さと種類に応じて異なります。また、レーザーカットの穴がノズルの中心と同軸であることが重要です。一般的な電源オプションは次のように示されます。
1.薄いプレート (1 ～ 3 mm)、1000 ～ 2000 W の電力、熱変形を防ぐ窒素保護機能付き
2.中程度のプレート (10 ～ 25 mm)、4000 ～ 6000 W の電力を推奨、スラグの欠陥を減らすために酸素が使用されます
3. Extra thick plate (>50mm): ガス圧の安定性を制御してテーパー状況を軽減しながら、複数の穿孔技術と組み合わせて 12000W + 電力が必要です。
√ ノズルのサイズは、切開部に入るガス流の形状、ガス拡散領域、ガス流量を決定し、溶融物の除去と切断の安定性に影響します。切り込みに入る空気の流れが大きく、速度が速く、空気の流れの中でのワークの位置が適切であるほど、溶融材料を除去するスプレー能力が強くなります。ステンレス鋼の厚さが厚いほど、大きなノズルを使用し、比例弁の設定を大きくし、流量を大きくすることで圧力を確保し、常用断面効果をカットできます。さまざまな厚さのステンレス鋼を切断する場合の推奨ノズル直径は次のとおりです。
1. 1mm、φ1.0mm
2. 2-3mm、φ1.5mm
3. 3-5mm、φ2.0mm
4. 5-10mm、φ3.0mm+
√ アシストガスの種類、酸素、窒素、空気は通常、ステンレス鋼のレーザー切断に使用され、それぞれが切断品質に異なる影響を与えます。酸素は発熱反応を起こし、切断面に追加の熱を加えて切断面をより滑らかにしますが、切断面が黄色味を帯びます。窒素はステンレス鋼の元の色を酸化から保つことができ、窒素で切断すると発熱酸化反応が起こらないため切り口幅が狭くなり、下部切り口から溶融金属を押し出すためにより高い窒素圧力が必要になります。したがって、窒素はステンレス鋼の切断に推奨される補助ガスです。アシストガスは、レーザービームに沿ってワークピース上に同軸上に向けられ、その主な目的は、溶融材料を切り口から排出し、ドロスの形成を防ぐことです。
√ 焦点位置、プレートの厚さ、ステンレス鋼のグレードが異なると、異なる焦点位置が必要になります。切断前に実際のゼロフォーカスを測定し、ゼロフォーカスをベンチマークとして切断プロセスパラメータのテストと分析を実行できます。ネガティブデフォーカスは、ステンレス鋼の切断における主なプロセス選択の方向です。厚いプレートを切断する場合、エネルギー分布を最適化するために、焦点をプレート内 (通常はプレートの厚さの 1/3 ～ 1/4) に設定する必要があります。
√ 周波数設定、高周波切断 (400-500Hz) により、スラグ残留物が減少し、薄板や高精度が要求されるワークピースの切断品質が向上します。中厚板（6～10mm）を切断する場合、100Hzに設定すると切断不良が発生する場合は、周波数を200～300Hzに下げると切断品質が向上します。
√ デューティサイクル、デューティサイクル 53% が重要な値です。デューティサイクルを下げ続けると、下面に切り残しが残り、デューティサイクルが60%に上昇し、断面が荒れて層状になります。パルスデューティサイクルとは、各パルスにおけるビーム照射時間の割合を指します。
炭素鋼
炭素鋼のレーザー切断には、通常、特定の出力範囲、鋼の厚さ、ノズル直径が必要です。以下は、多くのメーカーが選択する一般的な固定パラメータ設定です。
√鋼厚:1.0-3.0 mm 1-2 Kw ノズル付き 1.0-1.5 mm
√鋼厚: 3.0-6.0mm 2-4 Kw ノズル付き 1.5-2.0mm
√鋼厚 6.0 ～ 10.0 mm、4 ～ 6 Kw、ノズル 2.0 ～ 2.5 mm
√上記の鋼厚には 6K+Kw の電力が必要で、ノズルのサイズは多くの場合 2.5mm より大きくなります。
炭素鋼のレーザー切断に関する考慮事項
8mm炭素鋼板
レーザー切断に最適なプロセスパラメータを決定する方法を議論する場合、通常、レーザー出力、切断速度、ガスの種類、ノズルサイズ、圧力など、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。これらのパラメータを適切に調整することで、炭素鋼板のレーザー切断効果を最適化し、生産効率と切断品質を向上させることができます。さらに、さまざまな切断パターンは切断プロセスパラメータの選択と調整に影響を与え、それが切断速度と品質に影響します。オペレータは、大量切断の前に実験と最適化パラメータを設定する必要があることを理解する必要があります。同時に、継続的な試みと最適化を通じて、徐々に経験を蓄積し、切断の精度と効率を向上させることができます。一連の実験の結果、厚さ 8 mm の炭素鋼を切断するための中出力ファイバー レーザー切断機の最適なプロセス パラメータを得ることができました。-次に、8mm および 3mm の炭素鋼をレーザー切断するための選択と調整について詳しく説明します。
√レーザーの種類: ファイバーレーザー
√切断速度: 13mm/s
√電力: 5Kw
√焦点位置:+3.2mm
√ノズルサイズ：2.3mm
√アシストガス：酸素
√ガス圧0.04MPa。
√穿孔周波数：80HZ。
3mm炭素鋼板
√レーザーの種類: ファイバーレーザー
√切断速度: 70mm/秒
√電力: 3Kw
√焦点位置:+2mm
√ノズルサイズ：2.3mm
√アシストガス：酸素
√ガス圧0.35MPa。
√穿孔周波数：300HZ。
工業用途における CO2 レーザーによる切り口幅は一般的に 0.2 ～ 0.3 mm 程度で、特に中厚板の切断に適していますが、レーザー切断の種類や鋼材の厚さによっても異なります。酸素アシストにより切り口幅が広がりますが、速度が向上します。酸素アシストにより二次研削が必要なバリが生成される一方で、窒素レーザー切断ではきれいでスラグのないエッジが得られます。{4}}
銅と真鍮
銅と真鍮の高い反射率、導電率、多用途性は、レーザー切断に特有の課題をもたらしています。レーザー切断の効率と精度に影響を与える 2 つの主な要因は反射率と熱伝導率です。ファイバー レーザーは、これらの課題を克服するために広く使用されており、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮などの反射性金属をレーザー切断する場合、オペレーターは次のパラメータを考慮する必要があります。
√ファイバー レーザーには、銅、アルミニウム、ステンレス鋼などの反射金属によく吸収される波長 1 μm の波長が一般的に推奨されます。-
√パワーとパルス。過剰な熱の蓄積や反射を防ぐために、レーザーのパワーとパルス幅を調整して切断プロセスを最適化することは非常に賢明です。薄い銅シートの場合、パルスピアシング技術が効果的です。これには、材料にピアシングが行われるまで、一連の短いパルスにわたってレーザー出力を徐々に増加させ、不完全な切断やドロスの形成を回避することが含まれます。
√アシストガス、窒素、酸素は反射性金属のレーザー切断によく使用され、溶融した材料を吹き飛ばして反射を防ぐのに役立ちます。
√集束光学系。反射を最小限に抑え、切断効率を最適化するには、集束光学系が清潔で適切に位置合わせされていることを確認することが重要です。
√ビーム配信、反射コーティングを備えた高品質のビーム配信システムは、反射を最小限に抑えるのに役立ちます。{0}
√過剰な反射や熱の蓄積を引き起こさずに望ましい切断品質を達成するために、速度、出力、焦点距離などの切断パラメータを校正し、大量生産を開始する前に小規模でテスト切断することを強くお勧めします。
結論として、銅のレーザー切断を管理するには、適切な機器を選択し、切断プロセスの複雑さを理解し、さまざまなパラメータを実験する必要があります。銅やその他の反射金属によってもたらされる特有の課題に対処することで、レーザー技術の可能性を最大限に活用できます。以下は、さまざまな厚さの銅または真鍮プレートに推奨される電力です。
1. 薄いシート、0.8-1.5mm、1,000W
2.中皿（1.5～2.5mm）、1,500～1,800W
3. 中～厚板（3～6mm）、2,000～6,000W
一方、銅を適切な温度に維持することは非常に重要です。切断速度を最大許容速度の 85 ～ 90% に設定することをお勧めします。これにより、スムーズな切断プロセスが保証されます。酸化を避け、よりきれいなエッジを実現するには、窒素の使用を強くお勧めします。これは、アルミニウム、ステンレス鋼、真鍮、銅などの高反射金属に特に役立ちます。
