レーザー切断装置は、工具加工コストがかからないため、これまで加工できなかったさまざまなサイズの部品を少量生産するのにも適しています。レーザー切断装置は通常、コンピュータ数値制御技術 (CNC) デバイスを使用します。このデバイスを使用すると、電話回線を使用して、コンピュータ支援設計 (CAD) ワークステーションから切断データを受信できます。
原理
レーザー切断は、集中した高出力密度のレーザービームをワークピースに照射し、照射された材料を急速に溶融、気化、アブレーション、または発火点に到達させ、同時に溶融材料をビームと同軸の高速気流で吹き飛ばすことで、ワークピースの切断を実現します。レーザー切断は熱切断法の1つです。
レーザー切断の原理を下図に示します。
分類
レーザー切断は、レーザー気化切断、レーザー溶融切断、レーザー酸素切断、レーザースクライビングおよび制御破砕の 4 つのカテゴリに分類できます。
1.レーザー気化切断
ワークピースは高エネルギー密度のレーザービームによって加熱され、温度が急速に上昇し、非常に短時間で材料の沸点に達し、材料が気化して蒸気を形成し始めます。蒸気は高速で噴出され、蒸気が噴出する間に材料に切断が形成されます。材料の気化熱は一般に非常に大きいため、レーザー気化切断には多くの電力と電力密度が必要です。
レーザー気化切断は、主に非常に薄い金属材料や非金属材料（紙、布、木材、プラスチック、ゴムなど）の切断に使用されます。
2.レーザー溶融切断
レーザー溶融切断では、レーザー加熱により金属材料を溶かし、ビームと同軸のノズルから非酸化性ガス（Ar、He、Nなど）を噴射します。ガスの強い圧力により液体金属が排出され、切り込みが形成されます。レーザー溶融切断では、金属を完全に気化する必要がなく、必要なエネルギーは気化切断の1/10にすぎません。
レーザー溶融切断は主に、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムおよびその合金など、酸化されにくい材料や活性金属の切断に使用されます。
3. レーザー酸素切断
レーザー酸素切断の原理は酸素アセチレン切断に似ています。レーザーを予熱熱源として使用し、酸素などの活性ガスを切断ガスとして使用します。一方では、噴射されたガスが切断金属と反応して酸化反応を起こし、大量の酸化熱を放出します。他方では、溶融酸化物と溶融物が反応ゾーンから吹き出され、金属に切り込みを形成します。切断プロセス中の酸化反応は大量の熱を生成するため、レーザー酸素切断に必要なエネルギーは溶融切断の1/2に過ぎず、切断速度はレーザー気化切断や溶融切断よりもはるかに高速です。レーザー酸素切断は主に、炭素鋼、チタン鋼、熱処理鋼などの酸化しやすい金属材料に使用されます。
4. レーザースクライビングと制御破砕
レーザースクライビングは、高エネルギー密度レーザーを使用して脆性材料の表面をスキャンし、加熱時に材料を蒸発させて小さな溝を作り、その後一定の圧力を加えることで脆性材料が小さな溝に沿って割れるようにします。レーザースクライビングに使用されるレーザーは、一般的にQスイッチレーザーとCO2レーザーです。
制御破壊は、レーザー溝入れによって生成される急激な温度分布を利用して脆性材料に局所的な熱応力を発生させ、小さな溝に沿って材料を破壊します。
特徴
他の熱切断方法と比較して、レーザー切断の全体的な特徴は、切断速度が速く、品質が高いことです。次のようにまとめることができます。
⑴ 切断品質が良い
レーザー切断は、レーザースポットが小さく、エネルギー密度が高く、切断速度が速いため、より優れた切断品質を実現できます。
①レーザー切断の切込みは狭く、スリットの両側は表面に対して平行かつ垂直であり、切断部品の寸法精度は±0.05mmに達します。
② 切断面は滑らかで美しく、表面粗さはわずか数十ミクロンです。機械加工をせずにレーザー切断を最終工程として使用し、部品をそのまま使用することもできます。
③材料をレーザー切断した後、熱影響部の幅は非常に小さく、スリット付近の材料の性能はほとんど影響を受けず、ワークピースの変形は小さく、切断精度は高く、スリットの形状は良好で、スリットの断面形状は比較的規則的な長方形を呈する。レーザー切断、酸素アセチレン切断、プラズマ切断法の比較を表1に示す。切断材料は厚さ6.2mmの低炭素鋼板である。
⑵ 高い切断効率 レーザーの伝送特性により、レーザー切断機には通常、複数のCNCワークベンチが装備されており、切断プロセス全体を完全にCNC制御できます。操作中は、CNCプログラムを変更するだけで、異なる形状の部品の切断を適用でき、2次元切断と3次元切断の両方を実行できます。
⑶ 切断速度が速い
1200Wレーザーで厚さ2mmの低炭素鋼板を切断する場合、切断速度は600cm/分に達します。厚さ5mmのポリプロピレン樹脂板を切断する場合、切断速度は1200cm/分に達します。レーザー切断中に材料をクランプして固定する必要がないため、工具と固定具の両方を節約でき、積み込みと積み下ろしの補助時間も節約できます。
⑷ 非接触切断
レーザー切断中、切断トーチはワークピースに接触せず、ツールの摩耗もありません。異なる形状の部品を加工するには、「ツール」を交換する必要はなく、レーザーの出力パラメータを変更するだけで済みます。レーザー切断プロセスは、低騒音、低振動、無公害です。
⑸ 切削材料の種類が豊富
酸素アセチレン切断やプラズマ切断と比較すると、レーザー切断対象材料は金属、非金属、金属系および非金属系複合材料、皮革、木材、繊維など多種多様です。しかし、材料によって熱物性やレーザーの吸収率が異なるため、レーザー切断の適応性は異なります。CO2レーザーを使用した場合の各種材料のレーザー切断性能を表2に示します。
（6）デメリット：レーザー出力と設備サイズの制限により、レーザー切断では中薄板とパイプしか切断できず、ワークピースの厚さが増すにつれて切断速度が大幅に低下します。
