気化切断
高出力密度レーザービームの加熱下では、材料の表面温度が沸点まで上昇する速度が非常に速く、熱伝導による溶融を回避するのに十分であるため、材料の一部は蒸気となって蒸発して消滅し、材料の一部は補助ガス流によってスリットの底から噴出物として吹き飛ばされます。木材、炭素材料、一部のプラスチックなど、溶融できない材料は、この蒸発切断方法によって切断および成形されます。
気化切断プロセスでは、蒸気が溶融粒子を運び去り、破片を洗い流して穴を形成します。気化プロセスでは、材料の約 40% が蒸気に変わって消滅し、材料の 60% は溶融液滴の形で空気の流れによって吹き飛ばされます。
溶解切断
入射レーザービームのパワー密度が一定値を超えると、ビーム照射点内の材料が蒸発し始め、穴が形成されます。この小穴が形成されると、黒体として入射ビームのエネルギーをすべて吸収します。小穴は溶融金属の壁に囲まれ、ビームと同軸の補助気流が穴の周りの溶融材料を吹き飛ばします。ワークピースが移動すると、小穴が切断方向に同期して移動し、スリットを形成します。レーザービームはスリットの前縁に沿って照射し続け、溶融材料はスリットから連続的または脈動的に吹き飛ばされます。
酸化溶融
溶融切断では、一般的に不活性ガスを使用しますが、これを酸素などの活性ガスに置き換えると、レーザー光の照射下で材料が発火し、酸素との激しい化学反応が起こり、別の熱源が発生します。これを酸化溶融切断と呼びます。具体的な説明は次のとおりです。
⑴ レーザー光の照射により、材料の表面が急速に発火温度まで加熱され、酸素との激しい燃焼反応が起こり、大量の熱を放出します。この熱の作用により、材料の内部に蒸気で満たされた小さな穴が形成され、その小さな穴は溶融金属の壁に囲まれます。
⑵ 燃焼物質がスラグに移行すると、酸素と金属の燃焼速度が制御されます。同時に、酸素がスラグを通って点火前線に拡散する速度も燃焼速度に大きな影響を与えます。酸素流量が高いほど、燃焼化学反応とスラグの除去が速くなります。もちろん、酸素流量は高いほど良いです。流量が速すぎると、スリットの出口で反応生成物、つまり金属酸化物が急速に冷却され、切断品質にも悪影響を与えるためです。
⑶ 酸化溶融切断プロセスには、レーザー照射エネルギーと酸素と金属の化学反応によって発生する熱エネルギーの2つの熱源があることは明らかです。鋼を切断する場合、酸化反応によって放出される熱は、切断に必要な総エネルギーの約60％を占めると推定されています。
明らかに、不活性ガスと比較して、酸素を補助ガスとして使用すると、より高い切断速度を実現できます。
⑷ 2つの熱源による酸化溶融切断プロセスでは、酸素の燃焼速度がレーザービームの移動速度よりも速い場合、スリットは広くて粗く見えます。レーザービームの移動速度が酸素の燃焼速度よりも速い場合、結果として得られるスリットは狭く滑らかになります。
制御された骨折
熱によって損傷を受けやすい脆性材料の場合、レーザービーム加熱による高速かつ制御可能な切断を制御破断切断と呼びます。この切断プロセスの主な内容は、レーザービームが脆性材料の小さな領域を加熱し、その領域に大きな熱勾配と深刻な機械的変形を引き起こし、材料に亀裂を生じさせることです。加熱勾配がバランスが取れている限り、レーザービームは亀裂を任意の方向に形成するように誘導できます。
この制御破断切断は、鋭角やコーナースリットの切断には適していないことに注意してください。また、特大の閉じた形状の切断に成功するのは簡単ではありません。破断切断速度を素早く制御し、高すぎる電力を必要としないでください。そうしないと、ワークピースの表面が溶けてスリットエッジが損傷します。主な制御パラメータは、レーザー出力とスポットサイズです。
