効率を最大化する：レーザー切断における補助ガスとしての空気

1960年代に導入された革新的な技術であるレーザー切断は、材料加工における比類のない精度と効率性により、さまざまな産業に不可欠なものとなっている。この高度な切断方法は、さまざまな分野の生産工程を大幅に合理化した。

しかし、レーザー切断技術の普及は市場競争を激化させ、装置メーカーやサービスプロバイダーの価格圧力や利益率の低下を招いている。競争力を維持するため、企業は生産プロセスの最適化と全体的な業務効率の向上に注力しなければならない。

レーザー切断作業のコスト削減を達成する効果的な戦略の1つは、アシストガスとして空気を利用することである。この方法は、窒素や酸素のような従来のアシストガスと比較していくつかの利点がある：

1. 費用対効果：空気は特殊なガスよりも大幅に安価であるため、運用コストを大幅に削減できる。
2. 入手しやすさ：空気は容易に入手可能であるため、複雑なガス貯蔵・供給システムは必要ない。
3. 汎用性：エアは、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウムなど、さまざまな材料の切断に効果的に使用できます。

エアアシスト・レーザー切断を効果的に実施するには、以下のベストプラクティスを検討してください：

1. 適切な空気ろ過と乾燥：コンタミネーションを防ぎ、カットの品質を維持するために、空気が清浄で乾燥していることを確認する。
2. 最適化された空気圧：材料の厚みや種類に応じて空気圧を調整し、最適な切断性能を実現。
3. ノズルの設計：エアアシスト切断用に設計された専用ノズルを使用し、切断の効率と品質を最大限に高める。
4. 切断パラメータの最適化：レーザー出力、切断速度、焦点位置を微調整し、エアアシストで最高の結果を得る。

エアアシスト切断は、すべての用途、特に酸化物のない切断や反射率の高い材料の切断を必要とする用途に適しているわけではないが、幅広い切断作業において作業コストを大幅に削減することができる。

エアアシスト・レーザー切断の導入は、生産工程を強化し、効率を向上させ、付加価値活動に注力する包括的戦略の一環であるべきである。このアプローチと研究開発への継続的な投資を組み合わせることで、企業は進化するレーザー切断市場で競争力を維持することができる。

異なる補助ガスが切断品質に及ぼす影響

まずは レーザー切断プロセス:

レーザー発振器で発振されたレーザーはレンズを通して集光され、小さな強い光スポットを形成する。レンズとプレート間の距離は、材料の厚さ方向におけるレーザースポットの安定性を確保するために慎重に制御される。

この時点で、レンズは光を高い出力密度のスポットに集束させ、通常106～109W/cm2に達する。材料は光スポットからのエネルギーを吸収して瞬時に溶融し、溶融した材料は補助ガスの流れによって除去され、切断プロセスが完了する。

切断プロセス全体を通して、補助ガスは切断に必要な力を提供することと、被加工物から溶融材料を除去することの2つの主な役割を果たす。

このプロセスでは、ガスの種類によって素材やセクションに与える影響が異なる：

(1) 酸素

レーザー切断における補助ガスとしての酸素は、溶融金属の除去を促進し、発熱性の酸化反応を触媒するという2つの目的を果たす。この相乗効果により、特に厚い材料に対するレーザーの切断能力が大幅に向上する。酸化反応はさらなる熱を発生させ、切断部でのエネルギー密度を効果的に高め、プロセス全体の効率を向上させます。

しかし、酸素の使用にはトレードオフが伴う。切削表面はかなりの酸化を受けるため、まっさらな表面を必要とする用途では後処理が必要になる場合がある。興味深いことに、酸素ジェットによって引き起こされる急冷によって、硬度が増加した局所的な熱影響部（HAZ）が形成される。この冶金学的変化は、ある種の後工程に有利であり、追加の熱処理工程の必要性を減らす可能性がある。

(2) 窒素

不活性ガスである窒素は、レーザー切断中に保護雰囲気を作り出し、溶融金属を酸化から効果的に保護します。その結果、高品質で酸化物のない切断面が得られ、これは酸化に敏感な材料や優れた表面仕上げを要求する用途にとって極めて重要である。しかし、酸素とは異なり、窒素は発熱反応によって追加の熱エネルギーを提供する能力がないため、特に厚い材料では、酸素に比べて切断能力が制限される。

補助ガスとして窒素を使用する場合、効果的な遮蔽と溶融金属の排出を達成するために、通常、より高い流量が必要となる。この消費量の増加は、空気や酸素に比べて窒素のコストが高いことと相まって、操業コストの上昇を招く。しかし、これらのコストは、多くの用途において、切断品質の向上と後処理要件の削減という利点と天秤にかける必要があります。

(3) 空気

入手が容易で費用対効果の高い空気は、レーザー切断にバランスの取れたアプローチを提供します。約78%の窒素と約21%の酸素からなる組成は、部分酸化と部分遮蔽のユニークな組み合わせを提供します。その結果、切断端では適度な酸化が生じますが、窒素の含有量が多いため、過度の酸化が緩和され、対流による熱伝導に寄与します。

空気による切断性能は、純酸素と純窒素の中間に位置する。厚い材料に対する酸素の切断速度や、窒素で達成される表面品質には及ばないかもしれないが、空気は幅広い用途に対応する汎用的で経済的なソリューションを提供する。エアの使用に伴う主なコストは、エアコンプレッサーの消費電力とエアろ過システムのメンテナンスであり、一般的に純ガスシステムで発生する費用よりも低い。

これらの補助ガスの選択は、材料の種類、厚さ、希望する切断品質、経済性などの要因によって決まる。最新のレーザー切断システムでは、多くの場合、ガスの動的切り替えが可能であり、オペレーターは特定の作業要件に基づいてガス選択を最適化することができます。

補助ガスの違いが切削コストに及ぼす影響

図1は、1の切断部効果を示す図である。厚さ5mm 304ステンレス鋼に窒素と空気を補助ガスとして使用。図に見られるように、補助ガスとして窒素を使用した場合、断面は光沢のある明るい色になり、空気を使用した場合は薄い黄色になる。

厚さ1.5mmの304ステンレス鋼に対する、空気と窒素を補助ガスとした場合の切断コストの比較を表1に示す。比較には、最新世代の ファイバーレーザー切断機 自社開発のファイバーレーザー発振器を搭載。

コスト分析の結果、補助ガスに空気を使用した場合、窒素を使用した場合と比較して、1時間当たりの切断コストが23.7%減少することが明らかになった。この切断コストの削減は、工場全体の加工コストの削減に大きな影響を与える。

さらに、エアコンプレッサーの消費電力を以下のように分析した：

現在、多くの企業が非可変スクリューエアコンプレッサーを使用している。永久磁石式周波数スクリュー・エア・コンプレッサーを使用すれば、エア・コンプレッサーだけで最大50%の電力を節約できる。

補助ガスとして空気を使用した場合、切断コストは窒素を使用した場合よりも36.2%低い。

表1 切断コストの比較

注：

(1) 上記のコスト分析は、以下の前提で計算されている：

• 工作機械の稼働率は70%とした。
• 電気料金は1元/KWとした。
• 窒素のコストは、液体窒素の価格を1.5元/kgとして計算した。

(2)空気で切断する場合の空気圧縮機の消費電力は、容量17.5kW、圧力1.26MPa、流量2.3mの無可変スクリュー空気圧縮機で計算した。³/分

(3) 窒素を切断補助ガスとして使用する場合、エアコンプレッサーからガスを供給する必要があり、電気代がかかる。

(a) 窒素を補助ガスとする場合の切断部

(b) 補助ガスとして空気を使用する場合の切断部

(c）2つの部品の断面比較（左が窒素、右が空気）

図.1 補助ガスに窒素と空気を使用した場合の切断部効果

補助ガスとして空気を使用する場合の適用範囲

(1) 炭素鋼板Q235鋼板

板厚が1.5mmを超えると、切断部にある程度のバリが発生する。しかし、そのバリは紙を引っ掻くほど鋭利なものではない。

補助ガスとしてエアーを使用した場合、切断可能な最大厚さは、出力とガス種によって異なります。 レーザーの種類 発電機

(2）ステンレス鋼板/SUS304鋼板

切断部では黄色い酸化被膜ができる。

(3)アルミプレート/A1050プレート&#8252 アルミニウム合金板 /A5052プレート

について 切りバリ は、補助ガスとして窒素を使用する場合よりも減少する。

表2は、炭酸ガスレーザー切断機の補助ガスとして空気を使用した場合の切断範囲と、炭酸ガスレーザー切断機の補助ガスとして空気を使用した場合の切断範囲を示している。 ファイバーレーザー切断 のマシンがある。

表2 補助ガスとして空気を使用した場合の最大板厚の切断

補助ガスとしての空気が切断に及ぼす影響

(1) 炭素鋼板の場合

炭素鋼のレーザー切断時に補助ガスとして空気を使用すると、バリの少ない切断部が得られる。これらのバリは、他のガスで生成されるものに比べ、一般的に鋭くなく、管理しやすい。この結果は、中程度のバリ公差が要求される部品に特に有利である。空気と溶鋼の酸化反応により、薄い酸化層が形成され、溶鋼の排出が促進されるため、よりきれいな切断面が得られます。

(2) ステンレス鋼板の場合

ステンレス鋼板の切断に補助ガスとして空気を使 用すると酸化が起こり、いくつかの問題が生じる。切断端には、スラグ形成や溶接予定部位の空隙 (ストーマ) などの欠陥が発生する可能性がある。これらの欠陥は、その後の溶接作業の完全性 を著しく損ない、溶接継手の強度と品質を低下 させる可能性がある。

これらの問題を軽減するためには、切断後の表面処理工程を実施することが極めて重要である。この工程では通常、入念な研削または研磨によって、切断端から酸化被膜を機械的に除去する。この工程は、表面を高品質の溶接に適した状態に戻し、最適な接合強度と性能を確保するために不可欠である。

さらに、切断部には特徴的な黄褐色の酸化被膜が生じる。この変色は、美観が重要視される外観部品では問題となる。また、酸化被膜は不純物を混入させたり、材料の表面特性を変化させたりすることで、溶接工程にも支障をきたします。そのため、適切な融合と接合部の完全性を確保するためには、溶接作業の前に研磨または化学処理によってこの層を除去することが不可欠である。

(3) アルミニウム板、アルミニウム合金板の場合

アルミニウムおよびアルミニウム合金板の場合、切断時の補助ガスとして空気を使用することで、バリの減少という点で明確な利点が得られます。空気で発生する酸化プロセスは、溶融金属の流れを管理するのに役立ち、その結果、切断エッジに沿ってバリがより小さく制御されます。これは、窒素を補助ガスとして使用する場合とは対照的で、きれいな切断ができる反面、酸化効果がないために大きなバリが発生する傾向があります。

アルミニウムの切断に空気と窒素のどちらを使用するかは、多くの場合、特定の合金組成、板厚、および切断部品の用途によって決まります。最小限の後処理が望まれ、わずかな酸化が許容される用途では、空気を選択することができます。しかし、高精度の部品や完全に酸化のない表面が要求される場合は、バリが大きくなっても窒素の方が有利な場合があります。

補助ガスとして空気を使用する場合の空気供給装置の要件

金属加工工程で補助ガスとして空気を使用する場合、0.9MPaの安定した圧力が不可欠です。この要件を満たすには、定格使用圧力1.26MPa、流量2.3m³/minのスクリュー式エアコンプレッサの採用を推奨する。この仕様により、十分な圧力と流量を確保し、最適な性能を発揮することができます。

精密切断や溶接の用途では、空気の質が非常に重要です。圧縮空気は、含水率1/100以下で99%の乾燥率を達成する必要があります。この高い基準を維持するには、圧縮空気パイプラインに高効率微粒子空気（HEPA）フィルターと合体フィルターを組み込んだ多段ろ過システムを導入します。これらのフィルターエレメントの定期的なメンテナンスと交換は、長期間にわたって空気品質を維持するために非常に重要です。

効果的な水分除去には、再生吸着式ドライヤーと冷蔵式ドライヤーの2つの主要な乾燥機オプションがある。どちらにも利点がありますが、再生吸着式ドライヤーは安定性に優れ、メンテナンスの必要性が低く、運転寿命が長いため好まれます。これらのシステムは、湿気を除去するために乾燥剤を利用し、周囲条件が変化しても安定した性能を発揮します。

圧縮空気分配システムを設計する際には、パイプラインの直径と減圧器の選定を慎重に検討する必要があります。これらのコンポーネントは、コンプレッサーの流量と圧力出力に基づいてサイズを決め、圧力損失を最小限に抑え、使用ポイントでの安定した空気供給を確保する必要があります。適切なサイズのヘッダーとドロップレッグを備えたループシステムを導入することで、圧力の安定性とシステム効率をさらに高めることができます。

エネルギー消費を最適化するには、永久磁石式可変周波数駆動（VFD）スクリューエアコンプレッサへの投資をご検討ください。これらの高度なシステムは、固定速度の代替品と比較して、最大50%の電力使用量を削減できます。VFD技術により、コンプレッサーは需要に基づいて出力を調整することができ、その結果、空気消費量が少ない期間に大幅なエネルギー削減を実現します。

さらに、包括的な空気管理システムを導入することで、空気使用パターンの監視、漏れの検出、コンプレッサー運転の最適化により、効率をさらに高めることができます。圧縮空気システムの定期的な監査により、性能とエネルギー効率の両方を改善する機会を特定することができます。

結論

競争の激しい今日の産業界において、企業は生産プロセスを最適化し、製品設計を高度化し、革新的な製造戦略を実施することで、大きな優位性を得ることができる。

競争上の優位性を達成するための特に効果的なアプローチは、既存のワークフローにおける処理コストの削減にある。これは、先進技術の採用とスマートなプロセスの最適化によって達成できる。

そのような費用対効果の高い解決策のひとつが、特に特定の材料や厚みの切断作業において、補助ガスとして空気を利用することである。この方法は、特に窒素や酸素を使用する従来の方法と比較した場合、切断コストを大幅に削減することができます。その利点は、単なるコスト削減にとどまりません：

1. ガス消費量の削減による環境負荷の低減
2. ロジスティクスと保管要件の簡素化
3. 特定の用途における切削速度向上の可能性
4. 全体的な業務効率の向上

適切な場所にエアアシスト切断を導入することで、企業は利益率を高めるだけでなく、事業展開の他の重要な分野により効果的にリソースを割り当てることができる。このような戦略的な資源配分の転換は、より広範な変革やアップグレードの取り組みに不可欠な支援となり、企業は日進月歩の産業環境の中で競争力を維持することができる。

しかし、補助ガスとしての空気の適否は、材料の種類、厚さ、要求される切断品質などの要因によって異なることに注意することが重要である。企業は、生産ラインにこの技術を導入する前に、徹底的なコスト・ベネフィット分析と品質評価を行うべきである。

産業が進化し続ける中、持続可能な成長とイノベーションを追求しながら競争力を維持することを目指す企業にとって、このような費用対効果が高く効率的な技術を取り入れることは極めて重要である。