材料組成とレーザー切断品質：関係を理解する
同じ装置とパラメータでレーザー切断の品質が異なるのはなぜか？この記事では、炭素鋼板の組成が切断結果にどのような影響を及ぼすかについて掘り下げる。この記事では、炭素鋼板の組成が切断結果にどのような影響を及ぼすかについて考察する。
レーザー切断で一流の品質を確保する方法を考えたことがあるだろうか。この記事では、レーザー切断の精度と効果を評価するために不可欠な9つの基準について概説します。粗さ、直角度、切断幅などの要素を評価する方法を学びます。これらの基準を理解することで、レーザー切断機の性能を判断し、改善することができるようになり、金属加工プロジェクトのより良い結果と効率につながります。優れたレーザー切断品質を定義する主な指標をご覧ください。
レーザー切断機の品質は、主にその切断品質によって決定され、機械を評価する最も直接的な方法である。レーザー切断機を購入する際、新規の顧客は通常、その機械で行われるサンプル切断工程を見るよう要求する。
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のカッティングスピードは レーザー切断 設備は顧客にとって重要である。さらに、サンプルの切断品質にも注目すべきである。
では、レーザー切断の品質をどのように評価し、何に注意すべきなのか。もう少し詳しく説明しよう。
以下の9つの基準を念頭に置くことが重要である。
レーザー切断では、切断エッジに特徴的な縦縞が発生し、この縦縞の深さと頻度が表面粗さを決定する。これらの筋の強さとパターンは、切断品質と表面仕上げに直接相関している。
縞模様が薄く、顕著でないほど、切断面が滑らかであることを示し、その結果、粗さ値（Ra）が低くなる。この滑らかな仕上げは、美的魅力と機能的性能の両方を向上させるため、ほとんどの用途で一般的に望ましい。
表面粗さは、切刃の外観だけでなく、摩擦特性、耐摩耗性、材料付着の可能性などのトライボロジー特性にも大きく影響します。より滑らかな表面は、一般的に摩擦係数が低く、耐摩耗性が向上します。これは、動的な接触を受ける部品や精密なはめあいを必要とする部品にとって非常に重要です。
レーザー切断の大半の用途では、表面粗さを最小限に抑えることが、最適な部品品質を達成する主な目的です。その結果、より軽くて均一な縞模様は、優れた切断品質を示します。このような筋状の形成に影響を与える要因には、レーザー出力、切断速度、アシストガス圧力、および材料特性が含まれます。
粗さを定量化し制御するために、メーカーはしばしば表面粗さ測定（例えば、Ra、Rz値）を採用し、アプリケーション要件に基づいて許容範囲を指定することがあります。高度なレーザー切断システムは、さまざまな材料の厚さや組成にわたって一貫した表面品質を維持するために、リアルタイムでパラメータを最適化することができます。
板金の厚みが10mmを超えると、寸法精度とその後の加工作業の両方において、切断エッジの垂直性が重要になります。焦点から伝播するレーザービーム固有の発散は、厚い材料の切断品質に大きく影響します。
ビームが材料を通過すると発散し、カーフ（切断幅）が変化します。この発散により、材料表面に対する焦点位置によって、カットの上部または下部の幅が広くなるテーパーカットが生じます。例えば、焦点が上面に設定されている場合、カーフは通常、カットの底に向かって広がります。
真の直角度からの偏差は、材料の厚さやレーザーのパラメータによって、数分の一ミリから数ミリの範囲になることがあります。この偏差は、直角度または直角度公差として定量化され、多くの場合、材料厚さに対するパーセンテージまたは絶対値で表されます。
高い直角度を達成することは、いくつかの理由から極めて重要である：
厚物切断における直角度を最適化する：
これらのパラメーターを注意深く制御することで、多くの厚い断面のアプリケーションで刃先の直角度を±0.05mm以内にすることができ、部品全体の品質を大幅に向上させ、後処理の必要性を減らすことができます。
一般的に切断幅と呼ばれるカーフ幅は、レーザー切断の精度と部品の品質において重要な役割を果たします。一般的に、全体的な切断品質には大きな影響を与えませんが、高精度の輪郭や複雑な形状を持つ部品を製造する際には、重要な要素となります。
カーフ幅は、アウトライン形状で達成可能な最小内径に直接影響します。板厚が増加すると、レーザービームの発散と材料相互作用時間の増加により、一般的に切断幅が拡大します。材料厚と切り口幅のこの関係は、精密用途では注意深く考慮する必要があります。
材料の厚さや切断幅が変わっても一貫した高精度を維持するためには、いくつかの要素を最適化する必要がある：
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厚板を高速で切断する場合、レーザービームによって生成された溶融金属は、垂直ビームの下の切り口に溜まることはない。その代わり、溶融金属はレーザーの動きを追って切断面の下部から排出される。この現象は、高圧アシストガスと高速で移動する溶融金属の運動量によって発生する。
その結果、レーザービームの進行軌跡に沿って、切断端に特徴的な曲線状の筋が形成される。この縞模様は、しばしばドラッグラインと呼ばれ、加工物の切断品質や寸法精度に影響を与えます。
この問題を軽減するためには、動的な送り速度制御戦略を導入することが重要である。具体的には、切断工程の終盤で送り速度を低下させることで、このような曲線の形成を大幅に抑えることができる。この減速により、溶融物の排出が改善され、切断の最上部と最下部の間のタイムラグが減少するため、より直線的で平行な筋が形成され、エッジの品質が向上する。
最適な結果を得るためには、以下のテクニックを考慮すること：
バリの形成は、レーザー切断作業の品質と効率に大きく影響する重要な要因である。切断エッジに沿った材料のこれらの望ましくない突起は、ワークピースの寸法精度と表面仕上げに影響を与えるだけでなく、追加の後処理工程を必要とし、潜在的に生産時間とコストを増加させます。
バリの形成の度合いと程度は、切削品質を評価する上で最も重要な考慮事項です。バリは通常、大きさ、形状、位置によって分類されます：
レーザー切断時のバリ形成にはいくつかの要因が影響する：
バリの発生を最小限に抑えることは、高品質の切断を実現し、後処理の必要性を減らすために極めて重要です。これは以下の方法で達成できます：
パーフォレーション加工を開始する前に、レーザー切断システムはワークピースの表面に特殊なアンチスパッタコーティングを施します。この薄い油性の膜は、溶融材料の付着に対する保護バリアとして機能します。
切断作業中、高エネルギーのレーザービームは被加工物の材料を蒸発させ、ガス状物質と粒子状物質の混合物を発生させる。切断品質を維持し、汚染を防止するために、高圧アシストガス（通常は窒素または酸素、材料によって異なる）がレーザービームと同軸に向けられる。このガスジェットには、カーフから溶融材料を排出し、酸化または不活性シールドを提供するという2つの目的があります。
しかし、気化した材料や溶融した材料が強制的に排出されるため、ワークピース表面に不要な堆積が生じる可能性があります。この堆積は、上方向（上面）と下方向（下面）の両方で発生する可能性があり、表面仕上げや寸法精度に影響を及ぼす可能性がある。析出のパターンと範囲は、材料特性、切削パラメータ、アシストガスの流れ力学などの要因に依存する。
このような影響を軽減するために、最適化された切断パラメータ、適切なガスフロー制御、および加工後の洗浄技術が、レーザー切断部品の所望の表面品質と精度を達成するために必要な場合がある。
表面の凹みと腐食は、切れ刃の品質と完全性に大きな影響を与え、加工物の機能的性能と美観の両方を損ないます。
圧力分布の不均一や工具の摩耗によって生じる凹みは、局所的な応力集中や寸法の不正確さを生じさせます。このような欠陥は、早期疲労破壊や組立部品の不適合につながる可能性があります。腐食は、化学的なものであれ、電解的なものであれ、材料表面を劣化させ、強度を低下させ、亀裂を進展させる可能性があります。
これらの問題を軽減するために、いくつかの予防策を実施することができる：
レーザー切断では、切断部に隣接する領域が大きな熱影響を受け、金属内の微細構造が変化する。この熱影響を受けた領域は、熱影響部（HAZ）として知られています。
レーザービームによる強烈で局所的な熱は、急速な加熱と冷却のサイクルを引き起こし、様々な冶金学的変態を引き起こす可能性がある。例えば、鋼材の場合、この熱サイクルは、硬くて脆い相であるマルテンサイトの形成につながり、切断端付近の材料を効果的に硬化させる。逆に、アルミニウム合金の中には、熱によって強化析出物が溶解し、局所的な軟化を引き起こすものもある。
マイクロメートル単位で測定されることが多いHAZの範囲は、レーザー出力、切断速度、材料特性、厚さなど、いくつかの要因に依存する。HAZを最小化することは、切断部品の機械的特性と寸法精度を維持するために極めて重要である。高度なレーザー切断システムは、レーザーパラメータとアシストガスの精密制御を採用し、熱影響を最小限に抑えながら切断品質を最適化します。
サーマルゾーンを理解し管理することは、高品質の切断を達成し、レーザー切断部品の構造的完全性を確保するために不可欠です。
レーザー切断中の急激な局所加熱は熱応力を誘発し、部品の変形につながる可能性があります。この現象は、複雑な形状や薄い接続部分の幅がわずか数ミリメートルである精密製造において特に重要です。レーザービームによって生じる熱勾配は、差分膨張と収縮を引き起こし、加工物の反り、曲げ、または歪みの原因となります。
このような熱の影響を緩和し、寸法精度を維持するために、いくつかの戦略を採用することができる：
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