高出力ファイバーレーザー切断技術：一歩先を行く

超高出力ファイバーレーザーは、補助ガスとして空気を使用することで、高速かつ高品質の厚板切断を実現する。 カットステンレスまた、他の切断ソリューションと比較して多くの利点がある。

近年、10kWから40kWの超高出力(UHP)ファイバーレーザーが切断市場で急速に応用されており、切断用途に使用される最高出力のレーザーは今後も増加すると予想される。

この出力範囲での切断応用効果を実証し、超高出力ファイバーレーザーの応用を推進する主な要因である、大幅な生産性の利点、切断品質の向上、限界厚さまでの切断能力（例えば、この記事で示すように、40kWの出力で230mm厚のステンレスを切断）について説明する。

この記事では、超高出力レーザーのパワーを10kW以上のレーザーと定義する。超高出力レーザーを使用することで レーザー切断 新市場への拡大（例えば、補助ガスとして空気を使用し、ハイパワープラズマ切断の4倍の速度で厚さ50mmまでのステンレス鋼を切断する）。

アプリケーションの結果は、超高出力レーザーが、窒素や酸素切断技術の代わりに空気切断技術を使用することで、高品質、高速、経済的な切断を実現し、ステンレス鋼の切断方法を変えていることを示している。

6年間の開発トレンド：最高 レーザー出力 切断用途に使用

レーザー切断技術が登場して50年以上が経つ。以来、レーザー切断は急速な技術発展期を迎えている。

1970年代には商業用レーザー切断機が登場し、初期の導入者は大規模生産に使用した。

1980年代には、炭酸ガス（CO2）レーザー切断装置が広く使われるようになった。

1990年代後半から2000年代初頭にかけて、高出力ファイバーレーザーが登場した。

キロワットレベルの開発 ファイバーレーザー切断機 2000年代後半になると、レーザー切断は小規模なアプリケーションから主流の製造プロセスへと変貌を遂げた。

ファイバーレーザーカッティングマシンは、世界的に重要な位置を占めている。 メタルシート レーザー切断市場は、主にファイバーレーザーの統合のしやすさ、信頼性、低メンテナンス性、比較的低い投資と運用コスト、高い切断出力、出力拡張性の実現性によるものである。

2010年代後半から2020年代前半にかけて、レーザー切断市場には2つの成長経路がある。

第一のトレンドは、市場の低出力側をカバーするもので、設備資本コストの低下により1～3kWの切断機の需要が急増している。

第二のトレンドは市場の高出力側であり、超高出力ファイバーレーザーの需要増につながっている。

この背景には、高い生産性と技術力を提供する超高出力レーザーの高い費用対効果がある。

さらに、レーザー切断の分野は、他の分野では前例のない革命的な「パワーシフト」を遂げている。 板金加工 同期間のプロセス

製造業の展示会を見ると、切断機に搭載されるレーザーの最高出力は、2015年の6kWから2022年には40kWになると予想され、7倍近い伸びを示している（図1参照）。

このわずか3年間で、レーザー機器の最高出力は15kWから40kWへと2.5倍に急増した！

なぜ今がベストなのか？

信頼性の高い高出力ファイバーレーザーは、超高出力切断のトレンドが始まる数年前にすでに登場していた。100kW出力の産業用ファイバーレーザーは、2013年には早くも利用可能になっていた。

しかし、超高出力レーザー切断への参入の敷居が低くなったのは、レーザー装置のキロワットあたりの価格が急速に低下したここ数年のことであり、過酷な切断環境下でもこれだけの高出力を維持できる切断ヘッドも登場した。

また、超高出力切断機に対応した切断データベースも高度化している。

カッティング・テスト

表は切断速度と 異種金属 IPGの40kWのYLS-40000と30kWのYLS-30000-ECO2高電気光変換効率ファイバーレーザーを使用し、ファイバーコア径100μmとIPGCut-HPカッティングヘッドで評価。

現在の理解では、100μmのファイバーコア直径で40kWのレーザー出力が、工業用レーザー切断で使用されるレーザー光源から供給可能な最高レーザー出力である。

ファイバーコア径を100μmとしたのは、ファイバーコア径を150μmとした場合に比べ、切断速度が10-25%向上するからである。

より速い切断速度

我々の実験によると、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウムを含むすべての試験金属において、レーザー切断速度は平均出力が増加するにつれて増加した（最大40kW）。

図2は、6～40mm厚の炭素鋼を12kW～40kWのエア切断技術で切断した場合の、レーザ出力による切断速度の増加を示している。

速度の上昇率は、金属の厚みが増すにつれて増加する。

例えば、12mm厚の炭素鋼を切断する場合、40kWでの切断速度は15kWでの切断速度より280%速く（270%の出力増加）、20mm厚の炭素鋼の場合、40kWでの切断速度は15kWでの切断速度より420%速い。厚さ30mmの炭素鋼では、出力が30kWから40kWに増加するにつれて（33%の出力増加）、切断速度は66%増加する。

したがって、より高出力の超高出力レーザーは、厚膜レーザーの生産性をさらに向上させるだろう。 プレートカット.

超高出力レーザーが提供する高速切断を利用し、生産サイクルを大幅に短縮するためには、工作物を高加速度で、特に薄いものを切断する必要がある。

近年、レーザー切断機の最大加速度は、より高いレーザー出力に適応するため、1Gから3Gに増加している。

ハイエンド市場では、超高出力レーザー切断機の最大加速度は6Gに達し、その機械設計は切断軌道が大きくずれないことを保証できる。

処理コストの削減と迅速な投資回収の実現

低出力と比較して、超高出力レーザー切断は、ユニットあたりの加工コストを大幅に削減し、より迅速な投資回収と高い収益性をもたらします。

レーザー切断では、加工コストは主にガス消費に由来し、これは部品の厚みが増すにつれて大幅に増加することが多い。

超高出力レーザー切断では、低出力切断と同じかそれ以下のガス圧とノズルサイズが必要です。

しかし、超高出力レーザーは切断速度が速いため、切断時間を短縮できる。 カット時間 ガス消費量を大幅に削減する。

例えば、15kWのレーザーと比較して、30kWのレーザーは、一般的な16mm厚のステンレス鋼部品を半分の生産サイクルで切断でき、ガス消費量も半分に削減できる。

レーザーとウォーターチラーの消費電力は通常、レーザーの出力に比例して直線的に増加する。

とはいえ、切断機の他の消費電力はほとんど変わらない。そこで、1台あたりの生産サイクルを半分に短縮した前例では、レーザー出力を上げることで1台あたりの総消費電力を削減した。

PG技術の絶え間ない発展により、高出力ファイバーレーザーの電気光変換効率は50%を超え、より省エネに貢献している。

切断速度が速いだけでなく、超高出力レーザーはガス使用量も節約できます。より高価な窒素切断や低速の酸素切断と比較して、超高出力レーザーは、高圧空気を使用して厚い炭素鋼をスラグなしで高速切断することができます。

アンモニアと空気による切断では、超高出力により、スラグフリー切断に必要なガス圧を下げることができる。

例えば、15kWのレーザーで20mm厚の炭素鋼をスラグなしで切断する場合、16ba以上のガス圧が必要だが、20kW以上の出力を使用する場合は10～12barで十分である。

ガスの使用量は（同じノズルサイズであれば）圧力に対してほぼ直線的に変化するため、大幅な減圧はガス消費量を減らし、ガス発生装置の仕様を簡素化するのに役立つ。

高出力レーザー切断装置の生産効率は低出力レーザー切断装置の2倍だが、装置価格は2倍ではない。これは、レーザー出力が大きくなるにつれて1キロワット当たりのコストが低下するためである。

さらに、高出力レーザーのコストは総機器コストに含まれ、（低出力レーザー機器に比べて）わずかに増加する。

従って、超高出力レーザー切断機は、設備コストが30-40%増加するだけである一方、より高いレーザー出力によって2倍の生産効率を達成することができる。

生産効率が大幅に向上するため、超高出力装置は複数の低出力装置を置き換えることができ、それに伴って床面積、オペレーター数、設備準備も削減できる。

一方、生産効率を確保するため、超高出力ファイバーレーザー切断機ではレーザー光源と切断ヘッドに対する信頼性要件が高くなる。

つまり、ファイバーレーザー光源では、長期的に安定した出力とビーム品質が要求されるが、これはダイオードや部品、光集積の品質に影響される。

超高出力切断ヘッドに関しては、安定した信頼性の高い加工を実現するために、高いレーザー出力、高圧ガス、粉塵、加工熱、高加速度に耐える必要がある。

• 1.生産規模が切断ガスの選択を決定する。
• 2.空気を加圧し、水分や油分をろ過する装置が必要。
• 3.酸素切断では、低圧（通常5～20psi）と小口径ノズルを使用する。
• 4.窒素切断は高圧で大きなノズルを使用する。
• 5.切削ガス資源としての空気にはコストがない。
• 6.酸化レベルと酸化層の厚さ。

ステンレス鋼切断のための新しい切断プラン

炭素鋼は、酸素、窒素、空気を補助ガスとして使用して切断できる。

図3は、各タイプの補助ガスを使用する利点と欠点をまとめたものである。

酸素切断は、その付加的な酸化エネルギーにより、より低いレーザー出力で厚い炭素鋼を切断するのに適しているが、切断速度がレーザー出力に比例しないため、生産効率は低下する。

一方、エアアシスト炭素鋼の切削速度はパワーに比例する（図2参照）。

例えば、16mの炭素鋼を10kWから30kWの間で切断する場合、酸素切断速度は約2m/分で変わらないが、空気切断速度は30kWで9m/分以上となり、酸素切断速度の4.5倍となる。

かつては低出力・低速の酸素でしか切断できなかった厚みが、超高出力レーザーと空気で加工できるようになり、スピードと品質が大幅に向上した。

低出力レーザーの場合、エアーカットはドロスの除去が難しく、表面品質が悪くなる可能性があります。

建設機械製造や重工業など、大量の厚板加工を必要とする業界にとって、この革新的で効率的な超高出力加工プランは大歓迎である。

(a)厚さ70mmのステンレスを30kWの窒素で切断；

(b) 230mm厚の炭素鋼を40kWの出力でエアー切断。

板金切削の厚み、生産量、品質を向上させる

超高出力レーザーの出力が高くなるにつれて、切断厚みも厚くなることが実験で示されている。例えば、図4は30kWの窒素で70mm厚のステンレスを切断し、40kWの空気で230mm厚の炭素鋼を切断したもので、いずれもパルス切断モードで行っている。

(a) IPG40 KW YLSレーザーを使用し、28mm厚の炭素鋼を4.5m/min (177ipm)でエアー切断；

(b) IPG40 kW YLSレーザーを使用し、2.3m/min（90ipm）で40mm厚のステンレスをエアー切断；

(c) 3～25mm厚ステンレスの窒素切断 スチールプロファイル IPG30 kW YLS-ECOレーザー付き；

(d) 厚さ30mmの炭素鋼を15kWの酸素で切断する。

連続波（CW）全速切断モードでは、20kWノンスラグ・エアを使用して20mm厚の炭素鋼を切断し、40kWノンスラグ・エアを使用して30mm厚の炭素鋼を切断し、40kWノンスラグ・エアを使用して40mm厚の炭素鋼を切断する（上記図2および図5参照）。図2 ステンレス鋼の切断の方がノンスラグ効果が得られやすいため、最大切削厚は炭素鋼よりも厚くなる（図5bおよび図5c参照）。

連続的な窒素切断や空気切断の場合、どのような出力でもノンスラグ切断と良好な切断面を実現できるのは、一定の厚みまでである。ある厚さを超えると、適格な品質を得るためにはパルス切断（連続切断より遅い速度）を使用しなければならない。

通常、切断速度が2m/分を下回るということは、連続モードで最高の切断品質を得るにはレーザー出力が不十分であることを意味する。

炭素鋼の酸素切断の場合、出力を上げると「滑らかな切断面」を確保しながら最大切断厚を厚くすることができる。例えば、4kWでの最大切断厚みは約6～8mmであるのに対し、15kWでの最大切断厚みは30mmである。図5dは、15kWのレーザーで切断した厚さ30mmの炭素鋼サンプルである。

より速く、よりきれいにピアッシング

超高出力レーザーの高いピークパワーをパルスモードで使用することで、厚い金属をスパッタを抑えて素早くピアシングできる。16mmステンレス鋼のピアシング時間は、6kWで1秒以上であったものが、10kWで0.5秒、20kWで0.1秒と大幅に短縮された。

実用的な用途では、0.1秒以下のピアシング時間は通常「瞬時」とみなされる。ピーク出力が高いほど、溶融プールの深さと幅の比が大きくなるため、横方向の溶融が少なくなり、厚みのブリッジングが速くなります。材料の横方向の溶融が減少することで、最表面のスパッタも最大限に減少します。

超高出力レーザー切断の競争優位性

過去6年間、いくつかの技術開発がレーザー切断の性能向上を後押ししてきた：

• 様々なコリメータやマルチコアファイバの選択により、必要な焦点サイズを決定；
• 特定の金属の加工効率と品質を向上させる高速回転ビーム；
• より速く、よりきれいなピアシング/複雑なカッティングのための高ピーク出力連続レーザー；
• 超高出力レーザー。

産業によってニーズは異なり、すべての実現技術は特定の分野で使用されているが、超高出力レーザー切断はレーザー切断の性能向上を牽引する技術トレンドである。

このことは、世界中のレーザー切断機に超高出力レーザーが広く採用されていることからも明らかである。

超高出力レーザーを採用するアプリケーション・エンジニアが増えるにつれ、超高出力切断機の生産および品質上の利点は多面的であり、複雑さの少ない低出力レーザー技術を凌ぐものであることを理解している。

超高出力レーザーは、厚板の切断において、特に15kW以上の出力で、切断厚み、品質、費用対効果に大きな優位性があり、高電流レーザーよりも競争力がある。 プラズマ切断 のマシンがある。

比較テストによると、厚さ50mmまでのステンレス鋼の場合、20kWファイバーレーザーは高電流プラズマ切断機（300A）よりも1.5～2.5倍速い。また、炭素鋼の場合、厚さ15mmまでの切断速度は2倍以上であることを示している。

計算では、厚さ15mmの炭素鋼の場合、20kWレーザーを使用した場合の1メートル当たりの総切断コストは、プラズマを使用した場合の約半分である。

高出力プラズマ切断と比べて、厚さ12～50mmのステンレス鋼や厚さ12～30mmの低炭素鋼の切断速度が速いため、これらの材料に40kWレーザーを使用すると、生産性がさらに向上する。

超高出力レーザーの採用

低出力レーザーや他の切断プロセス（プラズマ切断など）と比較して、超高出力レーザーを切断に採用する主な原動力は、より高い生産性と部品あたりの切断コストの低減である。

超高出力レーザーの使用による速度向上は、メーカーにスケールメリットをもたらします。例えば、出力を30kWから40kWに上げると、切断速度は66%向上します。

超高出力レーザーは、炭素鋼の高品質で高速なエアー切断を可能にし、低速の酸素切断や高価な窒素切断よりも有利である。我々のテストでは、厚さ50mmまでの炭素鋼の切断に40kWのエアカットを使用した場合、高出力プラズマ切断よりも3～4倍速かった。

超高出力レーザーは、他にも多くの点でレーザー切断の競争力を高める。例えば、切断厚みと切断品質の向上（最大230mm厚の材料まで切断可能）、後処理コストの削減または排除（スラグ垂れの最大限の削減）、設置面積と設備コストの削減、必要労働力の削減、ピアスの品質と歩留まりの向上などである。

超高出力レーザーの出力と効率が向上し続けるにつれて、これらの利点はさらに明白になり、さまざまな業界の切断アプリケーションを迅速かつ経済的に変化させる能力を高めるだろう。