材料組成とレーザー切断品質：関係を理解する

レーザー切断技術は金属加工に革命をもたらし、その費用対効果、迅速な生産速度、精度、優れた品質で従来の方法を凌駕している。この高度な技術は、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、さまざまな非鉄金属の加工に欠かせないものとなり、現代の金属加工における礎石としての地位を確立している。

レーザー切断は広く採用されているにもかかわらず、ある課題に直面している。厚さは同じで組成が異なる炭素鋼板を、一貫したレーザー切断パラメータで加工する場合、顕著な問題が生じる。その結果、切断面の品質は大きなばらつきを示し、材料特性とレーザーと材料の相互作用の間の複雑な相互作用を浮き彫りにしている。

板材の組成と切断品質の関係を明らかにするため、包括的な研究が行われた。これらの研究では、多様な板厚と化学組成の炭素鋼板を用い、6～30kWの高出力ファイバーレーザーを使用した。実験では、酸素アシストと空気アシストの両方の切断プロセスを検討し、分析のための幅広いデータを提供した。

この研究は、特定の材料組成に対してレーザー切断パラメータを最適化し、切断品質とプロセス効率を向上させることを目的としている。このような微妙な違いを理解することは、様々な炭素鋼グレードで一貫した高品質の結果を達成し、最終的に製造精度を向上させ、産業用途における材料の無駄を削減するために極めて重要である。

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1.実験装置と方法

1.1 実験装置

実験は、ビーム波長1080nm、コア径150μmのマルチモード連続出力レーザーである30KWファイバーレーザーを用いて行われた。その レーザーヘッド 実験に使われたのは、ジーニアス30（30KW）レーザーヘッド。

レーザーヘッドの準大口径焦点距離は100mm、集光ミラーの焦点距離は200mmで、自動集光が可能であった。30KWファイバーレーザーの安定稼働と最適性能維持のため、補助機器として冷却能力70.0KWの水冷クーラーを使用した。

図1-実験用レーザー、レーザーヘッド

1.2 補助材料

実験データの正確性、効率性、明瞭性を確保するため、この実験で使用された試験材料は、Q235を含むさまざまな厚さの炭素鋼板である、 Q345およびQ460炭素鋼。詳しくは実験板データシートをご参照ください。

使用した補助ガスは99.9%の酸素で、供給空気圧は5barであった。十分なノズル数を確保するため、実験用ノズルデータシートに記載されているノズルを実験用に用意した。

表1 実験プレートのデータシート

表2 実験ノズルのデータシート

1.3 実験方法

装置のスポット品質（光ファイバーとレーザーヘッドがきれいで損傷していないことをフォトペーパーテストで確認）、空気圧（酸素は安定した5気圧に維持され、空気は安定した11気圧に維持された）、レーザーヘッドの内部レンズ（きれいで汚れや焼け跡がない）が正常であるという条件下で、レーザーの内部制御ソフトウェアを通じて内部モジュールを制御し、最大出力をそれぞれ12KW、20KW、30KWに調整した。

切断実験は、表1に記載された異なる種類と板厚の板に対して、上記の3つの出力状態で行った。図2に示すように、切断サンプルの外周は205.6mmであった。

切断されたサンプルは、切断されたサンプルの表面の気孔密度、粗さ、対応するプロセスパラメーターを調べることによって分析され、比較された。

図2-切断サンプルの模式図

2.試験結果

2.1 切削パラメータの分析

実験中、切削速度に影響を与える5つの要因(レーザー出力切断後の試料が自動的に剥離し、スラグや焦げ、液滴がなく、高い表面仕上げが得られるように、切断ガス圧力、焦点、ノズル開口部）が考慮された。プロセス・パラメーターは、異なる材料や厚さに対して最良の切断効果が得られるように調整された。

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具体的なパラメータは表3を参照のこと。

表3 実験パラメータの表

2.1.1 切削速度分析

表3のデータから、レーザー出力20KWを試験背景とした場合、Q345製の板厚20mmと30mmの切断速度が得られた、 45#鋼図3に示すように、NM400とT10を比較した。

レーザー出力、板厚、補助ガスに酸素を使用した場合、T10鋼板の切断速度が最も遅く、NM400鋼板の切断速度が最も速かった。Q345と45#鋼の切断速度に有意差はなかった。

切削速度に最も大きな影響を与えるのは、切削材中の炭素含有量であると結論づけられる。そのため 炭素含有量 板中の希少元素（Cr、Niなど）の含有量が増加すると、板厚が等しい場合の切断速度は徐々に低下する。また、板中の希少元素（Cr、Niなど）の含有量が多くなると、切断速度は徐々に低下する。

図3-20KW切削速度比較

2.1.2 補助空気圧の分析

レーザー切断 酸素を補助ガスとする炭素鋼は、レーザー光源から発生するエネルギーと切断プロセス中の酸化反応を利用して機能する。

酸素圧が様々なタイプのプレートに大きな影響を与えることは明らかである。

20KWレーザーで20mmと30mmのQ345、45#鋼、T10を切断した加工データの表4に示すように、表3に示すように、同じ板厚の異なる種類の板では、最適な切断結果を得るためには、板中の炭素含有量が増加するにつれて補助ガス圧力が増加することが明らかになった。

図4-20KW補助空気圧比較図

2.1.3 カッティング・フォーカス分析

先の試験データから、Q235、Q345、45#鋼、T10を同じ板厚で切断し、切断補助ガスとして酸素を使用した場合、45#鋼とT10鋼はQ235とQ345よりも炭素含有量が多いことがわかる。

切削加工中、表面に多数の炭酸ガス孔が形成され、表面が粗くなる。

切削焦点が±1以内で変化しても切削効果は変わらないので、焦点を小さくして切削速度を向上させることができる。しかし、Q235やQ345の切断効果は切断焦点に敏感であるため、この利点はない。

2.2 委託効果の分析

下の表は、さまざまな補助ガスと切断力を使用して、さまざまな種類と厚さの板を切断した結果を示している。

表4に示すように、同じ切断力で同じ板厚の異なる種類の板材の切断効果を比較したことがわかる。

その結果、次のような有意差が示された。 表面粗さ Q345Bが最も切削効果が高かった。表面の酸化皮膜は薄く、表面粗さは最小であった。

一方、NM400試料の切削面の酸化皮膜は、明らかな層状化を示した。切削面の上側は平滑で、下側は酸化皮膜が厚く、試料の表面粗さが高くなった。

45#試料の切断は粗く、下側に酸化皮膜の明らかな突出があった。

T10サンプルは最も切削効果が悪く、表面は粗く、多数の気孔があり、下側には酸化皮膜が目立った。

比較すると、Q345B、NM400、45#の切断面は、T10プレートよりも酸化皮膜の表面粗さが良好であった。

表4 実験効果表

2.2.1 材料の融点分析

この実験では4種類の材料をテストした：Q235、Q345B、NM400、45#炭素鋼板である。炭素含有量はそれぞれ0.22%、0.20%、0.25%、0.47%である。

を検証する。 鉄炭素相図 図5を見ると、これら4つの材料の融点温度は約1500℃であることがわかる。

レーザー切断 炭素鋼の場合、レーザーを予熱熱源として、酸素を補助ガスとして利用します。これにより、材料と非常に発熱性の酸化反応が生じ、かなりの量の酸化エネルギーが放出される（下式に示す）。

Fe+O→FeO+heat(257.58kJ/mol)2Fe+1.5O₂→鉄₂O₃+熱(826.72kJ/mol)

レーザーから放出されたエネルギーと、レーザー照射中の酸化プロセスにより、プレートの加工箇所の温度は1726.85℃を超えた。 レーザー加工.この温度は、Q235、Q345B、NM400、45#の融点よりかなり高い。

この分析に基づくと、これらの材料の融点は、切断後の表面の酸化スケールの影響に限定的な影響しか与えないと結論づけることができる。

図5-Fe-C相図

2.2.2 素材の化学組成分析

この実験で使用したさまざまな鋼板の化学組成は、スペクトルアナライザーを用いて測定した。結果を表5に示す。

表5 化学元素分析

1) Mn元素含有量分析

Q235とQ345Bの元素を比較した表5によると、両 材とも低炭素鋼に分類される。材料中の他の元素の含有量は、Q235が0.65%、Q345Bが1.70%であるマンガン含有量を除いて、有意差はない。このマンガン含有量の差は、レーザー切断品質と材料中のマンガン含有量の関係を探るための基準となる。

2つの材料の切削面効果を図6に示す。この結果から、表面はきれいで明るく、表面粗さは同程度であり、実験パラメーターは一定に保たれていることがわかる。

これらの結果から、Mn元素は従来の低炭素鋼のレーザー切断効果にわずかな影響を及ぼすと結論づけることができる。

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

図6

2) S要素の内容分析

表中のデータから、シート間の硫黄（S）元素含有量の最大差はわずか0.05%であることがわかる。この情報は、S元素含有量が切断品質に与える影響を判断するには十分ではない。

さらにデータを分析すると、板中のマンガン（Mn）と硫黄（S）の含有量がそれぞれ0.5%と0.25%付近の場合、板厚の増加とともに切断面下部のスラグが増加し、切断品質が徐々に低下することがわかった。

表6 SとMn元素の比較

3) Si元素含有量分析

金属板中のシリコン(Si)元素含有量が0.25%未満の場合、カーボン(Cr)鋼の切断速度は、0.25%を超えることが観察された。 鋼板 Si含有量が0.25%より高い炭素鋼板は、Si含有量が0.25%より低い炭素鋼板に比べ、20%より遅い。さらに、鋼板の下部には相当量のスラグが発生する。

4）要素Cの内容分析

Q235、45#、T10の元素含有量を比較すると、Q235は低炭素鋼、45#は中炭素鋼、T10は高炭素鋼に分類される。

元素表を調べてみると、大きな違いは炭素（C）とマンガン（Mn）だけであることがわかる。

高温下で、補助ガスとして十分な酸素があると、炭素は酸素と次のように反応する：

C+O₂→CO₂(g）（393.5KJ/mol）。

理論的な分析によれば、材料の炭素含有量が増加するにつれて、酸化反応によって生成される炭酸ガスの量も、補助ガスとしての酸素の存在下で増加し、材料の切断面における気孔の数が増加する。

図4は、Q235、45#鋼、T10の内部炭素含有量が増加するにつれて、切削面の気孔数も増加することを示している。

図7-材料の炭素含有量の比較表

当初Q235とQ345Bを比較したところ、マンガン（Mn）元素の含有量は実際の切断効果にほとんど影響せず、無視できることがわかった。

図8は同じ厚さの3つの材料の実際の切削効果を示している。その結果、Q235の表面は明るく粗さが小さく、45#の表面は粗く、底部の酸化皮膜がかなり厚く、T10の表面は最も粗く酸化皮膜が最も厚いことがわかる。

実際の試験結果から、材料中の炭素含有量が切削効果に顕著な影響を与えることが結論づけられる。炭素含有量が増加すると、切削面の気孔の数が増加し、表面の酸化皮膜の厚さが厚くなり、表面粗さが大きくなる。

図8-Q235-30kw-40mm（左）、45 #-30kw-40mm（中）、T10-30kw（右）

5) Ni元素含有量分析

表7は、Q235材とQ460材の化学元素の種類と含有量を示している。両材料のニッケル(Ni)元素含有量の違いは明らかである。

その結果、両材料とも同じ厚さの板で切断試験を行った。実際の切断品質の結果を図10に示す。

表面の筋、酸化皮膜の厚さ、表面粗さに目立った違いはない。

これらの結果から、従来の低炭素鋼では、ニッケル含有量は高出力レーザーの切断品質に大きな影響を与えないと結論づけることができる。

図9-材料中のニッケル含有量の比較表

表7 Ni元素の比較

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

図10

6) Cr元素の含有量分析

鋼板中の元素含有量を比較すると、図4.2-5に示され るように、NM400とQ690のクロム(Cr)元素含有量は、他の材 料に比べて著しく高いことが観察される。

図11 材料中のクロム含有量の比較表

その間に レーザー切断工程レーザーが熱を放出すると、プレート内のほとんどの元素が補助ガスである酸素で酸化し、大量の熱を放出する。その結果、板表面に大きな熱影響部が形成される。

この熱影響部では、鋼板中のクロム（Cr）が酸素で酸化し、高密度のCrを生成する。₂O₃ などの酸化物は、局所的な温度とともに増加する。酸化物は徐々に成長し、図12に示すようなクラスター状の粒状構造を形成する。

時間の経過とともに₂O₃ 表面応力が高く、クラックが発生しにくい酸化皮膜が形成される。 金属切断 表面は、Crの下の元素間の酸化反応を防ぐ。₂O₃ 酸化とO₂ (図13に示すように）。その結果、NM400とQ690の切削面の裏側の表面粗さが著しく悪くなった（図14参照）。

材料中のCr含有量が増加するにつれて切断効果が悪化し、試料底部の酸化皮膜が厚くなると結論づけることができる。

図12 - クラスター粒子の相図

図13-レーザー切断表面酸化膜の分析図

切断効果ディスプレイ 20mm NM400

切断効果ディスプレイ 20mm Q690

図14

2.3 熱影響部の分析

レーザー切断の品質は、切断される板材表面の熱影響部に関係することが理解される。熱影響部が制御されないと、切断された板材の表面に歪み、亀裂、脆性などが生じる可能性がある。

図15のデータ比較によると、レーザー切断出力が切断スリットの幅に影響を与える主な要因であり、切断速度が切断面の筋と粗さに影響を与える主な要因であることが知られている。

したがって、レーザー切断では、部品の変形や濃縮を減らすために、板表面の熱影響部の面積を最小にするように加工パラメーターをできるだけ調整することが推奨される。

図15-切り口と切断面に及ぼす出力と速度の影響

実際のテスト工程では、切断面の滑らかさと、さまざまな種類と厚さのサンプルの自由落下を保証するために、切断工程のパラメータが最適化された。

同じ切断力であれば、スリットの幅は同じ厚みでも種類によって大きな差はない。

その結果、同じ厚さの材料の熱影響部面積は、同じ電力では同程度となり、実際の表面粗さにはわずかな影響しか与えず、無視することができる。

3.結論

酸素切断による炭素鋼の切断品質に影響を与える要因には、合金の組成、材料の微細構造、熱伝導率、融点、沸点などがある。

炭素含有量の多い金属は一般的に融点が高く、溶融しにくいため、切断やピアシングの時間が長くなる。

その結果、切り口が広くなり、表面の熱影響部が拡大し、切断品質が不安定になる。

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さらに、合金組成の含有量が高いと、液体金属の粘度が高くなり、スパッタとスラグの比率が高くなるため、加工中のレーザー出力とエアブロー圧力の調整に対する要求が高くなる。

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以上の試験から、酸素を補助ガスとして使用した場合、被削材中のCおよびCr元素の含有量が増加するにつれて、切断面の効果が悪化し、表面粗さが著しく増大することがわかった。一方、補助ガスとして空気を使用した場合は、同じ厚さと出力で切断効果はほとんど変わらない。

切断の品質と効率を確保するため、切断能力および切断材料の違いに応じて推奨される補助ガスの種類を以下の表に示す：

1. 炭素含有量の影響：

同じレーザー出力では、炭素含有量が増加するにつれて切断速度は徐々に低下し、試料の表面は粗くなり、酸化皮膜は厚くなり、全体的な効果は悪化し、レーザー切断板の板厚限界が低下する。

2. クロム含有量の影響：

クロム含有量が増加するにつれて、試料表面下部の酸化皮膜が蓄積して顕著に厚くなり、切削面が上から下に向かって粗くなる。

3. シリコン含有量の影響：

材料中のケイ素含有量が0.25%を超えると、ケイ素含有量の増加とともに切削速度が著しく低下し、切削サンプルの底部にスラグが発生する。

4. ニッケル含有量：

ニッケル含有量は品質にほとんど影響しない。 ハイパワーレーザー カッティング

5. マンガンと硫黄含有量の影響：

材料中のマンガンと硫黄の含有量がそれぞれ0.5%と0.04%の場合、板厚が増加するにつれて切断底部のスラグは徐々に増加する。