板金レーザー切断に関する7つの問題解決策

カッティング・パーフォレーション技術

一般論として、 ボーリング 板金に小さな穴をあけることは、どのようなホット・カッティング・プロセスにも必要であるが、板金の端からカッティングを開始できる例外はごくわずかである。

以前は、パンチ型を使って穴を開けていた。 レーザースタンピングマシン レーザー切断が始まる前に。

基本的な方法は2つある。 レーザー切断 スタンピング装置を使わずに：

ブラスト穿孔

レーザーを連続的に照射すると、材料の中心部に局所的な溶融プールが形成される。この溶融材料は、レーザービームに同伴する高圧酸素アシストガスによって急速に排出され、その結果、スルーホールが形成される。

穿孔の寸法は、主に板厚、レーザー出力、およびアシストガスのパラメーターに影響される。通常、ブラスト穿孔の平均直径は、板厚の約50～60%である。板厚が増加するにつれて、穿孔は大きくなる傾向があり、熱影響部の膨張と溶融材料の重力効果により円形から逸脱することがあります。

この方法は一般に、高精度や厳しい公差を必要とする部品には推奨されない。非重要な領域やスクラップ材への迅速な穴加工に最も適しています。このプロセスは、レーザーパラメーターとガスフローを調整することにより、特定の用途に最適化することができます。

穿孔プロセスで使用される酸素圧は、切断作業で使用される酸素圧と類似していることが多いことに注意することが重要である。この高圧は、材料除去には効果的であるが、過度の飛散を引き起こし、穿孔部周辺の表面汚染の可能性がある。よりクリーンなパーフォレーションを必要とする用途では、窒素やアルゴンのような代替アシスト・ガスを、切断速度の低下という代償は伴うものの、検討することができる。

パルス穿孔

高ピークパワーパルスレーザーを使用して、局所的な材料を急速に溶融または蒸発させる。窒素や清浄な圧縮空気などの不活性ガスが補助ガスとして利用され、発熱性酸化による穴の膨張を緩和する。ガス圧力は、酸素アシスト切断で使用される圧力よりも低く維持される。各レーザーパルスは微小液滴を生成し、材料に徐々に浸透しながら放出される。その結果、厚板の穿孔には数秒を要することがある。

穿孔が完了すると、補助ガスは速やかに酸素に切り替えられ、切断が開始される。この技術により、従来のブラスト穿孔法に比べて穿孔径が小さくなり、優れた穴品質が得られる。これを達成するためには、レーザー・システムはより高い出力を持つだけでなく、正確な空間的・時間的ビーム特性を示さなければなりません。標準的なフローCO2レーザーは、一般的にこれらの厳しい要件を満たしていません。

さらに、パルス穿孔には、ガスの種類、圧力、穿孔時間を正確に調整できる高度なガス制御システムが必要である。パルス・パーフォレーション中の高品質の切断を保証するためには、パルス・パーフォレーションから連続切断への移行を綿密に管理しなければならない。

理論的には、焦点距離、ノズルのスタンドオフ距離、ガス圧などの切断パラメータは、加速期間中に調整することができる。しかし、産業用途では、レーザーの平均出力を変調することがより実用的で効率的である。これは、パルス幅、周波数、またはその両方の組み合わせによって実現できる。広範な研究により、パルス幅と周波数の両方を同時に調整する後者のアプローチが、切断品質とプロセスの安定性の点で最適な結果をもたらすことが実証されている。

小穴切削（小径・厚み）の変形解析

高出力レーザーシステムで小さな穴を切断する場合、限られた領域にエネルギーが集中するため、変形や品質の問題が生じることがある。従来のパルス穿孔（ソフトパンクチャー）技術は、低出力システムには効果的ですが、高出力アプリケーションでは炭化や穴の歪みにつながる可能性があります。

この現象の主な原因は、パルス穿孔中にレーザーエネルギーが集中的に局在化することである。このような集中的な入熱は、周囲の非加工領域に過度の材料溶融、気化、熱応力をもたらす可能性がある。その結果、穴の形状が損なわれ、全体的な加工品質が低下する。

高出力レーザー切断システムでこれらの問題を軽減するには、パルス穿孔からブラスト穿孔（シングルパルスピアシングまたは通常の穿孔としても知られる）に移行することを推奨する。この方法は、単一の高エネルギーパルスを利用して最初の穴を素早く開けるため、熱影響部を減らし、材料の歪みを最小限に抑えることができます。

ハイパワーレーザーによる小孔のブラスト穿孔の主な利点は以下の通り：

1. 周囲の素材への熱入力を低減
2. 処理時間の短縮
3. ホール形状とエッジ品質の向上
4. 材料の炭化や変形のリスクを最小化

逆に、低出力のレーザー切断機では、パルスパーフォレーションが依然として小穴切断に適した方法である。この技術は、出力の低いシステムにおいていくつかの利点を提供する：

1. 切断工程の制御強化
2. 表面仕上げ品質の向上
3. デリケートな素材への熱損傷のリスクを低減
4. 複雑なデザインの精度が向上

低炭素鋼レーザー切断におけるバリ形成への対応

CO2レーザー技術で低炭素鋼を切断する場合、バリの形成が大きな問題になることがあります。その根本的な原因を理解し、適切な解決策を講じることは、きれいで正確な切断を実現するために非常に重要です。ここでは、バリの形成に寄与する主な要因とそれぞれの対処法をご紹介します：

1. 焦点位置が正しくない：焦点位置テストを行い、それに応じてオフセットを調整する。焦点位置が適切であれば、切断点に最適なエネルギーが集中する。
2. レーザー出力不足：レーザー発振器の機能を確認し、コントロールパネルの出力設定をチェックしてください。材料の厚さおよび切断要件に合わせて出力を調整する。
3. 最適でないカッティング・スピード：マシンのコントロール・システムを通して、カッティング・スピードを上げる。速度とパワーの適切なバランスを見つけることが、きれいな切断には不可欠です。
4. アシストガスの質の低下：高純度のアシストガス（通常、窒素または酸素）が使用されていることを確認してください。ガスの純度は、切断品質とバリの形成に直接影響します。
5. 焦点ドリフト：特に長時間のカッティングを行う場合は、定期的にフォーカルポイントテストを行う。オフセットを調整し、熱影響や機械的摩耗によるドリフトを補正する。
6. 長時間の運転によるシステムの不安定：長時間の運転で問題が発生する場合は、システムの完全な再起動を検討してください。これにより、ソフトウェアの不具合や熱関連の不安定性が解消される可能性があります。

レーザーカッターでステンレス鋼とアルミニウム亜鉛板を切断したときのワーク上のバリの分析。

低炭素鋼、ステンレス鋼、アルミ亜鉛板をレーザー切断機で切断する場合、バリの発生は一般的な課題であり、複数の要因を慎重に考慮する必要があります。バリの根本原因は、材料特性と切断パラメータによって異なります。

低炭素鋼の場合、最初の調査では、レーザー出力、切断速度、焦点位置、アシストガス圧力など、バリの形成に影響する主な要因に焦点を当てる必要がある。しかし、単に切断速度を上げるだけでは、特に厚板やアルミニウム-亜鉛合金のような反射率の高い材料を加工する場合、材料を完全に貫通するレーザーの能力を損なう可能性があるため、必ずしも効果的な解決策とはならない。

高い熱伝導率と反射率で知られるアルミニウム-亜鉛板の場合は、さらなる考慮が必要である。このような材料とレーザーの相互作用はより複雑になることがあり、バリを最小限に抑えてきれいな切断を達成するために、出力、速度、焦点位置の調整間の微妙なバランスが必要になることが多い。

切削性能を最適化し、バリの発生を抑えるには、以下の要因を考慮してください：

1. ノズルの状態：ノズルの磨耗や損傷は、ガスの流れを乱し、カットのばらつきやバリの増加につながります。ノズルの定期的な点検と交換は、切断品質を維持するために非常に重要です。
2. モーションシステムの安定性：ガイドの動きに振動や不安定さがあると、焦点位置が変動し、不規則なカットやバリの形成につながります。機械のモーション・システムが適切にメンテナンスされ、較正されていることを確認してください。
3. アシストガスの選択と圧力：ステンレス鋼板やアルミニウム-亜鉛板では、 酸化を防ぐため、アシストガスとして窒素を 使用することが望ましい。過剰な乱流を発生させることなく、溶融物を効果的に除去するために、ガス圧力を最適化する。
4. 焦点距離と位置：材料の表面に対する焦点位置を調整し、クリーンカットに最適な出力密度を達成する。これは、材料の厚みや組成によって異なる場合があります。
5. 切断パラメータの最適化：レーザー出力、切断速度、パルス周波数（該当する場合）を材料固有の要件に基づいて微調整する。パラメータデータベースを使用するか、切断トライアルを実施して、材料の種類と厚さごとに最適な設定を決定します。
6. ビームの品質と光学部品の状態：安定した切断性能を維持するために、レーザービームが適切に調整され、焦点が合っていること、すべての光学部品が清潔で良好な状態であることを確認してください。

レーザーの不完全切断状態の分析。

包括的な分析の結果、レーザー切断工程が不安定になる主な要因として、以下のことが判明した：

1. 板厚に対するノズルの選択が不適切：
   ノズルの形状と直径は、ガス流の力学と切断効率に大きく影響します。ノズルが不一致の場合、アシストガスの圧力が不足したり、ビームの集束が不適切になり、切断が不完全になることがあります。
2. 過度の切断速度：
   トラバース速度が、与えられた材料と厚さに対して最適な速度を超えると、切断前面でのエネルギー密度が不十分となることがある。その結果、ドロスの形成、不完全な溶け込み、不規則なカーフ幅が生じることがよくあります。
3. 厚い素材には不適切な焦点距離：
   5mmの炭素鋼板を切断するには、標準レンズを焦点距離7.5″のレーザーレンズに交換することが重要です。この調整により、ビームの焦点深度が最適化され、材料の厚さ全体に適切なエネルギー集中が保証されます。

不安定な処理の一因となりうるその他の要因には、以下のようなものがある：

• アシストガスの圧力と種類の不一致
• 汚染または破損した集光光学系
• レーザー出力の変動
• ノズルとワークの間のスタンドオフディスタンスが不適切。
• 材料の不一致または表面汚染

低炭素鋼の切断でスパークパターンが正常でない場合の解決策

低炭素鋼のレーザー切断中のスパークパターンの異常は、切断エッジの品質と部品全体の精度に大きな影響を与える可能性があります。他の切断パラメータが正常範囲内にある場合は、以下の潜在的な原因と解決策を検討してください：

1. ノズルの劣化：
   レーザーノズルが劣化または損傷している可能性があります。速やかに新しいノズルと交換し、最適な切断性能を回復してください。定期的なノズルの点検と交換は、予防メンテナンス・スケジュールの一環として行ってください。
2. 切断ガス圧の調整：
   ノズルの即時交換が不可能な場合、一時的な解決策としては、切断ガス圧力を上げることである。これにより、ノズルの摩耗や部分的な閉塞によるガス流量の減少を補うことができる。しかし、過剰な圧力は、ドロス形成の増加など、他の問題につながる可能性があるため、切断品質を注意深くモニターしてください。
3. ノズルの接続が緩んでいる：
   ノズルとレーザー切断ヘッドの間のねじ接続が緩んでいる可能性があります。この場合

• これ以上の損傷を防ぐため、直ちに切断作業を中止してください。
• レーザーヘッドアセンブリを注意深く点検し、特にノズルの接続に注意を払う。
• 緩んでいる場合は、ねじ接続部をしっかりと締め、適切なアライメントを確保する。
• テストカットを行い、問題が解決したことを確認する。

1. さらに考慮すべきことがある：

• ノズルのオリフィスが汚れていないか確認し、障害物があれば取り除きます。
• レーザービームがノズル内で正しくセンタリングされているかチェックする。
• レーザーの焦点位置が材料の厚さに対して正しく設定されていることを確認してください。
• 保護レンズの状態を調べ、必要であれば交換する。

レーザー切断におけるパンクチャー・ポイントの選択

レーザービーム切断の動作原理：

レーザー切断プロセスでは、集光されたレーザービームが材料表面に局所的な溶融プールを形成します。ビームが照射され続けると、中心に窪みが形成されます。レーザービームと同軸の高圧アシストガスが溶融材料を急速に排出し、キーホールを形成します。このキーホールは、従来の機械加工におけるパイロットホールに似ており、輪郭切断の最初の貫通点として機能する。

レーザービームは通常、切断輪郭の接線に対して垂直に進行します。その結果、ビームが最初の貫通から輪郭の切断に移行すると、切断ベクトルが大きく変化します。具体的には、ベクトルが約90°回転し、切断方向が輪郭の接線と一致します。

この急激なベクトルシフトは、移行点での表面品質の問題につながり、粗さの増大やカーフ幅のばらつきにつながる可能性がある。

表面仕上げの要求が厳しくない標準的な作業では、一般的に自動化されたCNCソフトウェアがパンクチャーポイントを決定する。しかし、高い表面品質や厳しい公差が要求される用途では、手作業による介入が重要になる。

穿刺点の手動調整では、最初の穿刺位置を戦略的に再配置する。この最適化は、ベクトルの変化が切断品質に与える影響を最小限に抑えることを目的としている。考慮すべき要素には以下が含まれます：

1. 材料特性（厚さ、熱伝導率）
2. レーザーパラメーター（出力、周波数、パルス時間）
3. アシストガスの種類と圧力
4. 希望する輪郭形状

パンクチャーポイントを注意深く選択することで、エンジニアは全体的な切断品質を大幅に向上させ、後処理の必要性を減らし、部品の精度を高めることができます。ランピングやディンプリングなどの高度な技術も、貫通プロセスをさらに最適化するために採用できます。

手動による穿刺点選択は優れた結果をもたらすが、専門知識が必要であり、プログラミング時間が長くなる可能性があることに注意することが重要である。したがって、このレベルの最適化がいつ正当化されるかを判断するために、費用便益分析を行う必要がある。