超高出力ファイバーレーザー切断：知っておくべき基礎知識

Pリフェイス

超高出力ファイバーレーザーは、ステンレス鋼の切断に補助ガスとして空気を使用することを含め、高速かつ高品質の厚板切断を実現することが可能であり、他の切断方法に比べていくつかの利点がある。

ここ数年、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採用されており、切断用途のレーザーの最大出力は今後も増加すると予想されている。

この記事では、この出力範囲での切断アプリケーションの効果を紹介し、大幅な生産性の利点、切断品質の向上、40kWで230mm厚のステンレス鋼のような厚い材料を切断する能力など、超高出力ファイバーレーザーのアプリケーションを推進する主な要因について説明する。

この記事では、超高出力レーザーを10kW以上のものと定義する。 レーザー切断 を新たな市場に参入させる。そのひとつが、補助ガスとして空気を使用し、厚さ50mmまでのステンレス鋼を切断する方法である。 プラズマ切断.

アプリケーションの結果は、超高出力レーザーがステンレス鋼の切断を一変させることを実証している。 エアカット 窒素や酸素による切断技術に代わる技術として、高品質、高速、コスト効率の高い切断を実現した。

6年間の開発トレンド：最大 レーザー出力 カッティング用

図1：2016年以降の切断装置で使用されるファイバーレーザーの最大出力の伸び

レーザー切断技術は50年以上前に登場し、以来急速な発展を遂げてきた。1970年代には、最初の商業用レーザー切断機が導入され、初期の採用者が大量生産に使用した。

1980年代までは、 CO2レーザー切断 装置が広く使われるようになり、1990年代後半から2000年代前半にかけて、高出力のファイバーレーザーが登場した。2000年代末には、キロワットクラスの光ファイバーレーザーが開発された。 ファイバーレーザー切断 レーザー切断は、小規模なアプリケーションから製造技術の主流となった。

ファイバーレーザー切断機は、金属切断において重要な位置を占めている。 プレートレーザー切断 その理由は、統合が容易であること、信頼性が高いこと、メンテナンスと運転コストが低いこと、切断出力が高いこと、電力拡張が可能であること、などである。

2010年代後半から2020年代前半にかけて、レーザー切断市場は2つの方向に成長した。第一のトレンドは市場の低出力側をカバーするもので、装置の資本コストが低下するにつれて1～3kWの切断機の需要が急増する。

第二のトレンドは高出力エンド市場で、これも超高出力レーザの需要増につながっている。これは、超高出力レーザーが高いコストパフォーマンスで提供する高い生産性と技術力が原動力となっている。レーザー切断分野では、他の追随を許さない前例のない「パワー・トランスフォーメーション」が起きている。 板金加工 同時期のプロセスである。

加工・製造業の展示会を見ると、展示されている切断機のレーザー最大出力は、2015年の6kWから2022年には40kWと約7倍に増加している（図1参照）。この3年間だけでも、レーザー機器の最大出力は15kWから40kWへと2.5倍に急増している！

なぜ今がベストなのか？

超高出力切断のトレンドが出現する前に、信頼性の高い高出力ファイバーレーザーは、数年前にすでに利用可能であった。早くも2013年には、出力100kWの産業用ファイバーレーザーが登場した。

しかし、レーザーのキロワット単価が急速に下がり、超高出力レーザー切断の敷居が低くなったのは近年のことである。また、過酷な切断環境下での高出力レーザーに耐える切断ヘッドが開発されたことも、この傾向に拍車をかけた。

さらに、超高出力切断装置に適応できる切断データベースは絶えず改良されており、より精密な切断能力を提供している。

カッティングテスト

このテストでは、IPG 40kW YLS-40000およびIPG 30kW YLS-30000-ECO2高電気光学変換効率ファイバーレーザーを、ファイバーコア直径100μmおよびIPGCut-HPカッティングヘッドとともに使用し、さまざまな金属の切断速度と品質を評価する。

私たちの知る限り、40kWのレーザー出力と100μmのファイバーコア径は、工業用レーザーとしては最高出力です。 レーザー切断ライト ソース

ファイバーコア径を100μmとしたのは、150μmのファイバーコアよりも切断速度が10-25%速いからである。

補助ガスとして空気を使用した炭素鋼の切断
切断速度とレーザー出力

図2：炭素鋼スラグフリーエア切断の切断速度とパワーの模式図

より速い切断速度

我々の実験では レーザー切断速度 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、平均出力が増加するにつれて（40kWまで）増加する。

図2は、6～40mmの炭素鋼の切断速度とレーザー出力の関係を、12kW～40kWの間で、空気を用いて示したものである。成長速度は、金属の厚さとともに増加する。

例えば、厚さ12mmの炭素鋼を切断する場合、40kWの切断速度は15kWの切断速度より280%速い（出力は270%速い）。厚さ20mmの炭素鋼を40kWで切断すると、切断速度は15kWより420%速くなる。厚さ30 mmの炭素鋼を切断する場合、30 kWから40 kWに33%増力すると、切断速度は66%向上する。

従って、より高い出力レベルの超高出力レーザーは、厚膜レーザーの効率をさらに高めることができる。 プレートカット.しかし、超高出力レーザーがもたらす切断速度の高速化を利用して生産サイクルを大幅に短縮するためには、ワーク、特に薄いワークを高加速度で切断することが不可欠である。

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対応するため、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加速度は最大で6Gに達し、その機械設計により切断経路に顕著なずれは生じない。

ユニット部品の加工コストを削減し、迅速な投資回収を実現する。

低出力オプションと比較して、超高出力レーザー切断は、単位部品の加工コストを大幅に削減し、投資回収の迅速化と収益性の向上につながる。

レーザー切断では、加工コストは主にガス消費量から発生し、一般的に部品厚さとともに増加する。しかし、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力とノズルサイズが必要である。超高出力レーザーの切断速度はより速く、その結果、加工コストを削減することができる。 カット時間 ガス消費量を大幅に削減する。

例えば、30kWレーザーは、一般的な厚さ16mmのステンレス鋼部品を、15kWレーザーの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。

レーザーと冷凍機の消費電力は通常、レーザーの出力に応じて直線的に増加するが、切断機のその他の消費電力は変わらない。従って、レーザー出力を増加させることは、各コンポーネントの総電力コストを削減します。IPG技術の継続的な発展により、高出力ファイバーレーザーの電気光学変換効率は50%以上となり、さらなる省電力化につながっています。

超高出力レーザーはガス使用量も節約できる。高圧空気を使用して、厚い炭素鋼をスラグフリーで素早く切断することができ、より高価な窒素や酸素の遅い切断速度を避けることができます。超高出力はまた、窒素切断や空気切断でスラグフリー切断に必要な空気圧の低減を可能にします。

例えば、20kW以上のレーザーで20mm厚の炭素鋼を切断する場合、必要な空気圧はわずか10～12バールだが、15kWのレーザーでは16バール以上必要である。この大幅な減圧により、ガス消費量を削減し、ガス発生装置の仕様を簡素化することができる。

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倍であるが、装置の価格は2倍ではない。これは、レーザー出力が高くなるにつれてキロワットあたりのコストが低下するためである。高出力レーザーのコストは装置の総コストに含まれ、低出力レーザー装置に比べて限界的な伸びを示している。

したがって、超高出力レーザー切断機は、設備コストが30-40%増加しただけであるにもかかわらず、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。生産効率の大幅な改善により、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、フロアスペース、オペレーター、設備準備を削減することができる。

生産効率を確保するために、超高出力 ファイバーレーザー切断機 には、レーザー光源とカッティングヘッドの高い信頼性が求められます。安定した出力とビーム品質は 光ファイバーレーザー ダイオード、コンポーネント、光学統合の品質に影響される。超高出力切断ヘッドは、安定した信頼性の高い加工を実現するために、高レーザー出力、高圧ガス、粉塵、加工熱、高加速度に耐えなければならない。

• 生産規模によって要件が決まる。
• 空気を加圧し、水分や油分をろ過する設備が必要だ。
• 酸素切断では、低圧（通常5～20 psi）と小さなオリフィス・ノズルを使用する。
• 窒素切断には高圧と大きなノズルが必要だ。
• 空気を資源とするカッティングはコストがかからない。
• 酸化レベルと酸化皮膜の厚さを考慮する必要がある。

ステンレス鋼切断の新しいプロセススキーム

炭素鋼の切断は、酸素、窒素、空気を補助ガスとして使用することができる。

酸素切断は、追加の酸化エネルギーにより低いレーザー出力で厚い炭素鋼を切断するのに有効であるが、切断速度はレーザー出力に正比例しない。これは生産効率の低下につながります。

一方、炭素鋼エアカットの切断速度は、パワーに正比例する（図2参照）。

例えば、16mmの炭素鋼の場合、出力が10kW～30kWの場合、酸素切断速度は2m/min程度にとどまるが、空気切断速度は30kWで9m/min以上となり、酸素切断速度の4.5倍の速度となる。

低出力・低速の酸素のみによる切断が必要な厚さには、超高出力レーザーと空気による加工が可能になり、数倍の速さで、より高品質な仕上がりが得られるようになった。

しかし、低出力レーザーの場合、エアカットはスラグの垂れを引き起こし、除去が困難で表面品質が悪くなる可能性がある。

この革新的で効率的な超高出力加工方式の開発は、厚板加工を大量に必要とする建設機械製造や重工業などの業界で人気を集めている。

今回は、超高出力ファイバーレーザーの開発経緯と切断メリットについて解説する。次号では、実際の事例を通して、超高出力レーザー切断の競争優位性をさらに紹介していきます。

図4.極厚のステンレス鋼をパルスモードで切断。ハイパワーレーザーカッター

(a) 出力30kW、厚さ70mmのステンレス鋼を窒素切断；
(b) 出力40kW、厚さ230mmの炭素鋼をエア切断。

板金切断の厚み、生産量、品質を向上させる

テスト結果は、超高出力レーザーの出力が増加するにつれて、切断厚さ容量も増加することを示している。例えば、図4では、パルス切断モードで、30kWの窒素を使用した70mm厚のステンレス鋼の切断と、40kWの空気を使用した230mm厚の炭素鋼の切断が実証されている。

図5 連続モードでの全速切断

(a) IPG 40kW YLSレーザーを使用して、厚さ28mmの炭素鋼を4.5 m/分（177 ipm）の速度で空気を通して切断。

(b) IPG 40kW YLSレーザーを使用して、厚さ40mmのステンレス鋼を2.3m/min（90ipm）の速度でエア切断。

(c) IPG 30kW YLS-ECOレーザーは、窒素と組み合わせて、3～25mm厚のステンレス切断に使用される。 スチールプロファイル.

(d) 厚さ30mmの炭素鋼を15kWのパワーと酸素で切断する。

連続波（CW）全速切断モードでは、20kWのスラグフリー・エアを使用して厚さ20mmの炭素鋼を切断し、40kWのスラグフリー・エアを使用して厚さ30mmの炭素鋼を切断し、40kWのスラグフリー・エアを使用して厚さ40mmの炭素鋼を切断する（前節の図2および図5aを参照）。

いつ ステンレス鋼の切断そのため、スラグフリーの達成は容易であり、限界切削厚は炭素鋼よりも厚くなる（図5bおよび図5c参照）。

窒素と空気の連続切断では、スラグのない切断と良好な切断面は、どのような出力でも一定の厚み内でしか達成できない。ある厚さを超える場合は、許容できる品質を得るためにパルス切断（連続切断より遅い）を使用しなければならない。

一般に、切断速度が2m/分より低いと、連続モードでのレーザー出力が不十分で、最高の切断品質を達成できない。

炭素鋼の酸素切断の場合、切断面が平滑であることを前提に、出力を上げると限界切断厚さが厚くなる。例えば、4kWの限界切断厚さは約6～8mm、15kWの限界切断厚さは30mmである。

図5dは、15kWで切断した厚さ30mmの炭素鋼サンプルである。

より速く、よりきれいな穿孔

パルスモードで超高出力レーザーのピークパワーを利用すれば、飛散を最小限に抑えながら、厚い金属を素早く穿孔することができる。

16 mmのステンレス鋼のピアシング時間は、6 kWで1秒以上だったのが、10 kWで0.5秒、20 kWで0.1秒と大幅に短縮された。

実際の用途では、0.1秒以下の穿孔時間は一般に「瞬時」とみなされる。

高いピーク出力は、溶融プールの深さと幅の比率を増加させ、横方向の溶融を抑えて厚い材料のブリッジングを高速化します。

横方向の溶融を抑えることで、上面への飛散も最小限に抑えることができる。

超高出力レーザー切断の競争力

過去6年間で、いくつかの技術開発がレーザー切断の性能向上に貢献してきた。これらの開発には以下が含まれる：

• 様々なコリメート光ファイバーやマルチコア光ファイバーを選択し、必要な焦点サイズを決定する；
• 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を導入する；
• 高ピークパワーの連続レーザーを使用して、より高速でクリーンなミシン目／複雑な切断を行う。
• 超高出力レーザーを利用。

さまざまな業界のニーズは異なるが、実現可能な技術はすべて特定の分野で使用されている。しかし、超高出力レーザー切断は、レーザー切断性能の向上を促進する主要な技術動向である。

このことは、世界的なレーザー切断機で超高出力レーザーが広く使用されていることからも確認できる。超高出力レーザーに触れる機会が増えるにつれて、アプリケーション・エンジニアは、より複雑でない技術を可能にする低出力レーザーを上回る、多様な出力と品質の利点を発見している。

超高出力レーザーは、特に15kW以上の出力レベルにおいて、厚板切断における切断厚さ、品質、コスト効率において大きな優位性を持っている。高電流プラズマ切断機よりも競争力がある。

比較テストによると、厚さ50mmまでのステンレス鋼では、20kWファイバーレーザーは高電流強度（300A）のプラズマカッターより1.5～2.5倍速い。

関連記事 レーザー切断とプラズマ切断の比較:その違いを解説

炭素鋼の場合、厚さ15mmまでの切断は2倍以上の速さであることが実証されている。

計算では、厚さ15mmの炭素鋼の1メートル当たりの切断コストは、20kWのレーザーを使用した場合、プラズマを使用した場合の約2倍となる。

高出力プラズマと比較すると、厚さ12～50mmのステンレス鋼の切断に40kWレーザーを使用すると3～4倍、厚さ12～30mmの低炭素鋼の切断に40kWレーザーを使用すると3～5倍速くなり、生産性に大きな差が出る。

超高出力レーザー

低出力レーザーやプラズマ切断などの他の切断プロセスと比較して、超高出力レーザーの主な原動力は、生産性の向上と各部品の切断コストの削減です。

超高出力レーザーの使用は、メーカーにスケールメリットをもたらす速度向上をもたらす。例えば、出力を30kWから40kWに上げると、速度は33%向上し、切断速度は66%向上する。

超高出力レーザーは、炭素鋼の高品質で高速な空気切断を実現することができ、これは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の空気を使用した場合、高出力プラズマを使用した場合よりも3倍から4倍速かった。

超高出力レーザーは、レーザー切断を他の多くの面でより競争力のあるものにする。切断の厚みと品質を向上させ（厚さ230mmまでの材料を切断可能）、その後の加工コストを削減または排除し（スラグの垂れ下がりを最小限に抑えることができる）、床面積と設備コストを削減し、必要な労働力を削減し、ピアスの品質と生産量を向上させることができる。

超高出力レーザーの出力とエネルギー効率の継続的な向上により、これらの利点はより明白になり、さまざまな産業における切断用途に迅速かつ経済的に適応する能力が高まる。