アルミニウムのレーザー切断が金属加工のルールをどのように変えたか

材料の高い熱伝導率と光反射率を考慮すると、アルミニウムのレーザー切断は決して簡単なことではありません。しかし、ファイバーレーザーは多くの点で状況を変えました。ゲッティイメージズ

ファイバーレーザーは、速度だけでなく波長の点でもレーザー切断のゲームを変えました。 CO2 レーザービームの 10.6 ミクロンの波長は、レーザー切断産業の誕生以来、数十年にわたり成功を収めてきましたが、非鉄材料となると、光の反射率が厄介な問題となりました。この複雑なレーザー切断は非鉄材料を大幅に切断します。 CO2 レーザーを使用した銅と真鍮の切断は (そして今でも) まれでしたが、一部の粘り強い製造業者がこの偉業を達成しました。

CO2 レーザーを使用してアルミニウムを切断することは、もちろん非常に一般的です。しかし、CO2 の 10.6 ミクロンの波長は依然として理想的ではないため、このプロセスは、小さな丸いペグを大きな四角い穴に押し込むようなものです。それは不可能ではありません。ペグはまだ穴に収まりますが、固定するのに少し手間がかかります。

そして今世紀初頭には、波長 1 ミクロンのファイバーレーザーが市場に参入しました。製造現場で最も一般的な金属は、1 ミクロンの波長の方が 10.6 ミクロンの波長よりも多く吸収し、反射は少なくなります。実際、ファイバーレーザーの分野では、アルミニウムは銅や真鍮と同様に非常によく切断されます。

それでは、製造業者がファイバーレーザーを使用してアルミニウムやその他の非鉄材料をきれいに切断するとき、カーフ自体では正確に何が起こるのでしょうか? この質問に答えるために、ザ・ファブリケーターは、エア・リキードのペンシルベニア州コンショホッケンのオフィスで、金属製造および建設の技術フェロー兼グローバルマーケットディレクターであるチャールズカリスタン博士に話を聞きました。カリスタンはレーザー切断の長年の専門家であり、SME 発行の『製造のためのレーザー切断ガイド』の著者です。

カリスタン氏が説明したように、非鉄の切断レシピにはビームの波長以外にも多くの要素があります。他のコンポーネントには、出力密度、ビーム集束、切り溝幅、アシストガスの種類と流量が含まれます。これらすべてを適切な方法で組み合わせると、かつては反射率が高すぎて CO2 レーザー光線で切断できないと考えられていたさまざまな非鉄材料であっても、ファイバーレーザーの驚くべき切断速度ときれいな切断が得られます。

以下では、特定の切断パラメータについては説明しません。ほとんどの切断機では、このパラメータは機器メーカーによって設定されます。一部の製造業者はこれらの工場出荷時の設定を使用し、他の製造業者はアプリケーション要件に応じて設定を調整します。以下では、基本的な「非フォトニクスジャーナル」用語で、なぜこれらのパラメーターがそのように機能するのかを説明します。

誰かがレーザー切断で何かが不可能または非実用的だと言うなら、どこかの製造業者がそれを可能かつ実用的にした可能性があります。たとえば、カリスタン氏は数年前、2.5kWのCO2レーザーを使用して厚さ0.125インチの銅合金を切断した製造業者を訪れたことを思い出した。「製造業者は何年にもわたってこれを行っていました」と彼は言いました。「カッティングヘッドの動きが遅く、オペレーターはカッティングサイクルを途中で止めて冷却する必要がありました。見た目は良くありませんでしたが、実行可能でした。」

非鉄材料のレーザー切断には、障害に遭遇し、克服してきた歴史があります。カリスタン氏が説明したように、CO2 レーザーを初期に導入した人々は、反射材を切断する際に深刻な成長痛を経験しました。彼らは早い段階で、アルミニウムの低吸収特性が後方反射を引き起こす影響に気づいていました。

「そのため、レーザー切断プロセスの効率が低かっただけでなく、レーザー共振器の空洞にまで遡り、しばしば共振器を破壊する光学システムによる後方反射に対処しなければならなかった。」とカリスタン氏は語った。それ以来、多くのことを学びました。ファイバーレーザーシステムを含むほとんどの機械には、後方反射を軽減または防止する光学系と数値制御が組み込まれています。」

工具および金型のメーカーは、材料の強度とせん断特性に注意を払います。レーザー切断パラメータを開発するエンジニアや技術者は、材料の吸収特性や反射特性など、他のことに焦点を当てます。融点; 溶融した材料の粘度。熱伝導率; フィルムやコーティングを含む材料の表面状態。

垂直入射および室温 (300 K) での金属の表面反射率は、入射光線の波長によって変化します。出典: Charles Caristan 著『製造のためのレーザー切断ガイド』

「アルミニウムを切断するときに難しいのは、ドロスを最小限に抑えてきれいに切断することです」とカリスタン氏は言います。「適切なアシストガス、供給、流量を使用すれば、ドロスの発生を最小限に抑えることができます。」

ここでは粘度が役割を果たします。すべての金属は溶融温度で一定レベルの粘度を持っていますが、金属がさらに加熱されると粘度は一定ではなくなります。レーザーはアルミニウムをその融点である華氏1,200度強をはるかに超えます。カリスタンが著書で説明しているように、融解温度から華氏1,328度までの間で温度が上昇するにつれて、アルミニウムの粘度は実際には半分以下に減少します。華氏 100 度をわずかに超える温度です。これは、熱切断の世界におけるわずかな温度変化です。低粘度の材料が冷えると、再凝固に近づき粘度が 2 倍以上になります。凝固する前に効果的に排気するのは複雑な作業になります。

カリスタン氏は、「特にアルミニウムのように材料の溶融温度が比較的低い場合、粘度が低いことがドロスの蓄積の主な原因となる」と述べた。

切断の課題の中には、特に大気にさらされるアルミニウムの表面に形成される酸化アルミニウム (Al2O3) 膜の薄層の場合、溶融温度に関連するものがあります。フィルムはさらなる腐食を防ぎますが、レーザー切断プロセスも複雑になります。

アルミニウムは約 950 K、つまり 1,200 F を少し上回る温度で溶けます。酸化アルミニウムはおよそ 2,000 K、つまり 3,000 F 以上で溶けます。「溶融アルミニウム液滴の表面に形成された酸化アルミニウム膜の融点が高いため、まだ溶融している液滴の周囲で酸化アルミニウム膜が非常に急速に凝固します。アシストガスが再凝固する前に素早く洗い流すことが重要です」とカリスタン氏は説明した。「十分に早く洗い流さないと、下端にドロスとも呼ばれる鍾乳石が形成されます。」同氏は、良いニュースは、ステンレスなどの材料からのドロスと比較して、アルミニウムのドロスは一般に柔らかいため、多くの作業者が親指でとかして除去できることであると付け加えた。

アルミニウムの熱伝導率は炭素鋼の何倍もあり、その熱伝導率により熱損失が加速されます。つまり、熱は切り口からワークピースの本体に伝導します。熱伝導損失が大きくなると、実際に切り口に残る熱が少なくなり、レーザー切断の効率が低下します。

熱伝導率の違いは、特に厚い材料の場合、グレード間の切断特性の違いに影響します。カリスタンが著書で発表したように、6XXXX シリーズのアルミニウムは 5XXXX アルミニウムよりもはるかに高い熱伝導損失を経験しました。この 2 つは、ゲージ厚さでは同様に切断しますが、より厚いストックではまったく異なります。

これまで、CO2 レーザーでアルミニウムを切断するオペレーターは、切断効率をさらに低下させるいくつかの課題に直面していました。10.6 ミクロンの光ビームの反射率が高いことや、アルミニウムの熱伝導率が高いため、熱伝導損失が大きくなることです。実際、すべての熱損失により、シートの熱膨張に対処する多くの操作が必要になり、時にはヘッドがシートの 1 つの象限から別の象限に交互に移動して熱の影響を均等にするように切断プログラムを作成する必要がありました。

これらすべてを踏まえると、ファイバーレーザーの出力密度と、やはり 1 ミクロンの波長が状況を大きく変えました。アルミニウムの熱特性は変わっていません。まだ高い熱伝導率を持っています。しかし、1 ミクロンのレーザービームからのエネルギーの吸収はより多く、反射はより少なくなります。これに、最新のファイバーレーザービームが提供する高出力レベル、出力密度、速度と組み合わせることで、レーザー切断性能が大幅に向上しました。

窒素アシストガスまたは工場の圧縮空気 (薄いストックに使用できます) を使用してアルミニウムをレーザー切断すると、窒素で切断された他の合金と同様の切断作用が促進されます。非常に単純化しすぎですが、すべてはビームからの熱エネルギー、送り速度、結果として生じる切り溝幅、および溶融材料を切り溝から洗い流すアシストガス流の間の相互作用です。アシストガスの流れを完璧にすることで、熱（焦点とビームの特性）、切断速度、切り口幅とうまく調和し、縞模様やドロスを最小限に抑えた高品質の切断エッジを実現します。

フォーカス、アシストガス流量、その他のパラメーターを最適化することで、破損やドロスを最小限に抑えます。画像提供：エア・リキード。

従来、アルミニウムでは通常、特に材料が厚くなるにつれて、材料の表面の下深くにビームの焦点を合わせる必要があります。これは、材料を切り溝の底から洗い流すのに役立ちます。これがどのように、そしてなぜ起こるのかを理解するには、切り口の上部で材料が溶けている様子を視覚化します。今回は焦点スポットが材料表面またはその近くにあります。

「材料はすぐに溶けて切り溝を通って流れ、そこでビームが発散し、エネルギー密度が二次関数的に低下します」とカリスタン氏は語った。したがって、切り溝の底で溶融金属に利用できるエネルギーが少なくなり、金属酸化物が凝固してドロスになります。

焦点を材料の表面の下の低い位置に設定すると、パワー密度の状況が変化します。材料表面近くからの溶融材料が切り口を下って移動するとき、材料はビームの最も明るい部分を通過するため、底部から排出されるまで液体のままです。

バランスを取る作業はまだ始まったばかりです。カリスタン氏は「切断速度にはチャンスがある」と語った。「切るのが速すぎるとドロが発生します。しかし、切断が遅すぎるとドロも発生します。」

高速カットによるドロスは直感的です。熱源（ビーム）が前進する前にアシストガスが溶融材料を洗い流す時間がなかったため、溶融材料は切断の底でドロスとして「凍結」しました。

しかし、切断が遅すぎるとカスはどうなるでしょうか? カリスタン氏は、これを裏付ける厳密な科学はないが、「金属への入熱と、すべての溶融金属を一度に除去するアシストガスの能力に関係があると考えている」と述べた。

移動速度も切り溝幅に影響します。移動速度が遅いと切り口は広くなり、ビームが速いと切り口は狭くなります。「カーフが狭くなると、アシストガスを通すのが難しくなり、フラッシングパワーもそれほど得られなくなります」とカリスタン氏は言う。これは、ドロスを含む切断品質に影響を与えます。

エッジの縞模様は、他の変数とともに切削速度によっても変化します。アルミニウム (およびその他の素材) を切断するのが遅すぎると、深い縞模様が見えます。「これらは、ガスの流れが液体金属を押し出し、押し流していた証拠を示している」とカリスタン氏は語った。

これらすべては、あまり考慮されない別の変数、つまりノズルから流出するガスの速度と相互作用します。それは超音速であり、音より速く伝わる他のものと同様に、小さな衝撃波を生成します。「この衝撃波は、アシストガスの流れを意図した場所から逸らす可能性があり、カーフを流れるガスの量を乱す可能性がある」とカリスタン氏は語った。

衝撃波が切り口の上で偏向すると、アシストガスの柱を妨げる部分的な障壁が形成され、その結果、切断内のガスのダイナミクスが変化し、溶融金属を効果的に排出するガスの能力に影響を与える可能性があります。カット品質が悪い。カーフ幅が狭くなるにつれて、この可能性は高くなります。

アルミニウムを切断する場合、切り口の幅が変化すると問題になる場合があります。この例では、切り口は上面 (上の画像) では広く、底面ではほとんど見えません。

ガスの流れは超音速であるため、レーザー切断オペレーターは衝撃波を排除することはできませんが、ノズルのスタンドオフ距離を適切に設定することで、切断への衝撃波の影響を軽減することができます。「経験則では、スタンドオフ距離はノズルのオリフィスの直径以下であるべきです」とカリスタン氏は言う。より高くすると、衝撃波のたわみが悪化して、実際に切り口に到達するためのガスが少なくなる可能性があります。

また、集束ビームがノズル開口部の中心にあることを確認してください。「ノズル開口部の中心が常に切り溝の中心線と完全に一致していることを確認する必要があります」と彼は言いました。「切削方向を変えるたびに、ミスアライメントが切削性能に現れます。」

集束されたビームの伝播とエネルギー分布は複雑なテーマですが、集束について考えるときは、レーザービームを 2 つの円錐が重なったものとして想像してください。円錐の先端が交わる場所が焦点スポットです。集束光学系の焦点距離が短いほど、円錐が太くなり、焦点スポットサイズが小さくなり、焦点でのパワー密度が高くなります。

焦点のサイズは波長とともに変化するため、ビーム自体がより短い波長で構成されると、焦点でのパワー密度は二次関数的に増加します。その高い集束性と、さまざまな金属グレードがファイバーレーザービームからのエネルギーをいかによく吸収するかが、ファイバーレーザーを非常に効果的にしている理由の 1 つです。

「これが、特定の材料と材料の厚さに対して、ファイバーレーザーの 1 キロワットあたりの切断性能が同じ出力の CO2 レーザーの 2 倍に相当するという経験則がある理由の 1 つです」とカリスタン氏は述べています。

レーザー切断では、出力密度が高くなるとより多くの熱エネルギーが発生しますが、そのエネルギーの大きさは、アルミニウムなどの金属がレーザー光線からのエネルギーをどの程度吸収するかによって決まります。しかし、これは方程式の一部にすぎません。

溶融金属は排出する必要があります。集束光学系の焦点距離が短いということは、焦点位置から遠ざかるにつれてパワー密度が大幅に低下することを意味します。これにより切り口が狭くなり、特に金属が厚くなるにつれて焦点スポットが適切な位置になければならないことも意味します。切り口が狭いと、アシストガスが溶融金属をきれいに排出することが困難になる可能性があります。

「焦点距離が短い集束光学系を使用すると、ビームは焦点を過ぎてすぐに発散します。そのため、比較的言えば、切り溝の底に到達するまでに出力密度は非常に小さくなります。」とカリスタン氏は述べています。これが、厚いアルミニウムではより深いフォーカスポイント位置 (素材の上ではなく内部) を設定することが一般的に行われてきた 1 つの理由です。

近年の業界の進歩の 1 つは、この電力密度の低下の影響を軽減することです。レーザービームの物理を変えることはできません。それらはすべて、焦点に収束したり、焦点から発散したりします。それでも、より良い切断エッジを生成するために、他のビーム特性を変更することができます。

カリスタン氏が説明したように、材料の厚さに応じて動作を調整する振動焦点を提供するものもあります。材料のグレードや厚さに基づいてビームのエネルギー分布やモードを変更するものもあります。たとえば、ガウスモードのビームでは、エネルギーが中心に集中し、ビームプロファイル全体で散逸しますが、中心から離れるとエネルギー密度が低くなり、狭いカーフが形成されます。ドーナツ分布では、ビームの周囲にエネルギーが集中し、切断壁に近い部分で最高のエネルギーが維持されます。

アルミニウムのドロスは非常に柔らかいため、作業者の親指でとかして取り除くことができます。

しかし、繰り返しになりますが、ビームからのエネルギーは方程式の半分にすぎません。残りの半分はアシストガス流の有効性です。ここでノズル技術が重要な役割を果たしました。一部のノズルには、実際にワークピースの表面に接触するコンポーネントが含まれています。これらは、カーフに決して到達しない無駄なアシストガスを削減します。これは、ファイバーレーザーによって生成されるカーフが狭い場合に特に問題となります。

「典型的なノズルでは、ガス流はオリフィスを出るとすぐに膨張します」とカリスタン氏は言います。「そしてその大部分は切り口に到達することはありません。ワークピースの表面に接するこれらのタッチノズルを使用すると、無駄になるガスが少なくなります」ワークピースの表面とより多くのガスが直接カーフに入ります。」

レーザーを使用して厚い軟鋼を酸素切断するショップでは、酸素と鉄の化学反応を利用しています。窒素を使用して厚いアルミニウムやその他の非鉄材料を切断するには、材料を溶かしてきれいに排出することがすべてです。

カリスタン氏は、アシストガスがカットに完全な層流で流れ、ビームが材料をきれいに除去して洗い流す「理想的な」レーザーセットアップについて説明しました。底部（ドロス）やエッジ（縞模様）で早期に「凍結」することはありません。。超音速の衝撃波は存在しますが、それがそらされたり、カーフへのガスの流れを妨げたりしないように移動します。

最近の高出力レーザーは非常に速く切断しますが、その速度は、結果として得られた部品を再加工したり廃棄する必要がある場合には影響しません。業界は、レーザーがどのように金属を切断するかを正確に理解するのに長い道のりを歩んできており、研究は続けられています。理解が深まるほど、切断パラメータが向上し、オペレータが最初の試行できれいな切断部品を達成できる可能性が高くなります。

タッチノズルを含む新しいノズル技術により、ワーク表面でのアシストガスの無駄が少なくなります。写真提供：エア・リキード。