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、数十年にわたって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・リキード社のペンシルバ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分野のテクニカル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、これらのパラメーターがなぜ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の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いため、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。 きれいでは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、光学システムによる後方反射に対処しなければならず、レーザー共振器の空洞まで遡り、しばしば共振器を破壊してしまいました。」とカリスタン氏は述べた。 それ以来、私たちは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。