１．　レーザ切断の仕組みと良く使われる切断技術

　レーザ切断は、集光したレーザを試料に直接照射して溶融させ、溶融金属をレーザと同軸で流れるアシストガスで吹き飛ばすことによって切断する加工法である。レーザ切断加工の特徴や詳しい原理などは次の節に述べるので、ここでは代表的な装置構成について紹介する。次のような構成が一般的である。図１−1に構成図を示す。

図１−１　レーザ切断装置の模式図

　このようにレーザ切断加工機もしくは切断可能な装置はその性能や役割によって幾つかの系統に分けることができるが、それぞれの系がになっている役割は次の通りである。

・レーザ発振器；レーザ光を発振する心臓部。加工する板の厚さ・種類・切断時に求められる加工精度によってレーザの種類は出力等が使い分けられる。基本的に集光して使用されるので、現在のところビームモードがシングルに近いCO₂レーザを採用しているものが一般的であるといえるが、YAGレーザが採用されていることもある。

・伝送光学系；発振器で発生したレーザ光を集光して照射するユニットへ伝送する部分。CO₂レーザの場合は、反射ミラーによって伝送するが、YAGレーザの場合は光ファイバーを通して伝送することもある。

・集光光学系；発振器から来たレーザ光を集光レンズや放物面鏡等で集光して被加工材に照射する部分。集光レンズの焦点距離などによって、レーザの集光径や集光時のパワー密度が変化する。

・アシストガス系；レーザの入熱によって溶融した金属を吹き飛ばすために高速ガス流を発生させる装置で、ガスボンベとガス圧調整器(レギュレーター)で構成され、切断用ノズルにつながっている。使用するガスは酸素ガスが多いが窒素ガスも用いられる。酸素ガスは金属の切断において酸化反応熱を切断に利用できるため切断速度や加工限界を向上させることができる利点がある反面、切断面に酸化皮膜を生成する問題点もある。酸化皮膜を生成せずに切断する時には、窒素やアルゴンなどのガスが用いられる。溶融金属の吹き飛ばし能力はガスの圧力によって左右されるが、切断用ノズルのサイズや設定にも左右される。

・切断用ガスノズル；溶融した金属を吹き飛ばすためにアシストガスを噴き出すパーツで、その性格上ノズル出口は小さく、直径1 mmくらいの穴からアシストガスを高速で噴き出す。また、ノズルと切断材料との間隔(スタンドオフ)もタイトで、数mm以下のことが多い。切断用ノズルはレーザと同軸でセットされるため、セッティング時にノズルがレーザの集光光路を遮らないように設置しないと切断ができなくなる場合があり、特に注意を要する。

・駆動系；集光光学系または切断材料を固定しているテーブルを移動させることでレーザ切断を行う。駆動系はこのどちらかあるいは両方を動かすシステムである。なお、切断材料は切断中に落下したり動いたりしないように固定するためのジグは存在するが、溶接加工のようにしっかりと固定するわけではない。2次元の切断加工の場合なら切断材料の片側をクランプし、切断片が落ちないように検算の上に切断材料を載せる形が一般的である。

１．２　レーザ切断の原理

　レーザ切断は、レーザ発振器から反射鏡などを用いて伝送されてきたレーザビームを集光レンズで細く絞って切断材料に照射することで局部的に溶融させ、レーザと同軸に配置したノズルからアシストガス(補助ガス)を噴き付け、溶融物を噴き飛ばすことで狭い溝幅の高精度な切断を行っている。図１−２にレーザ切断の基本構成を示した。

図１−２ レーザ切断の基本構成¹⁾

　レーザ切断がレーザ溶接と根本的に異なる点は、アシストガスの使い方の違いである。レーザ溶接では溶融金属の酸化を防ぎ、飛散による損失を防ぐために、シールドガスとして緩やかに吹く。そのため、用いられるガスは不活性ガスのヘリウムやアルゴン、酸化しない窒素がよく用いられる。しかし、レーザ切断の場合は、溶融金属を効率よく吹き飛ばすために高速ガス流を吹き付けている。したがって、金属の切断では酸化反応熱が利用できる酸素や酸化膜を作らずに切断する場合には窒素ガスなどが用いられている。レーザ切断でこれらのガスが使われる理由は、酸素ガスの場合は、金属の切断の場合はレーザの入熱以外に酸化反応熱も切断のエネルギーに利用できるため、切断速度や加工限界を向上させることができる点である（レーザ切断加工の研究開始当初はレーザの出力不足を補う意味もあった）。しかし酸素ガスでの切断は、切断面には酸化膜が形成される問題も有している。最近では、レーザの出力や伝送集光系の性能も向上し、切断可能板厚も拡大したので、N₂ガスを用いて切断面に酸化皮膜が生成ししない無酸化切断も実用されている。

１．３　レーザ切断と従来の切断方法との比較

　前節で紹介したように、レーザ切断法は、ガス切断法やプラズマ切断法等の従来法と同様に熱切断法の1つと位置付けられる。そこで、従来法とレーザ切断を比較してみると装置自身が相当高価であることがあげられる。しかし、特に板金加工の分野ではレーザ切断の普及は目覚しく²⁾、このような普及を支えるバックグランドには価格に見合ったレーザ切断のパフォーマンスが挙げられる。それらはおよそ次のように整理できる。

1） 熱影響が少なく、熱変形が極めて小さく切断精度が向上する。変形し易い薄板の精密切断はもってこいの分野と言える。

2） レーザの照射によって溶けた部分だけを除去するため、切断幅がレーザの集光径とほぼ同じ微小な幅で切断できる。

3） 高パワー密度ビームを照射する加工のため、溶融および溶融金属の除去が迅速で、従来の切断法に比べて切断速度が速い。

4） 非接触加工なので、歯の交換などは存在せず、レンズやミラー等の消耗部の劣化による交換頻度は接触除去加工に比べて低い。

5） 切断部の酸化が少ない。特に無酸化切断を行えば、そのまま実用されても、性能劣化は生じないことが確認されている。つまり、切断後の仕上げ加工は省略可能である。

6） 薄板の切断にはパルスタイプのYAGレーザ切断、厚板には連続タイプのCO₂レーザ切断の使い分けが一般的であるが、レーザの使い分けによって多様な板種・板厚の切断加工に応用可能である。