CO2レーザー｜赤外線で切断・溶接をこなす主力機

CO2レーザー

CO2レーザーとは、二酸化炭素を主体とする混合気体を発振媒体として用いる気体レーザーの一種である。波長10.6マイクロメートル前後の遠赤外線を発振し、金属や樹脂、木材など多様な材料の加工に用いられる。発振効率が高く、大出力化が比較的容易であることから、切断・溶接・穴あけ・表面改質といった工業用熱加工の光源として広く普及している。医療分野においても、皮膚組織や粘膜に対する切開・蒸散手術用の光源として活用されており、産業用途と医療用途の双方で存在感を示している。CO2レーザーは放電励起を基本方式とし、ガスの流し方や共振器の形状によって導波路型・軸流型・横流型など複数の型式に分類される。

発見と実用化の経緯

CO2レーザーは、1964年にアメリカの物理学者クマール・パテルによってベル研究所で発振に成功したことに始まる。発振効率の高さと大出力化の容易さから、発表直後より工業応用への期待が高まった。1970年代以降は数値制御技術と組み合わされることで自動化が進み、板金加工や自動車部品加工の分野で急速に普及した。現在では固体レーザーの一種であるファイバーレーザーの台頭により板金切断分野での比率は変化しつつあるものの、厚板加工や特殊材料の加工分野では依然として重要な位置を占めている。

発振の原理

CO2レーザーは、二酸化炭素分子の振動準位間の遷移を利用して発振する。放電によって電子が二酸化炭素分子に衝突すると分子は振動励起状態に遷移し、より低い準位へ落ちる際に光子を放出する。この過程を効率化するため、実際の発振管内には二酸化炭素のほかに窒素とヘリウムが混合されている。窒素は振動励起状態にある分子が二酸化炭素へエネルギーを受け渡す役割を担い、ヘリウムは管内の熱を逃がして放電を安定させる役割を担う。三種の気体の混合比率は装置の出力特性や安定性に直結するため、用途に応じて調整される。

励起方式の種類

励起方式には直流放電励起と高周波放電励起がある。直流放電励起は構造が単純で大出力化に適する一方、電極の消耗が課題となる。高周波放電励起は電極を管内に露出させない構造を取れるため長寿命化が図りやすく、近年の産業用機器では主流となっている。いずれの方式でも、放電によって生じたガス中のエネルギーを効率よく光へ変換する設計が求められる。

装置の構成

CO2レーザー発振器は、発振管、共振器を構成する反射鏡、電源、冷却系、ガス循環系から構成される。波長10.6マイクロメートルの光は石英系の光ファイバーをほとんど透過しないため、石英ファイバーで伝送する近赤外レーザーとは異なり、金属反射鏡やビーム伝送用アームを用いて加工点まで導かれる。共振器の形式には、ガスを軸方向に流す軸流型、垂直方向に流す横流型、金属や誘電体の導波路内に放電を閉じ込める導波路型などがあり、必要出力や装置の小型化要求に応じて選択される。

波長と加工特性

CO2レーザーの光は有機材料や水分に強く吸収される一方、金属表面では反射率が高く吸収されにくいという特性を持つ。このため金属加工では表面の酸化被膜形成やアシストガスの選定によって吸収率を高める工夫が必要となる。金属工学の観点からは、加工時の入熱量と冷却速度が組織形成に直接影響するため、加工条件の設定には材料の熱伝導率や融点、比熱といった物性値の理解が欠かせない。

加工分野での利用

産業用途では切断、溶接、穴あけ、マーキング、表面改質など多岐にわたる工程にCO2レーザーが用いられている。板金加工の現場では数値制御装置と組み合わせた自動切断機が普及し、複雑な形状の部材を高精度かつ短時間で加工することが可能となっている。

切断加工

切断加工では、レーザー光を集光レンズで微小なスポットに絞り込み、アシストガスとともに材料へ照射することで局所的に溶融・蒸発させて切り離す。酸素をアシストガスに用いる場合は酸化反応の発熱を利用して炭素鋼の厚板切断に適し、窒素を用いる場合は酸化を抑えてステンレス鋼などの美観を保った切断が可能となる。

溶接加工

溶接加工では、局所的かつ高密度の熱入力により深い溶け込みと狭い熱影響部を実現できることが特長である。焼入れと同様に急速な加熱と冷却を伴うため、溶接部近傍の組織変化を見込んだ条件設定が求められる。

表面改質と熱処理

表面のみを局所的に加熱できる特性を利用し、レーザー焼入れと呼ばれる表面硬化処理にも応用される。従来のリン酸塩処理や化学的な表面処理と異なり、必要な部位のみを選択的に処理できる点が利点となる。急速な加熱・冷却によって表面近傍の結晶粒が微細化し、耐摩耗性の向上が期待できる。

品質評価と非破壊検査

レーザー加工部は入熱の集中によって微小な割れや気孔が生じる場合があるため、加工後の品質評価が重要となる。溶接部や切断端面の健全性確認には非破壊検査が用いられ、表面の微小欠陥検出には浸透探傷試験、内部欠陥の検出には超音波探傷試験や放射線透過試験が選択される。導電性材料の表層欠陥検査には渦電流探傷試験が用いられることもある。これらの検査結果はJIS規格に定められた基準と照合され、合否判定に利用される。急冷による組織変化を把握する上では鉄炭素状態図に基づく相変態の理解が有用であり、溶接部の靭性低下を招く脆化組織の生成有無を確認する際の指標となる。表面処理としてDLCコーティングを併用する事例もあり、耐摩耗性と耐食性を両立させる複合加工として研究が進められている。

医療分野での応用

医療分野では、CO2レーザーの光が生体組織に含まれる水分へ強く吸収される特性を利用し、皮膚科や耳鼻咽喉科、婦人科領域における切開・蒸散手術に用いられている。出血を抑えつつ精密な切開が可能である点が評価され、外来手術用の機器としても広く導入されている。

取り扱い上の安全対策

CO2レーザーの光は不可視の遠赤外線であるため、光路を直接目視で確認できない点に注意が必要である。角膜での吸収率が高く、わずかな照射でも角膜障害を引き起こす危険性があるため、専用の保護眼鏡の着用や光路の遮蔽、インターロックの設置といった安全対策が不可欠となる。産業用機器では法令に基づくレーザー製品の安全区分に応じた管理体制の整備が求められている。

他方式のレーザーとの比較

近年普及が進むファイバーレーザーや半導体レーザーは、近赤外域の波長を持ち金属への吸収率が高いため薄板の高速切断に適する。一方でCO2レーザーは光学系の柔軟性や厚板加工時の切断面品質の面で強みを持ち続けており、加工対象や求める品質に応じて両者が使い分けられている。