レーザー加工｜光で切り削り加工する技術

レーザー加工

レーザー加工とは、高いエネルギー密度に集光したレーザー光を工作物に照射し、局所的な溶融・蒸発・化学変化を引き起こすことによって切断や溶接、穴あけ、マーキングなどを行う加工技術の総称である。装置としてのレーザー加工機を用いて実施されることが多く、光源にはレーザーやレーザーダイオードが採用される。工具を直接工作物に接触させる切削加工や研削加工とは異なり、機械的なせん断力を伴わない非接触加工であるため、工具摩耗の懸念が少なく、複雑形状や微細形状の加工にも柔軟に対応できる点が特徴である。

レーザー加工の原理

レーザー加工の原理は、レンズや反射鏡によってレーザー光をごく小さなスポット径まで絞り込み、単位面積あたりのエネルギー密度を極めて高い水準にまで高めることにある。集光されたビームが工作物表面に照射されると、光エネルギーが熱エネルギーへと変換され、材料は瞬時に融点を超えて溶融し、さらに出力を高めればそのまま蒸発に至る。レーザー加工はこの熱的・光化学的な作用を精密に制御することで、切断や穴あけ、表面の改質といった多様な加工結果を得る技術であり、照射時間やパルス幅を調整することで、熱影響部の範囲を極めて狭い範囲にとどめることも可能である。

レーザー加工の種類

レーザー加工は目的に応じていくつかの方式に分類される。連続波を用いた切断は鋼板やステンレス、アルミニウムなどの板材加工に広く用いられ、パルス発振を用いた溶接は低ひずみでの接合を可能にする。さらに製品識別用のマーキングや、タービン部品などに施す微細な穴あけ加工にも応用範囲が広がっている。

• レーザー切断:連続波で金属板や樹脂を高速に切り抜く加工である。
• レーザー溶接:キーホール溶接やコンダクション溶接により低ひずみで接合する。
• 穴あけ・トレパニング:パルス幅と出力を制御し微細な穴を高精度に加工する。
• レーザーマーキング:表面を発色・アブレーションさせ、識別番号や図形を刻印する。
• 表面処理:焼入れやクラッディングにより表面特性を改質する。

レーザー光源の種類

用いる光源によって波長特性や得意とする材料が異なり、加工目的に応じた選定が求められる。以下に代表的な光源の特徴を示す。

レーザー加工の特長

レーザー加工の最大の特長は非接触かつ高精度である点にある。工作物に機械的な力を加えないため薄板や脆い材料でも変形やクラックを抑えつつ加工でき、熱影響部が局所に限定されるため寸法精度も安定しやすい。また、加工パスをデータで管理できることから、マシニングセンタのような自動化された工作機械と同様に、多品種少量生産から量産まで柔軟に対応できる点も評価されている。

レーザー加工の課題

一方で、光源や光学系の初期導入コストが高いことに加え、アルミニウムや銅など反射率の高い材料では入熱が安定せず、加工条件の作り込みに時間を要する場合がある。厚板の切断では出力や送り速度の制約から加工速度が低下しやすく、板厚が増すほど溶接設計における入熱管理と同様に、熱ひずみの抑制が課題となる。さらに加工時に発生するヒュームや微粉への対策として、適切な排気・集じん設備の導入も欠かせない。

加工条件とパラメータ

レーザー加工の品質は、出力、走査速度、焦点位置、アシストガスの種類と圧力といった複数のパラメータの組み合わせによって決まる。高い入熱が加わった部位では組織変化や加工硬化が生じる場合があり、例えばS25Cのような低中炭素鋼を加工する際にも、熱影響部の硬さ変化を見込んだ条件設定が必要となる。アシストガスには酸素・窒素・エアなどが用いられ、酸素は酸化反応による切断速度の向上に、窒素は無酸化での美観重視の切断面に適している。

安全対策

レーザー加工機の多くはクラス4に区分される高出力レーザーを扱うため、囲いやインターロック、遮光窓の設置が必須である。作業者は保護メガネを着用し、反射光の経路にも注意を払う必要がある。冷却水や集光レンズの管理を怠ると出力低下や加工不良につながるため、定期的な保守点検も品質維持の要点となる。

レーザー加工の適用分野

レーザー加工は自動車産業における車体部品の切断や溶接、航空宇宙分野における難削材の穴あけ、電子機器分野における微細な配線加工や識別マーキングなど、非接触かつ高精度という特性を生かして幅広い産業で採用されている。