レーザー切断の効果は、さまざまな素材がエネルギーをどの程度吸収し、拡散するかによって大きく左右されます。たとえば金属では、ステンレス鋼とアルミニウムではその熱特性がまったく異なるため、振る舞いが異なります。ステンレス鋼は熱伝導性が低く、約15 W/mKであるため、熱が一点に集中しやすくなります。一方、アルミニウムは熱伝導性がはるかに高く、約205 W/mKと高いため、熱が素早く拡散するため、均一な溶融が難しくなります。銅に関しては、また別の傾向が見られます。波長1マイクロメートルにおいて、銅は照射された光のほぼすべてを反射します。具体的には95%に達します。この反射の問題に対応するには、安定した切断を行うためにレーザー光線にかなりの調整が必要になります。最新のファイバーレーザーを見てみると、鋼材に対してはほぼすべてのエネルギーを吸収でき、吸収率は99%近くに達しますが、銅に関しては吸収率が60〜70%まで低下するため、効率が悪くなります。そのため、銅を加工する工場では、うまく加工を行うために特別な技術や設備が必要になることが多いのです。
ステンレス鋼や軟鋼の切断においては、ファイバーレーザーはCO2システムをはるかに上回ります。特に薄肉パイプの加工においては、最大30％も高速で切断が可能です。その理由は、ファイバーレーザーが約1.08マイクロメートルの非常に短い波長で動作するため、鋼などの金属により多く吸収され、無駄になるエネルギーが少なくなり、全体的なサイクルタイムが短縮されるからです。一方で、CO2レーザーは10.6マイクロメートルの長い波長を持つため、特定の用途ではより効果を発揮します。例えば、真鍮などの非鉄金属を切断する際には反射が少なくなるため、製造業者は依然として安定性が最も重要な特定の用途においてCO2レーザーを頼りにしています。2023年の航空宇宙業界の最新データによると、ファイバーレーザーを使用している企業では、CO2レーザーの従来方式と比較して、ステンレス鋼の切断コストがメートルあたり約18.50ドル削減されました。このコスト削減の大部分は、作業中に必要なアシストガスの量が減少したことに加え、全体的な電気効率の向上によるものです。
3つの変数が切断品質に大きく影響します：
炭素鋼においては、ガス圧を 1.2～1.5バー の間で維持することがスラグの発生を防ぎ、安定した切断品質を確保するために不可欠です。
ステンレス鋼および軟鋼は、産業用チューブレーザー切断用途の65％以上（IMTS 2023）を占めており、強度、溶接性およびレーザーエネルギーへの応答性のバランスに優れているため評価されています。これらの材料は0.5mmから25mmの厚さで処理が可能であり、熱影響部が最小限に抑えられるため、高精度製造に最適です。
オーステナイト系の304や316などのステンレス鋼は、約18〜20％のクロムを含んでいるため、錆や化学薬品による損傷に非常に強い耐性を持ち、多くの用途で使用されています。これらの素材を切断する際、現代のファイバーレーザー技術により非常に精密な切断が可能です。切断幅（開先幅）は最大0.1ミリメートルまで狭く、15ミリメートルの厚さのパイプでも±0.05ミリメートルの寸法精度が得られます。医療機器メーカーおよび食品加工用チューブを製造する企業は、このような高精度を必要としています。これらの業界では、切断面にバリや粗いエッジが一切ない完全に滑らかな表面が要求され、このような条件を安定して満たすには高度なレーザーシステム以外では難しいのが現状です。
酸化のない切断を実現するためには、3～8 mmのステンレス鋼管に対して12～16 barの窒素アシストガスを使用することが推奨されます。より厚い部位（10～15 mm）の場合は、4 kWファイバーレーザーを0.8～1.2 m/分で動作させることで、ドロスのない仕上がりを保証し、熱変形を最小限に抑えることができます。これらのパラメーターは、自動化された生産環境において高い再現性を実現します。
軟鋼に含まれる比較的少ない炭素量（0.3％未満）は、約1,500度の高温にさらされるとすぐに蒸発します。この性質により、軟鋼はファイバーレーザー切断用途に特に適しています。標準的な6 kWのレーザーシステムを使用すれば、20 mmの厚さがある軟鋼管を分速約2.5メートルという高速で切断することが可能です。切断面はほぼ垂直で、角度のずれもごくわずか（±約0.5度）です。これは、切断後の仕上げ作業に時間をかける必要がない溶接作業者にとって非常に好都合です。コスト面でも、こうしたレーザーシステムは大きな節約効果があります。FMA 2023年の業界データによると、従来のプラズマ切断方式から切り替えることで、運転コストが約23％削減されます。
炭素鋼管の板厚が25 mmを超える場合、パルスレーザーモード（1～2 kHz）を使用すると熱入力を制御し、歪みを防止することができます。酸素ベースのアシストガス混合を使用するとスラグの排出が改善され、30 mm断面における残留物を40%削減できます。これにより、建設や重機用構造部品の寸法精度が確保されます。
あるティア1自動車サプライヤーが3Dパイプレーザー切断を導入し、毎日5,000個の燃料噴射管を製造しており、寸法精度は99.7%です。同じシステムにより、SS304航空機用油圧ブラケットにおいて0.12 mmの再現性を達成し、従来の機械加工方法と比較して後処理時間を62%短縮しました。
アルミニウムは実際、我々が通常使用するレーザー波長域において約90％の反射率を示し、熱も非常に速く放出します。このような特性により、レーザーが安定してエネルギーを吸収するのが難しくなり、加工中に問題が生じやすくなります。では次に何が起こるかというと、溶融池（メルトプール）が不安定になり、切断面（カーフ）に凸凹が生じることになります。特に製造工程でよく見られる薄肉管には顕著です。また、熱伝導性も別の課題であり、アルミニウムはステンレス鋼よりも約5倍も熱を伝えやすい性質があります。このような理由から、オペレーターは、後処理で厄介なドロス（溶融残留物）を除去する手間をかけずに綺麗な切断面を得るために、非常に注意深く加工条件を調整する必要があります。
窒素を補助ガスとして使用することで、酸素を使用した場合に比べて酸化を最大70%まで抑えることができます。これに高周波パルスレーザーモード（≥2,000 Hz）と最適化されたノズルスタンドオフ距離（0.8～1.2 mm）を組み合わせることで、切断エッジの滑らかさを25%向上させます。これらの調整は、高付加価値用途において溶接可能な清浄な表面を実現するために重要です。
2023年に、とあるメーカーが6キロワットのファイバーレーザー装置を使用して電気自動車用バッテリートレーを製造したところ、±0.05ミリメートルの精度を達成しました。また、6xxx系アルミニウム管を切断する際に、温度変化を追跡管理することで、廃材を大幅に削減できることを発見しました。廃棄率は約12パーセントから3パーセント強まで低下しました。『Journal of Materials Processing Technology』などの最近発表された研究によると、車両を軽量化するためにアルミニウムの使用が明確に増加しています。電気自動車メーカーは、かつてスチール部品として使われていたものの約40パーセントを、特別に切断されたアルミニウム部品に置き換えています。
ファイバーレーザーはアルミニウムチューブ切断分野で主流となっており、世界中の設置台数の68%を占めています。1.08μmの波長はCO₂レーザーよりも吸収率が良く、8mmのアルミニウムにおいてもドロスの発生なしに1.2～1.8m/分の切断速度を実現します。この性能により、HVAC、交通機関、再生可能エネルギー分野での採用が進んでいます。
銅や真鍮などの素材を加工する際、2023年のレーザー加工研究所の最近の研究によると、これらの赤外波長域においてレーザーエネルギーの約95％が反射される傾向があります。この反射は光学部品にとって深刻な問題を引き起こし、安定した加工条件を維持することを非常に困難にします。特に真鍮の場合、切断時に亜鉛成分が蒸発するため、さらに加工が難しく、切断面が均一にならず、場合によっては素材に微細な穴が開くこともあります。こうした問題に対処するため、多くの専門家はパルスレーザー設定と窒素ガスによる支援を組み合わせて使用しています。パルス方式は溶融をより正確に制御し、窒素ガスは酸化を防ぐ働きをすることで、このような困難な金属を取り扱う製造工程において、切断プロセス全体をより予測可能で信頼性の高いものにしています。
現在、ファイバーレーザーは1kW以上の出力で動作する際に純度の高い3mm厚の銅板を切断でき、ビーム制御技術の向上により約0.1mmの精度を実現しています。ただし、ここには1つ注意点があります。銅は熱伝導性が非常に高いため、鋼材の加工と比較して切断に要する時間が約30〜40％長くなります。この切断が可能になる理由は、レーザーの波長が1.08マイクロメートルであり、銅によって約22％吸収されるためで、これは従来のCO2レーザーよりほぼ3倍優れています。この進歩により、薄肉の電気導管や特殊な熱交換システムなど、精密性が最も重要となる微細部品の製造が可能となりました。
銅や真ちゅうの加工を向上させる3つの実証済みアプローチ：
これらの方法により、2 mmの真鍮管でのドロスの発生を62％削減し、最大20 m/分の切断速度を維持します。
2023年のグローバル産業カット調査によると、精密な真鍮部品に対する需要はほぼ半分も増加していますが、依然として克服すべき技術的な課題がいくつか存在しています。装飾用トリムやマリンハードウェア、医療機器などで必要とされる0.2 mm以下の狭い公差を従来のカットシステムで実現するのは簡単ではありません。6 kWファイバーレーザーであれば8 mmの真鍮を約0.25度の精度で切断できますが、このような装置の運転コストは時間当たり約180ドルかかります。この価格帯では、ほとんどの企業が航空宇宙分野や高精度が本当に必要な専用計測器などの高価な応用用途に限って使用するのが一般的です。
最新のパイプレーザー切断機は主要素材において異なる加工性能を発揮します：
| 材質 | 最大切断厚み（ファイバーレーザー） | 切断品質 | 重要な点 |
|---|---|---|---|
| ステンレス鋼 | 25mm | 素晴らしい | 窒素のアシストガスが必要 |
| 軟鋼 | 30 mm | 高精度 | 酸素アシストガスでの加工が最適 |
| アルミニウム | 縦横 | 良好 | 反射防止コーティングが推奨されます |
| 銅 | 6 MM | 適度 | 高出力レーザー（6 kW以上）が好ましい |
| 真鍮 | 12mm | 一貫した | パルス周波数の調整が重要 |
ステンレス鋼および軟鋼は依然としてレーザー加工に最も適しており、±0.1 mm以内の精度を安定して達成できます。アルミニウムは溶融付着を防ぐため鋼に比べて30％速い切断速度が必要です。一方、銅の反射性により加工成功が限定的で、2023年の製造業界の調査によると、純銅での安定した加工結果を得られているメーカーは42％にとどまっています。
航空宇宙および医療分野では、10mmの厚さまでのチタンパイプを切断するためにファイバーレーザーが増加して使用されています。効果的な加工には以下の条件が必要です：
インコネルなどのニッケル系超合金では、レーザ切断の導入が年間19%の成長率で増加しており、特に1,200℃までの耐熱性が求められる高温排気部品に使用されています。
最適なレーザ設定は以下の4つの要因によって決まります：
新しい合金を使用する際には、オペレーターがテストカットを実施する必要があります。組成の変動が0.5%であっても、切断速度が12～15%変化する可能性があるためです。
レーザー切断は、材料がエネルギーを吸収および拡散する仕組みに依存します。ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属は、レーザー切断に対する反応に影響を与える異なる熱特性を持っています。
ファイバーレーザーは、短波長と優れたエネルギー吸収のため、特に薄肉パイプにおいてCO2レーザーよりも優れた速度と効率を提供します。
ファイバーレーザーはパルスレーザー設定などの特定の調整により、銅や真鍮を切断することが可能ですが、柔らかい金属と比較してより多くの電力と時間が要求されます。
窒素や酸素などのアシストガスは、材料に応じて切断品質を向上させ、酸化を防ぎ、効率を高すために使用されます。
はい、ファイバーレーザーは効率性からアルミニウム切断にますます使用されていますが、アルミニウムの反射性と熱伝導性に応じた調整が必要です。
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