レーザマシナリ

「レーザ」は日常でもよく耳にする言葉ではないでしょうか。しかし、実際「そもそもレーザとは何か」と問われると、具体的に説明できない方もいらっしゃるかと思います。本項では「レーザとは何か」について解説していきます。

前述でレーザとは「人工的な光である」と述べましたが、私たちの身近にあるランプのような「一般的な光」と「レーザ光」にはどのような違いがあるのでしょうか。本項ではそれぞれの特徴について解説していきます。

「一般的な光」は光源から光があらゆる方向へ拡散され広がることが特徴です。一方「レーザ光」は指向性が高い光が発せられ、ほとんど広がることなく光が真っ直ぐ進みます。

「一般的な光」は波長のスペクトル幅が広く、複数の色が混ざり合っています。一方「レーザ光」は波長のスペクトル幅が非常に狭くひとつの色で出来ていて、単一波長の光が集まっている状態です。

コヒーレンスとは可干渉性と言われており、周期的に繰り返される光の波の、山と谷が揃っている光をコヒーレント光といいます。「レーザ光」は光の波ごとの山と谷がきれいに揃っていて、レーザ同士を重ね合せると山、谷の波がそれぞれ強め合い、一定の強度を保った状態になり、当たった対象へ干渉しやすい状態の光となっています。一方「一般的な光」は、光の波が揃っていない状態であり波同士で不規則に打ち消しあうため、干渉性が低いインコヒーレントな光です。

「収束性」とは光の束を一点に集める性質のことを指します。「一般的な光」は、光の収束性が低いため、レンズなどで焦点を絞った場合でも、金属を切断するまでエネルギ密度に高めることは難しいです。一方「レーザ光」は特に光の収束性が高く、極小に集光させることで金属を一瞬で昇華させるほどのエネルギーを一点に集中させることが可能です。

まとめますと「レーザー光」は、単色で収束性が高く、真っ直ぐで強度の高い光であるといえます。
次項からはこの「レーザ光」を使用して加工物の物質除去、接合、表面改質を行う「レーザ加工」について詳しく解説していきます。

レーザ加工は金属・樹脂・ガラスなど多種多様な材質に対して適応が可能ですが、レーザ発振器の持つ波長によっては、加工対象に吸収されないなど向き不向きがあります。以下ではレーザ発振器の種類、及び得られるレーザ波長を整理し、各発振器（=波長）がどの材質の加工に適しているかを解説します。

それぞれ励起媒体の種類によって、レーザの波長やビーム品質に違いがあるため、目的とする加工用途により最適なレーザが異なります。以下でそれぞれの特徴について解説します。

以上がレーザの種類とそれぞれの特徴になります。目的とする加工用途により向き不向き、最適なレーザが異なりますので導入を検討される際は十分な確認が必要です。それでは実際にレーザを照射することによって素材を加工するレーザ加工機の仕組みと構成について説明します。

レーザ加工機では、レーザ発振器によって発生したレーザ光が反射ミラーなどを介して伝送されます。伝送されたレーザ光は集光レンズによって収束され、レーザヘッドから材料に照射されるという仕組みになります。

最後に、他の溶接工法と比較した場合のレーザ加工のメリットをご紹介します。

レーザ加工は切断だけではなく、材料の表面を浅く削って文字や模様をマーキングしたり、素材を深く削って彫刻したりと、さまざまな加工ができるのが特徴です。また、金属のように固いものから、皮革、生地などの柔らかいものまで、さまざまな種類の素材に対して、発振器の種類やレンズ構成、その他レーザ条件を最適に選定すれば加工できます。

集光性が高いレーザは、出射光学系によって小さく絞ることが出来るため、微細な個所への照射によって、精密な切断や溶接が可能です。また、曲線や3次元形状であっても、加工機や治具を用いて、形状に沿うように照射ができれば、安定して高精度で多種多様な形状に切断・溶接などレーザ加工が可能です。

極めて狭い範囲にレーザ光を照射するので、熱の影響による変形を抑制できます。そのため、薄板の精密加工などに適しています。

レーザ加工は、加工対象に触れずに加工を行う非接触加工のため、レーザ光が吸収する材質であれば、材料の固さに関係なく加工が可能です。また、セラミックなど脆い材質に対しても、レーザの出力や照射時間などを調整することで、他材質と同様に加工ができます。

レーザ光は、他の熱源（熱加工）に比べると高エネルギーで、且つ熱を集中させられるので入熱効率がよく、他工法に比べると素早く加工対象を溶融させることができます。その為、切断、表面処理などで加工速度を上げることでき、全体の生産効率を上げることができます。例えばプレスで切断する場合は金型が必要ですが、レーザを用いた切断であれば、非接触加工ため金型が不要となり、切断形状を変える際に金型を交換する手間の削減や金型の管理の必要がなく、プログラムを作成し一度データを入力すれば、連続して均一な製品を大量に生産することができます。

レーザ加工は材料と工具が接触しない非接触加工のため、他の加工法のように刃物や研削盤などの消耗がなくメンテナンスに手間がかからないのが特徴です。レーザ加工の定期メンテナンスは、ミラーやレンズなどの出射光学系や、治具周りの清掃をする程度で交換作業も必要ありません。その為、生産効率の向上にもつながります。

レーザ光は、風や温度の外的要因を受けにくく、同じ条件・同じ箇所で溶接していれば、各加工の品質は安定しやすくなります。加工機や治具によって、加工対象が常に同じ位置になるように設計することで更に安定した加工ができます。

レーザ加工には、他の溶接工法と比較した場合のデメリットもありますので紹介します。これらは様々な導入実績のある専門会社に相談すれば解決しますので、導入を検討される際は一度相談すると良いでしょう。

他のTIG溶接やアーク溶接、プレス工法などと比べて比較的金額が高いです。

ご希望の加工品質を得るためには、発振器、出射光学系の選定、レーザ出力や加工速度などの多種パラメーターの調整などレーザ加工についてのノウハウが必要です。

レーザ条件が出た後にその加工を安定させるための、また安全を維持しながらの生産ができるような装置・治具設計の必要があります。また加工対象の形状を考慮した加工機選定が必要です。その為、レーザ加工機の導入を検討される際は、以下を踏まえた設計・準備を行う必要があります。

・加工対象の形状や材質にあわせて装置の選定をする
・安全対策のために加工装置に囲いをする
・加工品質の安定のための装置設計を行う

これらのデメリットは、専門的なノウハウを持つ企業に相談することで解決します。
レーザ加工機の導入を検討される際は、一度専門会社に相談すると良いでしょう。

40年間の実績を持つ住友重機械工業 メカトロニクス事業部では、お客様がご希望される加工結果から検証テストを実施し、条件出しの結果に添うかたちで装置をご提供致します。また、導入後のレーザ加工機・発振器のアフターフォローも行っておりますので、ご安心して導入いただけます。まずは無料相談からお問い合わせ下さい。

本記事では、レーザの基本的な知識からレーザ加工の特徴やメリット、デメリットについて解説しました。レーザ加工機自体は従来から利用されている生産設備ですが、ファイバレーザ加工機の普及をはじめとした技術革新が今も進んでおり、レーザ加工で対応できる範囲は広がっています。またレーザ加工機の導入には、専門的な知識やノウハウがなければ希望される加工品質や安全性の保証ができない為、予め専門会社に相談する必要があります。「さらにレーザ加工について理解を深めたい」「レーザ加工機の情報を収集したい」「レーザ加工機の導入を検討したい」「作業をより効率化したい」など考えられていらっしゃいましたら、まずはお気軽に当社へお問い合わせ下さい。