レーザ切断における溶融金属の 3 次元その場透過観察による加工現象の解明
三重大学 大学院工学研究科助教 尾崎仁志
（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012210）
キーワード：レーザ切断，切断フロント，X 線透過観察

１．緒言
レーザ切断は産業界で最も早くから取り入れられ，シート材の切断ツールとして広く定着したレーザ加工法の 1つである 1)．一方，レーザ切断の高速化及び高品質化が常に求められており，そのためにはレーザ切断の加工現象の解明が重要であると考えられる．
レーザ切断は，被加工材に集光したレーザビームを照射し，それを溶融または蒸発させることにより溝（カーフ）を形成する．その際，溶融金属や酸化物を含む液状の生成物（ドロス）が，適切な圧力のアシストガスによって除去される．そのため，高い切断品質を達成するためには，ドロスが被加工物の裏面からスムーズに排出される必要があり 2)，このときのドロスの排出挙動が，切断品質に影響することが知られている．
一方，ドロスの排出挙動は切断フロントの形状に影響を受けると考えられることから，レーザ切断部を直接その場観察することが望ましい．しかし，レーザ切断は切断速度が比較的速く，被加工物である金属が可視光を透過しないことなどから，レーザ切断部をそのように観察することは困難である．
Schober ら 3)はレーザ切断中の切断フロントを高速度カメラにより外部から撮影し，幾何学的にその形状を推察している．また，山田ら 4)はレーザ切断の数値シミュレーシ
ョンを行い，切断フロントの形成過程について解析的に検討している．しかし，レーザ切断中の切断部を直接観察した例についてはほとんど報告されてない．そのため，X 線透過装置を適用すれば，レーザ切断中の切断部をその場観察でき，かつレーザ切断の加工現象を直接的かつ効果的に把握できるのではないかと考えた．
そこで本研究では，レーザ切断現象について検討するために，X 線透過装置を用いたレーザ切断中の切断部のその場観察を試みた．観察対象として，一般的によく行われている酸素をアシストガスとする軟鋼のレーザ切断を選択した．まず，レーザ切断部の 2 次元その場観察を行い，切断速度等の切断条件が，レーザ切断フロント及びドロスの排出挙動に及ぼす影響について検討した．その後，3 次元その場観察により，試験片内部におけるドロス挙動の 3次元的な把握を試みた．

２．実験方法2.1

供試材

一般的な酸素アシストガスによる軟鋼のレーザ切断を想定し，供試材として，みがき棒鋼用一般鋼材 SGD3M を用いた．化学組成を表 1 に示す．
試験片寸法は 4×120×4mm とし，ピアシングの代替としてφ2 の穴を切断開始点に設けた．また，試験片の両端にφ2.2 の穴を開け，それらの穴を使用して試験片を図 1に示すような観察用治具に固定した．なお，切断前に試験片表面をエタノールで脱脂し，試験片の長手方向にレーザ切断を行った．

す．画像右上に見える物体はアシストガスノズルの先端で2.2実験装置あり，その下の矩形が試験片である．X 線は密度が小さい

実験装置の概略を図 2 に示す．レーザ切断装置として，箇所ほど透過しやすいため，試験片のうち切断されていな

16kW ディスクレーザ発振器及び切断ヘッドを使用した．

い箇所とカーフ部では画像の灰色の濃度が異なる．そのた

なお，レーザの波長は 1030nm，BPP は 8mm*mrad，ファめ，レーザ及びアシストガスが同軸で出てくるアシストガ

イバー径は 200μm，レンズ焦点距離は 200mm である．

スノズルの直下において，切断フロントを側方から観察した際の 2 次元形状を把握することができた．

2.3

切断条件

レーザ切断条件として，アシストガスを O2 とし，切断速度を 0.5～7m/min，アシストガス圧力を 0.25～1MPa と変化させて実験を行った．その際，レーザ出力 2kW，焦点はずし距離-1mm，ノズルギャップ 1mm，及び切断長70mm は一定とした．
2.4

透過観察装置

レーザ切断部の透過観察装置として，高輝度 X 線透過型溶接接合機構 4 次元可視化システムのうち，マイクロフォーカス X 線発生装置（最高解像度 4μm，最大電圧 230kV，最大電流 1mA）を使用し，図 2 に示したように，試験片の側方からレーザ切断中の切断フロントを観察した．

図 5 に切断速度を変化させたときの切断長中央付近におけるレーザ切断部の X 線透過観察画像を示す．なお，画像中の切断方向は図 4 と同一である．

３．実験結果および考察
3.1

レーザ切断形態の整理

図 3 に，レーザ切断後の試験片を観察し，その切断形態によって整理したプロセスウィンドウを示す．

セルフバーニングとなった(a)では，切断フロントの形切断速度の変化により，セルフバーニング（▼印），良状が時間と共に変化し，不安定であった．また，レーザ通好な切断（○印），ドロス付着（△印），及びガウジング（×過後の試験片の一部が消失した．これらの現象は 1m/min印）となる条件が得られた．良好な切断となる切断速度は，以上の切断速度では観察されなかったため，入熱過多によ

アシストガス圧力が 1MPa のとき 2m/min，0.5MPa のときるセルフバーニング特有の過剰な酸化反応によるもので2～3m/min において現れた．また，アシストガス圧力の変あると考えられる．

化により，切断形態が変化する条件が見られた．
本報では，アシストガス圧力 0.5MPa において，切断速度を変化させた際のその場観察結果について検討する．

次に(b)～(e)の切断フロント形状は，おおよそ安定かつ一定であった．(b)では切断フロントが試験片表面に対してほぼ垂直に形成されているが，切断速度の増加とともに切断フロントの下部が傾斜していくことが分かる．これは，レーザ切断中の切断部の 2 次元 X 線透過観察

切断フロント上部ではレーザによる溶融が支配的で，下部

図 4 にレーザ切断中の切断部の X 線透過観察の例を示では上部から移動してきたドロスと酸素ガスによる燃焼

3.2

作用による溶融が支配的であり，レーザによる溶融に対し5)することが分かる．よって，溶接速度の増加により，切断．

フロント下部の後方への遅れが増加することを確認した．

一方，ガウジングとなった(f)では，レーザが材料を貫通しまた，図 3 における良好な切断条件から判断すると，切ていない様子が観察された．

断フロントの最適な遅れ角は 0.4～0.6mm 程度であると考燃焼作用による溶融が遅れるためであると考えられる

また図 3 より，切断速度 2m/min 及び 3m/min が良好なえられる．

切断条件であったが，図 5(c)及び(d)において両者の切断フロント形状がほぼ同様であることを考慮すると，良好な切断となる最適な切断フロント形状が存在することが示
唆される．
3.3

切断フロント形状の定量化

前節にて，切断速度の増加により切断フロントの形状が変化していることが分かった．そこで，切断フロント形状が変化する現象について検討するため，その定量化を試みた．楠元らの報告 6)を参考に，図 6 のように切断フロントの遅れ角(Lag angle)及び遅れ量(Lag distance)をそれぞれ測定した．
3.4

ドロス排出挙動の観察

図 5 に示した切断長中央付近における X 線透過画像を画質調整することにより，試験片裏面からのドロス排出挙動も同時に観察できた．図 9 に切断長中央付近における試験片下部の X 線画像を示す．

図 7 に各アシストガス圧力における切断速度と遅れ角との関係を示す．切断速度を増加させると，遅れ角が減少することが分かる．よって，溶接速度の増加により，切断フロント下部が試験片表面に対し垂直な状態から徐々に傾斜していくことを確認した．また，図 3 における良好な切断条件から判断すると，切断フロントの最適な遅れ角は 70～80°程度であると考えられる．

セルフバーニングとなった(a)では，ドロスの排出は切断フロントの直下からだけではなく，切断フロントから離れた箇所からも起こっていた．また，ドロスは様々な方向に排出されていた．また，ドロス付着条件となった(b)では，ドロスは切断フロントの直下のみから排出されていた．
しかし，ドロスの排出方向は不安定で，ドロスが前後に遥図 8 に各アシストガス圧力における切断速度と遅れ量との関係を示す．切断速度を増加させると，遅れ量も増加動していた．また，試験片の裏面においてドロスの飛散が起こるときがあった．

次に(c)及び(d)では，ドロスは切断フロント直下のみから排出されており，ドロスが排出される方向もおおよそ安角が減少したことから，両者には何らかの相関があることが予想される．

定していた．再びドロス付着条件となった(e)では，ドロそこで，図 12 に切断フロントの遅れ角とドロス排出角

スは切断フロント直下のみから排出されていたが，一部のとの関係を示す．図より，切断フロントの遅れ角とドロスドロスは試験片の裏面を後方に流れ，そのまま残留してい排出角は相関があることが分かった．よって，ドロスの排た．

出挙動が切断フロントの形状の影響を受けることが，レー

また図 3 より，切断速度 2m/min 及び 3m/min が良好な

ザ切断中のその場観察から直接確認できた．

切断条件であったが，図 9(c)及び(d)において両者のドロスの排出挙動がほぼ同様であることを考慮すると，3.2 節と同様に，良好な切断となる最適なドロス排出挙動が存在することが示唆される．
3.5

ドロス排出挙動の定量化

前節にて，切断速度の増加によりドロス排出挙動が変化していることが分かった．そこで，ドロス排出挙動が変化する現象について検討するため，その定量化を試みた．楠元らの報告 7) を参考に，図 10 のようにドロス排出角(Inclination angle of ejected dross)を測定した．

図 11 に各アシストガス圧力における切断速度とドロス排出角との関係を示す．切断速度を増加させると，ドロス排出角が減少することが分かる．また，切断速度が遅いとき，排出角のばらつきが大きくなった．さらに，図 3 における良好な切断条件から判断すると，最適なドロス排出角は 80～100°程度であると考えられる．

3.7

試験片内部でのドロス挙動の 3 次元その場観察

前節までのレーザ切断部の 2 次元その場観察では，試験片内部でのドロスの挙動については不明であった．そこで，
3.6

切断フロント形状とドロス排出挙動との関係トレーサとして直径 0.5mm の超硬合金(WC)球を試験片に

3.3 節にて，切断速度の増加により切断フロントの遅れ埋め込み，2 組の X 線透過装置を使用することにより，ト角が減少し，前節では，切断速度の増加によりドロス排出レーサの挙動を 3 次元その場観察した．それにより，試験謝片内部でのドロス挙動を 3 次元的に把握できるか試みた．

辞

その結果，レーザがトレーサに直接照射され，トレーサ本研究は，公益財団法人天田財団 平成 24 年度 レーザが消失することが多く，トレーサの挙動を観察できたのはプロセッシング 一般研究開発助成 AF-2012210 の助成を一部の切断条件のみであった．その中で，レーザ切断中に受け，国立大学法人大阪大学 接合科学研究所「接合科学おけるトレーサ軌跡の 3 次元可視化に成功した例を図 13共同利用・共同研究拠点」共同研究員制度を利用したものに示す．図中の斜円錐の右端が切断フロントに相当し，(a)です．ここに深く感謝いたします．

及び(b)の両者はともに図 3 における良好な切断条件のものである．(a)において，トレーサはほとんど動いていないことが分かる．一方，(b)においてトレーサは初期位置

参考文献にしばらく留まった後，切断方向に対して後方に移動して

1) レーザー学会編：レーザープロセシング応用便覧，エいる．
しかし，(a)及び(b)の切断条件では，3.4 節においてドロスの排出が切断フロント直下から安定的に起こっていた

ヌジーティー，(2006)，164.
2) 新井武二，沓名宗春，宮本勇：レーザー切断加工，マシニスト出版，(1994)，5.

ことから，図 13 におけるトレーサの軌跡は，試験片内部

3) A. Shober, J. Musiol, R. Daub, J. Feil, M. F. Zaeh:

でのドロスの挙動とは異なる可能性が高い．また，その他

Experimental Investigation of the Cutting Front Angleの切断条件においてもトレーサ軌跡の 3 次元可視化を試

during Remote Fusion Cutting, Physics Procedia, 39 (2012),

みたが，図 13 と同様の結果となった．よって，試験片内

204-212.

部のドロス挙動の 3 次元的な把握方法については，実験方法を含め，今後さらなる検討が必要である．

4) 山田知典，山下晋，杉原健太，村松壽晴：レーザー加工のシミュレーション，プラズマ・核融合学会誌，89-7(2013)，500-506.

４．結言
X 線透過装置によりレーザ切断部のその場観察を行った結果，以下の結論を得た．
1) 典型的なレーザ切断形態（セルフバーニング，良好な切断，ドロス付着，ガウジング）において，切断フロン5) 金岡優：絵ときレーザ加工の実務，日刊工業新聞社，(2007)，14.
6) 楠元一臣，大谷有吾：切断前方形状からみた溶融金属排出挙動の検討，溶接学会全国大会講演概要，71 (2002)，
284-285.

ト及びドロスの排出挙動を観察することができた．

7) 楠元一臣，大谷有吾：プラズマアーク切断における溶

2) 良好な切断条件では，切断フロントの形状及びドロス融金属の排出挙動，溶接学会全国大会講演概要，70の排出挙動の両者が安定していた．
3) 切断速度の増加により，切断フロントの形状が変化することを直接確認した，切断速度が増加すると，切断フロントの遅れ角は減少し，遅れ量は増加した．
4) その場観察により，ドロスの排出挙動が切断フロントの形状の影響を受けることが，レーザ切断中のその場観察から直接確認された．
以上より，レーザ切断において良好な切断を達成するための，最適な切断フロント形状及びドロス排出挙動が存在するものと考えられる．

(2002)，198-199.