植田・廣江・小松原：板金材料へのレーザー除去加工に及ぼす加工パラメータの影響

資料

板金材料へのレーザー除去加工に及ぼす加工パラメータの影響
植田
１．目

優*・廣江拓也*・小松原

聡*

いる．板金加工では一般に厚さ１mm前後の金属板材が使的用されるが，工業製品の小型軽量化，高精度化への要求が1960年 にT.H.Maimanが ル ビ ー 結 晶 を 用 い て 波 長厳しくなる中，板金加工においても薄板材料に対する微細レーザーかつ高精度なレーザー除去加工が求められる．しかし除去（Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of

加工工程では，光の吸収と加工材料の加熱，溶融，そしてRadiation，放射の誘導放出による光の増幅）は，太陽光飛散，冷却といった複雑な現象が，瞬間的かつ連続的に起や蛍光灯光と比べ，単色性（同一波長）や指向性（同一位こる．このことが，技術開発や試作開発，生産現場におけ相）が高く，高エネルギー密度が得られるといった特徴がる効率化，不良解析などを困難にする一因であると考えらある．そのため，光源からの距離によって集光径が広がられる．

694.3nmの赤色光を発振させたことに始まる

１）

ず，増幅することで非常に大きなエネルギーを得ることがそこで本研究では，薄板材料へのより微細なレーザー除できる．これまでの多くの研究者や技術者による発振媒体

去加工の適用を目的に，レーザー発振条件などの加工パラの探索，高出力化，エネルギー効率改善，ビーム品質向上

メータが加工品質，特に加工線幅の寸法に及ぼす影響につを目的とした研究開発

２）の結果，現代社会では日用品かいて調べることとした．

ら産業利用に至るさまざまな場面でレーザーの恩恵を受け２．方るようになった．近年では，３Dプリンターとして注目が集まる付加製造技術（AM）のエネルギー源３）といった，2.1

法

実験材料

供試材には厚さ0.3mmの市販のオーステナイト系ステン最先端技術での利用も期待されている．
機械金属産業においては，レーザー加工が自動車，造船，レス鋼（SUS304）板を用いた．

電気電子機器，金型などの国内基幹産業で広く用いられて

SUS304は，表面に形成される厚さ数ナノメートルの緻きた．レーザー加工は主に除去加工，接合加工，表面改質

密な不動態膜により耐食性がとくに優れ，厨房製品，医療に分類されるが，これらは加工材料表面に照射されたレー製品をはじめ家庭用品，建築用品，自動車部品，化学プラ

ザーの熱エネルギーへの変換による加熱，溶融あるいは蒸ント，食品工業，原子力発電，LNGプラントなど広範囲

発温度に到達した時の相変化を利用する４） 点において共な用途で使用される８）．板状の素材としても薄板から厚板通する．金属などの固体材料にレーザーを照射すると光のまで安定的に供給され，板金加工材料として汎用的に利用

一部は吸収され，材料表面はレーザーの波長に依存したエされる．

ネルギーを受け取る．これにより原子振動を引き起こし，2.2

実験装置

瞬間的に材料表面の温度が上昇する．除去加工では，局所本研究では，公益財団法人JKA平成31（令和元）年度

的な熱エネルギーの印加により溶融あるいは蒸発した材料

機械振興補助事業において導入した２次元レーザー加工機

を高圧ガスによって飛散させ，熱影響の少ない切断や穴あ（LaserLife社製CSB-450F型）を用いてレーザー切断加工けを行うことが特徴である５）．接合加工では，局所的に加を行った．

工材料を溶融する微細溶接やブレージングが熱影響の少な

本装置は，レーザー発振器，伝送用ファイバー，光学ヘッい接合法として利用される．また，表面改質では材料表面ド，アシストガス供給系，XY駆動機構，排気装置およびや成膜加工を行うク制御装置で構成される．本装置の外観を図１に，主な仕様が実用化されつつあり，新たな加工技術を表１に示す．本装置は定格出力450Wのファイバーレーの急激な加熱と急冷による焼入れ
ラッディング６,７）６）

ザーによってパルス状レーザーを発振する．ファイバーとして注目されている．
金属板材を原材料として所定の形状に加工する板金加工

レーザーは，古くからの加工用レーザーであるCO２ レー

では，板材の切断や穴あけにレーザー除去加工を多用してザーやYAGレーザーと比べて，ビーム品質，エネルギー効率，放熱性およびメンテナンス性に優れ，かつ小型軽量*生産技術科化できることから，2000年代頃から利用が急激に拡大して― 23 ―

島根県産業技術センター研究報告いる９）．

第59号 （2023）

パルス発振波形は，図２（b）に示すように，ピーク出力，本装置では光学ヘッドと加工材料の距離を静電容量センサーの原理により加工中は常に一定に保つことで，歪みや１パルス中の照射時間を示すパルス幅，１パルスあたりの時間を示すパルス間隔で決定される．
本研究では，最適なレーザー除去加工条件を見出すた反りのある金属板材に対して加工精度を高めている．
レーザーのエネルギーにより局所的に溶融した加工材料

め表２に示す範囲で加工パラメータを変化させて加工長さを飛散させるアシストガスには，最大2.0MPaの酸素，窒素，100mmの直線加工を行い，そのときの加工線の形状観察

アルゴンまたは圧縮空気を使用した．それを光学ヘッドかおよび加工線幅（カーフ幅）の寸法測定を行った．
観察および測定には，デジタルマイクロスコープ（㈱キーらレーザーと同軸で照射位置に放出し，試料テーブル下方

エンス製VHX-5000型）および走査型電子顕微鏡（日本電から排気することでガス流れを形成する．

子㈱製JSM-IT100LA型）を用いた．なお，特に注釈がな
い限り，観察および測定は加工長さの中央部にて行った．
(a)（ピーク出力、パルス幅、パルス間隔）

発振器

光ファイバー

アシストガス（ガス種、圧力）
光学ヘッド（移動速度）

レーザー

２次元レーザー加工装置の外観

レーザー

ファイバーレーザー

波長1062nm

発振形式

パルス出力

最高450W

移動速度

最高12m/min

加工エリア

600×600mm

デフォーカス±4mm

アシストガス

窒素，酸素，アルゴン，圧縮空気

ガス圧力最高2.0MPa

2.3

パルス間隔

時 間

図２

レーザー加工プロセス（a）加工模式図 （b）パルス発振波形

表２

実験方法

2.3.１

パルス幅

(b)

主な仕様

ピーク出力

表１

加工材料（材質、板厚）

出 力

図１

移動

レーザー除去加工

加工プロセスを図２に示す．図２（a）に示すように，レーザー発振器で生成したパルス状レーザーは光ファイバーによって光学ヘッドまで伝送され，剣山型試料テーブル上に加工パラメータ

ピーク出力225～900W

パルス幅0.05～0.11ms

パルス間隔0.5～2.0ms

移動速度500～5000mm/min

ガス圧力0.5～2.0MPa

固定した加工材料に対して垂直に照射される．レーザー除去加工は，まず光学ヘッドを移動させずに貫通穴をあけ（ピ2.3.2

発振条件の影響アス加工），次に光学ヘッドを所定の移動速度で移動させ

図２（b）に示したとおり，パルス発振波形はピーク出力，ながら直線状に加工（線加工）する．レーザーエネルギーパルス幅およびパルス間隔で決定される．そこで発振条件により溶融した加工材料は，高圧ガス（本実験では純度（パルス発振波形）がカーフ幅に及ぼす影響について評価99.99%の窒素を使用）で飛散，除去される．

するために，これらのうち２つを固定した状態で残り１つ― 24 ―

植田・廣江・小松原：板金材料へのレーザー除去加工に及ぼす加工パラメータの影響を変化させてレーザー除去加工を行い，照射面側のカーフ幅寸法を測定した．発振条件以外の加工条件は，移動速度1000mm/min，ガス圧力2.0MPa一定とした．
2.3.3

移動速度の影響

光学ヘッドの移動速度がカーフ幅に及ぼす影響について評価するために，移動速度を変化させてレーザー除去加工を行い，カーフ幅の寸法測定および形状観察を行った．

100μm

移動速度以外の加工条件は，ピーク出力225W，パルス幅

図３0.10ms，パルス間隔0.50ms，ガス圧力2.0MPa一定とした．
2.3.4

アシストガス圧力の影響

レーザー加工断面(a)アシストガス圧力がカーフ幅に及ぼす影響について評(b)
カーフ幅価するために，ガス圧力（窒素ガス）を変化させてレーザー除去加工を行い，カーフ幅の寸法測定および形状観察を行った．ガス圧力以外の加工条件は，ピーク出力900W，ピアス

パルス幅0.05ms，パルス間隔0.50ms，移動速度1000mm/100μmmin一定とした．

３．結
3.1

図４

果

レーザー加工の外観（a）照射面 （b）照射背面

試料外観

レーザー除去加工後の代表的な外観について，デジタ積やドロスの付着は，加工精度の不良や製品の美観，作業ルマイクロスコープによる断面の観察結果を図３に示す．

者の安全性などの製造上の課題となることから，後加工やレーザーは図の上部より照射し，紙面手前から奥側に向加工条件の最適化による対策が必要となる．

かって移動した．照射面側ほどカーフ幅は広く，照射背3.2

発振条件の影響面に向かって細くなるテーパー状断面が形成された．レー

発振条件がカーフ幅に及ぼす影響について，照射面のザー加工ではエネルギーの吸収により照射面表面で加熱，カーフ幅寸法の測定結果を図５に示す．図５（a）および（b）

溶融が開始し，照射背面および照射点の外周方向に向かっに示すように，ピーク出力が高いほど，またはパルス幅がてその熱が伝わることで加工が進行する．そのため，照射長いほどカーフ幅寸法は大きくなる傾向を示した．また，面側で溶融領域が大きくなり，テーパー状の加工断面が形

図５（c）に示すように，パルス間隔が長いほどカーフ幅成されたと考えられる．

寸法は小さくなる傾向を示した．本実験範囲では，すべて安定した直線加工ができており，発振条件の最適化によっ

次に，走査電子顕微鏡による照射面および照射背面の観て約120µm幅での加工が可能であった．

察結果を図４に示す．図４（a）に示すように，照射面のピアス加工点周囲には，最初の貫通穴加工時に飛散した溶移動速度が一定の場合，ピーク出力が高いあるいはパル融物（スパッタ）が堆積した．また，図４（b）に示すよ

ス幅が長いほど，レーザー照射による入熱量は大きくなる。

うに，照射背面にはアシストガスによって飛散しきれず周

前節でも述べたように，熱エネルギーは照射背面方向だけ囲に付着した溶融物（ドロス）が付着した．スパッタの堆でなく照射点の外周方向へも拡散することから，溶融領域

20015010050300(b)250カーフ幅, µm250カーフ幅, µm300(a)200
150
100002505007501000

ピーク出力, W

200
15010050500(c)250

カーフ幅, µm300000.050.10.150パルス幅, ms

図５カーフ幅寸法に及ぼす発振条件の影響（a）ピーク出力の影響 （b）パルス幅の影響 （c）パルス間隔の影響― 25 ―

12

パルス間隔, ms3島根県産業技術センター研究報告第59号 （2023）

が大きくなり，結果的にカーフ幅寸法は大きくなる．また，次に，それぞれの移動速度でレーザー除去加工した照射

パルス幅一定の時のパルス間隔の大小は，パルス状照射時面の外観を図７に示す．移動速度1000mm/min以下では，の停止時間の大小を意味する．そのため，パルス間隔が長加工線のエッジも直線状で，安定した直線加工の外観を示

くなるほど冷却時間が長くなり，余剰の熱エネルギーが取した．それ以上の移動速度では，カーフ幅寸法に大きな差り除かれることでカーフ幅寸法の増大を抑える働きがあるは見られないが，2000mm/min以上ではエッジが円弧状にと考えられる．

なり，安定した直線加工の外観を示さなかった．さらに移以上の結果から，カーフ幅寸法を小さくすることによるレーザー除去加工の微細化には，加工を維持する以上の過動速度を増加することで，除去加工ができない状態になることが予測される．
一定間隔でパルス状レーザーが照射される場合，移動速剰な熱エネルギーを供給しない発振条件の最適化が有効である．

度が小さいほど入熱量が大きく，言い換えれば加工部周辺3.3を予熱することになる．これによって加工材料の溶融が容移動速度の影響

光学ヘッドの移動速度がカーフ幅に及ぼす影響につい易になり，結果的にカーフ幅寸法は大きくなると考えられて，照射面のカーフ幅寸法の測定結果を図６に示す．移動

る．一方，移動速度の増加は，同様の理由から，カーフ幅

速度1000mm/min以下では移動速度の増加とともにカーフ寸法を小さくすることに有効であるが，移動速度に対して幅寸法は小さくなるが，それ以上の移動速度ではほぼ一定照射間隔が大きくなるため，貫通穴外周の円弧形状がエッの値を示した．

ジに現れたものと考えられる．
以上の結果から，カーフ幅寸法を小さくすることによ

カーフ幅, µm

180

るレーザー除去加工の微細化には，移動速度の高速化が160有効であるが，必要以上の高速化はエッジの直線性の低140

2000mm/minが最適値であるといえる．

下を招くことになる．本実験範囲では，移動速度1000～
3.4120

アシストガス圧力の影響

ガス圧力がカーフ幅に及ぼす影響について，照射面および照射背面のカーフ幅寸法の測定結果を図８に示す．加工100

材料の板厚が0.3mmと薄いため，ガス圧力によるカーフ幅
8001000

2000

30004000

移動速度, mm/min

図６

カーフ幅寸法に及ぼす移動速度の影響

5000

寸法の顕著な差は見られないが，高圧ほど若干小さくなる傾向を示した．また，図３と同様に，照射面のほうが照射背面よりカーフ幅寸法が大きくなるテーパー形状を示した．
2002000mm/min

160
カーフ幅, µm500mm/min

750mm/min

3000mm/min

12080
● 照射面

40

○ 照射背面

001000mm/min

図８5000mm/min

0.5

11.5
ガス圧力, MPa22.5

カーフ幅寸法に及ぼすガス圧力の影響

次に，それぞれのガス圧力でレーザー除去加工した照射背面の外観を図９に示す．ガス圧力2.0MPaでは，エッジは直線状で，ドロスの付着もない良好な外観を示した．し図７

カーフ幅形状に及ぼす移動速度の影響

かし，ガス圧力0.5MPaではエッジ全域に塊状あるいは玉状のドロスが付着し，エッジの直線性が低下した．これは，溶融物を飛散するのに十分なガス圧力が照射背面において― 26 ―

植田・廣江・小松原：板金材料へのレーザー除去加工に及ぼす加工パラメータの影響
2.0MPa1.0MPa0.5MPa謝辞

本研究は，株式会社ゼンキンメタルとの共同研究において実施したものである．研究の遂行にあたり，同社取締役
技術・品質管理部長 新田敏也様ならびに技術・品質管理
図９部技術改善担当 喜田浩昭様には深く敬意と感謝の意を表

カーフ幅形状に及ぼすガス圧力の影響します．

文

得られていないことが原因と考えられる．
以上の結果から，ガス圧力の高圧化は，カーフ幅寸法を小さくすることによるレーザー除去加工の微細化だけでなくドロス付着の低減についても有効である．
3.5

まとめ

本研究では，切断や穴あけなどの除去加工を目的とした商用のレーザー加工機を用いて，カーフ幅を狭くすることによる微細なレーザー除去加工の可能性について検討した．発振条件や移動速度，ガス圧力といった加工パラメー
タによる加工材料への影響を把握し，レーザー加工機の仕様範囲内で加工パラメータを最適化することでカーフ幅の微細化は可能である．しかし，ガス圧力の高圧化のように，最適化によって加工コストの上昇を招く場合もあるので実用化には注意を要する．
一方，微細化を目的としたアブレーション加工を行う短パルスレーザー加工機も工業利用されつつある10） が，それら専用機器を導入することなく加工バリエーションを向献

１） 霜田光一. レーザー発明のインパクト. レーザー研究. 1991,
vol.19, no.1, p.5-7.
２）霜田光一. 20世紀のレーザー史. レーザー研究. 2001, vol.29, no.1,p.28-36.
３）京極秀樹. レーザーを用いた金属Additive Manufacturing技術の最新動向. 精密工学会誌. 2016, vol.82, no.7, p.619-623.
４）川澄博通. 高出力レーザー加工の現状と将来. レーザー研究.
1983, vol.11, no.5, p3.
５） 徳永剛. レーザ加工の基礎. 精密工学会誌. 2009, vol.75, no.5,p.595-598.
６）後藤光宏. レーザ焼入れとレーザクラッディングの産業応用. 電気加工技術. 2020, vol.44, no.136, p.8-12.
７）塚本雅裕. 金属AM技術を支えるレーザ技術開発. スマートプロ
セス学会誌. 2017, vol.6, no.3, p.104-108.
８）野原清彦. “ステンレス鋼の用途”. ステンレス鋼大全. 初版, 日刊工業新聞社, 2016, p.31-40.
９）荒谷雄. ファイバーレーザとその加工の最前線. 高温学会誌.
2009, vol.35, no.4, p.176-182.
10）新井武二. “短パルス微細レーザー加工の現状”. レーザー微細加工-基礎現象と産業応用-. 初版, 丸善出版, 2018, p.189-218.

上できることは，生産現場での技術開発，課題解決などに有益である．

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