ファイバーレーザー切断アシストガス技術が進化

製造業者は、これまでよりも多くのレーザー切断補助ガスのオプションを利用できるようになりました。また、ファイバーレーザーの出力が増加するにつれて、アシストガスの可能性も増加します。ゲッティイメージズ

過去数年間は、レーザー切断アシストガスの過渡期でした。従来の通念に疑問が投げかけられており、そのため実際、市場にはこれまで以上に多くの選択肢があります。バルクおよびボトル入りの窒素と酸素は依然として人気がありますが、他の選択肢も急速に参入しつつあります。これらには、酸素の混合、窒素生成、乾燥空気システムの使用が含まれます。

ウィスコンシン州ハートランドに本拠を置くリバティ・システムズのスティーブ・アルブレヒト社長によると、業界のアシストガスの使用量は過去数年間で大幅に進化しており、その傾向は同社の販売実績からも暗示されている。窒素生成システムで最もよく知られているリバティ社は、現在、さらに高性能の空気システムを販売しています。

「今年当社が販売したシステムのうち、20%から30%は窒素生成システムです」と彼は述べ、さらに10%は窒素と酸素の混合システムで構成されていると付け加えた。「残りはほぼすべて高性能エアです。」

バルク窒素のような従来のアシストガスのオプションは役に立ちません。それでもアルブレヒト氏は、ファイバーレーザー、特にレーザー出力の台頭により、高性能空気が最終的には、最も普及していなくても、少なくともレーザー切断補助ガスの主要な形態になる可能性があることに驚かないと述べた。業界が使用しています。

正確にはどのように? まず、いくつかの用語を定義するのに役立ちます。高性能エアによる切断についてアルブレヒトと話すときは、それを「ショップエア」とは呼ばないでください。

「通常の工場の空気について話しているのであれば、厚さ 1/8 インチまでの材料に使用できる可能性のある比較的湿った空気のことを話していることになります。」と彼は言いました。「しかし、それより厚く切ると、見た目が美しくなくなります。」

現在のところ、レーザーは周囲の空気から得られる約 3 種類のアシストガスのうちの 1 つを使用しており、それらはすべて清浄度 (微粒子を最小限に抑える) のためにフィルター処理されていますが、それぞれ乾燥レベルが異なります。 1つは、アルブレヒトが「湿った」と考える冷媒の乾燥空気です。これは、ジョブのエッジ要件に応じて、薄いストックでは問題なく機能しますが、厚い切削では困難が生じる可能性があります。中層は乾燥剤を使用した乾燥空気システムで構成されています。

「その後、非常に乾燥した高性能の空気システムが登場します」とアルブレヒト氏は語った。「これは非常に乾燥した空気であり、多くの場合、必要なパフォーマンスと速度をもたらします。」

CO2 レーザーが主流だった時代、光沢のある刃先を必要とする精密な作業では窒素アシストガスを使用した切断が標準となりましたが、切断を促進する酸素の発熱反応の恩恵を受ける厚い炭素鋼では酸素切断がその地位を占めていました。

2000 年代初頭までに、多くの企業が、特に薄いストックに対して、乾燥した工場空気の利点を支持していましたが、窒素切断が依然として主流であった厚みのあるエッジが重要な作業には、依然として推奨されていませんでした。同時に、製造現場では窒素発生装置が登場し始めましたが、普及には至りませんでした。それには十分な理由がありました。

「2000年代初頭、初期の窒素生成システムを採用した人々は、基本設計が1970年代に遡るシステムを使用していた」とアルブレヒト氏は語った。「コンプレッサーもそれほど洗練されていませんでした。」

2005 年から 2008 年にかけて、膜と圧力スイング吸収 (PSA) の両方の種類の最初のハイエンド窒素生成システムが市場に登場し始めました。もちろん、2000 年代後半にはファイバーレーザーが登場し、それに伴いより大きなアシストガス圧力が必要になりました。初期の頃、ファイバーレーザーの窒素消費は一部の人にとって失礼な目覚めでした。これにより、窒素生成が促進され、この技術はより多くのレーザー機械 OEM に受け入れられるようになりました。

それでも、アルブレヒト氏が説明したように、アシストガスの使用量は増加しているものの、ファイバーレーザーが業界を席巻したため、その使用量は天井知らずになったわけではありません。話はそれよりももう少し微妙です。

初期のファイバーレーザーマシンのほとんどでは、オペレーターは CO2 レーザー切断機で使用したのと同じストレートノズル (穴直径 2、2.5、3、または 4 mm) を使用していました。「これらのノズルを使用すると、必要な圧力が CO2 レーザーに必要な圧力よりもはるかに高かったため、機械は非常に多くのアシストガスを消費しました」とアルブレヒト氏は説明しました。「これは単純な物理学です。特定のサイズの穴があり、圧力が上昇すると、ガス流量が増加し、ガス消費量も増加します。」

これに対抗するために、業界ではノズル技術の革新が見られました。ノズルの形状によってガスのダイナミクスが変化するため、より小さなオリフィスでより広い切り口ときれいなカットを実現できます。たとえば、一部のノズルは周囲に流れのカーテンを付けて 2 mm のガス流を放出します。「『カーテン』という言葉はそれを説明するのに最適な言葉ではありません」とアルブレヒトは語った。「いずれにしても、2 mm ノズルでも 4 mm ノズルと同じ切り口を作成できるという効果があります。」ノズルは、ガス流量を大幅に増加させることなく必要な圧力増加を生成するため、アシストガスの消費量が節約されます。他のノズルは材料表面に「キス」して、切り口に入る前に逃げるアシストガスの量を減らします。

「他のレーザー機械 OEM は、必要な圧力を下げるためにレーザーパラメータを改良しました」と彼は言いました。「そして、圧力を下げると、流量を減らすことができます。」

最後に、ファイバーレーザー出力の継続的な増加が、アシストガスの使用量に影響を及ぼし始めています。「レーザーがより強力になったため、アシストガスの圧力を下げることができました」とアルブレヒト氏は語った。

近年、リバティは窒素と酸素の混合ガスシステムの開発と改良を行っており、このシステムは重要かつ困難な切断用途、特にアルミニウム関連の用途で引き続き人気を博しています。「これらのシステムでは、通常、酸素ボンベのバンクと組み合わせて大量の窒素を供給します」とアルブレヒト氏は説明した。「アルミニウムを切断する場合、酸素含有量が役立ちます。実際、これは高性能の空気切断と非常に似ています。」

それは偶然ではありません。混合ガスシステムを開発する際、リバティシステムズの技術者は混合ガス中の窒素の量を減らし続け、最終的には私たちが呼吸する空気中に含まれる窒素の混合量と非常に似た状態にまでなりました。その空気を濾過し、微粒子を除去し、極限まで乾燥させることができれば、たとえ厚い材料であっても、エッジが重要な用途にエアー切断が機能するでしょうか?

結局のところ、そうです。アルブレヒト氏によれば、同社の高性能エアシステムには脱水ユニットが搭載されており、これは「乾燥剤に似ているが、少し異なる」という。

最初の高性能エアシステムは 6 kW ファイバーレーザーに搭載されました。これらのシステムは、0.25 インチ以下のあらゆるものを空気で切断します。しかし、出力が増加するにつれて、空気による切断能力も増加しました。「8 kW システムが登場したとき、経験則では 5/16 インチの材料が使用されていました」とアルブレヒト氏は言います。「現在、10 kW システムの場合、そのルールは 3/8 インチから 1/2 インチの間に変更されました。そのため、ファイバーレーザーの出力が増加し続けるにつれて、高性能エアでさらに多くの厚さが切断されることになるでしょう。」

同氏は、これらの厚さは単なる経験則にすぎないと付け加えた。エア切断の有効性は、工場が処理する材料の組み合わせ、床に設置されているレーザー、工場が使用する切断パラメータ、および顧客が要求するエッジの品質によって異なります。

いずれにせよ、アルブレヒト氏は、アシストガスの市場シェアは今後数年間で変化する可能性があると述べた。酸素切断は発熱反応に依存しているため、非常に早くしか起こりません。 10年前、ファイバーレーザーが厚い板を切断するときにどのように這うかを考えれば、これは問題ではありませんでした。しかし、ファイバーレーザーの出力が 12 kW、15 kW、さらには 20 kW 以上に達するにつれて、話は変わりつつあります。

「酸素はかなり安価ですが、高性能エア切断が実際に普及しつつあります」とアルブレヒト氏は語った。「多くの用途では、空気が酸素切断に代わる可能性があります。」

同氏は、酸素による切断はドードーのようにはいかないし、従来の窒素による切断も同様ではないと付け加えた。厚さ 1.25 インチの炭素鋼を精製酸素ではなく空気のジェットに囲まれたレーザービームで切断する効果的なレーザー切断操作を想像するのは困難です。

とはいえ、決して決してとは言わないでください。「高性能エアで厚さ1インチのステンレス鋼を切断したのを見たことがある」とアルブレヒト氏は語った。「エッジはきれいに見えませんでしたが、それでも完成しました。」

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