レーザー切断でネガティブフォーカスを選択するタイミング

レーザー切断機の「ネガティブフォーカス」（「ローフォーカス」または「プレート内部フォーカス」とも呼ばれる）は、レーザーの焦点位置を調整する上で重要なプロセスです。簡単に言うと、ネガティブフォーカスとは、レーザーの焦点を切断対象材料の表面より下に設定することです。ネガティブフォーカスの使用は、主に以下の原理と目的に基づいています。焦点が材料内部にある場合、材料表面でのビームのスポットサイズは大きくなり、エネルギー密度は相対的に低下します。しかし、これは、より広いテーパー状の光路を作り出すため、特定の状況では有利です。

1. スラグの排出：より広い切込み口を設けることで、酸素や窒素などの補助ガスが溶融金属をより効果的に吹き飛ばし、スラグの付着を防ぐことができる。

2. セクションの品質を向上させる：厚みのある材料の場合、より垂直で滑らかな切断面を実現できます。

3. レンズを保護する：フォーカスを下げることで、切断時に発生する飛沫がフォーカスレンズに直接跳ね返るのを防ぐことができます。

ネガティブフォーカスはどのような場合に使うべきか（主な応用シナリオ）

1. 厚い金属材料（特に炭素鋼）の切断

• これは、ネガティブフォーカスの最も重要な応用例です。
• 理由：厚板を切断する場合、板厚全体を溶かすにはより長いエネルギー作用時間が必要です。負のコークス（通常は板厚の1/3～1/2）を使用することで、切断部の上部の幅を広げることができ、炭素鋼を切断する際に酸素が切断部の底部にスムーズに入り込み、十分な酸化発熱反応を維持し、スラグをスムーズに吹き飛ばすことができます。正の焦点またはゼロ焦点（表面またはそれより上に焦点を合わせる）を使用すると、切断部の上部が狭くなりすぎて、底部が不透明になり、スラグがひどく付着し、断面が粗くなる可能性があります。
• 経験に基づく参考情報：厚さ6mm以上の炭素鋼板を切断する場合、通常は負圧コークスの使用を開始する必要があります。
• 厚みが増すにつれて、ネガティブフォーカス（材料内部への焦点深度）もそれに合わせて増やす必要があります。例えば、20mm厚の炭素鋼を切断する場合、焦点は表面から3～5mm下の位置に設定すると良いでしょう。

2. 高品質な切断面の追求

• 垂直性、滑らかさ、スラグのない切断面に対する要求が高い場合、中厚材であっても、空気の流れとエネルギー分布を最適化するために、わずかに負の焦点を用いることがある。

3. 穿孔手術を行う際

• 穿孔時に発生する高温の溶融金属片がレンズを損傷するのを防ぐため、通常は穿孔時に焦点をマイナス焦点（低エネルギーかつ深い位置）に設定し、穿孔完了後に切断に必要な設定位置に焦点を調整します。

ネガティブフォーカスを使用すべきでない場合

1. シート材を切断する（通常3mm未満）

• 理由：薄板切断において、速度と精度を追求するため。ゼロフォーカスまたはわずかに正のフォーカスを使用することで、最小のスポットと最も集中したエネルギーが得られ、結果として切断幅が狭くなり、切断速度が速くなり、より精密な切断が可能になります。

2. 高精度加工を行う場合

• 理由：最小のスポットサイズと最高の寸法精度を確保するために、通常は材料の表面に焦点が合わせられます（ゼロフォーカス）。

3. ステンレス鋼を窒素で切断して光沢のある表面を得る場合

• 理由：窒素切断によるステンレス鋼の切断は、レーザーエネルギーで材料を溶融させた後、高圧窒素を用いて酸素反応を起こさずに溶融物を吹き飛ばすという原理に基づいています。垂直で滑らか、かつ酸化のない「光沢のある表面」の切断効果を得るためには、通常、ゼロフォーカスまたはわずかに正のフォーカスを用いてエネルギーを集中させ、狭く整った切断面を確保します。

最適なネガティブフォーカス量をどのように決定すればよいでしょうか？

固定値はなく、最適な焦点位置はプロセステストを通じて決定する必要があり、以下の要因によって影響を受けます。

• 材質の種類:炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムはそれぞれ異なる重点戦略を持っている。
• 材料の厚さ：厚みが増すほど、通常はネガティブフォーカスの量も多くなる。
• ガス削減：酸素除去と窒素除去は、それぞれ異なる重点戦略に基づいている。
• レーザー出力とモード：出力やビーム品質（シングルモードとマルチモードなど）が異なる機器では、最適な焦点位置も異なります。

一般的な試験方法は以下のとおりです。

1. フォーカス調整：まず、材料表面の「ゼロフォーカス」位置を見つけます（通常、機械には自動または手動のキャリブレーションプログラムが備わっています）。

2. フォーカステストサンプルの作成：同じ出力、速度、ガス圧で、異なる焦点位置（例えば、3mmから-3mmまで、0.5mmまたは1mmごとに1ステップ）で一連の直線またはパターンを切断します。

3. 評価効果：断面の品質、垂直性、スラグの付着状態、スリット幅、および各切断部の底部が切断されているかどうかを観察する。

4. 最適なポイントを選択してください。総合的な切断品質、安定性、効率性を考慮し、材料の厚さに応じて最適な焦点位置をプロセスパラメータとして選択します。

まとめ

基本原則：具体的な焦点位置は、常に材料、厚さ、機械出力、および要求される品質によって決まります。最適なプロセスパラメータは、現場でのテストと検証を通じて取得する必要があります。操作を行う際は、必ず機器メーカーが提供するプロセスパラメータマニュアルを参照し、実際の切断効果に合わせて微調整してください。