金属をレーザー切断する際に避けるべき3つの間違い

反りは、レーザー切断機を使ってシートメタル部品を製造する際にエンジニアが直面するもう一つの困難な課題である。レーザービームが切断のために金属に作用すると、金属はレーザーのエネルギーを素早く吸収し、熱エネルギーに変換する。温度が上昇すると、金属は膨張する。 

しかし問題は、金属の膨張過程が均一ではないということだ。一方では、金属材料によって熱膨張係数が異なる。例えば、アルミニウム合金とステンレス鋼は、同じ温度変化下でも膨張度が全く異なる。他方、圧延方向、内部組織構造などの材料の製造工程も、加熱時の金属の膨張の均一性に影響を与える。これらの要因が複合的に作用すると、熱膨張の過程で金属が曲がったり変形したりする可能性が非常に高くなり、いわゆる反りが発生する。

この反り現象は、技術者に多くの現実的な問題をもたらす。本来は正確に組み合わされるように設計されている部品でも、ひとたび反りが発生すると、部品の形状やサイズが設計の想定から外れてしまい、組み立ての際に完全にフィットさせることが難しくなる。その結果、組み立て時間が長引いたり、人件費が増大したりするだけでなく、ひどい場合には部品を廃棄することになり、資源の浪費や生産コストの増大を招くことになる。 

構造力学の観点からも、反りは構造部品に重大な隠れた危険をもたらす。構造部品が反ると、内部の応力分布が不均一になり、荷重を均等に支える本来の能力が失われる。外部荷重を受けると、反った部分に応力集中が生じやすくなり、部品全体の強度と耐荷重性が低下します。航空宇宙や自動車製造など、構造強度に対する要求が極めて高い応用シーンでは、部品の反り変形が重大な安全事故を引き起こす可能性がある。

そのため、エンジニアはレーザー切断機を使って板金部品を製造する際には、細心の注意を払わなければならない。材料の選択段階では、熱膨張係数が小さく、より安定した性能を持つ金属材料、例えばいくつかの特殊合金材料の使用を検討することができる。設計段階では、構造の冗長性を適切に高め、部品の形状とレイアウトを合理的に調整し、熱変形による反りのリスクを減らす必要があります。同時に、加工パラメーターの設定に関しても、レーザー出力、切断速度、冷却方法などのパラメーターを最適化することで、切断加工中の金属の加熱ムラをできるだけ抑えることができる。必要に応じて、金属板を厚くすることも検討できる。厚い板は熱変形に対する耐性がある程度高いからである。あるいは、設計の複雑さを軽減し、複雑な形状や薄肉構造の使用を減らすことで、反りの発生確率を低減することもできる。