焦点距離とノズル高さが切断効果に与える影響関係

レーザー切断プロセスにおいて、焦点距離とノズル高さは相互に関連する2つの主要な工程パラメータです。これらはレーザーエネルギー分布、溶融池の安定性、補助ガスの性能、および最終的な切断品質に直接影響を与えます。焦点位置とノズル高さを適切に組み合わせることは、切断の安定性と切断面品質を確保するための基本条件です。

I. 焦点距離の基本定義と機能

焦点距離とは、集光レンズとレーザー光線が光学系を通過した後に最小スポットを形成する位置との間の距離を指します。切断工程では、焦点位置は通常、被加工物の表面をゼロ点として基準とし、正の焦点、ゼロ焦点、負の焦点に分類されます。

焦点位置は、材料表面または材料内部におけるレーザーのエネルギー密度分布を決定し、以下の各側面に直接影響します：

初期溶融能力

溶融池の深さおよび形状

切断幅およびテーパー

熱影響領域のサイズ

焦点位置の過度なずれはエネルギー密度が不十分または不均一になる原因となり、完全な切断が行えなかったり、スラグが付着したり、切断面が粗くなることがあります。

II. ノズル高さの基本定義と機能

ノズル高さとは、ノズル先端と被加工物表面との間の垂直距離を指し、通常は高さセンシングシステムによってリアルタイムで制御されます。ノズル高さの主な機能は、補助ガスのジェット状態および切断領域内における気流の安定性にあります。

適切なノズル高さにより以下のことが可能になります。

安定した軸対称の補助ガス流を確保する

溶融金属の除去効率を向上させる

切断幅内部のスラグ残留を低減する

光学系へのスパッタの影響を最小限に抑える

ノズル高さが大きすぎるとガス流が散逸し、スラグ除去能力が低下します。逆にノズル高さが小さすぎると、ノズルの衝突、スパッタの付着、および気流の乱れを引き起こす可能性があります。

III. 焦焦点距離とノズル高さの連動関係

焦点距離とノズル高さは独立したパラメータではなく、実際の切断プロセスでは、これら二つの間に明確な連動関係があります。

焦点位置の変化が最適ノズル高さに与える影響

焦点位置が下方に移動する（より深い負の焦点）と、溶融池が材料内部までさらに広がります。この場合、通常ノズル高さを適切に低く設定し、補助ガスが溶融金属に及ぼす直接的な効果を強める必要があります。

ノズル高さの変化が焦点エネルギー利用効率に与える影響

ノズル高さの変化はガス圧力分布に影響を与え、間接的に溶融池の形状およびレーザーと材料の相互作用領域を変化させることで、焦点エネルギーの有効利用に影響を及ぼします。

パラメータマッチングが切断安定性に与える影響

焦点距離とノズル高さの不適切なマッチングは、切断中に溶融池の不安定を引き起こしやすく、周期的な切断溝の条痕、切断面下部へのスラグ付着、または切断の中断として現れることがあります。

IV. 異なる材料条件におけるパラメータマッチングの特性
薄板カット

狭い切断幅と高い切断速度を得るためには、ゼロに近い焦点またはわずかな正の焦点を用い、小さなノズル高さと組み合わせるのが一般的です。

中厚板切断

ネガティブ焦点切断が一般的に採用されており、ノズル高さを比較的低く設定することで、溶融池の深さと補助ガスによるスラグ除去能力を高める。

高反射材の切断

エネルギーの変動を防ぎ、後方反射のリスクを低減するため、ノズル高さを安定させて焦点位置を正確に制御する必要がある。

V. よく発生する切断欠陥とパラメータとの相関関係

切断不完全：焦点位置が高すぎるまたはノズル高さが大きすぎる

切断面底部へのスラグ付着：ネガティブ焦点が不十分またはノズル高さが大きすぎる

切断幅の過大化：焦点位置がポジティブに過ぎるまたはノズル高さが低すぎる

切断面の粗さ：焦点距離とノズル高さの組み合わせが不適切であり、ガス流動と溶融池との間で不安定な相互作用が生じる

VI. プロセス最適化の推奨事項

焦点距離の調整は、主に材料の板厚に基づいて決定する必要があります

ノズル高さは、作業安全性を確保しつつ、できるだけ被加工物に近づけておく必要があります

パラメータのチューニング中は、焦点距離とノズル高さを個別ではなく同時調整する必要があります

試し切りを行い、切断溝の形状や切断面の品質を観察することで、最適なパラメータ組み合わせを段階的に決定する必要があります

焦点距離とノズル高さは、レーザー切断において相互に制約し合い、影響を及ぼし合う重要なパラメータです。これらの適切なマッチングが、レーザーエネルギーの利用効率、溶融池の安定性、および切断品質を直接決定します。実際の応用では、材料の種類、板厚、および工程目的に応じて、焦点距離とノズル高さを体系的に調整し、安定した再現性のある切断結果を得る必要があります