ファイバーレーザ切断の世界では、スポットサイズは最適な結果を得るために極めて重要な役割を果たします。精度から効率まで、スポットサイズはレーザ切断プロセスのさまざまな側面に大きく影響します。
スポットサイズとは？
スポットサイズが重要である理由を掘り下げる前に、スポットサイズとは何かを確立しておこう。スポットサイズとは、集光点におけるレーザビームの直径のことです。言い換えれば、レーザのエネルギーが材料表面に集中する領域です。そのエネルギーの一部は材料に吸収され、局所的な溶融につながる。金属のファイバーレーザ切断では、切断ヘッドから供給される高圧アシストガスが液体金属を排出するために使用され、ビームが部品を横切って移動する際に切り口が形成される。
何がスポットの大きさに影響するのか？
スポットサイズは、レーザ波長、レンズでのビームサイズ、集光レンズの焦点距離など、いくつかのパラメータによって影響を受けます。波長が長いほど、同一の光学セットアップでより大きなスポットサイズになります。波長1070nmのイッテリビウムファイバーレーザは、波長10,600nmのCO2レーザよりもスポットサイズが小さく、それに応じてスポットサイズも大きくなります。
ファイバーベースのビーム伝送を使用する場合、スポットサイズは、ファイバーの直径とコリメーターの焦点距離（どちらも集光光学系でのビームサイズを定義する）、および集光光学系の焦点距離に基づいて計算することができます（図1参照）。集光対物レンズの焦点距離を長くするとスポット径は大きくなり、レンズでのビーム径を大きくするとスポット径は小さくなります（レンズでのビーム径が回折限界の性能に維持される限り）。
切断精度：小さいほど良い
レーザ切断のスポットサイズを小さくすることで、レーザエネルギーがより小さな領域に集中し、正確な材料除去が容易になるため、精度と解像度が向上します。これにより、複雑なデザイン、より細かいディテール、より厳しい公差を実現することができる。さらに、狭いスポットサイズから生じる小さなカーフにより、部品のより緊密なネスティングが可能になるため、材料の利用が最適化され、製造工程での無駄が最小限に抑えられる。
切削スピードと品質：バランスを見つける
切断速度と品質の完璧なバランスを追求する上で、レーザパラメーター間の相互作用が非常に重要になります。エネルギー密度は極めて重要な役割を果たし、スポットサイズを小さくすることで、レーザエネルギーをより小さな領域に集約することができます。これにより、より低出力のレーザで同じエネルギー密度を達成することができます。
しかし、スポットサイズと材料の厚みの関係は複雑である。材料の厚み全体にわたって溶融を達成するためには最小限のエネルギー密度が必要だが、溶融した材料を効率的に排出するためには、スポットサイズを十分に大きくする必要がある。材料の厚みが増すにつれて、切断品質と速度を維持するためには、より大きなスポットサイズが必要となる。さらに、最適なスポットサイズは、熱伝導率や粘度などの材料特性にも左右される。
スポットサイズと相関のある焦点深度にも注意が必要である。スポットサイズが小さいほど焦点深度は浅くなり、一般的にビーム面積が2倍になるビームウエストからの距離として定義されます。焦点深度より長い距離では、切断品質に影響が出始める。このように、スポットサイズ、エネルギー密度、焦点深度の微妙な均衡を見つけることは、速度や品質に妥協することなく望ましい切断結果を得るために不可欠です。
最適なレーザ切断のためのバランス調整
あらゆることを考慮して、メーカーはバランスを取る必要がある。厚い材料では、切断品質と速度を維持するために、スポットサイズを大きくすることが望ましいかもしれません。しかし、複雑な加工や薄い材料では、より小さなスポットサイズが好まれます。メーカーは通常、精度、切断品質、スループットの完璧なバランスを達成することを目標に、利用可能なレーザ出力と切断対象の材料および厚さに対して最も適切なスポットサイズとなる最適なビーム伝送構成を選択する。
