レーザー加工とは？原理や特徴、加工できないもの、種類、仕組み

１．レーザー加工とは？特徴や種類、用途

 

 

製造業等にわたり広く活用され、私たちの生活を支えているレーザー加工とは、どのような技術なのでしょうか。

ここではレーザー加工について、概要と特徴、その用途について解説します。

 

（1）レーザー加工の概要と特徴

 

レーザー加工は、高エネルギー、高密度のレーザー光を素材に照射し、熱による融解や蒸発を起こして、切断や彫刻などの加工を行う技術です。ミラーやレンズを使用してレーザー光を一点に集めることで、高エネルギーかつ高密度の出力を実現しています。

レーザー光を照射する範囲が限定されると、熱による素材の変形を抑えられるというメリットもあります。

 

レーザー加工は、レーザー光の熱によって素材を融解、蒸発させるため、非接触加工に分類されます。非接触加工は素材に触れることがないため、もろく壊れやすい素材や薄い素材の取り扱いに長けており、加工時のゆがみや欠けが起こるリスクも低減されます。

 

（2）レーザー加工の種類と用途

 

レーザー加工は非接触加工であるため、接触加工に比べて幅広い素材の加工が可能です。

レーザー加工の主な種類は以下の通りです。

 

ここでは、レーザーによる切断加工や溶接加工、彫刻、マーキング、変形加工について説明します。

 

①切断

 

切断加工は、素材にレーザー光を照射して、熱によって素材を焼き切る加工です。

レーザー加工では刃物を使用しないので、切断面の損傷や、金属加工の残留物の発生を抑制します。また、レーザー加工は、刃物では難しい複雑な形の切断が簡単にできます。

 

②溶接

 

溶接加工は、レーザー光で金属を溶かして、別の箇所と接合する加工方法です。

溶接は一般的に光エネルギーを用いたレーザー溶接と、電気エネルギーを用いたアーク溶接に区別されます。

 

③彫刻

 

彫刻加工は、レーザー光を素材に照射して、デザインや文字を深く彫り込む加工方法です。

レーザー光を照射する強度や速度を変化させることで、溶かす深さを自由に選択できます。

主に木材の看板や、トロフィー、メダルの装飾などにレーザー彫刻が活用されています。

 

④マーキング

 

マーキング加工は、レーザー光を素材に照射することで、表面を焦がす、削る、変色させるなどして文字やロゴを印字する加工方法です。

マーキング加工は、彫刻加工よりも溶かす深さが浅く、短時間でより多くの加工が可能です。主に食品パッケージのラベル印字や、機械部品のシリアル番号の印字などにマーキング加工が活用されています。

 

⑤表面加工

 

表面加工は、レーザー光によって素材の性質を変化させる加工方法です。

焼入れと合金化にレーザー加工が使用されています。

 

 

 

主に自動車部品や鉄橋やビルなどの建築物、鉄道の材料などに表面加工(焼入れ・合金化)した金属が活用されています。

 

２．レーザー加工の原理と仕組み

 

 

 

多くの産業分野で使用され、私たちの生活を支えるレーザー加工は、どのような原理で成り立っているのでしょうか。
ここではレーザー光と自然光の違いから、レーザー加工の原理を詳しく解説します。

 

（1）レーザー光と自然光の違い

レーザー加工に欠かせないレーザー光は、自然界に存在しない人工的につくられた光です。

レーザー光と自然光の違いは以下の通りです。

 

①波長の範囲

 

大きな違いのひとつに、下図のように自然光は波長の範囲が広いのに対してレーザー光は波長の範囲が狭いことがあります。

 

波長の範囲をスペクトル幅と呼び、スペクトル幅は広さによって以下のような特徴があります。

 

レーザー光はスペクトル幅が狭く、単色性に優れています。

②干渉のしやすさ

 

レーザー光はコヒーレント光と呼ばれている規則的な波動の一つであるのに対して、自然光は様々な大きさの光波を不規則に発しています。

 

 

光の相互干渉のしやすさをコヒーレンス性と呼びます。

レーザー光はコヒーレンス性が高いことが特徴です。コヒーレンス性が高いことで、複数の波動が増幅されて大きなエネルギーを生み出します。

 

③集光性

 

レーザー光は、ミラーやレンズなどの集光装置を用いることで、照射範囲をより絞ることができます。集光するとレーザー光のエネルギーが一点に集中し、金属などを切断するほど強力なエネルギーを得られます。

自然光も集光するとエネルギーは強くなりますが、レーザー光ほどの出力は得られません。これは、レーザー光が集光装置の屈折率によるズレを示す収差の影響をほとんど受けない性質を持っているためです。この光エネルギーの集中しやすさを集光性と呼びます。

 

 

④指向性

 

指向性とは、方向に対する光の強度のことです。

指向性の高い光は、まっすぐ一点を照射できるのに対して、指向性が低い光はさまざまな方向に光が分散してしまいます。

レーザー光は、高い指向性を持つことで知られています。対して、自然光の指向性は低いです。

 

 

レーザー光は指向性が高い上に、集光によりより強いエネルギーを持つ光とすることができます。

 

（2）レーザー加工の仕組み

 

レーザー加工は、レーザー発振器で発生したレーザー光を集光し、より強度の高いエネルギーとして素材を融解、蒸発させます。

ここでは、レーザー加工の仕組みを詳しく解説します。

 

①レーザー光を発生させる

 

 

レーザー光は、レーザー光を生成する装置である「レーザー発振器」で生成されます。

発振機内部にあるレーザー媒質に励起光源を照射することで発振させ、誘導放出によりレーザー光を発生させます。

 

 

 

レーザー媒質に励起光源を照射すると、レーザー媒質内部の原子や分子が励起状態となります。この励起状態は、高エネルギーであることから維持し続けるのが難しく、非常に不安定な状態であるため、安定している基底状態にすぐに戻ろうとします。

この励起状態から基底状態に戻る際に、差分のエネルギーがレーザー光となって外部に放出される原理が誘導放出です。

 

 

②レーザー光を集めて照射する

 

誘導放出によって物質から放出されたレーザー光を集めることで、高エネルギー、高密度になり、切断や彫刻などの多様な加工を実現します。

 

レーザー光を集めるには、反射鏡やレンズ、ファイバー、分光器などの集光装置を使用します。これらを用いてレーザー発振器から素材まで光路を繋ぎます。

レーザー光の種類によって反射鏡の反射率や、レンズの透過率が異なるため、できる限り多くのレーザー光を伝送できる集光装置を選定する必要があります。

 

集光装置によって一点に集められたレーザー光は、素材へ照射されます。

高エネルギーかつ高密度で出力されたレーザー光は、熱で素材を融解、蒸発させることが可能で、様々な加工に使用されています。

 

３．レーザー加工のメリットとデメリット

 

ここではレーザー加工のメリットとデメリットを紹介します。

 

（1）レーザー加工のメリット｜生産効率や安全性、品質

 

レーザー加工のメリットは以下の通りです。

 

①加工素材が損傷しにくい

 

刃物を使用しない非接触加工であるため、加工時のゆがみや損傷が接触加工に比べて軽減できます。また、不要な金属の残留物が発生しづらいので、安全性が高く、仕上がりも滑らかです。

 

②多様な加工に対応できる

 

複雑な形状の切断、文字や模様の彫刻、マーキングなど、多様な加工が可能です。

素材にレーザー光を照射する強度や速度を変化させることで、微細な加工にも対応できます。

 

③生産効率が高い

 

高エネルギーと高密度を両立するレーザー光は、切断や溶接で特に活躍しています。

高出力のレーザー光によって迅速に素材を溶かすため、生産効率が高いのが特徴です。

 

④簡単にプログラム変更できる

 

レーザー加工は、専用の機械で設計データを読み込み、高度な加工を実現しています。

レーザー光の強さや速度、照射距離を変更することで、加工内容を簡単に変更できます。また、加工のために型取りや採寸が不要な点も有用です。

 

（2）レーザー加工のデメリット｜加工できないものやコストなどの問題

 

レーザー加工のデメリットは以下の通りです。

 

①加工に向かない素材がある

 

レーザー加工は素材の厚さによって、エネルギーが集中する焦点距離の調整が必要です。この焦点距離よりも厚い素材は、レーザー光のエネルギーが届かないため加工できません。

また、光の反射率が高い素材ではレーザー光が跳ね返って、エネルギーが素材に伝わりづらく、加工には向きません。

 

レーザー切断が難しい分厚い素材は、以下のようにラズマ切断で対応可能な場合があります。

 

【関連動画】プラズマ切断

 

②初期投資が高くなりやすい

レーザー加工は、専用のレーザー加工機を用いて実施します。サイズが大きく、内部構造が複雑なため、初期投資が高額になりやすいです。

 

③素材により生産スピードに差がある

 

レーザー加工は、素材によっては他の加工方法より加工速度が遅いことがあります。

素材をレーザー光の熱で溶かすため、素材ごとの熱の伝わりやすさや、厚さで加工時間が左右されます。

 

④熱で色が変わることがある

 

レーザー光の熱で溶かして加工するため、照射した部分の色が変わってしまうことがあります。変色を抑えるためには、レーザー光の強さや距離の調整が必要です。

 

4．レーザー加工機とは？特徴と種類

 

 

ここでは、レーザー加工機について解説します。

 

（1）レーザー加工機とは

 

レーザー加工機は、レーザーを用いて加工を行う機械の総称です。

レーザー加工は、非接触加工であるため、もろく壊れやすい素材や薄い素材の取り扱いに長けており、加工時のゆがみや欠けが起こるリスクも低減されます。

 

（2）レーザー加工機の種類

 

レーザー加工機はレーザー媒質の種類によって分類され、素材に適したレーザー加工機を選ぶ必要があります。

ここではレーザー加工機の種類や特徴を紹介します。

 

①CO2レーザー加工機

 

CO2レーザー加工機は、気体である炭酸ガス(CO2)をレーザー媒質としています。

CO2レーザーは他のレーザー加工機と比較して、経済的であることが特徴です。さらに幅広い素材に適した性質を持つことから、レーザー加工機の中で最も一般的に使用されています。

 

 

CO2レーザーについては以下の記事で詳しく解説しています。

ファイバーレーザーとCO2レーザーの違いとは？特徴や選定ポイント

 

②YAGレーザー加工機

 

YAGレーザー加工機は、固体であるYAG(イットリウム、アルミニウム、ガーネット)をレーザー媒質としています。イットリウムとアルミニウムは金属、ガーネットは鉱物です。

 

YAGレーザーは、高エネルギーかつ高密度の出力により、光の反射率の高い金属も加工できることが強みです。レーザー光の熱によるゆがみや変形が抑えられるため、彫刻・マーキング・溶接加工に向いています。
また、シミやそばかすのレーザー治療や、脱毛に応用されており、美容や医療分野でも活躍しています。

 

YAGレーザーについては以下の記事で詳しく解説しています。

ファイバーレーザーとYAGレーザーの違いとは？原理や特徴を比較

 

③ファイバーレーザー加工機

 

ファイバーレーザー加工機は、固体である光ファイバー内部のイッテルビウムをレーザー媒質としています。イッテルビウムはレアアースに区分される金属で、鉱物に含有されています。
ファイバーレーザーは、光ファイバーを用いてレーザー光を集めているためエネルギー効率が非常に良く、高出力のレーザー光が得られます。レーザー光を狭い範囲にピンポイントで照射できるため、サイズの小さな加工、微細な加工を得意としています。

 

【関連動画】ファイバーレーザーを用いた溶接については、こちらの関連動画をご覧ください。

 

 

また、ファイバーレーザーについては以下の記事で詳しく解説しています。

ファイバーレーザーとは？特徴や仕組み、溶接や他の用途、デメリット

 

まとめ

 

レーザー加工の原理や特徴、種類、加工できないものを簡単に解説しました。レーザー加工とは、高エネルギーかつ高密度なレーザー光を金属や木材などの素材に照射して加工する技術の一つです。効率良く高品質の加工が可能であることから、近年注目されています。

 

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