金属のレーザー切断は通常、4段階のプロセスに従います。まず、レーザー共振器が強力なビームを生成し、CO2ガス混合物または特別な光ファイバーによってその出力が増幅されます。次に、非常に高精度のレンズがこのビームを集束して髪の毛より細い約0.1mmの太さにまで圧縮します。この段階での出力密度は平方センチメートルあたり1000万ワットを超え、『Journal of Manufacturing Processes』に掲載された最近の研究によれば、この強度により半ミリ秒以内に炭素鋼を溶かすことが可能です。最後に酸素や窒素などのアシストガスが溶けた金属を吹き飛ばし、非常に狭い切断幅を実現します。3mm厚のステンレス鋼板でも切断幅（ケルフ幅）は0.15mmまで小さくすることが可能です。
五つのコアシステムが連携して動作し、正確さと効率を確保しています。
この統合により、1mmの軟鋼材を分速60mで切断しながら±0.05mmの公差を維持でき、高精度の自動車・航空宇宙部品に不可欠です。
金属加工業界において、今日では主に3種類の主要なレーザー技術が使用されています。CO2レーザー、ファイバーレーザー、および結晶レーザーシステムです。CO2レーザーは、非鉄金属の比較的厚い材料を加工するのに適しており、励起にガスを使用しています。一方、ファイバーレーザーは、光学ファイバーを通じてダイオード光を増幅させるため、薄板から中厚板の金属加工市場の多くを占めています。2024年の『Industrial Laser Report』の最新データによると、ファイバーレーザーは3mmのステンレス鋼を、従来のCO2レーザーの約2〜3倍の速度で切断することが可能です。Nd:YAGなどの結晶レーザーは、チタンの切断などごく特定のニッチな用途に限定されていますが、これらのシステムはメンテナンスや調整に手間がかかるため、ほとんど成長していません。
ファイバーレーザーの明確な利点：
| パフォーマンス指標 | ファイバーレーザー | CO2レーザー |
|---|---|---|
| 切断速度（1mm鋼材） | 25 m/min | 8m/分 |
| エネルギー費用/月* | $1,200 | $3,500 |
| アシストガス消費量 | 15%低減 | 標準 |
*500kWシステム、24/5運転に基づく
20mm未満の金属を加工する製造業者においては、ファイバーレーザーは消耗品の削減と94%の稼働率（2024年メタルワーキング・エコノミクス・スタディ）により、18～24か月の投資回収期間を実現します。一方、CO2システムはアクリルや木材を扱う多品種加工工場においては有効ですが、金属切断あたりのエネルギー消費量は50～70%多くなります。
レーザー切断は、熱を一貫して伝導し、予測可能な速度でレーザーのエネルギーを吸収する金属素材に対して最も効果的に機能します。ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、真鍮、銅などの素材がこれに該当します。中でもステンレス鋼は腐食しにくい性質を持つため、医療機器や食品加工機械など清潔さが重要となる用途で広く使用されています。アルミニウムは軽量であるため、飛行機や自動車など、軽量化が現実的な性能向上に繋がる分野でよく使われます。真鍮や銅はレーザー切断ではそれほど一般的ではありませんが、電気機器分野において重要な役割を果たしています。これらの金属はレーザー光線を反射しやすいため、周囲を損傷させることなく綺麗な切断を行うには、特別な装置や技術が必要になります。
| 金属の種類 | 典型的な厚さ範囲 | 主な適用分野 |
|---|---|---|
| ステンレス鋼 | 0.5–25 mm | 医療機器、食品加工設備 |
| アルミニウム | 0.5–20 mm | 自動車パネル、ヒートシンク |
| 銅 | 0.5–8 mm | 基板、熱交換器 |
銅や真鍮素材を加工する際には、赤外レーザーエネルギーの90％以上を反射してしまうため、大きな問題が生じます。この反射は適切に処理されないとレーザー自体を損傷させる可能性があります。このような状況において、ファイバーレーザーが効果的に機能します。ファイバーレーザーは約1060ナノメートルの短波長で動作し、「適応電力変調」と呼ばれる機能を備えており、作業をコントロールするのに役立ちます。例えば、2ミリメートルの銅板を切断する場合、500Hzを超えるパルスレートと切断時の酸化を防ぐための窒素ガスの補助が必要です。こうした追加の工程により、鋼材を切断する場合よりも15〜20％ほどエネルギーを多く消費しますが、多くの製造業者は精度を維持し、高価な設備投資を保護するためにこのトレードオフは価値があると考えています。
加工対象の材料の厚さは、切断速度やプロセスで消費される電力に大きな影響を与えます。例えば、5mmの軟鋼の場合、約8メートル／分の速度が良好に動作します。しかし、より厚い20mmの鋼材を扱う際には、端部の反りを防ぐために、約1.2メートル／分と大幅に速度を落とす必要があります。しかし多くの人が見落としがちなのが表面の前処理です。錆や不均一なコーティングはレーザー光線を最大で0.5ミリメートルもずらしてしまうため、その後の寸法誤差を引き起こします。作業開始前にコーティング面を清掃するという単純な作業が結果に大きな違いをもたらします。業界のデータによれば、このステップにより切断の安定性が約30％向上し、後工程を複雑にするスラグ（溶渣）の付着も大幅に減少します。
ファイバーレーザーは、伝統的なCO2方式のシステムが処理できる速度の約3倍の速度で材料を切断することが可能です。また、ステンレス鋼やアルミニウム板材といった硬い素材でも、公差を約0.1mm以内に維持できます。このようなレーザーの構造には固体素子が使われており、エネルギー消費効率が約30％向上しています。この高効率化により、材料が焦げ付くことなく溶融してきれいな切断面を得ることができ、周囲に与える熱影響も非常に小さくなります。国内の製造現場で得られた実績値を見ると、25mm未満の薄板金属で作製される部品1個あたりに、18～22セントのコスト削減が報告されています。こうした理由から、多くの板金加工工場が大量生産用途としてファイバーレーザー技術への切り替えを進めているのです。
ある大手自動車部品メーカーは、2〜8mmの炭素鋼板加工に6kWファイバーレーザーを導入したことで、シャシ部品の生産時間をほぼ半分に短縮することに成功しました。新しいシステムでは、ドロスの付着が一切発生せず、クリーンな切断面が得られるため、追加のバリ取り作業が必要なくなった点も非常に注目されています。表面仕上げはRa 3.2マイクロメートルと非常に滑らかです。納期がタイトな中、製造業者にとってこのレベルの精度は非常に大きな意味を持ちます。特に、軽量化が求められ、許容差が非常に狭い電気自動車の仕様を満たさなければならない自動車メーカーにとっては大きなメリットがあります。
航空宇宙業界の企業の多くが、7075-T6合金製の翼桁や機体部分などのアルミニウム構造部品を加工する際に、ファイバーレーザーの採用を増やしています。その理由は、ファイバーレーザーが約1,070nmの波長で動作するため、材料の反射性に起因する問題を軽減できるからです。これにより、厚さ10mmの板材を厚さのばらつき0.5%以内で毎分約15メートルの速度で安定して切断することが可能です。最近の傾向を見てみると、現在、新たに設計される航空機のうち実に10機中9機の割合で、何らかのレーザー切断によるアルミニウム部品が使われています。その結果、航空宇宙業界全体で標準となっているAS9100の厳しい品質要求を満たすためには、優れたファイバーレーザーシステムを導入することが不可欠となっています。
窒素は12～20バールの圧力で不活性な支援ガスとして機能し、材料の腐食抵抗性を維持します。これにより酸化が防止され、クリーンなエッジが形成されるため、医療機器や食品加工産業で使用される部品などに最適な仕上がりが得られます。例えば、6mm厚の304グレードステンレス鋼を2kWファイバーレーザーで加工する場合、分速10～12メートルの条件で一般的に熱影響区間は0.1mm以下に抑えられます。2024年メタルファブリケーションレポートに最近掲載された研究によると、酸素ベースの方法から窒素支援に切り替えることで、追加の仕上げ加工にかかるコストを約3分の1に抑えることができます。注記すべき重要なパラメーターは以下の通りです：
アルミニウムの高反射率（1µm波長で85～92%）により、ビームの反射を防ぐためにパルスレーザーモードが必要です。4kWファイバーレーザーは、6～8バールの圧縮空気を使用して、15m/分の速度で8mmの6061-T6アルミニウムを切断できます。熱伝導性に対応するためには：
この方法により±0.05mmの精度を実現し、自動車用バッテリートレーなどの精密部品に最適です。
炭素鋼厚さ3mmを超える切断においては、酸素補助による切断が標準です。発熱反応により切断速度を最大40%まで高めます。3kWでの10mm S355JR鋼の切断では、速度は8～10m/分に達します。ただし、過剰な酸化は下端にスラグを生じることがあります。有効な対策として：
Iビームなどの構造部品については、酸素切断と窒素仕上げ加工を組み合わせたハイブリッド方式により、寸法精度およびエッジ品質に関してISO 9013規格を満たすことができます。
レーザー切断は、強力なレーザー光線を使用して材料を溶融、焼灼または蒸発させることにより切断を行う精密加工プロセスです。
ファイバーレーザーは、CO2レーザーよりも高い精度、優れたエネルギー効率、および低いメンテナンスコストを提供します。
ステンレス鋼、アルミニウム、軟鋼、真鍮、銅などの金属は、熱伝導性およびレーザーエネルギーを吸収する能力に優れているため、レーザー切断に適しています。
素材の厚さはカット速度や電力消費に影響を与えます。厚い素材の場合、エッジの歪みを防ぐために遅いカット速度が必要になることが多いです。
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