レーザー酸素溶断の原理
熱間圧延鋼のレーザー切断には、通常、技術的にレーザー酸素溶融切断または「レーザー火炎ハイブリッド切断」として知られるものが使用されます。レーザー蒸発や純粋な溶融プロセスとは異なり、レーザー酸素切断は、レーザービームと発熱化学反応の間の強力な相乗効果に依存しています。原理は次のように動作します。高エネルギーのファイバー レーザー ビーム (通常 4 ～ 6 kW) が熱間圧延鋼板の表面に焦点を合わせ、局所領域を鉄の発火温度 (約 1,350°C) まで急速に加熱します。高純度酸素ジェットがレーザービームと同軸上にこの過熱スポットに向けられます。鉄が発火点に達すると、発熱酸化反応で酸素と激しく反応します: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + 熱。この化学燃焼により、レーザー ビーム自体が寄与する熱エネルギーの 3 ～ 5 倍の熱エネルギーが放出されます。したがって、レーザーは、効率的で高度に制御可能な「ライター」または「点火装置」として機能し、プログラムされた切断経路に沿って反応を開始して誘導します。一方、酸素ガスは、燃焼剤としての役割と、結果として生じる溶融酸化鉄スラグを切断溝から排出する高圧ジェットとしての二重の目的を果たします。
厚い炭素鋼プレートの場合、このハイブリッドプロセスは最もコスト効率が高く、最速の切断方法です。酸化反応が総切断エネルギーの 80% 以上を占めるため、比較的低出力のレーザー (6kW) を使用して最大 200 mm の厚さのプレートを切断できます。この効率により、厚いプレートによく必要となる、大規模で高価な高出力レーザーが不要になります。その結果、優れた垂直性を備えたきれいな切断が実現し、プラズマ切断よりもスラグが大幅に減少し、従来の酸素燃料切断に必須であった長い予熱時間 (多くの場合 2 ～ 3 分) が不要になります。
最適なレーザー切断のための熱間圧延鋼の準備
レーザー酸素プロセスは炭素鋼を切断するための強力なツールですが、高品質で一貫した結果を達成できるかどうかは、生の熱間圧延プレートの表面状態に大きく依存します。標準的な熱間圧延黒色鋼は、レーザーにとって理想的とは程遠い、特徴的な鱗状の表面を持っています。この「月のような」またはクレーター状の表面は、レーザーの高さ検出システムに影響を与え、焦点が焦点内または焦点外にドリフトする原因となり、切断品質と一貫性に直接影響を与えます。これに対抗するために、高精度レーザー切断に推奨される材料は、 熱間圧延酸洗いおよび油を塗布した (HRP&O) 鋼です。このプロセスでは、熱間圧延されたコイルを塩酸浴に通し、粘り強いミルスケールを化学的に除去し、清潔で滑らかで均一な表面を残し、その後、一時的な腐食保護を提供するために軽く油を塗布します。
業界の研究では、酸洗により熱間圧延鋼のレーザー切断性能が根本的に変化することが確認されています。すべての厚さ範囲にわたって、材料表面の品質は、アシストガス圧力や焦点位置の調整など、他のどの変数よりも切断結果に大きな影響を与えます。安定した高品質のカットを行うには、一貫した焦点深度が主な要件です。 HRP&O 鋼の滑らかな表面はまさにそれを実現し、広いプロセスウィンドウと高い切削速度を可能にします。さらに、SCS (持続可能なコイル ソリューション) プロセスなどの一部の高度なプロセスはさらに一歩進んで、オイルの燃焼によって発生する煙を排除することで、きれいで乾燥した表面を作成し、切断速度を約 20% 向上させます。切断後の平面度の保証が必要な精密用途の場合、Laser Plus 熱間圧延ストリップ製品などの特殊グレードは、最大平面度偏差が 1 メートルあたりわずか 3 mm であることを保証します。
レーザー切断のためのコイルからプレートへのワークフロー
最新の効率的な製造環境では、熱間圧延コイルから切断して完成したプレートまでのワークフローが高度に自動化され、合理化されています。このプロセスは、多くの場合、高精度のデコイラーに取り付けられた、最大 30 トンの重さのヘビーゲージ コイルから始まります。スチールストリップは、「コイルセット」（巻かれたストリップの自然な曲率）を除去する強力なレベラーを通して供給され、完全に平らなシートが生成されます。続いて、長さに合わせて精密に切断し、プログラムされた正確な寸法のプレートにストリップを切断します。このインラインプロセス全体は、レシピ主導のソフトウェアによって監視および制御でき、製品の実行ごとに完璧で再現可能な設定を保証します。その結果、次の段階であるレーザー切断システム自体に最適化された、平らで一貫したサイズのブランクが得られます。
完成した平板は、高出力ファイバーレーザー切断機にロードされます。最も重要な切断パラメータ、酸素アシストガスの圧力、レーザーの焦点位置 (狭く平行な切り口を作るために厚板の奥深くに設定)、および切断速度はすべて CNC システムにプログラムされています。多くの大量処理では、コイルからレーザーに直接移行することでプロセスがさらに進みます。コイル供給レーザーブランキングシステムでは、水平になったストリップがレーザーカッターのチャンバーに直接供給されます。これにより、個別のプレートを作成する別のステップが不要になり、パレットの交換に必要な時間がなくなり、レーザー システムの全体的な生産時間が約 14% 増加し、従来の枚葉式システムと比較して年間約 600 時間の労働時間を節約できます。この完全に統合されたワークフローは、生のコイルから精密なレーザーカット部品に至るまで、材料の利用を最大化し、取り扱いを最小限に抑え、現代の鋼材加工の標準を確立します。
