金属加工において、レーザー切断機は高エネルギー密度のレーザービームを使用して材料の溶融、蒸発、分離を実現します。焦点位置は、レーザー切断における主要なプロセスパラメータの1つです。これは、エネルギー分布、溶融プールの形状、切断品質、および切断の安定性に直接影響します。適切な焦点位置の制御は、高品質な切断結果を得るための重要な前提条件です。
I. レーザー切断焦点位置の基本定義
レーザー切断における焦点位置とは、切断ヘッドによってレーザービームが焦点を合わせられ、最小のスポット直径と最高のエネルギー密度を実現する点を指します。ワーク表面を基準ゼロ点として、焦点位置は次の3つの状態に分類できます。
正焦点（焦点がワーク表面より上にある）
ゼロ焦点（焦点がワーク表面上にある）
負焦点（焦点がワーク材料内にある）
異なる焦点位置は、レーザーエネルギーが材料と結合する方法を変え、それによって切断プロセスと切断品質に影響を与えます。
II. 焦点位置のレーザーエネルギー分布への影響
レーザービームは、焦点で最大のエネルギー密度に達します。ビームが焦点から離れるにつれて、スポット直径が大きくなり、単位面積あたりのエネルギーが減少します。焦点位置の変化は、次の影響をもたらします。
エネルギー濃度の変化
焦点が材料表面に近いほど、レーザーエネルギーが集中し、初期の溶融効率が高くなります。
材料の厚さに沿ったエネルギー分布の変化
負焦点条件下では、レーザーエネルギーは材料内部に長い有効な相互作用ゾーンを形成し、厚板切断に有利です。
溶融プールの形状の変化
異なる焦点位置は、溶融プールの深さ、幅、および安定性に影響を与え、それによって切断形状と切断面の品質に影響を与えます。
III. 異なる焦点位置の切断品質への影響
1. 正焦点の切断品質への影響
焦点がワーク表面より上にある場合、材料表面のレーザースポットは比較的大きくなります。
切断入口表面でのより均一なエネルギー分布
上面でのより広い切断幅
溶融金属の比較的弱い下方排出
この条件は、薄い材料や表面外観品質に対する要求が高い用途に適しています。
2. ゼロ焦点の切断品質への影響
焦点がワーク表面上にある場合：
レーザーエネルギー密度が最大に達する
切断速度が比較的高い
切断幅が小さい
切断の垂直度が向上する
ゼロ焦点は、薄板および中厚板の高速切断に一般的に使用され、切断品質の全体的なバランスを提供します。
3. 負焦点の切断品質への影響
焦点がワーク内部にある場合：
レーザーエネルギーが材料の奥深くまで及ぶ
溶融プールの深さが増加する
補助ガスは、溶融材料をより効果的に切断の底から排出できる
負焦点は、厚板切断に広く適用され、ドロス形成を減らしながら、完全貫通能力を向上させるのに役立ちます。
IV. 焦点位置の切断形状と切断面への影響
不適切な焦点位置は、次の問題を引き起こす可能性があります。
上部が広く、下部が狭い、またはその逆の切断テーパー
切断面の不均一な縞模様
底端でのドロスの増加
不完全な切断または切断の中断
適切な焦点調整は、切断の垂直度、断面の滑らかさ、および全体的な切断の一貫性を向上させるのに役立ちます。
V. 焦点位置と補助ガスの相乗効果
レーザー切断中、酸素、窒素、空気などの補助ガスは、焦点位置と密接に相互作用します。
焦点がより高い位置にある場合、ガスは主に表面の溶融ゾーンに作用します
焦点がより低い位置にある場合、ガスは溶融プールの排出をより効果的に補助します
焦点位置とノズル高さは、ガス流の安定性に共同で影響します
焦点調整は、ガス圧とノズル径と連携して行う必要があります。
VI. 不適切な焦点位置設定の一般的な影響
不適切な焦点位置は、次の結果をもたらす可能性があります。
切断速度の低下
レーザー出力利用効率の低下
不安定な切断品質
光学部品への熱負荷の増加
したがって、実際の用途では、材料の厚さ、レーザー出力、および切断プロセスパラメータに基づいて、焦点位置を動的に最適化する必要があります。
VII. 実際の用途における焦点位置調整の一般的な原則
次のガイドラインが一般的に適用されます。
薄板切断にはゼロ焦点またはわずかな正焦点
厚板切断には負焦点
高出力レーザー切断には負焦点を増加
高反射率材料では、エネルギー結合効率を向上させるために微調整
レーザー切断の焦点位置は、切断品質に影響を与える最も重要なプロセスパラメータの1つです。焦点位置を適切に制御することにより、レーザーエネルギー分布を最適化し、溶融効率を向上させ、切断形状と切断の安定性を高めることができます。実際の生産では、材料特性、設備パラメータ、およびプロセス要件に従って正確な焦点調整を行い、安定した信頼性の高い切断性能を実現する必要があります。