高エネルギー密度ファイバーレーザ加工機

【日本機械工業連合会会長賞】
高エネルギー密度ファイバーレーザ加工機
（薄板加工用ＫＦＬシリーズ）
コマツ産機株式会社
石川県金沢市
1.
機器の概要
近年、レーザ加工機市場では炭酸ガスレーザ加工機に代わって、発振効率の高
いファイバーレーザ加工機が普及し始めている。レーザ加工機ではレーザ出力が
生産性、切断能力に大きく影響を与えるとして、高出力を最重視した開発・商品
化が行われてきた。その結果、比較的薄板を加工する場合でも、高出力レーザを
使っての加工が行われ、消費電力の増大が課題となっていた。
我々は発振器の高出力化に依らず、出力のダウンサイジング化による省エネを
めざし、しかも薄板板金加工の生産性を確保したファイバーレーザ加工機「KFL
シリーズ」を開発した。
図１ 高エネルギー密度ファイバーレーザ加工機ＫＦＬ２０５１
薄板の加工速度は、材料に照射するレーザのエネルギー密度に比例する。その
ため、発振したビームの品質を劣化させることなく加工点まで導くことが重要で
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あり、ＫＦＬでは光学的なカプラーを用いることなく、高品質ビームをダイレク
トに加工点まで導く方法を開発した。
この結果、出力２kW で従来型ファイバー４kW と同等の生産性を確保しながら、
発振器出力のダウンサイズにより、発振器電気代の 50％低減（従来型ファイバー
４kW 比較）を達成した。また、空気中の窒素ガスを濃縮して切断ガスに使用する
ことによって、薄板切断時のランニングコストを低減した。
2.
2.1
機器の技術的特徴および効果
技術的特徴
(1) 高品質ビームモードによる高速切断
一般的なファイバーレーザ加工機では、ファイバーレーザ発振器で発振した
レーザビームは、光学系を用いた空間結合方式を用いて、プロセスファイバー
に結合されて、加工点（加工ヘッド）まで導かれる。ビームエネルギーは空間
結合部分でロスを生じ、ビーム品質が劣化していた。図２に一般的なファイバ
ーレーザ加工機の構成を示す。
プロセスファイバー
ファーバーレーザ
発振器
光学的な結合（カプラー）
発振器とプロセスファイバー
の結合
加工ヘッド
加工機内部
図２ 一般的なファイバーレーザ加工機の構成（光学的な結合）
本機では空間的に結合する方式ではなく、ダイレクトに発振器とプロセスフ
ァイバーを結合する方式を開発し、結合部分でのエネルギーロス及びビーム品
質の劣化を防止した。その結果、加工点（加工ヘッド）でレーザビームを小さ
く絞ることができ、小出力であっても高速での加工が可能となった。その結果、
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出力が２kW であっても、一般的な４kW ファイバーと同等の切断速度での加工が
可能である（図３）
。
図３ 一般的なファイバーレーザとの切断速度比較
(2) 特殊ガス（ＳＧ、Special Gas）による低コスト切断
レーザ加工機で軟鋼を切断する場合、アシストガスに酸素ガスを使うことが
一般的である。しかし、アシストガスに酸素ガスを使うと①酸化反応速度に律
速されて、高速で切断できない。②切断面が酸化して、後工程（溶接工程、塗
装工程など）に問題が生ずることの課題があった。この課題を解決するために、
アシストガスに窒素ガスを使う方法も運用されているが、大量の窒素ガスを使
うためにアシストガス代が高くなる問題が発生している。
ＫＦＬでは空気中の窒素ガスを取り出して、増圧する装置を開発し、そのガ
ス（特殊ガス、ＳＧ）をアシストガスとして使用している。
大量の窒素ガスを購入することなく、コンプレッサの電気代のみで酸化皮膜
レスの切断が低コストで可能となった。
2.2
効果
効果の確認は精密板金ユーザで使用されている板厚 3.2mm 以下の軟鋼、ステン
レス材料の切断で、一般的な４kW 炭酸ガスレーザと比較して行った。
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(1) 省エネ性
発振器の効率向上によって発振器の消費電力は 88％低減できた（図４）。ま
た、炭酸ガスレーザと同一生産量の場合、生産時間が 49％短縮した（図５）。
生産時間の短縮によって、発振器以外の加工機の電気代についても大幅な低減
ができた。
図４ 発振器の消費電力
図５ 同一生産量の生産時間
(2) 経済性
本機ＫＦＬでは集光したレーザ
ビームの径が小さいために、ノズ
ル径も小さくでき、窒素を使用し
た場合でも、アシストガス代の
43％低減は可能であるが、ＳＧ切
断によって 72％の低減が可能で
ある（図６）
。
図６ アシストガス代
3. 用途
レーザ加工機は板金加工工程の材料切断工程で広く使われている。今後、炭酸
ガスレーザ加工機に代わって、ファイバーレーザ加工機が板金市場で主流となる
と考える。
その中で、当社ＫＦＬシリーズは薄板切断におけるダントツの低コスト・高速
切断性能を保有しており、薄板精密板金市場で多くの需要が見込まれる。
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