目次
レーザー光線を使い金属やプラスチックを加工する際には、熱処理であるがゆえ、ドロスが発生する場合があります。
そこで本記事では、レーザー加工におけるドロスの発生原因や防止方法、除去方法などを解説します。レーザー加工によるドロスにお困りの方、バリ取り機の導入を検討している方は、ぜひ参考にしてください。
ドロスとは
レーザー光線を用いれば、金属やプラスチックなどを加熱、溶融、蒸発させて、簡単に加工できます。しかし、レーザーによって金属を切断した際に、切断部の裏側に「ドロス」と呼ばれる溶解金属が付着する恐れがあります。
ドロスは酸化燃焼された酸化物であり、その形状は玉状や氷柱状など様々です。
ドロスが発生した場合、研磨作業などによって処理しなければならず、仕上げ工程の負担が増します。
また、ドロスが付着していない状態を、ドロスフリーと呼びます。
ドロスが発生する原因
レーザー加工では、高密度のエネルギー照射により、瞬間的に加工部位の金属を溶解・蒸発させて、金属を切断します。
ただし、加工対象の材質や板厚によって、適切なレーザーの出力値や照射方法が異なるため、その出力値や照射方法を誤ると溶けた金属が再び固化・付着してドロスとなってしまいます。
例えば、通常の軟鋼材料と比べて、亜鉛メッキ鋼板はドロスが発生しやすく、メッキの付着量が多く、板厚が大きいほどドロス発生量が増える傾向があります。
また、ステンレス鋼は酸素ガスで切断すると、ドロスが付着しやすく、窒素ガスを用いた無酸化切断では、ドロスが付着しにくいです。
つまり、ドロスの発生を防ぐためには、それぞれの加工対象の素材特性や、物理的原理を理解することが肝心です。
レーザー加工で発生するドロスを防ぐ方法
ドロスの発生要因は加工対象の材質や板厚、レーザーの照射方法などによって異なります。
以下で、レーザー加工でドロスの発生を防ぐ方法を見ていきましょう。
ドロス除去剤を活用する
レーザー加工によって金属を切断する前に、加工部位の裏面にドロス除去剤や付着防止剤を湿布しておくことで、ドロスの付着を抑えやすくなります。
ドロスの付着防止だけでなく、表面に湿布することで、レーザー光の反射を抑えてエネルギーを吸収しやすくし、反射する材料加工の効率を上げるものもあります。
ただし、導入の際は、ドロス除去剤を湿布するための工程やコスト、後処理とのバランスを検討しましょう。
アシストガスを利用する
アシストガスとは、レーザー切断加工前に吹き付ける窒素や酸素のことです。
酸素ガスは噴射による酸化反応で熱を引き起こし、窒素ガスは溶融金属を切断溝から排出させます。アシストガスを加工部位に吹き付けることで、レーザー切断能力が向上し、ドロスの原因となる溶解金属の付着を防げます。
また、レーザー光と同軸上にアシストガスを噴射することで、加工レンズを冷却したり、汚染を防止したりする効果もあります。
レーザーの焦点位置を調整する
レーザー光のスポット径や入射角度は、焦点位置の設定によって変わります。
スポット径が小さいほどエネルギー密度が大きくなり、溶融金属の温度を上昇させる一方、スポット径が大きいほど溶融する金属の量が増加し、その溶融温度を低下させます。
加工部位の裏側に対しレーザー光の焦点位置が合っていないと、ドロスの原因となりかねません。例えば、焦点位置が加工部位の裏面よりも上であると、氷柱上のドロスが発生し、下であると玉状のドロスが発生します。
レーザーの焦点位置を調整することで、ドロスの発生を防げるでしょう。
ドロスを除去する方法
レーザー切断加工において、対策を施していても、ドロスの発生を完全に防げるとは限りません。実際に、ドロスが発生してしまった際は、品質向上のためにもドロスを取り除く必要があります。
以下で、ドロスを除去する方法を見ていきましょう。
ハンドグラインダー等を利用した手作業
ドロスを除去する方法として、工具を使って手作業で行う場合があります。
工具の種類は、ハンドグラインダーやヤスリ、スクレーパー、ロータリーバー、研磨シート、研磨ディスク、研磨ベルト、バリ取り用の専用刃物など様々です。
従来の板金加工では、主に手作業がメインでしたが、近年では機械化・自動化が進んでいます。しかし、板金加工工程の最後の仕上げであるドロスの除去作業は、未だに人の手で行われているケースも多いです。
手作業のメリット
手作業でドロスを除去する場合、工具を使いながらドロスの発生箇所に直接作用できます。
細かい部分も確実に除去し、高い完成度を追求できる点がメリットです。
また、ドロスを除去して板金製品の安全性・見た目の品質を向上させるためには、人の目と手で一つ一つ確かめながら行う、繊細な作業が求められます。
手作業のデメリット
手作業でのドロス除去は、一つ一つの工程に時間と手間がかかってしまいます。大量生産ともなれば、作業時間が膨大となり、作業者の負担も増加します。
また、作業者によって裁量や技術が異なるため、製品の完成度にバラつきが生じやすく、品質を一定に保つことが難しいです。人の目で確認を行うため、ドロスの見落としも発生するかもしれません。
さらに、ドロスを除去する際に、様々な工具を手に取り作業するため、作業者が負傷するリスクも潜んでいます。
バリ取り機を利用した機械作業
ドロス除去においても、バリ取り機を利用した機械作業が増えています。
機械作業は主に、カッターやブラシなどを取り付けた工作機を用いる方法と、バリ取り専用機を用いる方法があります。
工作機の形状は、割りピンタイプやブレードタイプ、超硬&ばね鋼タイプ、内径研磨用砥石タイプなど様々です。
また、専用機を用いた代表的方法として、「ブラシ研磨法」があります。
具体的には、機械で高速回転させたブラシを用いてバリ取りをします。「ブラシ研磨法」は単なるバリを除去するだけではなく、エッジをＲ面に仕上げることが可能で、より高品質な加工が可能です。
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機械作業のメリット
機械を導入することで、ドロス除去作業が自動化されるため、作業時間の短縮につながります。ドロス除去に充てる人員が不要となり、人件費を削減できるほか、人手不足を解消できます。
また、機械作業によってヒューマンエラーを防止できるため、製品の品質が安定します。一定の品質が保たれれば、品質検査の簡略化も可能となり、大量生産にも対応しやすいです。
さらに、「きつい」「汚い」「危険」の3Kと呼ばれる、ドロス除去の作業環境改善にも貢献します。粉じんが巻き散り、工具との接触や感電などの危険性が潜む中、機械を導入して作業員を重労働から解放できるでしょう。
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機械作業のデメリット
機械が自動的にドロスを除去するため、人の目で完成品を注意深く観察した際に、やや粗雑な部分があるかもしれません。特に、複雑なカーブを描くような繊細な板金加工においては、未だに手作業がメインである場合が多いです。
また、工作機や専門機の導入には金銭的コストがかかるほか、設備導入・ワークフロー自動化のための環境や社内体制を整える必要があります。
これらの物理的・心理的ハードルから、機械作業へなかなか踏み出せない企業が多いようです。
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板金製品の品質向上と安全性確保に欠かせないドロス除去
いかがでしたでしょうか。
今回はレーザー加工によって発生するドロスの特徴や発生原因、ドロスの発生を防ぐ方法や除去する方法について解説しました。
ドロスは板金製品の見た目だけでなく、利用者の安全にも影響を与えます。板金製品の品質を向上させるためには、それぞれの加工対象の素材特性や物理的原理を理解し、適切な下準備・対策を行うことが欠かせません。
また、ドロスを除去する方法として手作業と機械作業が挙げられます。両者のメリット・デメリットを把握した上で、加工対象や自社の作業環境・人員数などに応じて、最適な方法を選びましょう。
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この記事の著者
オーセンテック株式会社
オーセンテック株式会社では、「お客様の声を「アイデア」に お客様の笑顔を「力」に「ものづくり」に貢献する会社でありたい」という企業理念のもと、製造現場の生産性向上・人手不足・品質の安定化・環境改善を実現させるため、手作業をなくすための機械（バリ取り機や板金洗浄機など）を開発・販売・メンテナンスしております。
オーセンテック編集部では、これまでの数多くのバリ取り機、洗浄機の導入事例・サポート経験を活かして、バリ取りや洗浄といった板金加工現場でなくてはならない工程・作業に関するお役立ち情報を発信しています。