厚板金属のレーザ切断シミュレーション

Numerical simulation of laser cutting for thick steel plate

杉原 健太 ; 小川 剛充; 中村 保之 ; 村松 壽晴

Sugihara, Kenta; Ogawa, Takemitsu; Nakamura, Yasuyuki; Muramatsu, Toshiharu

厚板鋼材のレーザ切断制御に向けて、多相の熱流体モデルに基づいた数値シミュレーションコードを開発し、アシストガスや加工ヘッド移動速度が切断性能に与える影響を調べた。固・気・液界面形状と温度場の発達の様子を解析した結果、以下の知見を得た。アシストガスによって溶融金属排出を促さなかった場合、レーザ光は溶融金属に吸収・入熱されてしまい、固体表面への入熱を阻害してしまう。そのため固体金属には溶融金属を介して伝熱することになり、レーザ切断のメリットである高出力密度を十分に活用できてはいない。さらに、切断速度を過大に速めると切断深さが板の裏まで到達する前にレーザ加工ヘッドが進むことになり、凹面に溶融金属が滞留するために切断フロントの形成が遅れてしまう。以上よりレーザ切断による切断フロント形成にはアシストガスによる溶融金属排出が重要であることが数値シミュレーションにより裏付けられ、カーフ形成だけでなく固相表面への局所的な入熱効果を促すことが定性的に明らかになった。

A thermohydraulic numerical simulation of the laser steel cutting was carried out to confirm an assist gas and sweep velocity effect to the cutting performance. The performance was evaluated, based on temperature profile and cutting front formation. Simulation results were as follows. If there was no effect of dross ejection by assist gas, a laser light was absorbed into molten steel stagnated in the kerf. Therefore, there was less laser heat input to a solid surface directly. Then, heat transport to the back side of steel plate got delayed. In the case of faster sweep velocity, delay of heat conduction and failure cut were confirmed at behind the cut starting position of the steel plate. Failure cut at the position was observed in our experiments. From these results, it was concluded that the thermohydraulics in the kerf takes important role for not only dross ejection but also promotion of heat input at solid surface.