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　　　　　　　　　　　　産業技術総合研究所　中国センター　　　大谷敏昭、藤瀬健領

要　　旨

　 ニッケル基超耐熱合金インコネル７１8と比較用のステンレス鋼SUS３0４の板材の切断実験を行って、切断可能板厚、アシストガスの影響、切断形状、熱影 響層などを検討した。その結果、両材料の間で被切断性に差がないこと、アシストガスが酸素の場合に切断が比較的容易であること、切断表面近傍の熱影響層は 約200μmに達することなどを見出した。

1．緒言

　近年、ジェットエンジンなどの高温 環境で使用される機器の構造用部品として超耐熱合金の需要が増大している。当合金はその用途から推測されるように機械加工が容易でなく1）、適切な加工法 を開発して欲しいという声が加工現場で非常に強い。そこで、代表的当合金であるインコネル７１8のレーザ加工について若干の実験的検討を行った結果を報告 する。

２．実験方法

　使用した材種はインコネル７１8（固溶化＋時効熱処理、硬度：HV450）と比較 用のステンレス鋼SUS３0４（固溶化処理、硬度：HV160）である。使用したYAGレーザ装置は（株）東芝LAY606E型（波長：1.06μm、公 称最大出力：400W、ノーマルパルス発振）である。

　切断の可否に最も着目し、出来るだけ大板厚の材料の切断が可能なレーザ発振条件を見出すための予備実験の結果を踏まえて、電圧：550V、パルス幅：2msec、パルス繰り返し数：100回／秒を一定条件として、表1に示す条件で実験を行った。

３．実験結果

３．１　切断可能板厚

　 図1は、アシストガス：酸素、ガス流量：70nl／minのもとで、工作物テーブル送り速度を数段階に変えて、各速度での切断可能最大板厚を調べた結果で ある。送り速度が小さいほど切断可能板厚が大きい。インコネル７１8とSUS３0４の間で特に差はない。工作物テーブルの最低送り速度は 0.4mm／secであり、その速度で両材料ともに板厚約2.7mmまで切断可能であった。なお、アシストガスが窒素の場合の切断可能最大板厚は、送り速 度：0.4ｍｍ／secの場合に両材料ともに約2.5mmであり、何れの送り速度においても酸素の場合よりも切断可能板厚は小さかった。

３．２　切断形状

　 図2は板厚2.7ｍｍの場合の切断溝形状である。アシストガスが窒素の場合には貫通していない。インコネル７１8切断表面近傍の白く見える部分は溶融凝固 層である。貫通した場合の両材料間の溝形状・寸法の差は特に認められず、板厚中間部の溝幅は約0.3ｍｍである。図3は、アシストガスが酸素の場合と窒素 の場合のインコネルの切断表面の光学顕微鏡写真、及び触針式表面粗さ計で写真の横方向に測定した切断表面粗さ波形である。窒素の場合は酸素の場合に比較し て、表面粗さが大きい。

３．３　熱影響層

　切断表面から内部方向の材料の組織と硬度の変化を調べた。図 4は組織の顕微鏡写真である。切断表面から深さ約60ミクロンの範囲の黒く見える部分は溶融凝固層である。さらに内部の組織は、図4を見る限りでは変化し ていないように見えるが、図5の硬度分布を見ると、溶融凝固層先端から平均で深さ約100ミクロンまでは元の組織より低硬度である。なお、図には示してい ないが、溶融凝固層の硬度は約HV300であった。従って、切断表面からの、レーザ照射の影響を受けた層の厚さは、全体としては約150～200ミクロン であった。製品に要求される品質によっては、この層を機械的方法等により除去する仕上げ加工が必要となろう。

図5には酸素ガス流量を40，70，100nl／minと変えた時の結果が示されているが、流量が大きい場合に軟化層が薄くなる傾向が認められる。また図５にはアシストガスが窒素の場合（流量：70nl／min）の結果も示したが、酸素の場合に比較して軟化層が薄い。

３．４　繰り返し照射による大板厚材切断

　 図1の発振条件では、1回の照射で約2.7mmが切断可能な最大板厚であった。そこで、繰り返し照射による大板厚材料の切断の可能性を検討した。図6は板 厚5ｍｍのインコネル板を３回の照射で切断した例である。切断表面近傍の白く写っている部分が溶融凝固層であり、その層の形状を詳細に観察すると、各回の 照射で形成された溝のおよその先端位置がわかる。1回の照射で切断された図２の場合に比較して、切断溝形状には特に差はない。溝幅は板厚中間部で約 0.3ｍｍである。

４．まとめ

　実験条件の範囲での主な結果は以下の通りである。

1）インコネル７１8とSUS３0４の切断可能最大板厚はほぼ等しかった。

2）アシストガスとしては窒素よりも酸素を使用した方が、切断可能板厚は大きかった。

3）溶融凝固層と軟化層から成る熱影響層の厚さは約150～200μmであった。

4）繰り返し照射により切断可能板厚を大きくできた。

(参考文献)

1）竹山ら：精密工学会誌、55巻8号（1989）p1481

表1　実験条件

	電圧：５５０Ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　 パルス幅：２ｍｓｅｃ パルス繰り返し数：１００回／s アシストガス：酸素（７０ｎｌ／ｍｉｎ）

図1　送り速度と切断可能板厚の関係

1.0ｍｍ

インコネル７１8 S U S３0４

（研磨十王水腐食） （研磨のみ）

図２　切断溝形状　（ガス流量：70nl／min，送り速度： 0.4mm／s）

酸素ガス 窒素ガス

図３　切断表面粗さ　（ガス流量：70nl／min，送り速度： 0.4mm／s）

切断表面 溶融凝固層先端

図4　切断面近傍の組織（ガス：酸素，ガス流量：70nl／min，送り速度： 0.4mm／s）

図５　切断面近傍の硬度分布

			ガス：酸素 ガス流量：７０nl／min 送り速度：０.4ｍｍ／s

図6　繰り返し照射による切断例

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