生産技術 #03：レーザ、プラズマ、ウォータジェット切断 — 材料と板厚で選ぶ

先に結論を述べます。薄〜中厚の板金（鋼≤20〜25 mm、薄いステンレスとアルミ）で、清浄な切断面と高い精度が必要ならレーザ切断を選びます。厚い鋼板で、切断面がさほど精緻でなくてよく、速く安く切りたいならプラズマ切断を選びます。材料が熱に耐えられない、非常に厚い、または石・ガラス・複合材のような非金属を切るときはウォータジェット切断を選びます。この三つは板から2D輪郭を切りますが、板厚帯、切断面の品質、熱の影響が異なります。本記事は、材料と板厚を見て正しい方法を選び、荒切りで足りる部品に精切りの価格を払う（またはその逆）のを避けるための指針です。

三つの板金切断法の早見比較

項目	レーザ	プラズマ	ウォータジェット
材料	金属（鋼、ステンレス、アルミ）、一部の非金属	導電金属	ほぼあらゆる材料、非金属も含む
経済的な板厚	0.5〜25 mm（鋼）	6〜50 mmおよびより厚い	1〜150 mmおよびより厚い
輪郭精度	±0.05〜0.1 mm	±0.5〜1 mm	±0.1〜0.2 mm
切り幅（カーフ）	非常に狭（約0.1〜0.4 mm）	広（約1.5〜4 mm）	狭（約0.8〜1.2 mm）
熱影響部（HAZ）	小	大	なし（冷間切断）
切断面	清浄、直角	ドロスあり、やや傾斜	清浄、下面はやや粗い
厚板での切断速度	厚いと遅い	非常に速い	遅い
運転費用	中	低	高

材料と板厚で板金切断法を選ぶ図

レーザ切断：薄〜中厚に清浄な切断面と高精度

レーザ切断は、高エネルギーのビームを集光して非常に小さな点で材料を溶融・気化させ、アシストガス（酸素、窒素）で溶融材料を吹き飛ばします。集光点が小さいため切り幅が非常に狭く、切断面は直角で清浄、通常は再加工が不要です。だからこそレーザは、盤の筐体、精密な機械部品、装飾部品の薄板切断を支配しています。

炭素鋼では、レーザは約20〜25 mmまでよく切ります。ステンレスとアルミは反射し熱伝導が強いため限界が低くなります。近年のファイバーレーザは、旧来のCO2レーザより反射金属（銅、アルミ）をよく切ります。輪郭精度は±0.05〜0.1 mmに達し、大部分の合わせ部品に十分です。

アシストガスも切断面の品質を左右します。酸素での切断は炭素鋼で高速ですが、切断面に薄い酸化層を残し、直後に塗装するなら清掃が要ります。窒素での切断（清浄切断）は明るく酸化のない面を与え、面が仕上げ面になるステンレスとアルミに広く使われますが、ガスを多く消費し厚板では遅くなります。レーザを見積もるとき、価格と面の追加処理の要否の両方に影響するので、アシストガスを確認します。

注意点として、レーザは小さいが実際の熱影響部（HAZ）を残します。熱に敏感な材料や切断面の機械的性質を保つべき部品では考慮します。厚く切ると速度が急に落ち面が悪化し始めます。そのときはプラズマやウォータジェットのほうが経済的です。

プラズマ切断：厚い鋼板に速く安く

プラズマ切断は、極めて高温のイオン化したガスの流れ（プラズマアーク）で金属を溶かし吹き飛ばします。導電材料のみを切りますが、その代わり厚い鋼板を非常に速く安く切るため、鉄骨構造、造船、大型機械フレームの製作に一般的です。

速さと価格の代わりに、プラズマは広い切り幅（1.5〜4 mm）、やや傾斜した面、通常は再研削が要る下面のドロス、大きな熱影響部を持ちます。輪郭精度は約±0.5〜1 mmのみです。したがってプラズマは、構造部品、ベース板、荒切り段階のガセット — 輪郭を後で仕上げ加工する、または公差が元々広い所 — に適します。高精細（アーク絞り）技術を持つ高級CNCプラズマ機は面の品質を大きく改善し、中厚の鋼でレーザとの差を縮めます。

ウォータジェット切断：冷間切断、ほぼ何でも切る

ウォータジェット切断は、非常に高圧の水（通常3,000〜4,000 bar）を噴射し、研磨材（ガーネット）を加えて金属や硬い材料を切ります。最も重要な特徴は、これが冷間切断で、熱影響部がないことです。材料は機械的性質を変えず、熱で反らず、切断部に硬化した縁がありません。これは工具鋼、チタン、航空材料、または切断部を硬化させたくない仕上げ加工予定の部品に重要です。

ウォータジェットは、レーザとプラズマが扱えない材料も切ります。石、ガラス、陶磁器タイル、ゴム、厚い樹脂、炭素繊維複合材、非常に厚い金属（強力な機械で100 mm超）です。精度は±0.1〜0.2 mm、上面は清浄、下面は速く切るとわずかに粗くテーパがつきます。ヘッド傾斜補償を持つ機械はこのテーパを減らします。

欠点は、遅く運転費用が高い（研磨材、高圧ポンプの保守、水処理）ことです。したがってウォータジェットは、他の方法が熱・材料・板厚の要求を満たせないときの選択であり、通常の板金切断の既定ではありません。

どれを選ぶか：材料と板厚を読んで決める

薄い鋼・ステンレス・アルミ、約20 mmまで、清浄で正確な面が必要か。 → レーザ。
厚い鋼板で、速さと低コストが必要、精緻な面は不要か。 → プラズマ。
熱に敏感な材料、非常に厚い、または非金属（石、ガラス、複合材）か。 → ウォータジェット。
切断面の機械的性質を保つ必要（HAZなし）、チタン・工具鋼を切るか。 → ウォータジェット。
部品を後で仕上げ加工する、ブランク切りだけでよいか。 → 価格で選ぶ。厚い鋼にプラズマ、薄板にレーザ。

実務的な原則として、板厚と材料から始め、「この切断面は最終の機能面か」を問います。そうならレーザかウォータジェットに傾き、そうでないなら通常プラズマが最も安いです。

精緻な面が必要な領域と荒切りで足りる領域の両方を持つ大きな部品では、二つの方法を組み合わせるのが最も安いことがあります。プラズマで外形を荒切りし、機能面の縁だけをレーザやフライスで仕上げます。部品が一つの方法だけで切られると決めてかからないこと。各縁の要求で分ければ、価格と品質の両方を最適化できます。

例：実際の部品を読む

機械フレームに溶接する、板厚12 mmのSS400鋼の三角ガセット板を200枚切る必要があります。切断面は溶接され、精密な合わせ面ではありません。板厚12 mm、大量です。

分析：面は溶接されるのでレーザの精緻さは不要。12 mmの鋼はプラズマの経済帯。大量なので速さが重要。→ プラズマが正しい選択で、最も安く速いです。ここでレーザを選ぶのは、部品が使わない精緻さに金を払うことです。

逆に、精密なボルト穴を持つ板厚5 mmのSUS304ステンレスのフランジを50枚、合わせ面として切るなら、薄く清浄な面と正確な穴位置が必要 → レーザ。硬化した縁があってはならない航空部品用の板厚30 mmのチタン板を切るなら → ウォータジェット。

実際の費用はどこにあるか、切断メートル単価だけではない

三つの方法の価格を比べるとき、切断線メートルあたりの単価だけを見ないこと。部品の実際の費用は四つの部分から成ります。切断の価格、縁の清掃の費用、縁が不十分なら再加工の費用、熱による反りからの不良率です。プラズマは切断価格の欄で最も安いことが多いですが、部品が清浄な縁を要するなら、ドロスの研削と縁の平坦化の費用がその節約をすべて消し得ます。レーザは切断価格が高いですが、縁は通常すぐ使え、精緻さを要する部品では総費用がむしろ低くなります。

ウォータジェットは、研磨材の消費と高圧ポンプの保守のため切断単価が最も高いですが、二つの隠れた費用を消します。熱影響部がないので硬化した縁の処理に手間がかからず、反らないので薄く幅広の部品で不良率が低いことです。一度の失敗で高価なブランクを失う高付加価値の部品では、切断単価が高くてもウォータジェットが総費用の面で最も安全な選択であることが多いです。

もう一つの要因は、一枚の板に多くの部品を配置（ネスティング）するときの切り幅（カーフ）です。レーザの狭い切り幅は部品を近づけて配置でき、板をよく使えます。プラズマの広い3〜4 mmの切り幅は、多くの小部品を切るとき材料を浪費します。ステンレスやチタンのような高価な材料では、狭い切り幅による材料の節約だけでもかなりのものです。

二つ目の例：同じ材料、異なる要求

どちらも板厚8 mmのSUS304ステンレスですが、二つの異なる部品が二つの異なる選択を導きます。

モータカバー、縁を折り曲げて塗装： 縁は機能面ではなく、数量は中程度。→ 折り曲げに十分清浄な縁、正確な位置決め穴、8 mmでの良い速度のためレーザ。
食品機器内の部品、縁が製品に接触し、硬化した縁があってはならず鉄汚染も不可： → 冷間切断が縁を変えず接触部に熱を入れないため、ウォータジェット。

教訓：材料と板厚は可能な方法の範囲を与えますが、切断面の機能的な要求こそが最終の選択を決めます。

よくある失敗

非常に厚い鋼にレーザを使う。 速度が落ち、縁が悪化し、費用が増す。プラズマやウォータジェットが適する。
精度が必要な部品にプラズマを使う。 広い切り幅と傾斜した縁が輪郭を数十分の一ミリ狂わせる。
熱影響部を忘れる。 熱に敏感な部品や仕上げ加工する部品では、レーザ・プラズマのHAZが縁を硬化させ反らせる。ウォータジェットは避けられる。
何にでもウォータジェットを既定にする。 遅く高価。冷間切断や非金属・非常に厚い材料の切断が本当に必要なときだけ使う。
価格と時間の計画でプラズマのドロス清掃の段階を省く。

手早い選定チェックリスト

[ ] 材料は導電性か。非導電 → プラズマを除外、ウォータジェットを検討。
[ ] 板厚はどれだけか。薄 → レーザ、厚 → プラズマ・ウォータジェット。
[ ] 切断面は最終の機能面か。該当 → レーザ・ウォータジェット。
[ ] 材料は熱に敏感か、縁の機械的性質を保つ必要があるか。該当 → ウォータジェット。
[ ] 大量で速さが必要、面は精緻でなくてよいか。該当 → プラズマ。
[ ] ドロス清掃と縁の再加工の費用を価格に入れたか。

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