레이저 절단 및 가공 시스템의 기본 원리 —레이저 절단 장비

II. 레이저 절단 장비의 구성

2.1 레이저 절단기의 구성 요소 및 작동 원리

레이저 절단기는 레이저 방출기, 절단 헤드, 빔 전송 장치, 공작기계 작업대, 수치 제어(NC) 시스템, 컴퓨터(하드웨어 및 소프트웨어), 냉각기, 보호 가스 실린더, 집진기 및 공기 건조기로 구성됩니다.

레이저 발생기

레이저 발생기는 레이저 광원을 생성하는 장치입니다. 레이저 절단 용도에서는 대부분 높은 전기광학 변환 효율과 높은 출력 특성을 가진 CO₂ 가스 레이저를 사용하지만, YAG 고체 레이저를 사용하는 경우도 일부 있습니다. 레이저 절단은 빔 품질에 대한 요구 사항이 매우 엄격하기 때문에 모든 레이저가 절단에 적합한 것은 아닙니다.
절단 헤드

이 장치는 주로 노즐, 초점 렌즈 및 초점 추적 시스템과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다.

절삭 헤드 구동 장치는 사전 설정된 프로그램에 따라 절삭 헤드를 Z축을 따라 이동시키는 데 사용됩니다. 이 장치는 서보 모터와 리드 스크류 또는 기어와 같은 변속 부품으로 구성됩니다.

(1) 노즐: 노즐에는 평행형, 수렴형, 원추형의 세 가지 주요 유형이 있습니다.

(2) 집속 렌즈: 레이저 빔 에너지를 이용하여 절단을 수행하려면 레이저에서 방출되는 원래 빔을 렌즈를 통해 집속하여 에너지 밀도가 높은 광점을 형성해야 합니다. 중장초점 렌즈는 두꺼운 판재 절단에 적합하며 추적 시스템의 간격 안정성에 대한 요구 사항이 낮습니다. 단초점 렌즈는 3mm 미만의 얇은 판재 절단에만 적합하며 추적 시스템의 간격 안정성에 대한 요구 사항이 엄격하지만 필요한 레이저 출력 전력을 크게 줄일 수 있습니다.

(3) 추적 시스템: 레이저 절단기의 초점 추적 시스템은 일반적으로 초점 절단 헤드와 추적 센서 시스템으로 구성됩니다. 절단 헤드는 빔 유도 및 초점, 수냉, 가스 분사 및 기계적 조정 기능을 통합합니다.

센서는 감지 소자와 증폭 제어 장치로 구성됩니다. 추적 시스템은 감지 소자의 종류에 따라 완전히 달라집니다. 주요 유형으로는 정전 용량식 센서 추적 시스템(비접촉식 추적 시스템이라고도 함)과 유도식 센서 추적 시스템(접촉식 추적 시스템이라고도 함) 두 가지가 있습니다.
빔 전송 어셈블리

외부 광학 경로: 반사경은 레이저 빔을 원하는 방향으로 유도하는 데 사용됩니다. 빔 경로의 오작동을 방지하기 위해 모든 반사경은 차폐 장치로 보호되며, 깨끗한 양압 차폐 가스가 주입되어 거울의 오염을 방지합니다. 고성능 렌즈는 발산하지 않는 빔을 무한히 작은 점으로 집속할 수 있습니다. 일반적으로 초점 거리가 5.0인치인 렌즈가 사용되며, 7.5인치 렌즈는 12mm보다 두꺼운 재료를 절단하는 경우에만 적용 가능합니다.
공작기계 작업대

본체: 공작기계 부분레이저 절단기절삭 작업 플랫폼을 포함하여 X, Y, Z축의 움직임을 구현하는 기계 부품입니다.
수치 제어 시스템

NC 시스템은 공작기계를 제어하여 X, Y, Z축 움직임을 구현하고 동시에 레이저 출력도 조절합니다.
냉각 시스템

냉각기: 레이저 발생기를 냉각하는 데 사용됩니다. 레이저는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 장치입니다. 예를 들어, CO₂ 가스 레이저의 변환 효율은 일반적으로 20%이며, 나머지 에너지는 열로 변환됩니다. 냉각수는 과도한 열을 제거하여 레이저 발생기의 정상 작동을 유지합니다. 또한 냉각기는 공작기계의 외부 광경로 거울과 집속 렌즈를 냉각하여 안정적인 빔 전송 품질을 보장하고 과열로 인한 렌즈 변형이나 균열을 효과적으로 방지합니다.
가스 실린더

가스 실린더에는 레이저 절단기용 작동 매체 실린더와 보조 가스 실린더가 포함되며, 이는 레이저 발진에 필요한 산업용 가스를 보충하고 절단 헤드에 보조 가스를 공급하는 데 사용됩니다.
먼지 제거 시스템

이 설비는 가공 과정에서 발생하는 연기와 먼지를 추출하고 여과 처리를 통해 배출 가스가 환경 보호 기준을 충족하도록 합니다.
공기 냉각식 건조기 및 필터

이 장치는 레이저 발생기와 빔 경로에 깨끗하고 건조한 공기를 공급하여 빔 경로와 반사경의 정상적인 작동을 유지합니다.

2.2 레이저 절단용 절단 토치

레이저 절단용 절단 토치의 구조도는 아래와 같습니다. 절단 토치는 주로 토치 본체, 집속 렌즈, 반사 거울 및 보조 가스 노즐로 구성됩니다. 레이저 절단 시 절단 토치는 다음과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다.

① 토치는 충분한 가스 흐름을 분출할 수 있습니다.

② 토치 내부의 가스 분출 방향은 반사경의 광축과 동일해야 합니다.

③ 손전등의 초점 거리를 쉽게 조절할 수 있습니다.

④ 절단 작업 중 금속 증기 및 절단된 금속에서 튀는 파편이 반사 거울을 손상시키지 않도록 해야 합니다.

절삭 토치의 움직임은 NC 모션 시스템에 의해 조정됩니다. 절삭 토치와 공작물 사이의 상대적인 움직임에는 세 가지 시나리오가 있습니다.

① 토치는 고정된 상태로 유지되고 공작물은 작업대를 따라 이동합니다. 주로 소형 공작물에 적합합니다.

② 토치가 움직이는 동안 공작물은 고정되어 있습니다.

③ 토치와 작업대가 동시에 움직입니다.

2.2.1 절삭 헤드

레이저 절단 헤드는 초점 렌즈와 절단 노즐로 구성된 빔 전송 시스템의 끝부분에 위치합니다.

집속 렌즈는 주로 초점 거리에 따라 분류됩니다. 대부분의 레이저 절단 장비는 초점 거리가 다른 여러 개의 절단 헤드를 갖추고 있습니다. CO₂ 레이저 절단을 예로 들면, 일반적인 초점 거리는 127mm(5인치)와 190mm(7.5인치)입니다. 초점 거리가 짧은 렌즈는 작은 초점과 짧은 초점 심도를 생성하여 절단 폭을 줄이고 정밀한 절단을 가능하게 합니다. 초점 거리가 긴 렌즈는 더 큰 초점과 긴 초점 심도를 생성합니다. 초점 거리가 짧은 렌즈와 비교했을 때, 초점 거리가 긴 렌즈는 초점 부근에서 재료 가공에 충분한 레이저 에너지 밀도를 가진 집속 빔을 제공할 수 있습니다. 따라서 초점 거리가 짧은 렌즈는 주로 얇은 판재의 정밀 절단에 사용되는 반면, 초점 거리가 긴 렌즈는 두꺼운 재료의 절단 시 적절한 초점 심도를 확보하여 초점 직경의 변화를 최소화하고 절단 두께 범위 내에서 충분한 출력 밀도를 보장하기 위해 필요합니다.

집속 렌즈는 절단 토치에 입사하는 평행 레이저 빔을 집속하여 더 작은 스폿 크기와 더 높은 출력 밀도를 얻는 데 사용됩니다. 렌즈는 레이저 파장을 투과할 수 있는 재질로 만들어집니다. 고체 레이저에는 일반적으로 광학 유리가 사용되는 반면, CO₂ 가스 레이저에는 ZnSe, GaAs, Ge와 같은 재료가 사용됩니다(일반 유리는 CO₂ 레이저 빔을 투과하지 못하기 때문). 이 중 ZnSe가 가장 널리 사용됩니다.

레이저 절단에서 출력 밀도를 높이고 고속 절단을 가능하게 하려면 초점 직경을 최소화하는 것이 바람직합니다. 그러나 렌즈 초점 거리가 짧아지면 초점 심도가 얕아져 두꺼운 판재를 절단할 때 수직 절단면을 얻기가 어려워집니다. 또한 초점 거리가 짧아지면 렌즈와 공작물 사이의 거리가 줄어들어 절단 중 용융된 재료가 튀어 렌즈가 오염될 위험이 커지고 정상적인 작동에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 적절한 초점 거리는 절단 두께 및 절단 품질 요구 사항과 같은 요소를 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다.

2.2.2 반사 거울

반사경은 레이저에서 방출되는 빔의 방향을 바꾸는 역할을 합니다. 고체 레이저의 경우 광학 유리로 만든 반사경을 사용할 수 있습니다. 반면, CO₂ 가스 레이저 절단 장치의 반사경은 일반적으로 구리 또는 반사율이 높은 금속으로 만들어집니다. 작동 중 레이저 조사로 인한 과열로 인한 손상을 방지하기 위해 반사경은 일반적으로 물로 냉각됩니다.

2.2.3 노즐

노즐은 절단 영역에 보조 가스를 분사하는 데 사용되며, 그 구조는 절단 효율과 품질에 일정한 영향을 미칩니다. 그림 4.11은 레이저 절단에 사용되는 일반적인 노즐 형상을 보여줍니다. 노즐 오리피스 형상에는 원통형, 원추형, 수렴-발산형 등이 있습니다.

노즐 선택은 일반적으로 가공물의 재질과 두께, 보조 가스의 압력 등을 고려하여 시험을 통해 결정됩니다. 레이저 절단에는 보통 동축 노즐(가스 흐름이 광축과 동축인 노즐)이 사용됩니다. 가스 흐름과 레이저 빔이 동축이 아니면 절단 중 과도한 비산이 발생할 수 있습니다. 노즐 오리피스의 내벽은 가스 흐름을 원활하게 하고 절단면 품질에 영향을 줄 수 있는 난류를 방지하기 위해 매끄러워야 합니다. 절단 안정성을 확보하기 위해 노즐 끝면과 가공물 표면 사이의 거리는 최소화해야 하며, 일반적으로 0.5mm에서 2.0mm 사이입니다. 노즐 오리피스 직경은 레이저 빔이 오리피스 내벽에 닿지 않고 원활하게 통과할 수 있도록 해야 합니다. 오리피스 직경이 작을수록 빔을 평행하게 유지하기가 어려워집니다. 주어진 보조 가스 압력에서 최적의 노즐 오리피스 직경 범위가 존재합니다. 오리피스가 지나치게 작거나 크면 절단면에서 용융물을 제거하기 어렵고 절단 속도에 영향을 미칩니다.

레이저 출력과 보조 가스 압력이 고정된 조건에서 노즐 오리피스 직경이 절삭 속도에 미치는 영향은 그림 4.12와 4.13에 나타나 있다. 최대 절삭 속도를 달성하는 최적의 노즐 오리피스 직경이 존재함을 알 수 있다. 이 최적값은 보조 가스로 산소 또는 아르곤을 사용하는 경우와 관계없이 약 1.5mm이다.

절단이 어려운 경질 합금의 레이저 절단 시험 결과, 최적의 노즐 오리피스 직경은 그림 4.14에서 볼 수 있듯이 위의 결과와 매우 유사한 것으로 나타났습니다. 노즐 오리피스 직경은 절단 폭과 열영향부(HAZ) 폭에도 영향을 미칩니다. 그림 4.15에서 볼 수 있듯이 노즐 오리피스 직경이 증가함에 따라 절단 폭은 증가하는 반면 열영향부 폭은 감소합니다. 열영향부 폭이 감소하는 주된 이유는 절단 영역에서 보조 가스 흐름이 모재에 미치는 냉각 효과가 향상되기 때문입니다.

2.3 레이저 절단 장비의 매개변수

2.3.1 토치 구동식 절단 장비

토치 구동식 절단 장비에서 절단 토치는 이동식 갠트리에 장착되어 갠트리 빔(Y축)을 따라 수평으로 이동합니다. 갠트리는 토치를 구동하여 X축을 따라 이동시키고, 공작물은 작업대에 고정됩니다. 레이저와 절단 토치가 분리되어 배치되기 때문에 절단 과정에서 레이저 투과 특성, 빔 스캐닝 방향을 따른 평행도, 반사경의 안정성 등이 모두 영향을 받습니다.

토치 구동식 절단 장비는 대형 공작물을 가공할 수 있습니다. 절단 생산 구역에서 차지하는 공간이 비교적 작고 다른 장비와 쉽게 통합하여 생산 라인을 구성할 수 있습니다. 그러나 위치 정밀도는 ±0.04mm에 불과합니다.

토치 구동식 절단 장비의 일반적인 구조는 그림 4.19에 나타나 있다. 연속파 CO₂ 레이저 절단기를 사용했으며, 레이저와 절단 토치 사이의 거리는 18m이다. 이 전송 거리에서 빔 직경의 변화가 절단 작업에 영향을 미치지 않도록 발진기 거울의 조합을 신중하게 설계해야 한다.

토치 구동식 절단 장비의 주요 기술 사양은 다음과 같습니다.

레이저 출력: 1.5kW(단일 모드), 3kW(다중 모드)
토치 스트로크: X축 6.2m, Y축 2.6m
주행 속도: 0~10m/min (조절 가능)
토치 Z축 플로팅 스트로크: 150mm
토치 Z축 조정 속도: 300 mm/min
가공 가능한 강판의 최대 크기: 12mm × 2400mm × 6000mm
제어 시스템: 통합 NC 제어 모드

2.3.2 XY 테이블 구동식 절단 장비

XY 테이블 구동식 절삭 장비에서 절삭 토치는 프레임에 고정되어 있고, 공작물은 절삭 테이블 위에 놓입니다. 절삭 테이블은 NC 명령에 따라 X축과 Y축을 따라 이동하며, 구동 속도는 일반적으로 0~1m/min 또는 0~5m/min 범위에서 조절 가능합니다. 절삭 토치는 공작물에 대해 고정되어 있으므로 절삭 과정에서 레이저 빔 정렬 및 센터링에 미치는 영향을 최소화하여 균일하고 안정적인 절삭 성능을 보장합니다. 높은 기계적 정밀도를 갖춘 소형 절삭 테이블을 장착하면 ±0.01mm의 위치 정밀도를 달성할 수 있습니다.탁월한 절단 정밀도이러한 특징 덕분에 소형 부품의 정밀 절삭에 특히 적합합니다. 또한, 대형 공작물 가공을 위해 X축 스트로크가 2300~2400mm, Y축 스트로크가 1200~1300mm인 대형 절삭 테이블도 제공됩니다.

XY 테이블 구동식 절단 장비의 주요 기술 사양은 다음과 같습니다.

레이저 광원: CO₂ 가스 레이저(반폐쇄형 직선관 타입)
레이저 전원 공급 장치: 입력 전압 200VAC; 출력 전압 0~30kV; 최대 출력 전류 100mA
레이저 출력: 550W
절삭 테이블 스트로크: X축 2300mm, Y축 1300mm
절단 테이블 구동 속도(단계 조절 가능): 0.4–5.0 m/min, 0.2–2.5 m/min, 0.1–1.3 m/min, 0.05–0.6 m/min
토치 Z축 플로팅 스트로크: 180mm
가공 가능한 판재의 최대 크기: 6mm × 1300mm × 2300mm
제어 시스템: 수치 제어(NC) 모드

2.3.3 이중 구동 절단 장비(토치 및 테이블)

이중 구동 방식(토치 및 테이블) 절단 장비는 토치 구동식과 XY 테이블 구동식 절단기의 중간 형태입니다. 절단 토치는 갠트리에 장착되어 갠트리 빔(Y축)을 따라 수평으로 이동하고, 절단 테이블은 종방향으로 구동됩니다. 이러한 하이브리드 설계는 높은 절단 정밀도와 공간 효율성이라는 장점을 결합합니다. ±0.01mm의 위치 정밀도와 0~20m/min의 조절 가능한 절단 속도를 갖춘 이 장비는 시중에서 가장 널리 사용되는 절단기 중 하나입니다. 이 장비의 대형 모델은 Y축 스트로크 2000mm, X축 스트로크 6000mm를 제공하여 대형 공작물 절단이 가능합니다.

레이저 발진기는 절단 토치와 함께 갠트리에 장착됩니다. 이러한 구성은 원형 구멍을 절단할 때 탁월한 정밀도를 제공합니다. 또한 이 기계는 높은 생산 효율성을 자랑합니다. 1mm 두께의 강판에 분당 46개의 원형 구멍(지름 10mm)을 절단할 수 있습니다.

2.3.4 통합 절단 장비

한일체형 절단기레이저 광원은 프레임에 설치되어 프레임과 함께 세로 방향으로 이동하며, 절단 토치는 구동 메커니즘과 통합되어 프레임 빔을 따라 수평 방향으로 이동합니다. 이 기계는 수치 제어 방식을 사용하여 다양한 형상의 부품을 절단합니다. 절단 토치의 수평 이동으로 인한 광경로 길이 변화를 보정하기 위해 광경로 길이 조정 모듈이 일반적으로 장착됩니다. 이 모듈은 절단 영역 내에서 균일한 레이저 빔을 보장하고 일관된 절단면 품질을 유지합니다.

게시 시간: 2025년 12월 17일