레이저 절단 및 가공 시스템

레이저 절단애플리케이션

고속 축류형 CO2 레이저는 주로 우수한 빔 품질 덕분에 금속 재료의 레이저 절단에 사용됩니다. 대부분의 금속은 CO2 레이저 빔에 대해 상당히 높은 반사율을 보이지만, 상온에서 금속 표면의 반사율은 온도와 산화 정도가 증가함에 따라 증가합니다. 금속 표면이 손상되면 반사율은 1에 가까워집니다. 금속 레이저 절단에는 더 높은 평균 출력이 필요하며, 이러한 조건을 충족하는 것은 고출력 CO2 레이저뿐입니다.

1. 강철 재료의 레이저 절단

1.1 CO2 연속 레이저 절단 CO2 연속 레이저 절단의 주요 공정 매개변수에는 레이저 출력, 보조 가스의 종류 및 압력, 절단 속도, 초점 위치, 초점 깊이 및 노즐 높이가 포함됩니다.

(1) 레이저 출력 레이저 출력은 절단 두께, 절단 속도 및 절개 폭에 큰 영향을 미칩니다. 다른 매개변수가 일정할 때 절단 속도는 절단판 두께가 증가함에 따라 감소하고 레이저 출력이 증가함에 따라 증가합니다. 즉, 레이저 출력이 클수록 절단할 수 있는 판의 두께가 더 두꺼워지고 절단 속도가 더 빨라지며 절개 폭이 약간 더 커집니다.

(2) 보조 가스의 종류 및 압력 저탄소강 절삭 시, CO2를 보조 가스로 사용하여 철-산소 연소 반응열을 활용해 절삭 공정을 촉진합니다. 절삭 속도가 빠르고 절단면 품질이 우수하며, 특히 슬래그가 달라붙지 않는 절삭면을 얻을 수 있습니다. 스테인리스강 절삭 시에도 CO2를 사용하지만, 슬래그가 절삭면 하부에 쉽게 달라붙는 문제가 있습니다. 따라서 CO2 + N2 혼합 가스 또는 이중 가스 흐름을 사용하는 경우가 많습니다. 보조 가스의 압력은 절삭 효과에 상당한 영향을 미칩니다. 가스 압력을 적절히 높이면 가스 흐름 운동량이 증가하고 슬래그 제거 능력이 향상되어 슬래그가 달라붙지 않는 절삭 속도를 높일 수 있습니다. 그러나 압력이 너무 높으면 절삭면이 거칠어집니다. 아래 그림은 산소 압력이 절삭면의 평균 조도에 미치는 영향을 보여줍니다.

본체 압력은 판 두께에도 영향을 받습니다. 1kW CO2 레이저로 저탄소강을 절단할 때 산소 압력과 판 두께의 관계는 아래 그림과 같습니다.

(3) 절삭 속도 절삭 속도는 절삭 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 레이저 출력의 특정 조건에서 저탄소강 절삭 시 양호한 절삭 속도를 위한 상한 및 하한 임계값이 존재합니다. 절삭 속도가 임계값보다 높거나 낮으면 슬래그가 달라붙게 됩니다. 절삭 속도가 느리면 절삭날의 산화 반응열 작용 시간이 길어져 절삭 폭이 증가하고 절삭면이 거칠어집니다. 절삭 속도가 증가함에 따라 절개 폭은 점차 좁아지다가 상단 절개 폭이 점 직경과 같아집니다. 이때 절개는 위쪽이 넓고 아래쪽이 좁은 약간 쐐기 모양을 띨 수 있습니다. 절삭 속도가 계속 증가하면 상단 절개 폭은 계속 작아지지만 절개 하단은 상대적으로 넓어져 역쐐기 모양이 됩니다.

(5) 초점 심도

초점 심도는 절단면의 품질과 절단 속도에 일정한 영향을 미칩니다. 비교적 큰 강판을 절단할 때는 초점 심도가 큰 빔을 사용해야 하고, 얇은 강판을 절단할 때는 초점 심도가 작은 빔을 사용해야 합니다.

(6)노즐 높이

노즐 높이는 보조 가스 노즐 끝면에서 가공물의 윗면까지의 거리를 말합니다. 노즐 높이가 높을수록 분출되는 보조 기류의 운동량이 쉽게 변동하여 절단 품질과 속도에 영향을 미칩니다. 따라서 레이저 절단 시에는 일반적으로 노즐 높이를 최소화하며, 보통 0.5~2.0mm 정도입니다.

① 레이저 관련 사항

a. 레이저 출력을 높인다. 더 강력한 레이저를 개발하는 것은 절단 두께를 늘리는 직접적이고 효과적인 방법이다.

b. 펄스 가공. 펄스 레이저는 피크 출력이 매우 높아 두꺼운 강판을 관통할 수 있습니다. 고주파, 좁은 펄스 폭의 펄스 레이저 절단 기술을 적용하면 레이저 출력을 높이지 않고도 두꺼운 강판을 절단할 수 있으며, 절단면 크기는 연속 레이저 절단보다 작습니다.

c. 새로운 레이저를 사용하세요

② 광학 시스템

a. 적응형 광학 시스템. 기존 레이저 절단 방식과의 차이점은 절단면 아래에 초점을 맞출 필요가 없다는 것입니다. 강판 두께 방향으로 초점 위치가 수 밀리미터 정도 위아래로 변동할 때, 적응형 광학 시스템에서는 초점 거리가 초점 위치 변화에 따라 자동으로 조정됩니다. 이러한 초점 거리의 상하 변화는 레이저와 가공물의 상대적인 움직임과 일치하여 가공물의 깊이 방향으로 초점 위치가 상하로 변하게 합니다. 외부 조건에 따라 초점 위치가 변하는 이러한 절단 방식은 고품질 절단면을 얻을 수 있습니다. 다만, 이 방식의 단점은 절단 깊이가 제한적이라는 점으로, 일반적으로 30mm를 넘지 않습니다.

b. 이중 초점 절단 기술. 특수 렌즈를 사용하여 빔을 서로 다른 두 부분에 초점을 맞춥니다. 그림 4.58에서 D는 렌즈 중심부의 직경이고 는 렌즈 가장자리 부분의 직경입니다. 렌즈 중심부의 곡률 반경이 주변부보다 커서 이중 초점을 형성합니다. 절단 과정에서 상부 초점은 공작물의 윗면에 위치하고 하부 초점은 공작물의 아랫면 근처에 위치합니다. 이 특수 이중 초점 레이저 절단 기술은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 연강을 절단할 때, 재료의 발화에 필요한 조건을 충족하기 위해 금속 윗면에 고강도 레이저 빔을 유지할 뿐만 아니라, 발화 요구 사항을 충족하기 위해 금속 아랫면 근처에도 고강도 레이저 빔을 유지할 수 있습니다. 또한 재료 두께 전체에 걸쳐 깨끗한 절단면을 얻을 수 있습니다. 이 기술은 고품질 절단을 얻기 위한 매개변수 범위를 확장합니다. 예를 들어, 3kW CO2 레이저를 사용하는 경우. 레이저를 이용한 기존 절단 방식으로는 최대 15~20mm 두께까지만 절단할 수 있지만, 이중 초점 절단 기술을 사용하면 30~40mm 두께까지 절단할 수 있습니다.

③노즐 및 보조 공기 흐름

노즐을 합리적으로 설계하여 공기 흐름 특성을 개선했습니다. 초음속 노즐의 내벽 직경은 처음에는 수축했다가 팽창하는 형태로, 출구에서 초음속 기류를 생성할 수 있습니다. 이를 통해 충격파 발생 없이 매우 높은 공기 공급 압력을 유지할 수 있습니다. 레이저 절단에 초음속 노즐을 사용하면 절단 품질 또한 매우 우수합니다. 특히 공작물 표면에서 초음속 노즐의 절단 압력이 비교적 안정적이기 때문에 두꺼운 강판의 레이저 절단에 매우 적합합니다.