효율성 극대화: 레이저 절단 시 보조 가스로서의 공기

1960년대에 도입된 혁신적인 기술인 레이저 커팅은 재료 가공의 탁월한 정밀도와 효율성으로 인해 다양한 산업 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다. 이 첨단 절단 방법은 여러 분야에서 생산 공정을 크게 간소화했습니다.

그러나 레이저 절단 기술의 광범위한 채택으로 시장 경쟁이 심화되면서 장비 제조업체와 서비스 제공업체의 가격 압박과 수익 마진 감소로 이어졌습니다. 경쟁력을 유지하려면 기업은 생산 프로세스를 최적화하고 전반적인 운영 효율성을 높이는 데 집중해야 합니다.

레이저 절단 작업에서 비용 절감을 달성하기 위한 효과적인 전략 중 하나는 공기를 보조 가스로 활용하는 것입니다. 이 접근 방식은 질소나 산소 같은 기존 보조 가스에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

1. 비용 효율성: 공기는 특수 가스보다 훨씬 저렴하여 운영 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
2. 가용성: 쉽게 접근할 수 있는 공기는 복잡한 가스 저장 및 전달 시스템이 필요하지 않습니다.
3. 다용도성: 에어는 특정 용도와 원하는 절단 품질에 따라 연강, 스테인리스강, 알루미늄 등 다양한 재료를 절단하는 데 효과적으로 사용할 수 있습니다.

에어 어시스트 레이저 커팅을 효과적으로 구현하려면 다음 모범 사례를 고려하세요:

1. 적절한 공기 여과 및 건조: 오염을 방지하고 절단 품질을 유지하기 위해 공기를 깨끗하고 건조하게 유지합니다.
2. 최적화된 공기압: 재료 두께와 종류에 따라 공기 압력을 조정하여 최적의 절단 성능을 얻을 수 있습니다.
3. 노즐 디자인: 공기 지원 절단용으로 설계된 특수 노즐을 사용하여 절단 효율과 품질을 극대화합니다.
4. 절단 매개변수 최적화: 레이저 출력, 절단 속도, 초점 위치를 미세 조정하여 에어 어시스트를 통해 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

공기 지원 절단은 특히 산화물 없이 절단해야 하거나 반사율이 높은 재료를 절단해야 하는 모든 작업에 적합하지는 않지만, 다양한 절단 작업에서 운영 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

에어 어시스트 레이저 커팅을 구현하는 것은 생산 공정을 개선하고 효율성을 높이며 부가가치 활동에 집중하기 위한 종합적인 전략의 일부가 되어야 합니다. 이러한 접근 방식은 연구 개발에 대한 지속적인 투자와 결합하여 기업이 진화하는 레이저 커팅 시장에서 경쟁 우위를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

다양한 보조 가스가 절단 품질에 미치는 영향

먼저 레이저 절단 과정:

레이저 제너레이터에서 생성된 레이저는 렌즈를 통해 초점을 맞추고 수렴하여 작고 강렬한 광점을 형성합니다. 렌즈와 플레이트 사이의 거리는 재료의 두께 방향으로 레이저 스폿의 안정성을 보장하기 위해 세심하게 제어됩니다.

이 시점에서 렌즈는 일반적으로 106~109W/cm2에 이르는 높은 출력 밀도로 빛을 한 지점에 집중시킵니다. 재료가 광점의 에너지를 흡수하여 순간적으로 녹고, 녹은 재료는 보조 가스의 흐름에 의해 제거되어 절단 프로세스가 완료됩니다.

전체 절단 공정에서 보조 가스는 절단에 필요한 힘을 제공하고 공작물에서 용융된 재료를 제거하는 두 가지 주요 목적을 수행합니다.

이 과정에서 가스 종류에 따라 재료와 섹션에 미치는 영향이 달라집니다:

(1) 산소

레이저 절단에서 보조 가스인 산소는 용융 금속의 제거를 촉진하고 발열 산화 반응을 촉매하는 두 가지 용도로 사용됩니다. 이 시너지 효과는 특히 두꺼운 재료의 경우 레이저의 절단 능력을 크게 향상시킵니다. 산화 반응은 추가적인 열을 발생시켜 절단 영역의 에너지 밀도를 효과적으로 높이고 전반적인 공정 효율을 개선합니다.

하지만 산소 사용에는 단점이 있습니다. 절단 표면은 상당한 산화를 거치므로 깨끗한 표면을 필요로 하는 애플리케이션의 경우 후처리가 필요할 수 있습니다. 흥미로운 점은 산소 제트에 의해 유도된 급속 냉각으로 인해 경도가 증가하는 국부적인 열 영향 구역(HAZ)이 생성된다는 점입니다. 이러한 금속학적 변화는 특정 후속 공정에 유리할 수 있으며, 잠재적으로 추가 열처리 단계의 필요성을 줄일 수 있습니다.

(2) 질소

불활성 가스인 질소는 레이저 절단 중에 보호 분위기를 조성하여 용융 금속이 산화되지 않도록 효과적으로 보호합니다. 따라서 산화물 없는 고품질의 절단 표면을 얻을 수 있으며, 이는 산화에 민감한 재료나 우수한 표면 마감이 요구되는 분야에 매우 중요합니다. 그러나 산소와 달리 질소는 발열 반응을 통해 추가적인 열 에너지를 제공하는 능력이 부족하기 때문에 특히 두꺼운 재료의 경우 산소에 비해 절단 능력이 제한됩니다.

질소를 보조 가스로 사용하려면 일반적으로 효과적인 차폐 및 용융 금속 배출을 위해 더 높은 유속이 필요합니다. 이러한 소비량 증가와 공기나 산소에 비해 질소 비용이 높기 때문에 운영 비용이 증가합니다. 그러나 이러한 비용은 절단 품질 향상과 후처리 요건 감소로 인한 많은 애플리케이션의 이점을 고려해야 합니다.

(3) 공기

쉽게 구할 수 있고 비용 효율적인 옵션인 에어는 레이저 절단에 균형 잡힌 접근 방식을 제공합니다. 약 78% 질소와 21% 산소로 구성된 에어는 부분 산화와 부분 차폐의 독특한 조합을 제공합니다. 그 결과 커팅 엣지에서 적당한 산화가 일어나고, 우세한 질소 함량은 과도한 산화를 완화하고 대류를 통한 열 전달에 기여합니다.

공기를 사용한 절단 성능은 순수 산소와 순수 질소 사이에 위치합니다. 두꺼운 재료의 경우 산소의 절단 속도나 질소로 얻을 수 있는 표면 품질에는 미치지 못하지만, 공기는 다양한 응용 분야에서 다목적이며 경제적인 솔루션을 제공합니다. 공기 사용과 관련된 주요 비용은 공기 압축기의 전력 소비와 공기 여과 시스템의 유지보수 비용으로, 일반적으로 순수 가스 시스템에서 발생하는 비용보다 낮습니다.

이러한 보조 가스 중 선택은 재료 유형, 두께, 원하는 절단 품질 및 경제적 고려 사항과 같은 요인에 따라 달라집니다. 최신 레이저 절단 시스템은 종종 동적 가스 전환을 허용하므로 작업자가 특정 작업 요구 사항에 따라 가스 선택을 최적화할 수 있습니다.

다양한 보조 가스가 비용 절감에 미치는 영향

그림 1은 1의 절단 단면 효과를 보여줍니다.5mm 두께 질소와 공기를 보조 가스로 사용하는 304 스테인리스 스틸. 그림에서 볼 수 있듯이 질소를 보조 가스로 사용하면 단면이 윤기 있고 밝은 반면 공기를 사용하면 단면이 옅은 노란색을 띕니다.

1.5mm 두께 304 스테인리스강에 대한 보조 가스인 공기와 질소의 절단 비용 비교는 표 1에 나와 있습니다. 이 비교는 최신 세대의 파이버 레이저 절단기 자체 개발한 파이버 레이저 제너레이터가 장착되어 있습니다.

비용 분석 결과, 공기를 보조 가스로 사용하면 질소를 사용할 때보다 시간당 절단 비용이 23.7% 감소하는 것으로 나타났습니다. 이러한 절단 비용 절감은 공장의 전체 공정 비용 절감에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 공기 압축기의 전력 소비량은 다음과 같이 분석됩니다:

현재 많은 기업이 가변식 스크류 에어 컴프레서를 사용하고 있습니다. 영구 자석 주파수 스크류 공기 컴프레서를 사용하면 공기 컴프레서에서만 최대 50%의 전력을 절약할 수 있습니다.

공기를 보조 가스로 사용할 경우 질소를 사용할 때보다 절단 비용이 36.2% 낮습니다.

표 1 절단 비용 비교

참고:

(1) 위에서 언급한 비용 분석은 다음과 같은 가정 하에 계산되었습니다:

• 공작 기계의 작동 비율은 70%로 가정했습니다.
• 전기 요금은 1원/KW로 가정했습니다.
• 질소 비용은 액체 질소 가격 1.5위안/kg을 기준으로 계산했습니다.

(2) 공기 절단 시 공기 컴프레서의 전력 소비는 용량 17.5kW, 압력 1.26MPa, 유량 2.3m의 비가변 스크류 공기 컴프레서에 대해 계산되었습니다.³/분.

(3) 질소를 절단용 보조 가스로 사용하는 경우, 공기 압축기는 여전히 기계에 가스를 공급해야 하므로 전기 비용이 발생합니다.

(a) 질소를 보조 가스로 사용하는 경우의 절단 부분

(b) 공기를 보조 가스로 사용하는 경우의 절단 섹션

(c) 두 부분의 단면 비교(왼쪽은 질소, 오른쪽은 공기)

그림 1 질소와 공기를 보조 가스로 사용할 때의 절단 단면 효과

공기를 보조 가스로 사용하는 경우의 적용 범위

(1) 탄소강판 /Q235 강판

판 두께가 1.5mm를 초과하면 절단 부분에 일정량의 버가 생성됩니다. 그러나 버가 종이를 긁을 정도로 날카롭지는 않습니다.

보조 가스로 공기를 사용하여 절단할 수 있는 최대 두께는 전력 및 레이저 유형 생성기.

(2) 스테인리스 강판 / SUS304 강판

절단 섹션은 노란색 산화물 층을 생성합니다.

(3) 알루미늄 플레이트 /A1050 플레이트 & 알루미늄 합금 플레이트 /A5052 플레이트

그리고 커팅 버 는 질소를 보조 가스로 사용할 때보다 감소합니다.

표 2는 이산화탄소 레이저 절단기의 보조 가스로 공기를 사용할 경우의 절단 범위와 파이버 레이저 절단 기계.

표 2 공기를 보조 가스로 사용할 때 플레이트의 최대 두께가 절단됩니다.

보조 가스로서 공기가 절단에 미치는 영향

(1) 탄소강판의 경우

탄소강 레이저 절단 시 보조 가스로 공기를 사용하면 버를 최소화하면서 절단면을 생성할 수 있습니다. 이러한 버는 일반적으로 다른 가스로 생성되는 버에 비해 덜 날카롭고 관리하기 쉽습니다. 이러한 결과는 버 허용 오차 요구 사항이 중간 정도인 부품에 특히 유리합니다. 공기와 용강 사이의 산화 반응은 용융된 재료의 배출을 실제로 도울 수 있는 얇은 산화물 층을 생성하여 더 깨끗한 절단을 가능하게 합니다.

(2) 스테인리스 강판의 경우

스테인리스 강판을 절단할 때 보조 가스로 공기를 사용하면 산화가 유도되어 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 절단 모서리에 슬래그 형성 및 예상 용접 영역에 다공성(기공)과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 후속 용접 작업의 무결성을 크게 손상시켜 용접 조인트의 강도와 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다.

이러한 문제를 완화하려면 절단 후 표면 준비 프로세스를 구현하는 것이 중요합니다. 여기에는 일반적으로 세심한 연삭 또는 연마를 통해 절단 모서리에서 산화물 층을 기계적으로 제거하는 작업이 포함됩니다. 이 단계는 표면을 고품질 용접에 적합한 상태로 복원하여 최적의 접합 강도와 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

또한 절단된 부분에는 특징적인 황갈색 산화물 층이 생깁니다. 이러한 변색은 미관이 중요한 외부에서 보이는 부품에 문제가 될 수 있습니다. 또한 산화물 층은 불순물을 유입하고 소재의 표면 특성을 변경하여 용접 공정을 방해합니다. 따라서 용접 작업 전에 연마 또는 화학적 처리를 통해 이 층을 제거하여 적절한 융착과 접합 무결성을 보장하는 것이 필수적입니다.

(3) 알루미늄 플레이트 및 알루미늄 합금 플레이트의 경우

알루미늄 및 알루미늄 합금 판재의 경우, 절단 시 보조 가스로 공기를 사용하면 버 감소 측면에서 뚜렷한 이점을 제공합니다. 공기와 함께 발생하는 산화 공정은 용융 금속 흐름을 관리하여 절단 모서리를 따라 더 작고 제어된 버를 생성합니다. 이는 질소를 보조 가스로 사용하는 것과는 대조적인데, 질소는 깔끔한 절단을 제공하지만 산화 효과가 없기 때문에 더 큰 버를 생성하는 경향이 있습니다.

알루미늄 절단을 위한 공기와 질소 중 선택은 종종 특정 합금 구성, 판 두께 및 절단 부품의 용도에 따라 달라집니다. 최소한의 후처리가 필요하고 약간의 산화가 허용되는 응용 분야에서는 공기가 선호될 수 있습니다. 그러나 고정밀 부품이나 완전히 산화물 없는 표면이 필요한 경우, 후속 마감 작업에서 더 쉽게 제거할 수 있는 질소가 더 큰 버에도 불구하고 선호될 수 있습니다.

공기를 보조 가스로 사용하는 경우 공기 공급 장치에 대한 요구 사항

금속 제조 공정에서 보조 가스로 공기를 사용할 때는 0.9MPa의 일정한 압력이 필수적입니다. 이 요건을 충족하려면 정격 작동 압력이 1.26MPa이고 유량이 2.3m³/min인 스크류형 공기 컴프레서를 사용하는 것이 좋습니다. 이 사양은 최적의 성능을 위해 적절한 압력과 유량을 보장합니다.

정밀 절단 및 용접 작업에는 공기 품질이 매우 중요합니다. 압축 공기는 수분 함량이 1/100 미만인 99%의 건조율을 달성해야 합니다. 이 높은 기준을 유지하려면 압축 공기 파이프라인에 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터와 결합 필터를 통합한 다단계 여과 시스템을 구현하세요. 이러한 필터 요소를 정기적으로 유지보수하고 교체하는 것은 시간이 지나도 공기 품질을 유지하는 데 매우 중요합니다.

효과적인 습기 제거를 위해 재생 흡착식 드라이어와 냉장 드라이어라는 두 가지 주요 건조기 옵션을 사용할 수 있습니다. 두 가지 모두 장점이 있지만, 안정성이 뛰어나고 유지보수 요구 사항이 적으며 작동 수명이 길다는 점에서 재생 흡착식 드라이어가 선호됩니다. 이러한 시스템은 건조제를 사용하여 습기를 제거하므로 다양한 주변 환경 조건에서도 일관된 성능을 제공합니다.

압축 공기 분배 시스템을 설계할 때는 파이프라인 직경과 감압기 선택에 신중을 기해야 합니다. 이러한 구성 요소는 압축기의 유량과 압력 출력에 따라 크기를 조정하여 압력 강하를 최소화하고 사용 지점에서 안정적인 공기 공급을 보장해야 합니다. 적절한 크기의 헤더와 드롭 레그로 루프 시스템을 구현하면 압력 안정성과 시스템 효율성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

에너지 소비를 최적화하려면 영구 자석 가변 주파수 드라이브(VFD) 스크류 에어 컴프레서에 투자하는 것을 고려해 보세요. 이러한 고급 시스템은 고정 속도 대체품에 비해 전기 사용량을 최대 50%까지 줄일 수 있습니다. VFD 기술을 통해 컴프레서는 수요에 따라 출력을 조정할 수 있으므로 공기 소비량이 적은 시간대에 에너지를 크게 절약할 수 있습니다.

또한 종합적인 공기 관리 시스템을 구현하면 공기 사용 패턴을 모니터링하고 누출을 감지하며 컴프레서 작동을 최적화하여 효율성을 더욱 높일 수 있습니다. 압축 공기 시스템을 정기적으로 감사하면 성능과 에너지 효율 모두에서 개선 기회를 찾을 수 있습니다.

결론

경쟁이 치열한 오늘날의 산업 환경에서 기업은 생산 프로세스를 최적화하고 제품 설계의 정교함을 높이며 혁신적인 제조 전략을 구현함으로써 상당한 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

특히 경쟁 우위를 확보하기 위한 효과적인 접근 방식은 기존 워크플로 내에서 처리 비용을 절감하는 것입니다. 이는 첨단 기술 도입과 스마트 프로세스 최적화를 통해 달성할 수 있습니다.

이러한 비용 효율적인 솔루션 중 하나는 특히 특정 재료와 두께의 절단 작업에서 공기를 보조 가스로 사용하는 것입니다. 이 접근 방식은 특히 질소나 산소를 사용하는 기존 방식에 비해 절단 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 단순한 비용 절감 이상의 이점이 있습니다:

1. 가스 소비량 감소로 인한 환경 영향 감소
2. 간소화된 물류 및 보관 요구 사항
3. 특정 애플리케이션에서 절단 속도 증가 가능성
4. 전반적인 운영 효율성 향상

적절한 곳에 공기 지원 절단을 구현함으로써 기업은 수익 마진을 높일 수 있을 뿐만 아니라 비즈니스 개발의 다른 중요한 영역에 리소스를 더 효과적으로 할당할 수 있습니다. 이러한 리소스 배분의 전략적 변화는 광범위한 혁신과 업그레이드 이니셔티브에 중요한 지원을 제공하여 기업이 끊임없이 진화하는 산업 환경에서 경쟁력을 유지할 수 있도록 합니다.

그러나 보조 가스로서의 공기의 적합성은 재료 유형, 두께 및 필요한 절단 품질과 같은 요인에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 기업은 이 기술을 생산 라인에 적용하기 전에 철저한 비용 편익 분석과 품질 평가를 수행해야 합니다.

산업이 계속 진화함에 따라 지속 가능한 성장과 혁신을 추구하면서 경쟁력을 유지하고자 하는 기업에게는 이러한 비용 효과적이고 효율적인 기술을 도입하는 것이 매우 중요해질 것입니다.