재료 구성 및 레이저 커팅 품질: 관계 이해
동일한 장비와 매개변수에서 레이저 절단 품질이 달라지는 이유는 무엇일까요? 이 기사에서는 탄소강판의 구성이 절단 결과에 어떤 영향을 미치는지 자세히 살펴봅니다. 자세히 알아보기...
이 글에서는 현대 제조업의 판도를 바꾸고 있는 CO2 레이저 커팅 기술의 매력적인 세계를 살펴봅니다. 이 방법이 어떻게 탁월한 정밀도와 효율성을 제공하여 전 세계 산업을 변화시키고 있는지 알아보세요.
CO2 레이저 커팅은 초점 렌즈를 사용하여 CO2 레이저 빔을 재료의 표면에 비추어 재료를 녹입니다.
동시에 녹은 재료는 압축 가스의 동축 흐름에 의해 제거되어 레이저 빔과 재료가 정해진 경로를 따라 서로 상대적으로 이동하여 정밀한 절단 모양이 만들어집니다.
1970년대 이후 CO2 레이저와 수치 제어 기술의 발달로 CO2 레이저 절단은 판재 절단에 있어 고도로 발전된 방법이 되었습니다.
1950년대와 1960년대, 플레이트 절단 메서드가 포함되어 있습니다:
1970년대에는 화염 절단 품질을 개선하기 위해 옥시 에탄 정밀도 화염 절단 플라즈마 커팅이 대중화되었습니다.
대형 스탬핑 금형의 제조 사이클 시간을 단축하기 위해 CNC 스탬핑 및 전기 가공 기술이 추진되었습니다.
각 유형의 절단 및 블랭킹 방법에는 고유한 제한 사항이 있으며 특정 산업 생산 애플리케이션에서 사용됩니다.
우수한 절단 품질:
빠른 커팅 속도:
예를 들어, 절단 속도가 1.6m/min인 2KW 레이저는 8mm 두께의 탄소강을 절단할 수 있으며, 2mm 두께의 스테인리스 스틸은 3.5m/min의 절단 속도를 달성할 수 있습니다. 그리고 레이저 커팅 프로세스 를 사용하면 열 영향 영역이 작아지고 변형이 최소화됩니다.
깨끗하고 안전하며 무공해:
CO2 사용 레이저 커팅 는 작업자의 작업 환경을 크게 개선합니다. 절단 정밀도와 표면 거칠기 측면에서 전기 가공을 능가하지 못하고 화염 및 플라즈마 절단에 비해 절단 두께에 한계가 있을 수 있지만, 이러한 장점으로 인해 특히 비금속 절단에서 기존 절단 기술을 대체할 수 있게 되었습니다.금속 재료.
중국에서는 1990년대 이후 사회주의 시장 경제가 발전하면서 기업 간 경쟁이 치열해졌고, 각 기업은 제품 품질과 생산 효율성을 개선하기 위해 특정 요구에 부합하는 첨단 제조 기술을 신중하게 선택했습니다. 그 결과, CO2 레이저 커팅 기술은 중국에서 빠르게 성장하고 있습니다.
최초의 CO2 레이저 절단기는 1970년대에 발명되었습니다. 지난 30년 동안 이 기계는 적용 분야가 확장됨에 따라 지속적으로 개선되어 왔습니다.
현재 많은 국내외 기업에서 다양한 종류의 이산화탄소를 생산하고 있습니다.2 2-D 플레이트 절단기, 3-D 공간 곡선 절단기 및 파이프 절단기.
이 분야의 저명한 외국 기업으로는 트럼프(독일), 프리마(이탈리아) 등이 있습니다, 바이스트로닉 (스위스), 아마다와 마작(일본), NTC(일본), HG 레이저 연구소(호주) 등이 있습니다.
미국의 대표적인 레이저 산업 전문지인 '산업용 레이저 솔루션'의 2000년 연례 보고서에 따르면, 전 세계 레이저 절단 시스템의 총 판매량(주로 CO2 레이저 절단 시스템)는 1999년에 3325개로 총 1조 4,174억 달러에 달했습니다.
중국에서는 거의 100개의 CO2 레이저 절단기는 매년 총 1억 5천만 위안이 생산되고 있지만 선진국에 비해 국내 사용량은 상대적으로 낮습니다. 2003년까지 중국 내 CO2 중국 내 산업 생산에 사용되는 레이저 절단 시스템은 약 500대에 달하며, 이는 전 세계 전체의 약 1.5%를 차지합니다.
CO를 활용하는 조직에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.2 레이저 절단 기술: 대기업 및 중견 제조 기업 및 가공 스테이션.
대기업과 중견 제조 기업은 경제적, 기술적 자원이 풍부하고 많은 자재에 절단 및 블랭킹이 필요합니다.
해외에서 잡샵이라고도 하는 프로세싱 스테이션은 다음을 전문적으로 제공합니다. 레이저 가공 서비스를 제공하고 있으며 자체적인 주력 제품이 없습니다. 이러한 스테이션은 중소기업의 요구를 충족할 수 있으며 레이저 절단 기술의 조기 도입을 촉진하는 역할도 합니다.
1999년 미국에는 2,700개의 레이저 가공 스테이션이 있었고, 그 중 511개는 레이저 절단에 특화된 51%였습니다.
1980년대 중국의 레이저 가공 스테이션은 주로 레이저 열처리에 중점을 두었습니다. 그러나 1990년대 이후 레이저 절단 및 가공 스테이션의 수가 증가했습니다.
중국 대기업 및 중소기업 시스템의 개혁이 계속되고 중국의 경제력이 성장함에 따라 점점 더 많은 기업이 CO2 레이저 커팅 기술.
국내, CO2 레이저 절단은 두께 12mm 이하의 저탄소 강판, 두께 6mm 이하의 스테인리스 강판, 두께 20mm 이하의 비금속 재료 절단에 널리 사용됩니다. 또한 자동차 및 항공 산업에서 3차원 공간 곡선 절단에 사용되기도 합니다.
현재 CO2 레이저 절단에 적합한 제품은 크게 세 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다:
앞서 언급한 응용 분야 외에도 CO2 레이저 커팅은 점점 더 많은 산업 분야에서 사용되고 있습니다. 예를 들어 3D 레이저 커팅 시스템이나 산업용 로봇은 공간 곡선을 절단하는 데 사용되며, 도면부터 부품 절단까지 공정을 간소화하는 특수 소프트웨어가 개발되었습니다.
연구원들은 특수 절단 시스템, 재료 이송 시스템, 리니어 모터 구동 시스템을 개발하여 생산 효율성을 향상시키는 데 주력하고 있습니다. 절단 속도는 이제 분당 100m를 넘어섰습니다.
엔지니어링 기계 및 조선 산업에서 저탄소강 사용을 확대하기 위해 저탄소강 절단 두께를 30mm 이상으로 늘렸고, 후판 절개 품질을 개선하기 위해 질소 가스 저탄소강 절단 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
따라서 중국의 엔지니어링 기술자는 CO2 레이저 절단 사용을 확대하고 실제 응용 분야에서 몇 가지 기술적 문제를 해결하는 것이 여전히 매우 중요합니다.
레이저 빔 매개변수와 기계의 성능 및 정밀도, 그리고 CNC 시스템 레이저 커팅의 효율성과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 절단 정확도가 높은 부품이나 두꺼운 재료에 필요한 기술과 같은 핵심 기술을 숙달하고 해결해야 합니다.
레이저 커팅의 장점 중 하나는 일반적으로 10W/cm2보다 큰 빔의 높은 에너지 밀도입니다. 에너지 밀도는 4/πd^2에 반비례하므로 초점 직경은 좁은 슬릿을 생성하기 위해 가능한 한 작게 유지됩니다.
초점 직경은 렌즈의 초점 심도에 정비례하므로 초점 심도가 작을수록 초점 직경도 작아집니다. 그러나 절단 시 스패터가 발생할 수 있으며 렌즈가 작업물에 너무 가까이 있으면 쉽게 손상될 수 있습니다.
따라서 고출력 CO2 레이저 커팅은 일반적으로 초점 거리가 5인치~7.5인치(127~190mm)인 렌즈를 사용합니다. 실제 초점 직경은 0.1~0.4mm 사이입니다.
유효 초점 깊이는 렌즈 직경과 절단하는 재료에 따라 달라집니다. 예를 들어, 5인치 렌즈로 탄소강을 절단하는 경우 최적의 절단 품질을 위해 초점 깊이는 초점 거리의 +2% 범위 또는 약 5mm 이내여야 합니다.
최상의 절단 결과를 얻으려면 재료의 두께에 따라 초점을 맞추는 것이 중요합니다. 6mm 미만의 금속 재료의 경우, 초점은 표면에 맞춰야 합니다. 6mm보다 두꺼운 탄소강의 경우 초점이 표면 위에 있어야 합니다. 6mm보다 두꺼운 스테인리스 스틸의 경우 초점이 표면 아래에 있어야 하지만 정확한 크기는 실험을 통해 결정해야 합니다.
산업 생산에서 초점 위치를 찾는 간단한 세 가지 방법:
CO2 레이저 절단기의 초점을 결정하는 방법에는 세 가지가 있습니다:
플라잉 광경로 절단기의 경우 레이저 빔의 발산 각도로 인해 근거리와 원거리 사이의 거리에 차이가 발생하여 초점 결정이 더 복잡해지며, 이로 인해 초점을 맞추기 전 빔 크기에 차이가 발생합니다. 입사 빔의 직경이 클수록 초점이 작아집니다.
초점을 맞추기 전 빔 크기의 변화로 인한 초점 크기의 변화를 최소화하기 위해 레이저 커팅 시스템 제조업체는 사용자가 선택할 수 있는 몇 가지 특수 장치를 제공했습니다:
레이저 커팅 기술은 몇 가지 경우를 제외하고는 일반적으로 재료에 작은 구멍을 뚫어야 합니다. 과거에는 레이저 스탬핑 기계는 먼저 펀치를 사용하여 구멍을 뚫은 다음 레이저를 사용하여 구멍에서 절단했습니다. 비스탬핑 레이저 커팅기의 경우 두 가지 기본적인 드릴링 메서드:
펄스 드릴링에 사용되는 레이저는 출력이 높아야 할 뿐만 아니라 빔의 시간 및 공간 특성도 높아야 합니다. 또한 펄스 드릴링 공정에는 가스 유형, 가스 압력 전환 및 드릴링 시간을 제어할 수 있는 신뢰할 수 있는 가스 경로 제어 시스템이 있어야 합니다. 고품질 절단을 달성하기 위해서는 펄스 드릴링에서 재료의 연속 절단으로의 전환도 강조되어야 합니다.
산업 생산에서는 펄스 폭, 주파수 또는 두 가지를 동시에 변경하는 등 레이저의 평균 출력을 변경하는 것이 더 실용적입니다. 세 번째 방법이 가장 효과가 좋은 것으로 나타났습니다.
언제 강철 절단 레이저를 사용하면 노즐을 통해 산소와 레이저 빔이 재료에 조준되어 물줄기를 형성합니다. 절단이 효과적이려면 절단 재료에서 충분한 산화 및 발열 반응을 일으키기 위해 공기 흐름이 크고 빨라야 합니다. 또한 공기 흐름은 녹은 재료를 제거하기에 충분한 운동량을 가져야 합니다. 노즐의 설계와 노즐과 공작물의 압력 및 위치 등 공기 흐름의 제어는 절단 품질에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
현재 레이저 커팅에 사용되는 노즐은 상단에 작은 구멍이 있는 원뿔 모양으로 디자인이 단순합니다. 노즐의 설계는 일반적으로 실험과 도출 방법을 통해 이루어집니다. 그러나 노즐은 일반적으로 구리로 만들어지고 작고 취약하기 때문에 자주 교체해야 하며 일반적으로 유체 역학 계산 및 분석에서 고려되지 않습니다.
사용 시 압력 Pn의 가스가 노즐에 유입되어 노즐 압력을 생성합니다. 가스는 노즐에서 분사되어 일정 거리 후 공작물 표면에 도달하여 절단 압력 Pc를 형성합니다. 마지막으로 가스가 팽창하여 대기압 Pa를 형성합니다. 연구에 따르면 Pn이 증가함에 따라 공기 흐름 속도와 Pc도 증가합니다.
공기 흐름 속도를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:
V = 8.2d^2 (Pg + 1)
어디에:
V = 공기 흐름 속도(L/min)
d = 노즐 직경(mm)
Pg = 노즐 압력(표면 압력)(bar)
노즐 압력이 특정 값을 초과하면 기류가 아음속에서 초음속으로 전환되어 정상적인 경사 충격파가 될 수 있습니다. 임계값은 노즐 압력(Pn)과 대기압(Pa)의 비율 및 기체 분자의 자유도(n)에 따라 달라집니다. 예를 들어, 산소와 공기의 경우 n=5일 때 임계값 Pn은 1.89bar입니다.
노즐 압력이 더 높으면, 즉 Pn/Pa > 4bar가 되면 기류의 정상적인 경사 충격파가 정상적인 충격으로 바뀌어 절삭 압력(Pc)이 감소하고 공기 속도가 감소하며 공작물 표면에 와류가 형성되어 용융된 재료를 제거하는 기류의 효과가 약해지고 절삭 속도에 영향을 미칠 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 원뿔형 노즐과 상단에 작은 구멍이 있는 노즐을 사용할 때는 노즐의 산소 압력을 3bar 이하로 유지하는 경우가 많습니다.
레이저 절단 속도를 향상시키기 위해 공기역학 원리를 기반으로 한 수렴 발산 노즐인 Laval 노즐이 설계되었습니다. 이 노즐은 일반적인 충격파를 발생시키지 않고 압력을 증가시킵니다. 노즐의 구조는 그림 4에 표시되어 있어 쉽게 제조할 수 있습니다.
독일 하노버 대학의 레이저 센터에서는 500W CO2 레이저(초점 거리 2.5)와 콘홀 노즐 및 라발 노즐을 페어링하여 실험을 진행했습니다. 실험 결과는 다양한 산소 압력에서 2번, 4번, 5번 노즐의 표면 거칠기(Rz)와 절단 속도(Vc)의 관계를 보여주는 그림으로 표시되어 있습니다.
그림에서 볼 수 있듯이, 압력(Pn)이 400Kpa(또는 4bar)일 때 2번 홀 노즐의 절단 속도는 2.75m/min(두께 2mm 탄소강판의 경우)에 불과합니다. 그러나 Pn이 500 Kpa 또는 600 Kpa일 때 4번 및 5번 라발 노즐의 절단 속도는 각각 3.5m/min 및 5.5m/min에 이릅니다.
절단 압력(Pc)은 공작물과 노즐 사이의 거리에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 비스듬한 충격파가 공기 흐름 경계에서 반복적으로 반사되어 절단 압력이 주기적으로 변동합니다.
첫 번째 고절삭 압력 영역은 노즐 배출구 근처에 위치하며, 공작물 표면과 노즐 배출구 사이의 거리는 약 0.5 ~ 1.5mm입니다. 그 결과 높고 안정적인 절삭 압력(PC)을 얻을 수 있어 산업 생산에서 널리 사용되는 파라미터입니다.
두 번째 높은 절단 압력 영역은 노즐 배출구에서 약 3~3.5mm 떨어져 있으며 높은 절단 압력을 발휘하여 우수한 절단 결과와 렌즈 보호에 기여하여 수명을 향상시킵니다.
그러나 커브의 다른 높은 절단 압력 영역은 노즐 배출구에서 너무 멀리 떨어져 있어 집중된 빔과 정렬할 수 없습니다.
결론적으로, CO2 레이저 절단 기술은 중국의 산업 생산에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 해외에서는 더 빠른 절단 속도를 달성하고 더 두꺼운 강판을 처리할 수 있는 절단 기술과 장비를 연구하기 위해 노력하고 있습니다.
고품질 산업 생산과 효율성 향상에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위해서는 주요 기술 문제를 해결하고 품질 표준을 구현하는 데 집중하여 이 새로운 기술을 우리나라에 더 널리 채택하는 것이 중요합니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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