레이저 절단 효율 비교: 공기 대 산소 대 질소

우리가 매일 호흡하는 필수 '생명 가스'인 공기는 약 78% 질소, 21% 산소, 0.93% 아르곤, 0.04% 이산화탄소 및 네온, 헬륨, 메탄, 수소 등 미량의 기타 기체로 구성되어 있습니다. 수증기는 가변적이지만 습한 조건에서는 대기의 최대 4%를 구성할 수 있습니다.

이제 레이저 커팅 공정에서 에어 커팅의 이점에 대해 자세히 알아보겠습니다.

에어 커팅의 원리

공기의 절단 원리는 레이저 절단 공정에서 질소의 절단 원리와 매우 유사합니다. 레이저 에너지를 활용하여 금속을 녹이는 동시에 고압 가스를 사용하여 용융된 재료를 커프에서 배출합니다. 이 과정에서 일부 금속 물질이 산화 또는 연소되어 절단 표면에 금속 산화물이 형성될 수 있습니다. 일반적인 산화물에는 회색 고체 알루미나(Al₂O₃), 검은색 고체 자철광(Fe₃O₄), 구리(II) 산화물(CuO).

대기 중에 어디에나 존재하는 공기는 일련의 준비 단계를 거쳐 절단 작업에 활용할 수 있습니다. 먼저 공기 저장 탱크에 압축한 다음 여과, 냉각, 건조 과정을 거쳐 수분과 기름과 같은 오염 물질을 제거합니다. 이러한 처리를 통해 절단 작업에 적합한 공기가 만들어집니다. 약 21%의 산소를 함유한 공기의 천연 성분은 절단 공정에서 순수한 산소나 질소의 부재를 부분적으로 보완합니다.

이론적으로 에어 커팅은 레이저 에너지로 녹일 수 있는 모든 금속 재료에 적용할 수 있습니다. 그러나 재료 두께, 열전도율, 사용된 특정 레이저 매개변수 등의 요인에 따라 절단 효과와 품질이 달라질 수 있습니다. 공기 중에 산소가 존재하면 특정 금속과 발열 반응을 일으켜 절단 속도가 향상될 수 있지만 절단면 품질과 표면 산화에 영향을 미칠 수도 있습니다.

공기 절단 방식은 순수 가스 사용에 대한 비용 효율적인 대안을 제공하므로 특히 중요하지 않은 응용 분야나 산화가 잘 일어나지 않는 재료에 적합합니다. 그러나 정밀 절단 또는 반응성이 높은 금속으로 작업할 때는 질소나 아르곤과 같은 다른 보조 가스를 사용하여 산화를 최소화하고 우수한 엣지 품질을 달성하는 것이 더 바람직할 수 있습니다.

에어 커팅 효율성 및 효과 실험

6kW를 사용하여 스테인리스강, 탄소강 및 알루미늄 합금 판재에 대한 절단 성능 평가 레이저 커팅 공기와 질소/산소를 절단 가스로 사용하는 기계입니다.

실험 1: 질소와 공기의 비교 스테인리스 스틸 절단

⊙ 질소 및 공기 절단 단면 효과 비교

질소와 공기 절단 속도 비교 ⊙ 질소 및 공기 절단 속도 비교

효과 분석:

위 그림은 10mm에서 4mm 스테인리스 스틸의 절단 결과를 순서대로 표시한 것입니다.

질소 절단에 비해 공기를 사용한 절단 단면은 더 어둡게 보이지만 슬래그가 존재하지 않습니다. 연마 후에는 절단 단면이 더 밝게 보일 수도 있습니다.

속도 측면에서 스테인리스 스틸의 공기 절단은 질소보다 약간 빠르지 만 그 차이는 크지 않습니다.

실험 2: 산소 및 공기 절단 탄소강 비교

⊙ 산소 및 공기 절단 섹션 효과 비교

⊙ 공기 및 산소 절단 속도 비교

효과 분석:

위 그림은 10mm에서 3mm 탄소강의 절단 결과를 순서대로 표시한 것입니다.

산소 절단에 비해 8mm 탄소강은 약간의 슬래그 잔류물이 있고, 10mm 탄소강은 슬래그 잔류물이 더 심합니다.

따라서 10mm보다 두꺼운 탄소강판 절단에는 에어 커팅을 사용하지 않는 것이 좋습니다.

실험 3: 질소와 공기의 비교 알루미늄 절단 합금

⊙ 질소 및 공기 절단 단면 효과 비교

질소와 공기 절단 속도 비교 ⊙ 질소 및 공기 절단 속도 비교

효과 분석:

위 그림은 10mm ~ 3mm의 절단 결과를 보여줍니다. 알루미늄 플레이트순서대로 입력합니다.

질소 절단에 비해 공기 절단은 단면이 더 미세하고 슬래그 잔여물이 적습니다.

속도 측면에서 알루미늄 판의 공기 절단은 질소보다 약간 빠르지 만 그 차이는 크지 않습니다.

요약

다양한 재료와 판재 두께에서 공기 대 질소/산소 절단의 성능과 효율성을 평가하기 위해 실험을 수행했습니다.

종합적인 평가 결과, 공기 절단은 요구 사항이 덜 엄격한 애플리케이션에 비용 효율적인 옵션인 것으로 나타났습니다. 공기를 절단 보조 가스로 사용하면 질소나 산소에 비해 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

그러나 에어 커팅을 선택할 때는 다음과 같은 고려 사항에 유의해야 합니다:

1. 공기 품질: 최적의 절단 성능을 보장하려면 압축 공기를 세심하게 처리해야 합니다. 이 처리에는 다음이 포함되어야 합니다:

• 3~8°C의 압력 노점을 달성하기 위한 저온 건조
• 다단계 탈지 프로세스
• 액체 오일 함량 ≤0.003ppm 및 증기 오일 함량 ≤0.003ppm을 달성하기 위한 필터링
• 기체 상태의 오일 오염 물질을 제거하도록 설계된 특수 필터 구현

2. 유지 관리: 다음을 포함하여 공기 처리 시스템의 정기적이고 철저한 유지보수가 필수적입니다:

• 공기 압축기 서비스
• 저온 건조기 점검 및 유지보수
• 적시에 필터 교체

이러한 유지 관리 절차를 무시하면 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다:

• 물과 기름으로 인한 가스 파이프라인 오염
• 보호 렌즈의 김서림으로 인한 절단 품질 저하
• 고출력 빔 상호작용으로 인한 온도 상승으로 내부 미러 그룹 손상 가능성

3. 공정 최적화: 특정 생산 요건에 부합하는 가장 비용 효율적인 절단 솔루션을 결정하려면 제조업체는 다음 사항을 고려해야 합니다:

• 절단 효율성(예: 절단 속도, 피어싱 시간)
• 운영 비용(가스 소비 및 유지보수 포함)
• 절단 품질(가장자리 거칠기, 드로스 형성, 열 영향 영역 등)
• 재료별 고려 사항(예: 산화 민감도, 두께 범위)

제조업체는 이러한 요소를 신중하게 평가하고 생산 요구 사항과 균형을 맞춰 비용을 최적화하면서 더 높은 품질의 결과물을 얻을 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 선택한 절단 방법이 기술 사양을 충족할 뿐만 아니라 전반적인 생산 효율성 및 경제적 고려 사항과도 일치하도록 보장합니다.