고출력 파이버 레이저 절단 기술: 시대를 앞서가는 기술

초고출력 파이버 레이저는 공기를 보조 가스로 사용하는 것을 포함하여 빠르고 고품질의 후판 절단을 달성할 수 있습니다. 스테인리스 스틸 컷등 다른 커팅 솔루션에 비해 많은 장점이 있습니다.

최근 절단 시장에서는 10kW~40kW 출력의 초고출력(UHP) 파이버 레이저가 빠르게 적용되고 있으며, 절단에 사용되는 최고 레이저 출력은 지속적으로 증가할 것으로 예상됩니다.

이 출력 범위에서 절단 적용 효과를 시연하고 초고출력 파이버 레이저의 적용을 이끄는 주요 요인인 상당한 생산성 이점, 향상된 절단 품질 및 한계 두께까지 절단할 수 있는 능력(예: 이 기사에서 보여주는 것처럼 40kW 출력으로 230mm 두께의 스테인리스강 절단)에 대해 논의합니다.

이 글에서 초고출력 레이저는 출력이 10kW 이상인 레이저로 정의됩니다. 초고출력 레이저는 다음과 같은 새로운 공정 방법을 가능하게 합니다. 레이저 커팅 새로운 시장으로의 확장(예: 공기를 보조 가스로 사용하여 고출력 플라즈마 절단보다 4배 빠른 속도로 최대 50mm 두께의 스테인리스 스틸을 절단).

적용 결과, 초고출력 레이저는 질소 및 산소 절단 기술 대신 공기 절단 기술을 사용하여 고품질, 고속 및 경제적인 절단을 달성함으로써 스테인리스 스틸 절단 방식을 변화시키고 있습니다.

6년간의 개발 동향: 최고 레이저 파워 커팅 애플리케이션에 사용

50여 년 전, 레이저 커팅 기술이 등장했습니다. 그 이후로 레이저 커팅은 급속한 기술 발전의 시기에 접어들었습니다.

1970년대에 상업용 레이저 절단기가 도입되었고 얼리 어답터들은 이를 대규모 생산에 사용했습니다.

1980년대에는 이산화탄소(CO2) 레이저 절단 장비가 널리 사용되었습니다.

1990년대 후반과 2000년대 초반에 고출력 파이버 레이저가 도입되었습니다.

킬로와트 수준의 개발 파이버 레이저 절단기 2000년대 후반에 이르러 레이저 커팅은 소규모 응용 분야에서 주류 제조 공정으로 변모했습니다.

파이버 레이저 절단기는 다음과 같은 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 금속 시트 레이저 절단 시장은 주로 통합 용이성, 신뢰성, 낮은 유지보수, 상대적으로 낮은 투자 및 운영 비용, 높은 절단 출력 및 파이버 레이저의 전력 확장 가능성으로 인해 성장하고 있습니다.

2010년대 후반과 2020년대 초반, 레이저 커팅 시장에는 두 가지 성장 경로가 있습니다.

첫 번째 트렌드는 낮은 장비 자본 비용으로 인해 1~3kW 절단기에 대한 수요가 급증한 저전력 엔드 시장을 대상으로 합니다.

두 번째 트렌드는 초고출력 파이버 레이저에 대한 수요 증가로 이어진 고출력 시장입니다.

이는 높은 생산성과 기술력을 제공하는 초고출력 레이저의 높은 비용 효율성에 힘입은 결과입니다.

또한 레이저 절단 분야는 다른 분야에서는 전례가 없는 혁신적인 '파워 시프트'를 겪었습니다. 판금 제조 프로세스가 같은 기간 동안 증가했습니다.

제조 전시회를 보면 절단기에 전시된 최고 레이저 출력이 2015년 6kW에서 2022년 40kW로 증가하여 7배 가까이 성장한 것을 알 수 있습니다(그림 1 참조).

지난 3년 동안 레이저 장비의 최고 출력은 15kW에서 40kW로 2.5배나 급증했습니다!

지금이 가장 좋은 시기인 이유는 무엇인가요?

신뢰할 수 있는 고출력 파이버 레이저는 초고출력 절단 트렌드가 시작되기 몇 년 전에 이미 등장했습니다. 100kW 출력의 산업용 파이버 레이저는 이미 2013년에 출시되었습니다.

그러나 지난 몇 년 동안 레이저 장비의 킬로와트당 가격이 급격히 하락하면서 초고출력 레이저 커팅의 진입 문턱이 낮아졌고, 열악한 커팅 환경에서도 높은 레이저 출력을 낼 수 있는 커팅 헤드도 등장했습니다.

또한 초고출력 절단 장비에 적용할 수 있는 절단 데이터베이스도 점점 더 정교해지고 있습니다.

절단 테스트

표는 다음과 같은 절단 속도와 품질을 보여줍니다. 다른 금속 100μm 파이버 코어 직경과 IPGCut-HP 커팅 헤드로 구성된 IPG의 40kW YLS-40000 및 30kW 고전기-광학 변환 효율 파이버 레이저 YLS-30000-ECO2를 사용하여 평가했습니다.

현재 알려진 바에 따르면, 100μm 섬유 코어 직경의 40kW 레이저 출력은 현재 산업용 레이저 절단에 사용되는 레이저 소스가 제공할 수 있는 가장 높은 레이저 출력입니다.

100μm 파이버 코어 직경이 150μm 파이버 코어 직경에 비해 절단 속도가 10-25% 증가하기 때문에 100μm 파이버 코어 직경을 선택했습니다.

더 빠른 커팅 속도

실험 결과 스테인리스 스틸, 탄소강, 알루미늄을 포함한 모든 테스트 금속의 경우 평균 출력이 증가함에 따라 레이저 절단 속도가 증가했습니다(최대 40kW).

그림 2는 12kW~40kW 범위의 공기 절단 기술을 사용하여 6~40mm 두께의 탄소강을 절단할 때 레이저 출력에 따른 절단 속도 증가를 보여줍니다.

금속 두께가 증가함에 따라 속도 증가율이 증가합니다.

예를 들어 12mm 두께의 탄소강을 절단할 때 40kW의 절단 속도는 15kW의 절단 속도보다 280% 빠르며(270% 출력 증가), 20mm 두께의 탄소강은 40kW의 절단 속도가 15kW보다 420% 더 빠릅니다. 30mm 두께의 탄소강의 경우 전력이 30kW에서 40kW로 증가함에 따라(33% 증가) 절단 속도가 66% 증가합니다.

따라서 고출력 초고출력 레이저는 두꺼운 재료의 생산성을 더욱 향상시킬 것입니다. 플레이트 절단.

초고출력 레이저가 제공하는 빠른 절단 속도를 활용하고 생산 주기를 크게 단축하려면 공작물, 특히 더 얇은 공작물을 고속으로 절단해야 합니다.

최근 레이저 절단기의 최대 가속도는 더 높은 레이저 출력에 적응하기 위해 1G에서 3G로 증가했습니다.

하이엔드 시장에서 초고출력 레이저 절단기의 최대 가속도는 6G에 달할 수 있으며, 기계 설계를 통해 절단 궤적이 크게 벗어나지 않도록 보장할 수 있습니다.

처리 비용 절감 및 빠른 투자 수익률 달성

저전력에 비해 초고출력 레이저 절단은 단위당 가공 비용을 크게 절감하고 투자 회수 기간을 단축하며 수익성을 높입니다.

레이저 절단에서 가공 비용은 주로 가스 소비에서 발생하며, 부품 두께가 증가함에 따라 크게 증가하는 경우가 많습니다.

초고출력 레이저 절단에는 저출력 절단과 동일하거나 더 작은 가스 압력과 노즐 크기가 필요합니다.

그러나 초고출력 레이저는 절단 속도가 더 빠르기 때문에 절단 시간 단위당 가스 소비량을 크게 줄입니다.

예를 들어, 15kW 레이저에 비해 30kW 레이저는 일반적인 16mm 두께의 스테인리스 스틸 부품을 절반의 생산 주기로 절단할 수 있어 가스 소비를 절반으로 줄일 수 있습니다.

레이저와 냉각기의 전력 소비는 일반적으로 레이저 출력에 따라 선형적으로 증가합니다.

그럼에도 불구하고 절단기의 다른 전력 소비는 거의 동일하게 유지됩니다. 따라서 대당 생산 주기를 절반으로 단축한 이전 사례에서는 레이저 출력을 높여 대당 총 전력 소비량을 줄였습니다.

PG 기술의 지속적인 발전으로 고출력 파이버 레이저의 전기 광학 변환 효율은 50%를 초과하여 에너지 절약에 더욱 도움이 됩니다.

초고출력 레이저는 절단 속도가 빠를 뿐만 아니라 가스 사용량도 절약할 수 있습니다. 초고출력 레이저는 더 비싼 질소 또는 느린 산소 절단에 비해 고압 공기를 사용하여 두꺼운 탄소강을 슬래그 없이 빠르게 절단할 수 있습니다.

암모니아 및 공기 절단을 사용하면 초고출력으로 슬래그가 없는 절단에 필요한 가스 압력을 줄일 수 있습니다.

예를 들어 15kW 레이저를 사용하여 슬래그 없이 20mm 두께의 탄소강을 절단할 때는 16바 이상의 가스 압력이 필요하지만 20kW 이상의 출력을 사용할 때는 10~12바면 충분합니다.

가스 사용량은 압력에 따라 거의 선형적으로 변하기 때문에(동일한 노즐 크기에서) 감압을 크게 하면 가스 소비를 줄이고 가스 발생 장비의 사양을 단순화하는 데 도움이 됩니다.

고출력 레이저 절단 장비의 생산 효율은 저출력 레이저 절단 장비의 두 배이지만 장비 가격은 두 배에 달하지 않습니다. 이는 레이저 출력이 증가함에 따라 킬로와트당 비용이 감소하기 때문입니다.

또한 고출력 레이저 비용은 총 장비 비용에 포함되며, 이는 저출력 레이저 장비에 비해 소폭 증가합니다.

따라서 초고출력 레이저 절단기는 장비 비용은 30~40%만 증가하지만 레이저 출력을 높여 생산 효율을 두 배로 높일 수 있습니다.

생산 효율성이 크게 개선된 초고출력 장비는 여러 대의 저전력 장비를 대체할 수 있어 바닥 면적, 작업자 수, 설비 준비 등을 줄일 수 있습니다.

반면, 생산 효율성을 보장하기 위해 초고출력 파이버 레이저 절단기의 경우 레이저 소스 및 커팅 헤드에 대한 신뢰성 요구 사항이 더 높습니다.

즉, 파이버 레이저 소스의 경우 다이오드, 부품 및 광학 통합의 품질에 영향을 받는 장기적으로 안정적인 출력과 빔 품질이 필요합니다.

초고출력 커팅 헤드의 경우 높은 레이저 출력, 고압 가스, 먼지, 공정 열, 높은 가속도를 견뎌내야 안정적이고 신뢰할 수 있는 가공을 할 수 있습니다.

• 1. 생산 규모에 따라 절단 가스 선택이 결정됩니다.
• 2. 공기를 가압하고 수분과 기름을 걸러내는 장비가 필요합니다.
• 3. 산소 절단은 저압(보통 5-20psi)과 작은 오리피스 노즐을 사용합니다.
• 4. 질소 절단은 고압과 대형 노즐을 사용합니다.
• 5. 절감 가스 자원인 공기는 비용이 들지 않습니다.
• 6. 산화 수준 및 산화 층의 두께.

스테인리스 스틸 절단을 위한 새로운 절단 계획

탄소강은 산소, 질소 또는 공기를 보조 가스로 사용하여 절단할 수 있습니다.

그림 3에는 각 보조 가스 유형별 사용의 장단점이 요약되어 있습니다.

산소 절단은 추가 산화 에너지로 인해 더 낮은 레이저 출력으로 두꺼운 탄소강을 절단하는 데 유리하지만 절단 속도가 레이저 출력에 비례하지 않기 때문에 생산 효율이 떨어집니다.

반면, 공기 보조 탄소강의 절삭 속도는 출력에 비례합니다(그림 2 참조).

예를 들어, 10kW에서 30kW 사이의 출력을 가진 16m 탄소강의 경우 산소 절단 속도는 약 2m/분으로 변하지 않는 반면, 공기 절단 속도는 30kW에서 9m/분 이상으로 산소 절단 속도보다 4.5배 빠릅니다.

낮은 출력과 속도로 산소로만 절단하던 두께를 초고출력 레이저와 공기를 이용해 가공할 수 있게 되어 속도와 품질이 크게 향상되었습니다.

저출력 레이저의 경우, 공기 절단으로 인해 제거하기 어려운 드로스가 발생하고 표면 품질이 저하될 수 있습니다.

후판 가공량이 많은 건설 장비 제조 및 중공업과 같은 산업에서 이 혁신적이고 효율적인 초고전력 처리 계획은 매우 환영할 만한 일입니다.

(a) 30kW의 출력으로 질소로 70mm 두께의 스테인리스 스틸을 절단합니다;

(b) 40kW의 전력으로 230mm 두께의 탄소강을 공기로 절단합니다.

판금 절단의 두께, 출력 및 품질 향상

테스트 결과 초고출력 레이저의 출력이 증가함에 따라 절단 두께도 증가하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 그림 4는 30kW에서 질소로 70mm 두께의 스테인리스 스틸을 절단하고 40kW에서 공기로 230mm 두께의 탄소강을 절단하는 것을 보여 주며, 둘 다 펄스 절단 모드에서 수행됩니다.

(a) IPG40 KW YLS 레이저로 4.5m/min(177ipm)으로 28mm 두께의 탄소강을 공기 절단하는 모습;

(b) IPG40 kW YLS 레이저로 2.3m/min(90ipm)으로 40mm 두께의 스테인리스 스틸을 공기 절단하는 모습;

(c) 3-25mm 두께의 스테인리스 질소 절단 스틸 프로파일 IPG30 kW YLS-ECO 레이저를 사용합니다;

(d) 15kW의 출력으로 30mm 두께의 탄소강을 산소로 절단합니다.

연속파(CW) 전속 절단 모드에서 20kW 비슬래그 공기는 20mm 두께의 탄소강 절단에, 40kW 비슬래그 공기는 30mm 두께의 탄소강 절단에, 40kW 비슬래그 공기는 40mm 두께의 탄소강 절단에 사용됩니다(위 그림 2 및 그림 5 참조). 용 스테인리스 스틸 절단를 사용하면 논슬래그 효과를 더 쉽게 얻을 수 있으므로 최대 절단 두께가 탄소강보다 두껍습니다(그림 5b 및 그림 5c 참조).

연속 질소 및 공기 절단의 경우, 특정 두께에서만 주어진 출력에서 슬래그가 없는 절단과 우수한 절단 표면을 얻을 수 있습니다. 특정 두께를 초과하면 펄스 절단(연속보다 느린 속도)을 사용하여 적격 품질을 달성해야 하며, 그렇지 않으면 레이저 출력을 높여야 합니다.

일반적으로 절단 속도가 2m/분 미만이면 연속 모드에서 레이저 출력이 충분하지 않아 최상의 절단 품질을 얻을 수 없습니다.

탄소강의 산소 절단의 경우 출력을 높이면 최대 절단 두께가 증가하면서 "매끄러운 절단 표면"을 보장할 수 있습니다. 예를 들어, 4kW의 최대 절단 두께는 약 6-8mm이고, 15kW의 최대 절단 두께는 30mm입니다. 그림 5d는 15kW 레이저로 절단한 30mm 두께의 탄소강 샘플을 보여줍니다.

더 빠르고 깔끔한 피어싱

펄스 모드에서 초고출력 레이저의 높은 피크 출력을 사용하여 두꺼운 금속을 적은 스패터로 빠르게 피어싱할 수 있습니다. 16mm 스테인리스 스틸의 피어싱 시간이 6kW에서 1초 이상에서 10kW에서 0.5초, 20kW에서 0.1초로 크게 단축되었습니다.

실제 애플리케이션에서 0.1초 이하의 피어싱 시간은 일반적으로 "순간"으로 간주됩니다. 피크 출력이 높을수록 용융 풀의 깊이 대 폭 비율이 증가하여 측면 용융을 줄이면서 두께를 더 빠르게 브리징할 수 있습니다. 또한 재료의 측면 용융이 감소하면 상단 표면 스패터도 최대로 감소합니다.

초고출력 레이저 커팅의 경쟁 우위

지난 6년 동안 다음과 같은 몇 가지 기술 개발이 레이저 커팅 성능의 향상을 이끌었습니다:

• 다양한 콜리메이터 또는 멀티코어 광섬유를 선택하여 필요한 초점 크기를 결정합니다;
• 특정 금속의 가공 효율과 품질을 개선하는 고속 회전 빔입니다;
• 더 빠르고 깔끔한 피어싱/복잡한 절단을 위한 고출력 연속 레이저;
• 초고출력 레이저.

산업마다 요구 사항이 다르고 특정 영역에서 모든 구현 기술이 사용되지만, 초고출력 레이저 절단은 레이저 절단 성능의 향상을 주도하는 선도적인 기술 트렌드입니다.

이는 전 세계적으로 레이저 절단기에 초고출력 레이저가 광범위하게 채택되고 있는 것이 이를 증명합니다.

점점 더 많은 응용 엔지니어들이 초고출력 레이저를 채택함에 따라 초고출력 절단기의 생산 및 품질 이점이 다방면에 걸쳐 있으며 복잡성이 적은 저출력 레이저 기술을 능가한다는 것을 이해하고 있습니다.

초고출력 레이저는 후판 절단 시 절단 두께, 품질, 비용 효율성 측면에서 상당한 이점이 있으며, 특히 15kW 이상의 출력에서 고전류 레이저보다 경쟁력이 있습니다. 플라즈마 절단 기계.

비교 테스트 결과 최대 50mm 두께의 스테인리스 스틸의 경우 20kW 파이버 레이저가 고전류 플라즈마 절단기(300A)보다 1.5~2.5배 빠른 것으로 나타났습니다. 탄소강의 경우 최대 15mm 두께의 절단 속도도 2배 이상 빠른 것으로 나타났습니다.

계산에 따르면 15mm 두께의 탄소강의 경우 20kW 레이저를 사용하는 미터당 총 절단 비용은 플라즈마를 사용하는 경우의 약 절반에 불과합니다.

고출력 플라즈마 절단에 비해 12~50mm 두께의 스테인리스 스틸 섹션과 12~30mm 두께의 저탄소강 섹션의 절단 속도가 빠르기 때문에 이러한 재료에 40kW 레이저를 사용하면 생산성에서 훨씬 더 큰 차이를 보입니다.

초고출력 레이저 도입

저출력 레이저 및 기타 절단 공정(예: 플라즈마 절단)에 비해 초고출력 레이저를 절단에 채택하는 주된 원동력은 생산성이 높고 부품당 절단 비용이 낮다는 점입니다.

초고출력 레이저 사용으로 인한 속도 향상은 제조업체에 규모의 경제를 제공합니다. 예를 들어 출력을 30kW에서 40kW로 높이면 절단 속도가 66% 증가합니다.

초고출력 레이저를 사용하면 탄소강을 고품질의 빠른 공기 절단이 가능하므로 느린 산소 절단이나 고가의 질소 절단보다 유리합니다. 테스트 결과, 40kW 공기 절단으로 최대 50mm 두께의 탄소강을 절단하는 것이 고출력 플라즈마 절단보다 3~4배 더 빨랐습니다.

초고출력 레이저는 다른 여러 측면에서 레이저 커팅의 경쟁력을 높여줍니다. 예를 들어, 절단 두께 및 품질 향상(최대 230mm 두께의 재료 절단 가능), 후처리 비용 절감 또는 제거(슬래그 걸림 최대 감소), 설치 공간 및 시설 비용 절감, 노동 요구 사항 감소, 피어싱 품질 및 수율 향상 등을 들 수 있습니다.

초고출력 레이저의 출력과 효율성이 지속적으로 개선됨에 따라 이러한 장점은 더욱 분명해질 것이며, 다양한 산업 분야의 절단 응용 분야를 신속하고 경제적으로 변화시킬 수 있는 능력이 향상될 것입니다.