레이저 커팅 방법의 4가지 유형 살펴보기

레이저 커팅은 탁월한 에너지 집중도와 밀도 제어 기능을 제공하는 정밀 비접촉 가공 방법입니다. 이 고급 기술은 고도로 집중된 레이저 빔을 사용하여 놀라운 정확도로 재료를 기화, 녹이거나 태울 수 있는 강렬한 고에너지 밀도의 광점을 생성합니다.

레이저 커팅 공정은 금속 제작에 다음과 같은 다양한 이점을 제공합니다:

1. 탁월한 정밀도와 엄격한 허용 오차
2. 최소 열 영향 구역(HAZ)
3. 복잡한 형상을 자르는 기능
4. 생산성 향상을 위한 빠른 절단 속도
5. 깨끗하고 버가 없는 가장자리로 후처리 요구 사항 감소
6. 다양한 소재와 두께를 다룰 수 있는 다목적성

레이저 절단 기술은 주로 네 가지 절단 방법을 사용하여 다양한 재료 및 애플리케이션 요구 사항을 해결합니다:

1. 퓨전 절단: 불활성 보조 가스를 사용하여 커프에서 용융된 재료를 불어냅니다.
2. 화염 절단: 산소를 보조 가스로 사용하여 발열 반응을 일으킵니다.
3. 원격 커팅: 보조 가스 없이 고출력 펄스 레이저 활용
4. 승화 절단: 재료를 고체에서 기체 상태로 직접 기화시킵니다.

각 방법은 고유한 이점을 제공하며 재료 유형, 두께, 원하는 가장자리 품질 및 생산 요구 사항과 같은 요소에 따라 선택됩니다. 이러한 절단 방법의 다양성 덕분에 레이저 기술은 현대 제조 환경에서 다양한 금속 가공 문제를 효과적으로 처리할 수 있습니다.

퓨전 커팅

레이저 융착 절단은 집중된 레이저 빔을 사용하여 공작물 재료를 부분적으로 녹이는 정밀 열 공정입니다. 그런 다음 용융된 재료는 고압 불활성 가스 스트림을 사용하여 커프에서 배출됩니다. 이 공정은 액체 상태에서만 재료 제거가 이루어지기 때문에 "융착 절단"이라는 용어로 구별됩니다.

레이저 빔은 일반적으로 질소 또는 아르곤과 같은 고순도 불활성 절단 가스와 함께 작동합니다. 이 가스는 절단 영역에서 용융된 재료를 배출하고 산화를 방지하기 위한 보호 분위기를 제공하는 두 가지 주요 기능을 수행합니다. 중요한 것은 가스가 절단 반응 자체에는 관여하지 않는다는 점입니다.

레이저 기화 절단에 비해 퓨전 절단은 더 빠른 절단 속도를 달성합니다. 이러한 효율성은 기화에 비해 용융에 필요한 에너지가 더 낮기 때문입니다. 그러나 용융 절단에서는 레이저 에너지의 일부만 재료에 흡수되고 용융 표면에서 일부 반사가 발생한다는 점에 유의할 필요가 있습니다.

퓨전 커팅의 커팅 속도는 여러 가지 요소의 영향을 받습니다:

1. 레이저 출력: 일반적으로 출력이 높을수록 절단 속도가 빨라집니다.
2. 재료 두께: 재료 두께가 두꺼우면 최대 절단 속도가 감소합니다.
3. 재료 특성: 녹는점과 열전도율이 높은 재료는 빠르게 절단하기가 더 어렵습니다.

특정 전력 임계값 이하로 작동하는 경우 제한 요소는 다음과 같이 변경됩니다:

1. 커프에서의 가스 압력: 효율적인 용융물 배출을 위해서는 적절한 압력이 중요합니다.
2. 재료의 열전도도: 전도성이 높을수록 열을 발산하여 절단 효율이 떨어질 수 있습니다.

레이저 융착 절단은 강철 및 티타늄과 같은 반응성 금속에 산화되지 않은 절단을 만드는 데 특히 유리합니다. 이는 불활성 가스를 사용하고 기화 임계값 이하의 출력 밀도에서 작동함으로써 달성할 수 있습니다. 강철의 경우, 용융 절단을 위한 일반적인 출력 밀도 범위는 10%입니다.⁴ W/cm² 및 10⁵ W/cm².

이러한 매개변수를 이해하면 절단 공정을 최적화하고 산업 응용 분야에서 속도, 품질 및 재료 제약의 균형을 맞출 수 있습니다.

기화 절단

레이저 기화 절단에서는 재료의 표면 온도가 끓는점까지 빠르게 상승하여 일반적으로 열전도에 의해 유도되는 용융 단계를 우회합니다. 이 과정에서 재료는 부분적으로 기화되고 나머지 재료는 커프를 통과하는 고속 보조 가스 흐름에 의해 배출됩니다. 이 기술은 일반적으로 108W/cm를 초과하는 매우 높은 레이저 출력 밀도를 요구합니다.²정확한 요구 사항은 재료 특성, 절단 깊이 및 빔의 초점 위치에 따라 달라집니다.

공정 효율성을 유지하고 커프 벽의 증기 재응축을 방지하려면 재료 두께가 레이저 빔 직경을 초과하지 않아야 합니다. 이러한 제약으로 인해 기화 절단은 상대적으로 얇은 재료 또는 용융 단계 없이 정밀 절단이 중요한 시나리오에 적용하는 데 제한이 있습니다.

기화 절단은 특히 철 합금의 소규모 고정밀 절단을 위해 용융된 재료를 피해야 하는 산업에서 틈새 응용 분야를 찾습니다. 그러나 용융상이 뚜렷하지 않은 목재 및 특정 세라믹과 같은 재료에는 사용이 제한됩니다. 아이러니하게도 이러한 재료는 증기 재응축 문제가 덜 발생하지만 더 넓은 커프가 필요한 경우가 많기 때문에 이 기술에 적합하지 않습니다.

레이저 기화 절단에서 빔 포커싱의 최적화는 재료 두께와 빔 품질 간의 복잡한 상호 작용으로 이루어집니다. 레이저 출력과 재료의 기화 열은 공정에 영향을 미치지만 최적의 초점 위치에 대한 영향은 부차적입니다. 임계값 이하의 판재 두께의 경우 최대 절단 속도는 재료의 기화 온도와 반비례 관계를 보입니다. 이 관계는 공정 최적화에서 재료 선택과 레이저 파라미터의 중요성을 강조합니다.

특정 박판의 경우, 레이저의 기화 용량보다는 보조 가스 제트의 속도에 의해 달성 가능한 최대 절단 속도가 제한된다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이 현상은 레이저 파라미터와 보조 시스템이 모두 절단 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 공정의 다면적인 특성을 강조합니다.

골절 제어 절단

레이저 빔 가열을 통한 파절 제어 절단은 열 손상에 취약한 부서지기 쉬운 재료를 위해 특별히 설계된 정교하고 고속이며 정밀하게 제어 가능한 절단 방법입니다. 이 고급 기술은 레이저 에너지의 고유한 특성을 활용하여 재료의 무결성을 손상시키지 않으면서 깨끗하고 정확한 절단을 달성합니다.

이 공정은 기본적으로 열 응력의 전략적 적용에 의존합니다. 고출력 레이저 빔이 집중되어 일반적으로 직경이 수 마이크로미터에 불과한 취성 재료의 국부적인 영역을 가열합니다. 이 강렬하고 집중된 열은 가열된 영역과 주변의 차가운 재료 사이에 가파른 열 구배를 만듭니다. 그 결과 발생하는 차열 팽창은 해당 영역에 상당한 기계적 응력을 유발하여 궁극적으로 재료 파손을 제어합니다.

이 방법의 효과의 핵심은 세심하게 균형 잡힌 가열 기울기를 유지하는 데 있습니다. 출력 밀도, 펄스 지속 시간, 빔 프로파일과 같은 레이저 파라미터를 정밀하게 제어함으로써 작업자는 응력장을 조작하여 미리 정해진 경로를 따라 균열 전파를 유도할 수 있습니다. 이러한 수준의 제어를 통해 기존 절단 방법으로는 어렵거나 불가능한 복잡한 곡선 패턴을 포함하여 거의 모든 원하는 방향으로 절단할 수 있습니다.

파절 제어 절단의 주요 장점 중 하나는 주변 부위의 열 손상을 최소화하면서 열에 민감한 재료를 가공할 수 있다는 점입니다. 따라서 전자, 광학 및 항공우주 산업에서 사용되는 고급 세라믹, 유리, 반도체 및 기타 깨지기 쉬운 재료를 절단하는 데 특히 유용합니다. 또한 비접촉식 공정의 특성상 공구 마모가 없고 매우 매끄러운 절단면을 얻을 수 있어 후처리가 필요 없는 경우가 많습니다.

산화 용융 절단(레이저 화염 절단)

레이저 화염 절단이라고도 하는 산화 용융 절단은 불활성 가스 대신 반응성 가스(일반적으로 산소)를 사용하는 레이저 절단의 변형입니다. 이 과정에서 재료는 레이저 빔 조사 아래에서 점화되어 산소와 화학 반응을 시작합니다. 이 발열 반응은 추가적인 열원을 생성하여 재료 온도를 더욱 높이고 절단 효율을 향상시킵니다.

산화 용융 절단은 용융 융착 절단에 비해 동일한 두께의 구조용 강철에 대해 더 빠른 절단 속도를 달성할 수 있습니다. 그러나 이러한 속도 향상은 절단 품질 저하라는 대가를 치릅니다. 이 프로세스는 일반적으로 다음과 같은 결과를 초래합니다:

1. 더 넓은 커프 폭
2. 표면 거칠기 증가
3. 더 큰 열 영향 구역(HAZ)
4. 엣지 품질 저하

이러한 특성으로 인해 레이저 화염 절단은 열 손상과 모서리 연소의 위험이 크기 때문에 정밀 부품을 제작하거나 날카로운 모서리를 가공하는 데 적합하지 않습니다. 이러한 영향을 완화하기 위해 펄스 레이저 모드를 사용하여 열 입력을 제한할 수 있습니다. 절단 속도는 주로 레이저 출력에 따라 결정되며, 일반적으로 출력이 높을수록 더 빠르게 가공할 수 있습니다.

주어진 레이저 출력에 대해 프로세스는 두 가지 주요 요소에 의해 제한됩니다:

1. 산소 공급: 절단 영역으로의 산소 공급 속도와 일관성은 산화 반응과 결과적으로 절단 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.
2. 재료의 열전도도: 열전도율이 높은 재료는 열을 더 빨리 발산하여 산화 반응의 효과를 떨어뜨리고 처리 매개변수를 조정해야 할 수 있습니다.

레이저 화염 절단을 최적화하려면 재료 특성, 원하는 절단 품질 및 생산 요구 사항을 신중하게 고려해야 합니다. 고급 공정 제어 시스템과 실시간 모니터링은 절단 속도를 극대화하면서 일관된 절단 품질을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

결론

레이저 절단 기술은 다양한 재료와 두께에 걸쳐 정밀도, 속도, 다용도성을 제공하며 금속 제조에 혁명을 일으켰습니다. 융합 절단, 화염 절단, 원격 절단, 승화 절단 등 네 가지 주요 방법은 각각 현대 제조업에서 고유한 장점과 응용 분야를 제공합니다. 최적의 절단 방식을 선택할 때 제작자는 다음과 같은 여러 요소를 신중하게 고려해야 합니다:

1. 레이저 출력 및 유형(CO2, 파이버 또는 고체)
2. 재료 특성(구성, 두께 및 열적 특성)
3. 필요한 컷 품질 및 가장자리 마감
4. 생산량 및 주기 시간 요구 사항
5. 2차 처리 요구 사항
6. 환경 및 안전 고려 사항

제조업체는 특정 프로젝트 요구 사항에 맞게 절단 방법을 맞춤화함으로써 효율성을 극대화하고 재료 낭비를 최소화하며 우수한 결과를 얻을 수 있습니다. 레이저 기술이 계속 발전함에 따라 절단 속도, 정밀도, 점점 더 복잡해지는 재료와 형상을 처리할 수 있는 능력에서 더 많은 혁신을 기대할 수 있습니다. 금속 제조 산업에서 경쟁 우위를 유지하려면 이러한 발전과 실제 적용에 대한 최신 정보를 파악하는 것이 중요합니다.