레이저 드릴링 및 커팅 기초: 알아야 할 사항

1. 레이저 드릴링 기술

1. 레이저 드릴링의 물리적 메커니즘

출력 밀도가 10인 레이저가 금속 재료에 방사되는 경우⁶-10⁹W/cm²레이저 출력 밀도가 높기 때문에 재료 표면의 온도가 끓는점을 초과하여 용융 또는 기화되고 표면의 산화된 분할 혼합물이 분출됩니다.

레이저 펄스가 끝나면 레이저 출력 밀도가 감소하고 분할 제트가 약해집니다.

핵분열 생성물을 주입하면 일정한 속도로 기화가 일어납니다.

각도가 재료의 안쪽으로 이동하면 재료가 기화되어 제거되고 구멍이 점차 깊어집니다.

구멍의 직경과 깊이가 증가함에 따라 증기 압력에 의해 핵분열 생성물이 연속적으로 제거되어 최종적으로 깊은 구멍이 형성됩니다.

레이저 드릴링의 분류

2. 레이저 드릴링의 영향 요인

(1) 펄스 에너지

기본 가스화 깊이:

L_m 및 L_v 는 각각 재료의 용융 및 기화 잠열입니다.

이때 재료 제거 질량은 πa입니다.₀²d'ρ.

C: 비열 용량
T_b: 녹는점 온도
T₀: 실내 온도
E₀: 펄스 에너지

열 전도 및 표면 방출은 무시하세요.

(2) 펄스 폭

펄스 폭의 선택은 구멍의 요구 사항에 따라 다릅니다:

• 긴 펄스는 다음과 같은 경우에 사용해야 합니다. 드릴링 깊고 작은 구멍;
• 크고 얕은 구멍을 뚫을 때는 더 짧은 펄스를 사용해야 합니다;
• 고품질 구멍에는 짧은 펄스를 사용해야 합니다;
• 열전도율이 낮은 재료의 경우 더 짧은 펄스를 사용해야 합니다.

펄스 폭이 증가하면 재료의 비파괴 가열에 더 많은 열이 사용되어 재료의 변형이 커지고 열 응력이 커지며 균열이 발생하기 쉽습니다.

일반적으로 0.3~0.7ms 펄스 폭이 사용됩니다.

(3) 펄스 파형

앞뒤 가장자리가 가파르고 레이저 광량이 서서히 증가하는 파형을 가능한 한 많이 선택해야 합니다.

일반적으로 레이저의 앞쪽 가장자리는 8~10us로 제어해야 더 나은 입구를 얻을 수 있으며, 8us보다 짧은 뒷쪽 가장자리는 높은 내벽 품질을 얻을 수 있습니다.

특히 50us 미만의 작은 구멍의 경우, 구멍이 액체 물질에 막히지 않도록 뒷면 가장자리의 기울기를 높였습니다.

(4) 레이저 모드

레이저의 발산 각도는 주로 입구와 출구의 조리개 차이와 테이퍼에 영향을 미칩니다.

일반적으로 발산각이 증가함에 따라 구멍의 테이퍼가 증가하고 레이저 빔의 초점 지점의 직경도 증가합니다.

초점 반경의 대략적인 공식입니다:

초점 깊이의 대략적인 공식입니다:

모드가 낮을수록 발산 각도가 작아집니다.

베이스 다이의 발산 각도가 가장 작습니다.

베이스 다이의 드릴링 테이퍼는 작아야 합니다.

(5) 초점 조건(초점, 디포커싱 양)

디포커싱 양 △∫이 홀 벽의 모양에 미치는 영향

• 초점이 공작물 표면에 있는 경우 테이퍼가 큽니다;
• 초점이 공작물 중앙에 있으면 드릴링 품질이 좋거나 나쁘다는 뜻입니다;
• 특정 긍정적 인 디 포커싱이면 드릴링 효과가 좋습니다.

(6) 재료 특성(물리적 특성, 전체 치수)

언제 레이저 파워 밀도 F가 낮고, 알루미늄의 열 확산 손실이 철보다 높으며, 알루미늄의 구멍 깊이가 철보다 얕습니다.

F가 증가하면 재료가 끓는점에 빠르게 도달하고 가열 속도가 빨라집니다.

이때 열전도 손실은 무시할 수 있습니다.

알루미늄은 기화 잠열이 있기 때문에 알루미늄의 기화 제거량이 철보다 크기 때문에 알루미늄의 구멍 깊이가 철보다 더 깊습니다.

드릴링에는 출력 밀도가 높은 레이저 펄스를 사용해야 합니다.

(7) 멀티 펄스 드릴링

단일 펄스 드릴링의 구멍 깊이는 구멍 직경의 3~4배로 제한되어 있으며 정확도와 반복성을 제어하기 어렵습니다.

일반적으로 멀티 펄스 드릴링이 사용됩니다.

멀티 펄스 드릴링은 구멍 모양 왜곡, 팽창과 같은 불안정한 요소를 제어할 수 있습니다. 열 영향 구역및 표면 균열.

(8) 레이저 드릴링의 보조 기술

구멍 모양을 개선합니다:

(a) 표면 장력이 낮은 액체 필름을 코팅하여 침전물과 구멍의 테이퍼를 줄입니다.

(b) 레이저 드릴링의 테이퍼가 차폐층에 오도록 차폐층을 덮습니다.

(c) 표면 품질을 개선하기 위해 압축 공기를 불어넣습니다.

(d) 공작물 아래에 반사경이 설치됩니다.

(e) 멀티 펄스 드릴링, 주기적으로 레이저 빔을 구멍 바닥의 특정 위치에 집중시킵니다.

(f) 레이저 드릴링 후 보조 보정.

3. 레이저 드릴링의 특성 및 적용

레이저 드릴링의 적용 사례:

세라믹- Φ 0.5mm 구멍

엔진 블레이드- Φ 0.5mm 작은 구멍

항공기 부품의 레이저 드릴링:

2. 레이저 커팅 기술

1. 레이저 커팅의 원리와 분류

레이저 절단은 집중된 고출력 밀도 레이저 빔으로 공작물을 조사하는 것입니다.

레이저 출력 밀도가 레이저 임계값을 초과한다는 전제하에 레이저 빔의 에너지와 활성 가스 보조 절단 공정에서 추가되는 화학 반응 열 에너지가 모두 재료에 흡수되어 레이저 작동 지점의 온도가 급격히 상승합니다.

끓는점에 도달하면 물질은 기화하기 시작하여 구멍을 형성합니다.

빔과 공작물의 상대적인 움직임으로 재료는 최종적으로 슬릿을 형성하고 슬릿의 슬래그는 일정량의 보조 가스에 의해 날아갑니다.

레이저 절단은 기화 절단, 용융 절단 및 산소 연소 지원 절단으로 나눌 수 있습니다.

산소 연소 지원 절단이 가장 널리 사용됩니다.

다른 재료를 절단하는 것에서 다음과 같이 나눌 수 있습니다. 금속 레이저 절단 및 비금속 레이저 절단.

관련 읽기: 레이저 커팅 기초

(1) 기화 절단

기화 절단은 레이저 빔이 공작물을 끓는점 이상의 온도까지 가열하는 것을 말합니다.

일부 재료는 증기 형태로 빠져나가고 일부 재료는 절단 바닥에서 분사되어 날아갑니다.

필요한 레이저 절단 에너지는 용융 절단 에너지의 10배에 달합니다.

메커니즘은 다음과 같습니다:

레이저는 재료를 가열하여 부분적으로 반사하고 부분적으로 흡수하며, 온도가 높아질수록 재료의 반사율이 감소합니다.

레이저 작용 영역의 온도 상승이 충분히 빨라 열전도로 인한 용융을 방지합니다.

증기는 대략적인 음속으로 작업물 표면에서 빠르게 빠져나갑니다.

기화 절단은 녹을 수 없는 목재, 플라스틱, 탄소와 같은 재료에만 적용됩니다.

펨토초 레이저 절단은 가스화 절단에 속합니다.

(2) 용융 절단

용융 절단은 레이저 빔 출력 밀도가 일정 값을 초과하면 공작물 내부가 증발하여 구멍을 형성한 다음 광축으로 보조 불활성 가스를 분사하여 구멍 주변의 용융 재료를 밀어내는 것입니다.

녹이고 자르는 메커니즘은 다음과 같습니다:

레이저 빔이 공작물에 조사되면 반사를 제외한 나머지 에너지는 재료를 가열하여 구멍으로 증발합니다.

구멍이 형성되면 흑체로 모든 빛 에너지를 흡수하고, 구멍은 용융 금속 벽으로 둘러싸입니다. 용융된 벽은 고속 증기 흐름에 의해 비교적 안정적으로 유지됩니다.

용융 등온선은 공작물을 통과하고 용융된 재료는 보조 송풍을 통해 날아갑니다.

공작물을 움직이면 작은 구멍이 슬릿에 의해 수평으로 이동합니다.

(3) 절단 지원 산소 연소

산소 보조 용융 및 절단 메커니즘은 다음과 같습니다:

레이저 조사를 받으면 물질이 Tm 온도에 도달한 후 산소와 접촉하여 격렬한 연소 반응을 일으키고 많은 열을 방출합니다.

레이저와 이 열의 결합 작용으로 재료에 증기로 채워진 작은 구멍이 형성되고 구멍 주변이 용융 가스로 둘러싸입니다;

증기 흐름으로 인해 주변의 용융 금속 벽이 앞으로 이동하고 열과 물질 전달이 발생합니다;

산소와 금속의 연소 속도는 연소 물질이 슬래그로 전환됨에 따라 제한됩니다.

슬래그를 통해 점화 전면으로 산소가 확산되는 속도입니다. 산소 유량이 높을수록 연소 화학 반응이 더 빨라집니다;

연소 온도에 도달하지 않는 영역에서는 산소 흐름이 냉각 작용을 하여 절단 열 영향 영역을 좁힙니다.

열원은 두 가지입니다, 레이저 방사 및 화학 반응 열을 이용한 산소 보조 절단.

관련 읽기: 레이저 커팅 방법의 종류

2. 레이저 커팅의 영향 요인

(1) 머티리얼 속성

처리 기능 요약

(2) 레이저 모드

(a) 가우스 모드 (b) 저차 모드 (c) 다중 모드

(3) 레이저 출력 및 절단 속도

절단 속도와 레이저 출력, 판재 두께의 관계

특정 플레이트 두께의 경우 레이저 절단 속도 는 일반적으로 레이저 출력에 따라 선형적으로 증가합니다.

(4) 노치 및 거칠기

노치 거칠기와 절단 두께의 관계

금속 레이저 절단의 절개 거칠기의 경우 일반적으로 상반부가 가장 좋고 중간 부분이 두 번째이며 하단 부분이 좋지 않습니다.

노치의 거칠기는 절단 노치와 관련이 있습니다.

(5) 초점 위치

공작물에서 초점 렌즈까지의 거리와 초점 거리의 비율 a0은 0.988<a0<1.003입니다.

예를 들어, 2.3mm 저탄소 레이저 절단 시 강판의 경우 0.3~0.7mm의 네거티브 디포커싱을 사용하는 것이 좋습니다.

(6) 초점 미러

(7) 노즐 직경

산소 흐름은 절개 부위의 하부 팽창을 방지하기 위해 초음속 수렴 공기 흐름이어야 합니다.

특정 레이저 절단에는 최적의 노즐 직경이 있습니다. 그림에서 1.5mm가 최적의 노즐 직경입니다.

(8) 산소 분사 압력

산소 분사 압력과 절단 속도의 관계

레이저 출력과 두께가 다르면 산소 분사 압력의 최적값이 달라집니다.

(9) 레이저 편광

다른 편광으로 얻은 절개 상태

(a) 선형 편광;

(b) 선형 편광;

(c) 선형 편광;

(d) 원형 편광.

그림에서 볼 수 있듯이 원형 편광이 사용되며 절개는 절단 방향과 무관하게 직선입니다.

커팅 시스템에는 일반적으로 45도 반사가 가능한 원형 편광판이 장착되어 있습니다.

관련 읽기: 레이저 커팅 품질에 영향을 미치는 요인

3. 레이저 절단 특성