재료 구성 및 레이저 커팅 품질: 관계 이해

레이저 절단 기술은 비용 효율성, 빠른 생산 속도, 정밀도, 우수한 품질로 기존 방식을 뛰어넘어 금속 가공에 혁명을 일으켰습니다. 이 첨단 기술은 탄소강, 스테인리스강, 구리, 알루미늄 및 다양한 비철금속을 제조하는 데 없어서는 안 될 필수 요소로 자리 잡으며 현대 금속 가공의 초석으로 자리 잡았습니다.

레이저 커팅은 널리 채택되었음에도 불구하고 몇 가지 문제에 직면해 있습니다. 일관된 레이저 절단 파라미터를 사용하여 두께는 동일하지만 구성이 다양한 탄소강판을 가공할 때 주목할 만한 문제가 발생합니다. 결과적으로 절단 표면 품질이 크게 달라져 재료 특성과 레이저-재료 상호 작용 간의 복잡한 상호 작용이 강조됩니다.

판재 구성과 절단 품질 간의 관계를 규명하기 위해 종합적인 연구가 수행되었습니다. 이러한 조사에서는 다양한 두께와 화학 성분의 탄소강판을 사용하여 6~30kW 범위의 고출력 파이버 레이저를 사용했습니다. 이 실험에서는 산소 보조 및 공기 보조 절단 공정을 모두 조사하여 분석에 필요한 광범위한 데이터를 제공했습니다.

이 연구는 특정 재료 구성에 대한 레이저 절단 파라미터를 최적화하여 절단 품질과 공정 효율성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 이러한 뉘앙스를 이해하는 것은 다양한 탄소강 등급에서 일관된 고품질 결과를 달성하고 궁극적으로 제조 정밀도를 개선하고 산업 응용 분야에서 재료 낭비를 줄이는 데 매우 중요합니다.

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1. 실험 장비 및 방법

1.1 실험 장비

실험은 빔 파장 1080nm, 코어 직경 150μm의 다중 모드 연속 출력 레이저인 30KW 파이버 레이저를 사용하여 진행되었습니다. 그리고 레이저 헤드 실험에 사용된 레이저 헤드는 Genius 30(30KW)입니다.

레이저 헤드의 준직경 초점 거리는 100mm, 초점 미러의 초점 거리는 200mm로 자동 초점 조절이 가능했습니다. 30KW 파이버 레이저의 안정적인 작동과 최적의 성능을 유지하기 위해 냉각 용량이 70.0KW인 워터 쿨러를 보조 장비로 사용했습니다.

그림 1 - 실험용 레이저, 레이저 헤드

1.2 보조 자료

실험 데이터의 정확성, 효율성 및 명확성을 보장하기 위해 이 실험에 사용된 테스트 재료는 Q235를 포함한 다양한 두께의 탄소강판을 사용했습니다, Q345및 Q460 탄소강으로 제작되었습니다. 자세한 내용은 실험용 플레이트 데이터 시트를 참조하세요.

사용된 보조 가스는 99.9% 산소이며, 공기 공급 압력은 5bar입니다. 충분한 수의 노즐을 확보하기 위해 실험 노즐 데이터 시트에 나열된 노즐을 실험에 준비했습니다.

표 1 실험 플레이트 데이터 시트

표 2 실험용 노즐 데이터 시트

1.3 실험 방법

장비의 스팟 품질(광섬유와 레이저 헤드가 깨끗하고 손상되지 않았음, 인화지 테스트를 통해 확인), 기압(산소는 5bar, 공기는 11bar로 안정적으로 유지), 레이저 헤드 내부 렌즈(깨끗하고 먼지 및 화상 자국이 없음)가 정상인 상태에서 레이저의 내부 제어 소프트웨어를 통해 내부 모듈을 제어하고 최대 출력을 각각 12KW, 20KW, 30KW로 조정했습니다.

절단 실험은 위에서 언급한 세 가지 전력 상태에서 표 1에 설명된 다양한 유형과 두께의 플레이트에 대해 수행되었습니다. 절단된 샘플의 둘레는 그림 2와 같이 205.6mm였습니다.

절단된 샘플은 절단된 샘플 표면의 다공성 밀도, 거칠기 및 해당 공정 파라미터를 조사하여 분석 및 비교했습니다.

그림 2 - 절단 샘플의 개략도

2. 테스트 결과

2.1 커팅 파라미터 분석

실험하는 동안 절단 속도에 영향을 미치는 5가지 요소(레이저 파워절단 가스 압력, 초점, 노즐 구경)을 고려하여 절단 후 샘플이 슬래그, 연소, 물방울 없이 자동으로 분리되고 표면 조도가 높은지 확인했습니다. 다양한 재료와 두께에 대해 최상의 절단 효과를 얻을 수 있도록 공정 파라미터를 조정했습니다.

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구체적인 매개변수는 표 3을 참조하세요.

표 3 실험 파라미터 표

2.1.1 절단 속도 분석

표 3의 데이터는 레이저 출력이 20KW인 테스트 배경에서 Q345로 만든 두께 20mm 및 30mm 판재의 절단 속도를 보여줍니다, 45# 스틸, NM400, T10을 그림 3과 같이 비교했습니다.

레이저 출력, 판 두께, 보조 가스와 산소가 동일한 경우 T10 플레이트의 절단 속도가 가장 느린 반면 NM400의 절단 속도가 가장 빨랐습니다. Q345와 45# 강판의 절단 속도는 큰 차이가 없었습니다.

절삭 재료의 탄소 함량이 절삭 속도에 가장 큰 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다. 따라서 탄소 함량 의 함량이 증가하면 동일한 두께의 플레이트의 절삭 속도는 점차 감소합니다. 또한 플레이트 내 희귀 원소(예: Cr, Ni)의 함량이 증가함에 따라 절삭 속도도 점차 감소합니다.

그림 3-20KW 절단 속도 비교

2.1.2 보조 기압 분석

레이저 커팅 산소를 보조 가스로 사용하는 탄소강은 레이저 광원에서 생성된 에너지와 절단 공정 중 산화 반응을 이용해 작동합니다.

산소 압력이 다양한 유형의 플레이트에 상당한 영향을 미친다는 것은 분명합니다.

표 3과 같이 20KW 레이저로 20mm 및 30mm Q345, 45# 강판, T10을 절단한 공정 데이터의 표 4를 보면 동일한 두께의 다른 유형의 강판의 경우 강판의 탄소 함량이 증가할수록 보조 가스 압력이 증가하여 최적의 절단 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있습니다.

그림 4-20KW 보조 공기압 비교 다이어그램

2.1.3 커팅 포커스 분석

이전 테스트의 데이터에 따르면 동일한 두께로 Q235, Q345, 45# 강재 및 T10을 절단하고 절단 보조 가스로 산소를 사용할 때 45# 강재와 T10 강재가 Q235 및 345보다 탄소 함유량이 더 많은 것으로 나타났습니다.

절단 과정에서 표면에 많은 이산화탄소 기공이 형성되어 표면이 거칠어집니다.

절단 초점이 ±1 이내로 변경되어도 절단 효과는 변하지 않으므로 절단 속도를 향상시키기 위해 초점을 줄일 수 있습니다. 그러나 Q235 및 Q345의 절단 효과는 절단 초점에 민감하므로 이러한 이점이 없습니다.

2.2 커미셔닝 효과 분석

아래 표는 다양한 보조 가스와 절삭력을 사용하여 다양한 종류와 두께의 판재를 절단한 결과를 보여줍니다.

표 4에서 볼 수 있듯이 동일한 절삭력을 사용하여 두께가 같은 여러 종류의 플레이트의 절삭 효과를 비교한 결과, 그 차이가 확연히 드러납니다.

그 결과 다음 항목에서 상당한 차이가 있는 것으로 나타났습니다. 표면 거칠기 다양한 재료로 절단한 샘플 중 Q345B 샘플이 가장 우수한 절단 효과를 보였습니다. 표면 산화피막이 얇고 표면 거칠기가 최소화되었습니다.

반면, NM400 샘플의 절단 표면의 산화피막은 뚜렷한 층화를 보였습니다. 절단 표면의 윗면은 매끄러운 반면, 아랫면은 더 두꺼운 산화피막을 가지고 있어 샘플의 표면 거칠기가 더 높았습니다.

45# 샘플의 절단은 거칠었고, 아래쪽의 산화피막이 뚜렷하게 돌출되어 있었습니다.

T10 샘플은 표면이 거칠고 모공이 많으며 아래쪽에 눈에 띄는 산화물 피부가 있는 등 절단 효과가 가장 좋지 않았습니다.

이에 비해 Q345B, NM400 및 45# 절단 표면은 T10 플레이트보다 산화물 스킨 표면 거칠기가 더 우수했습니다.

표 4 실험 효과 표

2.2.1 재료 융점 분석

이 실험에서는 네 가지 유형의 재료를 테스트했습니다: Q235, Q345B, NM400, 45# 탄소강판. 탄소 함량은 각각 0.22%, 0.20%, 0.25%, 0.47%입니다.

다음을 검토하여 철 탄소 상 다이어그램 그림 5에서 이 네 가지 재료의 융점 온도는 약 1500°C임을 확인할 수 있습니다.

레이저 커팅 은 레이저를 예열 열원으로 사용하고 산소를 보조 가스로 사용합니다. 이렇게 하면 재료와 고열의 산화 반응이 일어나 상당한 양의 산화 에너지가 방출됩니다(다음 공식 참조).

Fe+O→FeO+heat(257.58kJ/mol)2Fe+1.5O₂→Fe₂O₃+열(826.72kJ/mol)

레이저에서 방출되는 에너지와 산화 과정으로 인해 플레이트의 가공 위치 온도가 1726.85°C를 초과한 것으로 확인되었습니다. 레이저 가공. 이 온도는 재료 Q235, Q345B, NM400 및 45#의 녹는점보다 훨씬 높습니다.

이 분석에 따르면 이러한 재료의 융점은 절단 후 표면에 산화물 스케일이 미치는 영향에 제한적인 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다.

그림 5-Fe-C 위상 다이어그램

2.2.2 재료의 화학 성분 분석

이 실험에 사용된 다양한 강판의 화학 성분은 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정했습니다. 결과는 표 5에 나와 있습니다.

표 5 화학 원소 분석

1) Mn 요소 콘텐츠 분석

Q235와 Q345B 원소를 비교한 표 5에 따르면 두 소재 모두 저탄소강으로 분류됩니다. 두 소재의 다른 원소 함량은 Q235의 경우 0.65%, Q345B의 경우 1.70%인 망간 함량을 제외하고는 크게 다르지 않습니다. 이러한 망간 함량의 차이는 레이저 절단 품질과 재료의 망간 함량 간의 관계를 탐색하기 위한 벤치마크 역할을 합니다.

두 재료의 절단 표면 효과는 그림 6에 나와 있습니다. 결과는 표면이 깨끗하고 밝으며 표면 거칠기가 비슷하고 실험 매개 변수가 일정하게 유지되었음을 보여줍니다.

이러한 결과를 바탕으로 Mn 원소가 기존 저탄소 강철의 레이저 절단 효과에 약간의 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

그림 6

2) S 요소 콘텐츠 분석

표에 제공된 데이터에 따르면 시트 간 유황(S) 원소 함량의 최대 차이는 0.05%에 불과합니다. 이 정보만으로는 S 원소 함량이 절단 품질에 미치는 영향을 판단하기에는 충분하지 않습니다.

데이터를 추가로 분석한 결과, 후판의 망간(Mn)과 황(S) 함량이 각각 약 0.5%와 0.25%인 경우 후판 두께가 증가함에 따라 절단면 바닥의 슬래그가 증가하여 절단 품질이 점진적으로 저하되는 것으로 나타났습니다.

표 6 S와 Mn 요소의 비교

3) Si 원소 콘텐츠 분석

금속판의 실리콘(Si) 원소 함량이 0.25% 이하인 경우, 탄소 절삭 속도가 0.25% 이상인 것으로 관찰되었습니다. 강판 Si 함량이 0.25%보다 높은 탄소강판은 0.25%보다 낮은 Si 함량을 가진 탄소강판에 비해 20% 이상 느립니다. 또한 후판 하단에 상당한 양의 슬래그가 생성됩니다.

4) 요소 C의 콘텐츠 분석

Q235, 45#, T10의 원소 함량을 비교하면 Q235는 저탄소강, 45#는 중탄소강, T10은 고탄소강으로 분류되는 것으로 나타났습니다.

원소 표를 살펴보면 탄소(C)와 망간(Mn) 사이에만 유의미한 차이가 있음을 알 수 있습니다.

고온에서 보조 가스로 충분한 산소가 있는 경우 탄소는 다음과 같은 방식으로 산소와 반응합니다:

C+O₂→CO₂(g)（393.5KJ/mol)

이론적 분석에 따르면 재료의 탄소 함량이 증가함에 따라 산화 반응에 의해 생성되는 이산화탄소 가스의 양도 산소가 보조 가스로 존재할 때 증가하여 재료 절단 표면의 기공 수가 증가합니다.

그림 4는 Q235, 45# 강철 및 T10의 내부 탄소 함량이 증가함에 따라 절삭 표면의 기공 수도 그에 따라 증가함을 보여줍니다.

그림 7 - 재료의 탄소 함량 비교 차트

처음에 Q235와 Q345B 소재를 비교했을 때 망간(Mn) 원소 함량은 실제 절삭 효과에 미치는 영향이 미미하여 무시할 수 있는 것으로 나타났습니다.

그림 8은 동일한 두께를 가진 세 가지 재료의 실제 절단 효과를 보여줍니다. 결과는 Q235의 표면이 밝고 거칠기가 낮으며, 45#의 표면은 거칠고 하단의 산화피막이 상당히 두껍고, T10의 표면은 가장 두꺼운 산화피막으로 가장 거칠다는 것을 보여줍니다.

실제 테스트 결과에서 재료의 탄소 함량이 절삭 효과에 눈에 띄는 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 절단 표면의 기공 수가 증가하고 표면 산화피막의 두께가 두꺼워지며 표면 거칠기가 커집니다.

그림 8-Q235-30kw-40mm(왼쪽), 45 # - 30kw-40mm(가운데), T10-30kw(오른쪽)

5) Ni 원소 함량 분석

표 7에는 Q235 및 Q460 소재에 포함된 화학 원소의 종류와 함량이 표시되어 있습니다. 두 재료의 니켈(Ni) 원소 함량 차이가 확연히 드러납니다.

따라서 두 재료에 대해 동일한 두께의 플레이트에서 절단 테스트를 수행했습니다. 실제 절단 품질 결과는 그림 10에 나와 있습니다.

표면 줄무늬, 산화피막 두께, 표면 거칠기에는 눈에 띄는 차이가 없습니다.

이러한 결과를 바탕으로 기존의 저탄소강에서 니켈 함량은 고출력 레이저의 절단 품질에 큰 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다.

그림 9 - 재료의 니켈 함량 비교 차트

표 7 Ni 원소 비교

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

그림 10

6) Cr 요소 콘텐츠 분석

플레이트의 원소 함량을 비교하면 그림 4.2-5에서와 같이 NM400 및 Q690 소재의 크롬(Cr) 원소 함량이 다른 소재에 비해 상당히 높은 것으로 관찰됩니다.

그림 11 재료 내 크롬 함량 비교 차트

기간 동안 레이저 커팅 프로세스레이저가 열을 방출하면 플레이트의 대부분의 원소가 보조 가스인 산소와 함께 산화되어 많은 양의 열을 방출합니다. 그 결과 플레이트 표면에 상당한 열 영향 구역이 형성됩니다.

이 열 영향 영역에서 플레이트의 크롬(Cr)은 산소와 산화되어 고밀도 Cr을 생성합니다.₂O₃ 및 기타 산화물로 구성되며, 이는 현지 온도에 따라 증가합니다. 산화물은 그림 12와 같이 점차적으로 성장하여 클러스터와 같은 입상 구조를 형성합니다.

시간이 지남에 따라 Cr₂O₃ 표면 응력이 높고 균열이 잘 생기지 않는 산화물 피부는 금속 절단 표면 아래 원소 간의 산화 반응을 방지하는 Cr₂O₃ 산화 및 O₂ (그림 13 참조). 이로 인해 NM400 및 Q690 절단 표면의 밑면 표면 거칠기가 현저히 떨어집니다(그림 14 참조).

재료의 Cr 함량이 증가함에 따라 절단 효과가 악화되고 시료 바닥의 산화피막이 두꺼워진다는 결론을 내릴 수 있습니다.

그림 12 - 클러스터링된 입자의 위상 다이어그램

그림 13 - 레이저 절단 표면 산화물 층의 분석 다이어그램

절단 효과 디스플레이 20mm NM400

절단 효과 디스플레이 20mm Q690

그림 14

2.3 열 영향 구역 분석

레이저 절단 품질은 절단되는 플레이트 표면의 열 영향 영역과 관련이 있는 것으로 이해됩니다. 열 영향 영역을 제어하지 않으면 절단된 플레이트 표면에 왜곡, 균열, 취성 등이 발생할 수 있습니다.

그림 15의 데이터 비교에 따르면 레이저 절단력은 절단 슬릿의 폭에 영향을 미치는 주요 요인이며 절단 속도는 절단 표면의 줄무늬와 거칠기에 영향을 미치는 주요 요인으로 알려져 있습니다.

따라서 레이저 절단에서는 부품의 변형과 농축을 줄이기 위해 판재 표면의 열 영향 영역 면적을 최소화하기 위해 공정 매개 변수를 최대한 조정하는 것이 좋습니다.

그림 15 - 파워와 속도가 커프와 절단면에 미치는 영향

실제 테스트 과정에서 다양한 유형과 두께의 샘플을 매끄러운 절단 표면과 자유 낙하를 보장하기 위해 절단 공정 파라미터를 최적화했습니다.

동일한 절단력에서 동일한 두께로 다양한 유형에 따라 슬릿의 폭에 큰 차이가 없습니다.

결과적으로 동일한 두께를 가진 재료의 열 영향 구역 면적은 동일한 전력에서 유사하며 실제 표면 거칠기에 미치는 영향은 미미하므로 무시할 수 있습니다.

3. 결론

산소 절단을 통한 탄소강의 절단 품질에 영향을 미치는 요소에는 합금의 구성, 재료 미세 구조, 열전도율, 융점 및 비점 등이 있습니다.

탄소 함량이 높은 금속은 일반적으로 녹는점이 높아 녹기 어렵기 때문에 절단 및 피어싱 시간이 길어집니다.

이로 인해 커프가 더 넓어지고 표면 열 영향 영역이 확장되어 절단 품질이 불안정해집니다.

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또한 합금 성분 함량이 높으면 액체 금속의 점도가 높아지고 스패터와 슬래그의 비율이 높아져 가공 중 레이저 출력 및 공기 분사 압력 조정에 대한 요구가 높아집니다.

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위의 테스트 결과, 산소를 보조 가스로 사용할 경우 재료의 C 및 Cr 원소 함량이 증가함에 따라 절단 표면 효과가 악화되고 표면 거칠기가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 반면 공기를 보조 가스로 사용할 경우 동일한 두께와 출력에서 절단 효과는 거의 변하지 않습니다.

절단의 품질과 효율성을 보장하기 위해 다양한 절삭력과 재료에 권장되는 보조 가스 유형은 다음 표에 나와 있습니다:

1. 탄소 함량의 영향:

동일한 레이저 출력에서 탄소 함량이 증가함에 따라 절단 속도가 점차 감소하는 반면 시료 표면이 거칠어지고 산화피막이 두꺼워지며 전반적인 효과가 저하되어 레이저 절단판의 두께 한계가 감소합니다.

2. 크롬 함량의 영향:

크롬 함량이 증가하면 시료 표면 하단의 산화피막이 눈에 띄게 축적되고 두꺼워져 절단 표면이 위에서 아래로 거칠어집니다.

3. 실리콘 콘텐츠의 영향:

재료의 실리콘 함량이 0.25%를 초과하면 실리콘 함량이 증가함에 따라 절단 속도가 크게 감소하고 절단 샘플의 바닥에 슬래그가 나타납니다.

4. 니켈 함량:

니켈 함량은 품질에 거의 영향을 미치지 않습니다. 고출력 레이저 절단.

5. 망간 및 유황 함량의 영향:

재료의 망간과 황 함량이 각각 0.5%와 0.04%인 경우, 판재 두께가 증가함에 따라 절삭 바닥의 슬래그가 점차 증가합니다.