일반적인 스테인리스 스틸 레이저 절단 문제에 대한 전문가 솔루션
스테인리스 스틸 레이저 커팅 시 가장자리가 고르지 않거나 변색되는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 기사에서는 버 형성 및 표면 색상 변화와 같은 일반적인 문제를 자세히 살펴보고 그 원인을 설명하고...
제조업체가 스테인리스 스틸을 절단할 때 어떻게 정밀도와 효율성을 달성하는지 궁금한 적이 있으신가요? 이 글에서는 스테인리스 스틸 절단을 위한 6가지 고급 기법에 대해 자세히 알아보고, 각 기법의 장점과 적용 분야를 소개합니다. 가스 불꽃 및 플라즈마 방식에서 탄소 아크 가우징에 이르기까지 각 기술은 정밀도, 속도 및 환경 영향 측면에서 고유한 이점을 제공합니다. 이 책을 읽으면 이 탄력적인 소재를 다루는 가장 효과적인 방법에 대한 통찰력을 얻고 산업용 금속 가공 공정에 대한 이해를 높일 수 있습니다.
컨테이너와 파이프 라인과 같은 스테인리스 스틸로 만들어진 용접 부품은 판재 및 파이프 블랭킹, 판금 가공, 용접 홈 가공 등의 공정을 거칩니다. 저장 용기를 제조할 때는 맨홀을 만들고 헤드의 끝면에 성형 공정을 수행하는 것이 불가피합니다.
양면을 용접할 때는 역용접 이음새를 청소해야 하며, 용접 이음새에 결함이 있으면 재작업과 추가 용접이 필요합니다. 이러한 가공 단계는 생산 및 제조 공정에서 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 대부분의 가공 단계는 전단, 평면, 밀링, 선삭과 같은 기계적인 방법을 사용하여 수행되지만, 이를 완료하려면 다양한 유형의 기계가 필요합니다.
경우에 따라 공압 끌을 사용하는 것이 적절하지만 높은 노동 강도, 소음 및 작업 환경의 오염은 작업자의 건강에 해로울 수 있습니다.
가스 불꽃 또는 플라즈마 절단 방법을 사용하여 앞서 언급한 공정을 완료하면 작업 조건을 개선하고 효율성을 높이며 환경 오염을 줄이는 데 많은 장점이 있지만 단점은 일부 가공 후 절단 표면의 정밀도가 기계 가공을 통해 얻은 것보다 좋지 않을 수 있다는 것입니다.
스테인리스 스틸의 가스 불꽃 및 플라즈마 절단에 대한 몇 가지 기술에 대해 논의해 보겠습니다.
가스 절단은 가스 불꽃의 열 에너지를 사용하여 공작물의 절단 부위를 특정 온도로 예열한 다음 고속 절단 산소 흐름을 분사하여 금속에 불을 붙이고 열을 방출하여 열 절단을 수행하는 방식입니다.
일반 저탄소강이 절단하기 쉽고 절단 품질이 좋은 이유는 연소 시 발생하는 산화물이 강철 자체보다 녹는점이 낮기 때문입니다. 동시에 연소로 인한 열이 산화물을 용융 상태로 끌어올린 다음 가스 흐름에 의해 날려버립니다.
산소 연료 가스로 스테인리스 스틸을 절단할 때 가장 큰 문제는 절단 표면에 융점이 높은 크롬 산화물이 형성되어 금속이 연소되지 않고 연속 절단이 어렵다는 점입니다.
스테인리스 스틸을 원활하게 절단하기 위해서는 특정 압력에서 충분히 순수한 산소를 공급하고 절단 산소 흐름(충분히 길고 강력한 원통형 절단 산소 흐름을 의미)을 잘 유도하는 것 외에도 몇 가지 특별한 공정 조치를 취해야 합니다.
산소 플럭스 가스 절단은 순수한 철 분말 또는 기타 플럭스를 절단 산소 흐름에 추가하여 연소 열과 슬래그 생성 효과를 가스 절단에 활용하는 공정을 말합니다. 녹은 철 산화물과 크롬 산화물이 혼합되어 희석된 슬래그로 만들어져 슬래그의 유동성이 향상됩니다.
열이 크게 증가하면 혼합 액체 슬래그가 형성되고 커프에서 나오는 절단 산소에 의해 날아갑니다. 이 공정은 분말 사출 절단이라고도 하며 두꺼운 스테인리스 스틸 소재와 스테인리스 스틸 주조 라이저를 절단하는 데 사용할 수 있습니다. 플럭스에는 일반적으로 사용되는 것과 고효율의 두 가지 유형이 있으며, 그 구성 성분은 표 6-1에 나와 있습니다.
표 6-1: 스테인리스강 절삭용 플럭스
| 유형 | 플럭스 구성(질량 분율, %) | 참고 |
| 공통 플럭스 | 저탄소 철 분말 또는 납 분말이 포함된 저탄소 철 분말 | 내부 공급용 입자 크기는 0.5-1.0mm이고 외부 공급용 입자 크기는 0.1-0.3mm입니다. |
| 고성능 플럭스 | 철분 56 + 알루미늄 분말 17 + 에폭시 수지 18.9 + 폴리비닐 수지 2.97 + 톨루엔 2.97 + 폴리에틸렌 아민 2.16 | 위의 성분을 완전히 혼합하면 0.3-1.2mm의 과립이 생성됩니다. |
옥시 플럭스 절단용 장비는 플럭스 전달 방식에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
그림 6-1과 같이 절삭 산소를 사용하여 플럭스 탱크에서 절삭 노즐 구성 요소를 통해 플럭스를 전달하는 것이 특징입니다.
철 분말이 플럭스 탱크 내에서 산화 및 연소되는 것을 방지하기 위해 입자 크기가 0.5-1.0mm인 굵은 철 분말이 일반적으로 사용됩니다. 입자 크기가 크고 토출 속도가 빠르기 때문에 절단 중에 공작물 표면에서 완전히 연소되지 않습니다. 따라서 일반적으로 두께가 500mm 미만인 공작물 절단에 사용됩니다.
절단 속도를 높이기 위해 철 분말에 소량의 알루미늄 분말을 첨가할 수 있습니다. 내부 분말 공급 장비를 사용할 때 천연 가스를 연료로 사용할 수 있습니다. 내부 분말 공급 노즐을 사용하여 18-8 스테인리스 강판을 절단하는 절단 공정 파라미터는 표 6-2에 나와 있습니다.
표 6-2: 내부 분말 공급 노즐을 사용한 06Cr18Ni11Ti 스테인리스 강판 절삭의 공정 파라미터
| 프로세스 매개변수 | 두께(밀리미터) | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 70 | 90 | |
| 노즐 크기 | 1 | 1 | 1 | 2 | 3 | 3 |
| 산소 압력/MPa | 0. 40 | 0. 49 | 0. 54 | 0. 59 | 0. 69 | 0. 78 |
| 산소 소비량/(m3/m) | 1. 1 | 1. 3 | 1. 6 | 1. 75 | 2. 3 | 3. 0 |
| 연료 가스(천연 가스) 소비량/(m)3/m) | 0. 11 | 0. 13 | 0. 15 | 0. 18 | 0. 23 | 0. 29 |
| 플럭스 소비량/(kg/m) | 0.7 | 0.8 | 0. 9 | 1. 0 | 2. 0 | 2. 5 |
| 절단 속도/(mm/min) | 230 | 190 | 180 | 160 | 120 | 90 |
| 커프 폭/mm | 10 | 10 | 11 | 11 | 12 | 12 |
해외에서 내부 분말 공급 산소 연료 절단 방법을 사용할 때는 노즐 바깥쪽에 물 분무가 흐르는 고속 절단 노즐이 장착되어 있는 경우가 많습니다. 철 분말의 입자 크기는 0.5 ~ 1.0mm로 절단 표면의 평탄도가 비교적 이상적입니다. 일반적으로 절단은 치수 요구 사항을 충족하기 위해 기계적 처리가 필요하지 않습니다.
작업물 주변에 흐르는 물 분무는 절단 시 강판의 뒤틀림을 줄이고 가공된 끝면의 내식성을 향상시키며 절단 환경의 공기 중 먼지를 줄여 작업 조건을 개선합니다.
이 방법은 최대 150mm 두께의 스테인리스 강판을 절단할 수 있으며 일반 탄소 구조용 강판은 2-3mm × 40층, 스테인리스 강판은 2mm × 40층과 같이 겹겹이 쌓인(적층된) 강판도 절단할 수 있습니다.
외부 분말 공급 산소 연료 절단의 특징은 그림 6-2와 같이 저압(0.04-0.06 MPa) 공기 또는 질소를 사용하여 절단 노즐 외부의 화염 가열 영역에 130메시보다 큰 미세 철 분말을 독립적으로 도입하는 것입니다.
철 분말의 입자 크기가 작고 토출 속도가 느리기 때문에 발화점까지 빠르게 가열되어 연소되어 많은 양의 열을 방출하여 공작물 표면의 산화막을 효과적으로 파괴 할 수 있습니다. 분말이 독립적으로 공급되기 때문에 플러싱으로 인한 산소 채널의 손상을 극복 할 수 있습니다.
따라서 두께가 500mm를 초과하는 스테인리스 스틸 소재를 절단하거나 직경 1000~1300mm의 스테인리스 스틸 주물 라이저를 절단하는 데 사용됩니다.
프로세스 매개 변수는 다음과 같습니다:
플럭스: 100% 철 분말, 철 분말 입자 크기 0.1-1.3mm; 예열 산소 압력 0.8-1.0 MPa; 절단 산소 압력 0.8 MPa, 절단 산소 소비량 200m3/h; 아세틸렌 압력 >0.01MPa, 아세틸렌 소비량 20m3/h; 분말 이송 가스는 질소이고 유속 유량은 18kg/h; 절단 속도는 20-25mm/min입니다.
진동 가스 절단은 산소 연료 가스 절단 토치의 진동을 사용하여 스테인리스 스틸을 절단하는 간단하고 실용적인 방법입니다.
진동 가스 절단 방법의 핵심은 절단 과정에서 절단 토치를 진동시켜 절개 부위에 생성된 내화 산화막을 뚫고 금속을 분리 및 절단하는 목적을 달성하는 것입니다.
절단 공정은 그림 6-3에 설명되어 있습니다. 절단을 시작할 때 공작물의 가장자리가 용융 상태로 예열된 다음 절단 산소 흐름이 시작되고 절개 부위에서 슬래그가 흘러나옵니다. 이 시점에서 절단 노즐을 들어 올리고 상하 진동뿐만 아니라 즉각적인 앞뒤 진동을 가해야 합니다.
진동은 10~15mm의 진폭과 분당 60~80회의 주파수를 가집니다. 절단 산소 흐름의 진동은 절개 부위의 고융점 산화크롬을 뚫고 철이 계속 연소할 수 있도록 합니다. 산소 흐름의 앞뒤 및 상하 충격의 도움으로 지속적인 절단 목적을 달성할 수 있습니다.
절단 토치에는 G01-300 타입과 같은 일반적인 옥시 아세틸렌 절단 토치가 사용됩니다. 같은 두께의 탄소강 절단에 비해 예열 불꽃이 더 크고 집중되어야 하며 산소 압력은 약 15%에서 20%로 증가해야 합니다.
이러한 유형의 진동 가스 절단은 일반적으로 직경이 500mm를 초과하지 않는 스테인리스 스틸 주물의 라이저를 절단하는 데 사용되어 절단 목적을 달성하지만 절개 품질이 매우 떨어집니다.
기술의 발달로 산소 연료 가스 불꽃 절단은 스테인리스 강판 절단에는 거의 사용되지 않으며 주로 스테인리스 강 주물의 라이저 절단에 사용됩니다.
카본 아크 가우징은 흑연 또는 카본 막대를 전극으로 사용하여 공작물 사이에 전기 아크를 생성하여 금속을 녹인 다음 압축 공기를 사용하여 녹은 금속을 불어내어 표면 홈을 생성합니다.
가우징 작업 중 전기 아크는 6000~7000°C의 높은 온도에 도달하여 공작물 표면을 녹일 수 있는 충분한 열을 발생시킵니다. 생성된 용융 금속과 슬래그는 카본 아크 가우징 노즐에서 분사되는 압축 공기(0.4~0.6MPa)에 의해 날려 보내집니다. 전기 아크의 연속 연소와 압축 공기의 연속 송풍으로 용융된 재료가 제거되어 금속 표면에 필요한 홈이 만들어집니다.
이 가우징 기술은 주로 양면 용접의 백 가우징, 용접 이음새의 결함 제거에 사용되며, 단면 또는 불규칙 용접의 베벨링에도 사용할 수 있습니다.
카본 아크 가우징의 가공 능력은 치핑 또는 연삭 휠 방식과 비교하여 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다:
1) 수동 카본 아크 가우징은 유연성이 뛰어나 모든 위치에서 작업할 수 있습니다.
2) 용접 이음새나 주물의 결함을 제거할 때 결함의 모양과 깊이를 명확하게 관찰할 수 있습니다.
3) 작동 중 소음이 치핑보다 낮아 생산 효율이 높아집니다.
4) 접근이 제한되거나 접근하기 어려운 지역에서는 카본 아크 가우징이 작업에 더 적합합니다.
5) 카본 아크 가우징은 연기와 먼지를 발생시켜 환경을 오염시킬 수 있으며 높은 수준의 조작 기술을 요구합니다.
카본 아크 에어 가우징은 그림 6-4와 같이 전원, 압축 공기 공급 장치, 가우징 토치, 카본 로드, 케이블 및 호스로 구성됩니다.
전원은 가파른 강하 특성을 가진 정류기를 사용하며, 정격 전류는 카본 아크 에어 가우징에 필요한 전류보다 커야 합니다. 예를 들어 7mm 원형 카본 로드를 사용하는 경우 카본 아크 에어 가우징에 필요한 절단 전류는 350A이며, 정격 전류가 500A인 정류기를 선택하는 것이 좋습니다.
카본 아크 에어 가우징용 가우징 토치는 주로 카본 로드를 고정하고 압축 공기를 분사하는 데 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 가우징 토치는 그림 6-5에 표시되어 있으며, 측면 공급과 원형 공급의 두 가지 형태로 제공됩니다.
카본로드는 고온 저항성, 우수한 전도성, 파손에 대한 저항성이라는 특성을 가져야 합니다. 전도성과 표면 강도를 높이기 위해 카본 로드 표면에 순수 구리 층을 도금하는 경우가 많습니다. 카본로드는 원형과 평면(직사각형 단면)의 두 가지 형태로 제공됩니다.
원형 카본로드는 주로 백 가우징 용접 이음새에 사용되며, 평평한 카본로드는 베벨링, 용접 비드 가우징 및 대량의 금속 절단에 사용할 수 있습니다.
1-아크 용접 정류기 2-접지 케이블 3-압축 공기 4-공기 도관 5-용접 토치 케이블 6-가우징 토치 7-탄소 막대
8-워크피스
a) 측면 에어 가우징 건 b) 원주형 에어 가우징 건
고품질 가우징을 얻으려면 올바른 공정 파라미터가 보장되어야 합니다. 에어 가우징 품질에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다:
1. 전원 공급 장치의 극성:
카본 아크로 스테인리스 스틸을 가우징할 때는 직류 역극성 연결(전원 공급 장치의 양극에 연결된 전극)을 사용합니다. 이를 통해 가우징 중 안정적인 아크, 균일한 가우징 속도, 아크의 지속적인 브러싱 소리, 가우징 양쪽의 폭이 일정하고 표면이 매끄럽고 밝게 유지되는 결과를 얻을 수 있습니다.
직류 양극 연결(전원 공급 장치의 음극에 연결된 카본 로드)을 사용하면 아크가 지터링되어 간헐적인 스퍼터링 소리가 발생하고 가우징 중 지터에 해당하는 아크 모양이 가우징의 측면에 나타납니다. 이 현상이 발생하면 다시 가우징하기 전에 극성을 반대로 바꿔야 합니다.
2. 가우징 전류 및 카본 로드 직경:
가우징 전류가 증가하면 가우징 폭, 깊이 및 가우징 속도도 증가하여 가우징 품질이 더 부드러워집니다. 그러나 가우징 전류가 너무 높으면 카본로드가 빨리 타거나 심지어 녹아서 심각한 카본 침투와 거친 가우징 표면을 유발할 수 있습니다.
가우징 전류가 너무 낮으면 아크가 불안정하여 작고 얕은 가우징, 불안정한 가우징 속도, 낮은 효율 및 슬래그 접착을 유발하는 경향이 있습니다. 표 6-3은 일반적으로 사용되는 카본 아크 에어 가우징의 파라미터를 소개합니다.
표 6-3: 카본 아크 가우징의 일반적인 파라미터
| 탄소 전극 단면 모양 | 사양/ mm | 적용 전류/ A | 압축 공기 압력/MPa | 탄소 전극 연장 길이/mm | 탄소 전극과 공작물 사이의 각도(°) |
| 원형 | Φ3. 2 | 150 ~ 180 | 0.4~0.6 | 30 ~70 | 30 ~ 45 |
| Φ3. 5 | |||||
| Φ4. 0 | 150 ~ 200 | ||||
| Φ5. 0 | 180 ~ 210 | ||||
| Φ6. 0 | 180 ~ 300 | ||||
| Φ7. 0 | 200 ~ 350 | ||||
| Φ8.0 | 250 ~ 400 | ||||
| Φ9. 0 | 350 ~ 500 | ||||
| Φ10. 0 | 400 ~ 550 | ||||
| 플랫 | 3×8 | 200 ~ 250 | 0.4~0.6 | 30 ~70 | 30 ~ 45 |
| 4 ×6 | |||||
| 4×8 | 200 ~ 300 | ||||
| 4 ×12 | 300 ~ 350 | ||||
| 5 ×10 | 300 ~ 400 | ||||
| 5 ×15 | 400 ~ 500 |
카본 로드 직경의 선택은 표 6-4에 표시된 것처럼 강판의 두께와 관련이 있습니다. 또한 필요한 홈 폭과도 관련이 있으며, 카본 로드 직경이 클수록 홈 폭이 넓어집니다. 일반적으로 카본 로드 직경은 필요한 그루브 폭보다 2~4mm 작아야 합니다.
표 6-4: 카본 로드 직경 선택
| 강판 두께 | 4 ~6 | 6~8 | 8 ~ 12 | >10 | >18 |
| 카본 로드 직경 | 4 | 5 ~6 | 6~7 | 7 ~ 10 | 10 |
3. 절단 속도
정상적인 가우징 과정을 보장하기 위해 가우징 전류와 공기 압력에 맞게 조정해야 합니다. 카본로드의 과도한 속도 또는 공격적인 하향 이동은 카본 전극 헤드가 액체 금속 또는 녹지 않은 금속과 접촉하여 단락으로 인한 아크 소멸을 유발할 수 있습니다.
과도한 속도는 탄소 전극 헤드가 분리되어 녹지 않은 금속에 달라붙어 탄소 포함 결함을 일으킬 수도 있습니다. 이러한 경우 아크는 결함의 앞쪽에서 다시 설정되어야 하며, 가우징을 계속하기 전에 결함을 제거하기 위해 손으로 한 층을 부드럽게 가우징해야 합니다.
가우징 속도가 너무 느리면 아크가 길어져 아크가 불안정해지거나 아크가 꺼질 수 있습니다. 일반적으로 0.8-1.2m/min의 절단 속도를 권장합니다.
4. 압축 공기 압력
압축 공기 압력은 절삭 속도와 홈의 표면 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 압력이 높으면 절삭 속도와 홈 표면의 매끄러움이 향상되는 반면, 압력이 지나치게 낮으면 홈 표면에 슬래그가 달라붙을 수 있습니다. 일반적으로 압축 공기 압력은 0.4-0.6MPa로 유지해야 합니다.
압축 공기의 수분과 오일 함량은 공기 파이프에 설치된 필터에 의해 제한될 수 있으며, 필터 매체로 새 실리콘 젤을 사용하는 것이 좋습니다.
5. 탄소 전극 연장 길이
카본 전극에는 30-70mm의 연장 길이가 최적입니다. 연장 길이가 지나치게 길면 저항이 증가하여 카본봉이 심하게 연소되고, 너무 짧으면 가우징 건의 금속 부분이 공작물과 접촉하여 아크가 불안정해져 단락이 발생하는 경우가 많습니다.
가우징 과정에서 카본로드가 타는 것은 정상이며 연장 길이를 주기적으로 조정해야 합니다. 연장 길이가 25mm 미만인 경우 70~80mm로 재조정해야 합니다.
6. 카본 로드와 공작물 사이의 각도
카본 로드와 공작물 사이의 각도는 주로 홈 깊이와 절삭 속도에 영향을 미칩니다. 각도가 증가하면 홈 깊이가 커지고 절삭 속도가 감소하며, 각도가 감소하면 홈이 얕아지고 절삭 속도가 빨라집니다. 일반적으로 수동 카본 아크 가우징에 권장되는 각도는 30°-45°입니다.
7. 카본 아크 가우징을 위한 아크 길이
가우징 공정에서는 아크 길이를 2~3mm 정도로 비교적 짧게 유지하는 것이 좋습니다. 아크 길이가 지나치게 짧으면 탄소 포함 결함이 발생할 수 있고, 아크 길이가 지나치게 길면 차가운 공기에 의해 아크가 날아가 아크가 불안정해지거나 꺼질 수도 있습니다.
아크 길이가 지나치게 길면 압축 공기가 충분히 농축되지 않아 녹은 금속이 제때 날아가지 않아 가우징의 열 영향 영역이 넓어지고 그루브의 표면 거칠기가 악화될 수 있습니다. 또한 가우징 공정 중에는 카본 로드를 휘두르지 말고 미리 선택한 각도로 똑바로 앞으로 움직여 균일한 홈 치수를 확보해야 합니다.
카본 아크 에어 가우징 스테인리스강은 침탄 및 열 작용을 통해 가우징 금속의 표면에 영향을 미쳐 스테인리스강 용접 접합부의 입계 내식성을 저하시킬 수 있습니다. 표 6-5는 18-8 스테인리스강을 카본 아크 에어 가우징할 때의 탄소 함량 분석을 보여줍니다.
표에서 카본 아크 에어 가우징으로 생성된 금속 스패터-슬래그의 탄소 함량(w(C))이 1.3%에 달하는 것을 확인할 수 있습니다. 그러나 가우징 공정 중 액체 금속 침탄은 압축 공기에 의해 빠르게 날아가므로 표면 탄소 함량(w(C))은 0.075%에 불과합니다. 따라서 18-8 스테인리스 스틸에 대한 카본 아크 에어 가우징의 침탄 효과는 극히 미미합니다.
실제 측정에 따르면 가우징 후 금속 표면의 침탄층 깊이는 일반적으로 0.02~0.05mm이며, 가장 깊은 지점은 0.11mm를 초과하지 않으며 침탄층은 간헐적으로 용융된 금속으로 구성됩니다.
카본 아크 에어 가우징은 가우징 표면에 가열 효과가 있지만 아크 컬럼 아래에 형성된 고온 액체 금속은 빠르게 날아가고 더 이상 가우징 표면을 계속 가열하지 않습니다. 카본 아크 에어 가우 징의 열 영향 영역은 전극 아크 용접보다 작으며 올바른 작동 사양에서 열 영향 영역은 약 1mm에 불과하다고 할 수 있습니다.
따라서 18-8 스테인리스 스틸에 대한 카본 아크 에어 가우징의 침탄 및 열 효과는 매우 약하다는 것을 알 수 있습니다.
표 6-5: 카본 아크 에어 가우징 후 18-8 스테인리스강의 탄소 함량 분석
| 샘플링 위치 | 탄소 질량 분율(%) |
| 카본 아크 에어 가우징으로 인한 비산 금속 | 1. 3 |
| 홈 가장자리에 부착된 슬래그 | 1. 2 |
| 홈의 표면층: 0.2~0.3mm | 0. 075 |
| 베이스 메탈 | 0. 05 ~ 0. 075 |
잘 알려진 바와 같이, 카본 아크 에어 가우징 과정에서 발생하는 연기와 먼지는 환경을 심각하게 오염시키고 작업자의 건강에 영향을 미칩니다. 특히 밀폐된 컨테이너에서 카본 아크 에어 가우징 작업을 할 경우 작업자가 가슴 답답함과 숨가쁨을 느끼기 쉽기 때문에 이러한 상황은 더욱 심각합니다.
카본 아크 에어 가우징 작업의 이동성 때문에 기존의 배기 및 환기 조치만으로는 작업자의 작업 공간 내 오염 문제를 해결하는 데 충분하지 않습니다.
카본 아크 에어 가우징으로 인한 연기 및 먼지 오염을 제어하기 위해 물 분무 카본 아크 에어 가우징 공정은 물 안개가 연기 및 먼지를 제거 할 수 있다는 원리를 기반으로 채택되었습니다.
물 분사식 카본 아크 에어 가우징 공정에는 표준 카본 아크 에어 가우징 건에 물 분사 장치를 장착하는 작업이 포함됩니다. 압축 공기를 사용하여 건에서 카본로드 주위에 물을 분사하여 실질적이고 고르게 분산된 물 안개를 생성합니다. 워터 미스트의 차폐 효과는 연기와 먼지의 확산을 줄이는 데 도움이 됩니다.
또한 워터 미스트의 냉각 효과는 카본로드의 가열 및 용융 길이를 감소시켜 소비를 줄입니다. 또한 워터 미스트 스프레이는 용융 금속이 공작물 홈의 가장자리에 쉽게 달라붙는 것을 방지하여 슬래그 제거를 용이하게 합니다.
물 분사식 카본 아크 에어 가우징 장비는 그림 6-6과 같이 전원 공급 장치, 물 공급 장치, 압축 공기 및 카본 아크 에어 가우징 건으로 구성됩니다.
물 분사식 카본 아크 에어 가우징 장비의 필수 구성 요소인 물 공급 장치는 그림 6-7에 나와 있습니다. 이 그림에서 압축 공기는 파이프 라인 1을 통해 컨테이너에 연결되고, 물은 수위가 H 높이(공기 배출 파이프 4의 바닥보다 낮음)에 도달할 때까지 입구 파이프 3을 통해 컨테이너로 유입되며, 이 시점에서 입구 밸브가 닫힙니다.
압축 공기 배관(1)의 흡입 밸브가 열리면 압축 공기가 공급되고, 공기 배출 배관(4)의 밸브가 열리면 배출 배관에서 압축 공기가 방출됩니다. 공기 배출관(4)의 밸브가 닫혀 있는 상태에서 물 배출관(5)의 밸브가 열리면 물 배출관에서 가압된 물이 분사됩니다.
공기 배출관 4와 물 배출관 5의 밸브를 동시에 열면 3방향 조인트 6에서 압축 공기와 가압된 물이 혼합되어 미스트로 분무됩니다. 공기 배출관 4와 물 배출관 5의 밸브 개방을 조절하면 공기 흐름과 물 미스트의 크기를 변경할 수 있습니다. 공급 용기의 수위가 h보다 낮으면 워터 미스트가 분사되지 않습니다.
이 경우 입구 파이프(3)를 통해 용기에 물을 추가하여 작동을 재개할 수 있습니다. 물 분사식 카본 아크 에어 가우징의 핵심은 균일하고 분산된 물 분무를 얻기 위해 잘 설계된 급수 어셈블리를 만드는 데 있습니다.
또한 압축 공기와 가압수를 혼합하기 위한 3방향 조인트 6은 에어 가우징 건에 최대한 가깝게 배치하여(일반적으로 10m 이내) 파이프 라인의 압력 손실을 최소화하고 건이 충분히 강력한 물 분무를 분사할 수 있도록 해야 합니다.
표준 카본 아크 에어 가우징 건은 약간의 조정을 통해 물 분사식 카본 아크 에어 가우징 건으로 사용하기 위해 쉽게 개조할 수 있습니다. 그림 6-8과 같이 원형 에어 가우징 건의 내부 본체 4와 내부 슬리브 2는 구리를 사용하여 왼쪽 끝을 함께 납땜하여 끝이 밀봉되도록 합니다.
또한 내부 몸체(4)의 공기 통로 구멍(5)의 내경이 1mm에서 1.5mm로 확대되어 물 분사 용도로도 사용할 수 있습니다.
1- 공작물 2- 공기 쟁기 총 3- 전원 공급 장치 4- 물 공급 장치 5- 공기 압축기
1-압축 공기 흡입관 2-용기 3-물 유입관 4-압축 공기 배출관 5-물 배출관 6-물 및 공기 혼합 3방향 파이프 조인트
1-납땜 지점 2-내부 슬리브 3-절연 외부 슬리브 4-내부 본체 5-공기 통로 오리피스
워터 제트 카본 아크 에어 쟁기의 작동 방법 및 에어 쟁기 품질에 영향을 미치는 요인은 카본 아크 에어 쟁기의 작동 방법과 동일합니다. 워터 제트 카본 아크 에어 플로우에서 18-8 스테인리스 강판의 공정 매개 변수는 표 6-6에 나와있어 홈의 표면 품질이 우수합니다.
표 6-6 18-8 스테인리스 강판의 워터젯 카본 아크 에어 플로우 공정 파라미터
| 카본 로드 직경(mm) | 7 | 물 분사량(mL/min) | 65 ~ 80 |
| 카본 아크 에어플로우 전류(A) | 400 ~ 500 | 홈 깊이(mm) | 4~6 |
| 기압(MPa) | 0. 45 ~ 0. 60 | 홈 너비(mm) | 9 ~ 11 |
18-8 스테인리스강용 워터젯 카본 아크 에어플로어는 카본 아크 에어플로어로 인한 환경오염 위험을 극복할 뿐만 아니라 물의 냉각 효과로 홈 표면의 열을 감소시켜 내식성 저하를 방지합니다.
워터젯 카본 아크 에어플로어와 카본 아크 에어플로어 사용 시 발생하는 먼지의 측정값은 표 6-7에 나와 있습니다. 표의 측정 결과를 보면 워터젯 카본 아크 에어 쟁기 방식이 작업 환경의 먼지 함량을 크게 줄인다는 것을 알 수 있습니다. 워터젯 카본 아크 에어플로 방식을 밀폐된 용기 내에서 에어플로 작업을 할 때 이점은 더욱 두드러집니다.
표 6-7: 카본 아크 에어 가우징으로 발생하는 먼지 측정값
| 측정 위치 | 먼지 측정/(mg/m³) | 카본 아크 에어 가우징과 비교한 워터젯 카본 아크 에어 가우징의 감소 수준 | |
| 카본 아크 에어 가우징 | 워터젯 카본 아크 에어 가우징 | ||
| 가우징 시 테스트 플레이트 바로 앞 1.0m, 위 0.5m에 위치합니다. | 56.3 | 13.8 | 75. 5% |
| 용접 중 테스트 플레이트 뒤의 헬멧 영역. | 11.5 | 1.15 | 90% |
이 절단 방식은 산소 연료 불꽃 절단에 비해 조작이 간단하고 비용이 저렴하며 생산 효율이 높다는 장점이 있습니다.
워터젯 용융 전극 아크 절단 방식은 절단 와이어가 공작물과 접촉하여 아크를 점화하여 금속을 녹인 다음 고압, 고속 워터젯 충격으로 빠르게 제거하여 절단 토치가 움직이면서 절개를 형성하는 방식입니다.
고압 워터 제트의 효과로 인해 절개의 열 영향 영역이 작아 입계 부식의 발생을 줄이거 나 방지 할 수 있으므로 18-8 스테인리스 강판 절단에 매우 유용합니다. 카본 아크 에어 가우징과 비교하여 작업 영역의 대기 오염을 줄이고 작업 환경을 개선 할 수도 있습니다.
워터젯 용융 전극 절단 장비는 기존 MZ-1000(EA-1000) 수중 아크 용접기를 개조할 수 있습니다.
수정 후 와이어 공급 속도는 740-2000mm / 분, 이동 속도는 73-1600mm / 분이며 용접기의 동력 특성은 처짐 특성에서 평평한 특성으로 변경됩니다. 또한 40W-40 와류 워터 펌프 (5.4m3/h, 1.73kW, 수두는 40m)가 필요하며 수압은 배수로로 제어됩니다.
절단 노즐에는 특정 요구 사항이 있습니다. 워터 제트는 충분한 충격력을 가진 집중적이고 원주형이어야 합니다. 워터젯과 커팅 와이어는 동축을 유지하고 공작물 표면에 수직을 유지해야 합니다. 절단 노즐의 구조적 치수는 그림 6-9에 나와 있습니다.
절단 시 전도성 노즐(3)의 밀봉은 매우 중요하며, 부적절한 밀봉으로 인해 고장이 발생하는 경우가 종종 있습니다.
1-노즐 2-헤드 챔버 3-전도성 노즐 4-조인트 5-너트 6-수도관 7-가이드 와이어 헤드
스테인리스 강판을 절단할 때는 직류 전원을 역극성으로 연결하여 사용해야 합니다. 무부하 전압은 60-70V, 아크 전압은 40-60V여야 합니다. 노즐과 공작물 사이의 간격은 10-15mm여야 합니다. 절단 와이어는 직경 2.6mm의 일반 철선을 선택해야 합니다. 기타 공정 매개변수는 표 6-8에서 확인할 수 있습니다.
절단할 스테인리스 스틸의 두께는 30mm를 넘지 않아야 합니다. 단층 강판 절단을 수행하거나 두세 층의 강판을 쌓아서 함께 절단할 수 있습니다.
표 6-8 워터젯 용융 전극 아크 절단을 위한 파라미터
| 플레이트 두께(mm) | 차단 전류(A) | 절단 속도(mm/min) | 와이어 이송 속도(m/min) | 수압(MPa) |
| 30 | 750 | 340 | 8~12 | 1.5 |
| 17 | 600 | 420 | 8~12 | 1.5 |
| 10 | 800 | 450 | 8~12 | 1.5 |
| 6 | 650-700 | 165 | 1.8 | 0.6 |
| 6(두 개의 레이어) | 500-700 | 73 | 1.89 | 0.45 |
| 5(두 개의 레이어) | 800 | 139 | 1.78 | 0.5 |
| 4(3개 레이어) | 900 | 381 | 1.83 | 0.5 |
이 방법을 절단에 사용할 때 바닥의 한쪽에 슬래그가 집중적으로 쌓이는 것을 방지하려면 절단하기 전에 절단 와이어와 워터 제트의 동축성을 최대한 조정하고 절단 와이어와 공작물의 수직을 확인하는 것이 중요합니다.
원형 공작물을 절단할 때는 노즐 및 와이어 공급 메커니즘의 캐리지와 공작물 사이의 절연 상태를 잘 유지하여 전류가 최단 경로로만 통과하도록 하여 절단 와이어의 다점 전도를 방지하여 절단 안정성 및 품질에 영향을 줄 수 있도록 주의해야 합니다.
스테인리스 강판을 절단할 때 적절한 절단 파라미터를 선택하고 올바른 작동 방법을 사용하면 열 영향 영역이 뚜렷하지 않고 좁고 매끄러운 절개를 할 수 있습니다. 고압 워터 제트에 의한 빠른 냉각으로 절개 가장자리에서 금속 연소가 최소화되고 깔끔해지며 절개 바닥에 슬래그가 쌓이는 것을 줄일 수 있습니다.
워터젯 용융 전극 아크 절단 방식은 18-8 스테인리스 강판을 블랭킹하는 수단으로 널리 채택되고 있습니다.
플라즈마 아크 절단은 플라즈마 아크의 열 에너지를 사용하여 금속 재료를 절단하는 방법입니다. 플라즈마 아크는 기계적 압축, 열 수축, 자기 수축의 세 가지 압축 효과를 통해 절단 토치 내부에 형성되는 압축된 전기 아크입니다.
이는 노즐 내부의 아크 컬럼 단면을 압축하여 집중된 에너지, 고온 및 제어 가능한 화염 속도와 같은 특성을 제공합니다.
플라즈마 아크 컬럼의 공기 흐름 속도는 매우 빠르고 코어 온도는 모든 금속과 비금속의 융점을 훨씬 초과하는 15000-30000℃에 이릅니다. 이 열원을 활용하여 고온에 강하고 열전도율이 좋으며 쉽게 산화되는 금속과 비금속을 절단하는 데 사용할 수 있습니다.
생산 공정에서 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄 및 그 합금을 절단하는 데 널리 사용됩니다. 플라즈마 아크 절단 공정은 금속을 절단할 때 산화 반응에 의존하지 않고 전기 아크 자체의 열을 이용해 절단 대상 금속을 녹이는 동시에 고속 공기 흐름을 통해 슬래그를 제거합니다.
윤곽 및 수치 제어 장치를 사용하여 다양한 재료에 사용할 수 있고 다양한 직경의 공작물과 다양한 곡선 부품을 절단할 수 있어 산소 연료 불꽃 절단보다 적용 범위가 더 넓습니다. 또한 빠른 절단 속도와 절단 시 변형을 최소화하는 것이 특징입니다.
압축 전기 아크의 형태에 따라 플라즈마 아크는 전달 아크와 비전달 아크로 분류할 수 있습니다. 일반적으로 금속 재료 절단에는 전달 플라즈마 아크 절단기가 사용됩니다. 절단 원리와 일반적인 절단 토치는 그림 6-10에 나와 있습니다.
플라즈마 아크 절단기는 수동식과 기계식으로 나뉩니다. 장비는 전원 공급 장치, 절단 토치, 제어 시스템, 가스 시스템 및 수냉 시스템으로 구성됩니다.
기계식 절단기에는 속도 조절이 가능한 절단 캐리지가 장착되어 있습니다. 현재 LG-400 모델과 같은 수동 절단기는 최대 스테인리스 스틸 절단 두께가 40mm인 직선 및 다양한 기하학적 형상의 수동 절단에 사용할 수 있습니다.
LG3-400 모델과 같은 기계식 플라즈마 아크 절단기는 직선과 원을 자동으로 절단할 수 있습니다. 또한 프로파일 절단 및 수치 제어 장치를 통해 모든 형태의 공작물을 절단할 수 있으며 최대 스테인리스 스틸 절단 두께는 40-60mm입니다.
원의 절단 직경은 200mm에서 1000mm까지입니다. 국내에서 생산되는 여러 플라즈마 아크 절단기의 기술 파라미터는 표 6-9에 나와 있습니다.
a) 절단 원리 b) 일반적인 절단 토치 1-가스 2-전극 3-노즐 4-냉각수 5-아크 6-작업물 7-하부 토치 본체 8-절연 너트 9-상부 토치 본체 10-조절 너트
표 6-9: 여러 플라즈마 아크 절단기의 기술 파라미터
| 제품 모델 | 전압/V | 무부하 전압/V | 작동 전압/V | 정격 차단 전류/A | 전류 조정 범위/A |
| LG-100 | 380 | 150 | 100 ~ 150 | 100 | 10 ~ 100 |
| LG400 | 220 | 180 ~ 270 | 70 ~ 120 | 400 | 120 ~ 400 |
| LG3400 | 220 또는 380 | 180 ~ 270 | 80 ~ 180 | 400 | 125 ~ 400 |
| LG500 | 380 | 400 | 100 ~ 250 | 500 | 100 ~ 500 |
| 제품 모델 | 부하 연속성 비율(%) | 전극 지름(mm) | 절단 속도(m/h) | 절단 두께(mm) |
| LG-100 | 60 | 2.5 | 6-170 | 2.5-25 |
| LG400 | 60 | 5.5 | 매뉴얼 | 40 |
| LG3400 | 60 | 5.5 | 3-150 | 40-60 |
| LG500 | 60 | 6.0 | 15 | 100-150 |
플라즈마 아크 절단 토치는 플라즈마 아크 용접 토치와 유사합니다. 일반적으로 전극, 전극 홀더, 노즐, 냉각수 재킷, 중간 절연체, 가스 및 수도관으로 구성됩니다. 작동 가스는 축 방향 또는 접선 방향 또는 두 가지를 조합하여 도입할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 플라즈마 아크에 최상의 압축 효과를 제공하는 접선 분사 방식입니다.
절단 토치의 전극은 노즐과 동축이어야 하며 노즐은 작동 가스와 절단 가스를 동시에 통과해야 하므로 노즐에 대한 품질 요구 사항이 높습니다. 이는 절단 기능, 절단 품질 및 노즐의 수명과 관련이 있습니다.
과거에는 토륨 텅스텐 막대(WT-15 또는 WT-20 등급)가 전극 재료로 일반적으로 사용되었지만 방사성 원소의 건강 영향으로 인해 사용이 중단되었습니다. 대신 세라믹 텅스텐 막대(WCe-20 ~ WCe-40)와 레늄 텅스텐 막대(W-1Re 또는 W-3Re)를 사용하는 것이 좋습니다. 전극 직경의 선택은 표 6-10에 표시된 대로 최대 허용 전류와 관련이 있습니다.
표 6-10: 다양한 직경의 전극에 대한 허용 전류
| 전극 지름(mm) | 4 | 5 | 6 |
| 최대 허용 전류(A) | 250 | 360 | 550 |
가스 선택
현재 플라즈마 아크 절단에 일반적으로 사용되는 가스는 표 6-11에 표시된 것처럼 질소, 수소, 아르곤 및 이들의 혼합물입니다. 이 중 질소는 가장 비용 효율적이고 사용 중 위험이 적으며 가장 광범위하게 사용됩니다. 노즐 및 전극 손상을 방지하기 위해 국가 표준(GB/T3864-2008)을 준수하는 질소 가스를 선택하는 것이 중요합니다.
절단 가스는 아크 컬럼과 노즐 벽 사이에서 단열재 및 절연체 역할을 하여 아크를 압축하여 안정적인 연소를 보장합니다. 동시에 이온화 매체와 아크 열의 전도체 역할을 하여 가열 후 공작물을 빠르게 녹입니다.
또한 도입된 가스는 전극을 냉각하는 역할도 합니다. 유사한 공정 조건과 유사한 공정 파라미터에서 질소 가스 흐름이 절단 품질에 미치는 영향은 표 6-12에서 확인할 수 있습니다.
표 6-11: 플라즈마 아크 절단에 일반적으로 사용되는 가스
| 공작물 두께(mm) | 가스 유형 | 개방 회로 전압(V) | 절단 전압(V) |
| ≤120 | N2 | 250 ~ 350 | 150~200 |
| ≤150 | N2 + Ar (φN2 60% ~ 80%) | 200~300 | 120 ~ 200 |
| ≤200 | N2 + H2 (φN2 50% ~ 80%) | 300 ~ 500 | 180 ~ 300 |
| ≤200 | Ar + H2 (φH2 0 ~ 35%) | 250 ~ 500 | 150 ~ 300 |
표 6-12: 질소 유량이 절삭 품질에 미치는 영향
| 차단 전류(A) | 절단 전압(V) | 가스 유량(L/h) | 커프 너비(mm) | 커프 표면 품질 |
| 240 | 84 | 2050 | 12.5 | 과도한 드르로스 |
| 225 | 88 | 2200 | 8.5 | 약간의 쓰레기 |
| 225 | 88 | 2600 | 8 | 가벼운 드로스 |
| 230 | 88 | 2700 | 6.5 | 드르로스 없음 |
| 235 | 82 | 3300 | 10 | 약간의 쓰레기 |
| 230 | 84 | 3500 | 완전히 잘리지 않음 |
프로세스 매개변수
스테인리스 스틸에 플라즈마 아크 절단을 사용할 때는 매끄러운 금속 표면, 최소한의 드로스, 좁은 커프 폭을 보장하기 위해 적절한 공정 파라미터를 선택하는 것이 중요합니다.
스테인리스 강판 절단과 관련된 공정 파라미터는 표 6-13에서 확인할 수 있습니다. 파라미터를 잘못 선택하면 절단 품질이 저하될 뿐만 아니라 절단 공정 중에 이중 아크가 발생하고 심한 경우 절단이 중단되고 노즐과 전극에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.
표 6-13: 스테인리스 스틸의 플라즈마 아크 절단을 위한 공정 파라미터
| 강판 두께(mm) | 노즐 직경(mm) | 절단 전압(V) | 차단 전류(A) | 질소 유량(L/h) | 절단 속도(m/h) | 절단 폭(mm) |
| 8 | 3 | 120 | 185 | 2100~2300 | 40 ~ 50 | 4.2 |
| 12 | 120~130 | 200 ~ 210 | 2300~2400 | 40 | 4.2 ~ 5.0 | |
| 16 | 120~130 | 210 ~ 220 | 2400~2600 | 40 | 4.5 ~ 5.5 | |
| 20 | 120~130 | 230~240 | 2500 ~ 2700 | 32 ~ 40 | 4.5 ~ 5.5 | |
| 25 | 125 ~ 135 | 260~280 | 2500 ~ 2700 | 45 ~ 55 | 5 ~ 6 | |
| 30 | 135 ~ 140 | 280~300 | 2500 ~ 2700 | 35 ~ 40 | 5.5 ~ 6.5 | |
| 40 | 3.5 | 140 ~ 145 | 320 ~ 340 | 2500 ~ 2700 | 35 | 6.5 ~ 8.0 |
| 45 | 3.5 | 145 | 320 ~ 340 | 2400~2600 | 20 ~ 25 | 6.5 ~ 8.0 |
| 100 | 4.5 | 145 | 380 | 2500 | - | - |
절단 속도는 절단 품질에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 출력을 일정하게 유지하면서 절단 속도를 높이면 열 영향 영역이 작아지고, 커프가 좁아지며, 열 영향 면적이 감소할 수 있습니다. 그러나 절단 속도가 지나치게 높으면 공작물을 관통하지 못할 수 있습니다.
절삭 속도가 너무 느리면 생산 효율이 떨어질 뿐만 아니라 표면이 거칠어지고 슬래그가 걸리게 됩니다. 절삭 속도가 절삭 품질에 미치는 영향은 표 6-14에 나와 있습니다.
표 6-14: 절단 속도가 절단 품질에 미치는 영향
| 차단 전류(A) | 절단 전압(V) | 절단 속도(m/h) | 커프 너비(mm) | 커프 표면 품질 |
| 160 | 110 | 60 | 5 | 약간의 슬래그 |
| 150 | 115 | 80 | 4.0 ~ 5.0 | 슬래그 없음 |
| 160 | 110 | 104 | 3.4 ~ 4.0 | 매끄럽고 슬래그 없는 |
| 160 | 110 | 110 | 슬래기 | |
| 160 | 110 | 115 | 잘라낼 수 없음 |
운영 기술
절단하기 전에 시작점을 깨끗이 청소하여 전기 전도성을 양호하게 유지해야 합니다. 두꺼운 공작물의 경우, 절단하기 전에 작은 아크를 사용하여 시작점을 예열하는 것이 가장 좋습니다.
절단은 공작물의 가장자리부터 시작해야 하며, 절단 토치는 가장자리를 뚫은 후 이동해야 합니다. 플레이트 가장자리에서 절단이 허용되지 않는 경우, 플라즈마 아크의 강한 분사력으로 인해 슬래그가 튀는 것을 방지하기 위해 강판의 시작 지점에 직경 약 1-5mm의 작은 구멍을 뚫어 작업을 어렵게 만들어야 합니다.
전극 끝에서 노즐 끝면까지의 거리는 10-15mm 이내로 제어해야 합니다. 적절한 거리는 아크가 노즐 내에서 잘 압축되어 에너지를 집중시켜 플라즈마 아크의 온도를 높이고 절단 성능을 향상시킵니다.
노즐에서 공작물까지의 거리는 10mm를 넘지 않아야 합니다. 거리가 너무 크면 아크 파워의 효과적인 활용에 영향을 미쳐 절단 성능이 저하되고, 거리가 너무 작으면 작업자가 제어하기 어렵습니다.
전체 절단 과정에서 절단 토치는 비뚤어지고 매끄럽지 않은 절단과 절단 바닥면에 드로스가 형성되는 것을 방지하기 위해 공작물 표면에 수직을 유지해야 합니다.
절단 품질을 개선하고 생산 효율성을 높이기 위해 일반적으로 절단 토치는 절단이 이루어지는 평면에서 절단 반대 방향으로 0~45도 기울일 수 있습니다. 얇은 판재를 절단할 때는 더 큰 후방 기울기 각도를 사용해야 하고, 두꺼운 판재를 절단할 때는 더 작은 후방 기울기 각도를 사용하는 것이 더 적합합니다.
물 압축 공기 플라즈마 아크 절단의 원리는 그림 6-11에 설명되어 있습니다. 절단 토치에서 작업 가스를 분사하는 것 외에도 용융 금속을 빠르게 배출하기 위해 고속으로 흐르는 워터 제트가 동반됩니다.
a) 방사형 물 입구 절단 원리
b) 축방향 물 입구 절단 원리
절단 토치의 고압 및 고속 물 흐름은 한편으로는 노즐을 냉각하고 다른 한편으로는 아크를 재압축하여 에너지 밀도가 높은 고압 압축 플라즈마 아크 기둥을 형성하여 절단할 공작물을 향해 직접 돌진하는 역할을 합니다.
절단 양쪽에 분사되는 물은 과도한 용융을 방지하고 수직 절단으로 인한 열 영향 영역을 줄이며 절단에 주입된 물의 일부는 플라즈마 아크의 고온에 의해 수소와 산소로 분해되어 작업 가스와 함께 절단 가스를 형성하여 플라즈마 아크에 더 높은 에너지를 부여합니다.
증발하지 않고 분해되지 않은 물은 아크에 강력한 냉각 효과를 주어 플라즈마 아크의 에너지를 집중시켜 절단 속도를 높입니다.
고속 수류가 노즐에 유입되는 방식에는 두 가지가 있습니다. 하나는 고압 수류가 노즐 오리피스로 방사형으로 유입된 후 절단 노즐의 중앙에서 분사되는 방식이고 다른 하나는 노즐의 주변 환형 물 통로에서 유입된 후 절단 토치에서 분사되는 축방향 유입 방식입니다.
축입수형 절단 토치는 그림 6-12에 나와 있습니다. 전극은 직경 6mm 세륨 텅스텐 전극을 사용하고 내부 노즐과 동일한 각도(30°)로 연마한 후 은 기반 납땜 재료를 사용하여 전극 노즐에 용접한 다음 냉각 슬리브에 용접합니다.
1- 외부 노즐 2- 내부 노즐 3- 하부 콜릿 너트 4-전극 노즐 5- 워터 실드 6- 실링 7- 실링 8- 실링 9- 냉각 재킷 10- 하부 건체 워터 재킷 11- 내부 냉각수 파이프 12- 입구 파이프 13- 절연 피복 14- 상부 콜릿 너트 15- 상부 건체
16- 센터링 나사 17- 센터 슬리브 18- 고정 너트 19- 조절 너트 20- 물 배출 노즐 21- 입구 파이프 22- 입구 공기 파이프 23- 출구 파이프 24- 전방향 공기 흡입구 25- 전극 26- 씰링 27- 재압축 물 파이프
이러한 용접부에는 누출이 없어야 합니다. 냉각수는 냉수 파이프에서 유입되어 내부 냉각수 파이프와 냉각 슬리브 사이의 틈새에서 흘러나옵니다. 이 냉각 방법을 사용하면 냉각수가 충분하기만 하면 몇 시간 동안 작동해도 전극 표면이 밝고 윤기 있게 유지되며 타는 흔적이 거의 없습니다.
물 압축 공기 플라즈마 절단 토치는 외부 노즐을 추가하여 플라즈마 아크 압축 채널을 효과적으로 연장하고 아크에 대한 압축 효과를 향상시킵니다. 절단 과정에서 외부 노즐이 절단되는 금속에 가까워 금속 스패터가 발생하고 이중 아크가 발생할 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 절연 층의 Al2O3를 약 0.2mm 두께로 순 구리 노즐의 외부 표면에 분사하거나 외부 노즐에 세라믹 소재를 사용하는 것이 가장 이상적입니다.
절단 조건에 따라 무부하 전압 400V 이상, 최대 600V의 정류 플라즈마 아크 절단 전원을 사용할 수 있습니다. 작동 전압 100-250V, 작동 전류 100-150A의 전원을 사용하여 스테인리스 스틸을 절단하면 슬래그를 완전히 제거할 수 있으며, 절단 상단 가장자리가 날카롭고 요구 사항을 충족하는 수직성을 가진 좁은 절단을 형성합니다.
8mm 두께의 18-8 스테인리스 강판을 절단할 때 절단 폭은 4mm이며, 절단 표면에 변색이 없고 밝고 원래의 금속 광택이 유지됩니다.
물 압축 공기 플라즈마 아크 절단을 사용하는 경우 질소 유량은 일반 플라즈마 아크 절단에 사용되는 질소 유량보다 약간 낮아야 합니다.
특정 전력 조건에서 압축수 유량을 늘리면 절단이 눈에 띄게 밝아지고 직선화되지만 최적의 물 유량도 있습니다.
물의 흐름이 너무 높으면 과도한 아크 압축으로 인해 과도한 열 방출이 발생하여 아크가 불안정해지고 짧아져 슬래깅이 증가하며 절단이 방지될 수도 있습니다. 일반적으로 압축수 사용량은 0.5-1.5L/min이며, 수돗물로 공급할 수 있습니다.
절단 전류와 전압은 절단 품질에 큰 영향을 미치며, 플라즈마 아크의 절단력이 증가함에 따라 절단 속도와 두께도 증가합니다. 절단이 가능하다는 전제하에 고속 절단에 높은 입력 전력을 사용하는 것이 저속 절단에 낮은 입력 전력을 사용하는 것보다 절단 품질이 더 높다는 것이 입증되었습니다.
절단 두께를 늘릴 때 절단 전류만 증가하면 아크 컬럼이 두꺼워지고 노즐이 손상되기 쉽습니다. 절단 전류를 증가시키면서 가스 및 압축수 흐름도 증가시키면 아크 전압도 크게 변경되어 절단 능력이 눈에 띄게 증가하고 우수한 절단 품질을 유지할 수 있습니다.
절단을 시작할 때 노즐과 공작물 표면 사이의 거리는 일반적으로 6mm 이상이어야 하지만 10mm를 초과하면 아크를 시작하기 어렵습니다. 절단 과정에서 노즐과 공작물 표면 사이의 거리는 최대 20mm까지 달라질 수 있습니다. 이 시점에서 아크는 안정적으로 유지되고 절단 품질은 일관되게 유지됩니다.
수압 공기 플라즈마 아크 절단을 사용하여 다양한 금속을 절단하는 일반적인 파라미터는 표 6-15에 나와 있습니다.
표 6-15 다양한 금속의 물 재압축 공기 플라즈마 아크 절단을 위한 일반적인 절단 파라미터
| 자료 | 플레이트 두께(mm) | 개방 회로 전압(V) | 작동 전압(V) | 차단 전류(A) | 가스 유량(L/h) | 압축수 유량(L/min) | 절단 속도(m/h) | 노즐 직경(mm) | 커프 너비(mm) | |
| 내부 | 외부 | |||||||||
| 알루미늄 합금 | 17 | 480 | 180 | 260 | 1800 | 0.75 | 54 | 4 | 6 | 3. 5 |
| 알루미늄 합금 | 26 | 470 | 180 | 260 | 1800 | 1 | 45 | 4 | 6 | 4. 0 |
| 알루미늄 합금 | 38 | 490 | 190 | 290 | 2100 | 0.75 | 30 | 4 | 6 | 5. 0 |
| 알루미늄 합금 | 80 | 490 | 200 | 390 | 1350 | 1 | 15 | 4.3 | 6 | 10. 0 |
| 스테인리스 스틸 | 14 | 480 | 170 | 200 | 1650 | 1.25 | 54 | 4 | 6 | 4 |
| 스테인리스 스틸 | 18 | 480 | 180 | 300 | 1650 | 1.25 | 54 | 4 | 6 | 4 |
| 순수 구리 | 15 | 490 | 200 | 300 | 1350 | 1 | 54 | 4 | 6 | 4. 0 |
| 공구강 | 40 | 490 | 200 | 290 | 2100 | 0.75 | 30 | 4 | 6 | 5. 0 |
컷 품질 분석
18-8 스테인리스 강판의 절단면을 검사한 결과, 열 영향 영역의 측정된 폭은 0.02mm에 불과했습니다. 이렇게 열 영향 영역이 좁아지는 것은 물의 냉각 효과와 절단 속도 증가에 기인합니다. 절단은 직접 용접 할 수 있으며 용접 조인트는 내식성 검사를받을 수있어 입계 부식 경향이 없습니다.
공작물의 수냉식 절단은 기존 플라즈마 아크 절단에 비해 부드러운 절단, 절단 후 공작물의 열 변형 최소화, 더 좁은 커프 폭을 제공합니다.
환경 보호 분석
기존의 플라즈마 아크 절단은 다량의 금속 증기, 먼지 및 유해 가스를 발생시켜 흡입 시 작업자의 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 배기 먼지 제거 장치를 사용하더라도 절단 과정에서 발생하는 환경 오염과 상당한 소음을 완전히 근절할 수는 없습니다. 그림 6-13에 표시된 것처럼 정수 작업대를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다.
절단하는 동안 공작물은 정수 작업대의 물 탱크에 놓이고 탱크에 물이 추가됩니다. 물 표면은 공작물과 접촉할 때까지 공작물에서 약 20mm 떨어져 있습니다. 물 보조 압축 공기 플라즈마 아크 절단에서는 노즐에서 분사된 물이 플라즈마 아크를 둘러싸는 원뿔형 워터 커튼을 형성합니다.
절단 토치에서 방출되는 고속 가스는 절단 과정에서 발생하는 산화물 입자와 함께 물과 함께 대기로 유입되며, 이 모든 것이 탱크 바닥에 가라앉아 주변 공기로 확산되지 않습니다.
예를 들어 38mm 두께의 18-8 스테인리스 강판을 절단할 때 기존 플라즈마 아크 절단으로 25mm 길이를 절단하면 10g의 미세먼지가 발생하지만, 정수 작업대가 장착된 물 보조 압축 공기 플라즈마 아크 절단은 같은 길이에서 발생하는 미세 입자 먼지가 0.11g에 불과합니다.
물과 가스 혼합물은 또한 유해한 이산화질소를 줄이는 데 도움이 됩니다. 물 보조 압축 공기 플라즈마 아크 절단기와 정수 작업대를 사용할 때 물을 최적으로 배치하면 주변 공기 중 이산화질소 배출을 80%까지 줄이는 동시에 플라즈마 아크 절단 중 소음도 줄일 수 있습니다.
수중에서 공작물을 약 200mm 절단할 경우 물의 특성상 절단 소음을 약 15dB까지 줄일 수 있으며 절단 과정에서 발생하는 강한 아크광, 금속 입자, 먼지, 연기, 자외선을 흡수해 작업 환경의 청결도를 크게 개선하고 작업자의 건강에도 도움이 됩니다.
물론 이 시나리오에서는 절단선을 볼 수 없기 때문에 기계적 절단만 사용할 수 있으며, 이는 플라즈마 아크 절단이 발전하는 방향이기도 합니다.
공기 플라즈마 아크 절단은 단일 공기 및 복합 공기 두 가지 형태로 존재합니다. 절단 원리와 절단 토치는 그림 6-14에 설명되어 있습니다.
a) 단일 공기 절단 원리 b) 복합 절단 원리 c) 일반적인 단일 공기 절단 토치
1 - 전극 냉각수
2 - 전극
3 - 압축 공기
4 - 임베디드 압축 노즐
5 - 압축 노즐 냉각수
6 - 아크
7 - 공작물
8 - 작동 가스
9 - 외부 노즐
이 방법은 공기 압축기의 압축 공기를 플라즈마 아크 절단을 위한 작업 가스로 사용합니다. 이러한 형태의 공기 플라즈마 아크 절단은 비용 효율적이며 가스 공급원을 쉽게 구할 수 있습니다. 압축 공기는 아크에서 가열되고 이온화되며, 생성된 산소는 절단 금속과 화학적 발열 반응을 일으켜 절단 속도를 가속화합니다.
완전 이온화된 공기 플라즈마의 높은 엔탈피는 큰 아크 에너지를 생성합니다. 일반 플라즈마 아크 절단에 비해 절단 속도가 빨라 스테인리스 스틸, 탄소강, 알루미늄 및 기타 두께 30mm 이하의 재료를 절단하는 데 특히 적합합니다.
국내에서 생산되는 여러 에어 플라즈마 아크 절단기의 기술 파라미터는 다음과 같습니다.
표 6-16 국내 생산 공기 플라즈마 아크 절단기 몇 가지의 기술 파라미터
| 제품 모델 | 전압 / V | 무부하 전압/V | 작동 전압/V | 정격 절단 전류 / A | 전류 제어 범위 / A | 듀티 사이클(%) | 전극 직경 / mm | 절단 두께 / mm |
| LGK8-25 | 380 | 250 | 120 | 25 | - | 40 | - | 1~8 |
| LGK8-40 | 380 | 240 | 110 | 40 | 20 ~ 40 | 40 | 3.5 | 10 |
| LGK8-60 | 380 | 230 | 120 | 60 | 40 ~ 60 | 60 | 5 | 25 |
| LGK8-100 | 380 | 220 | 110 | 100 | 50 ~ 100 | 60 | 10 | 30 |
| LGK8-150 | 380 | 기계식 420 | 150 | 150 | 탭 스타일 | 60 | 30 | |
| 매뉴얼 240 |
이 절단 방식의 전극은 산화 및 부식이 심해 전극 마모가 심하기 때문에 기존의 순수 텅스텐 전극이나 토륨 텅스텐 전극은 사용할 수 없습니다. 일반적으로 구리 베이스에 내장된 순수 지르코늄 또는 순수 하프늄 전극을 사용합니다. 순수 지르코늄 또는 순수 하프늄 전극을 사용하더라도 수명은 일반적으로 5~10시간에 불과해 교체가 필요합니다.
표 6-17에는 스테인리스 강판의 공기 플라즈마 아크 절단에 대한 공정 파라미터가 나와 있습니다.
표 6-17 스테인리스 강판의 공기 플라즈마 아크 절단을 위한 공정 파라미터
| 공작물 두께 / mm | 노즐 조리개 / mm | 무부하 전압/V | 작동 전압/V | 절단 전류 / A | 압축 공기 유량 / (L/min) | 절단 속도 / (cm/min) |
| 8 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 20 |
| 6 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 38 |
| 5 | 1 | 210 | 120 | 30 | 8 | 43 |
스테인리스 강판 절단 외에도 에어 플라즈마 아크는 스테인리스 강 용접부의 루트 클리닝에도 사용할 수 있습니다. 플라즈마 아크 루트 클리닝은 고에너지 플라즈마를 사용하여 금속을 녹인 다음 용융된 금속을 이온화된 가스로 날려 침탄 없이 비교적 매끄러운 루트 표면을 만들어 연삭이 필요 없고 직접 용접할 수 있습니다.
한 회사에서 샘플 크기가 200mm×80mm×40mm인 04Cr13Ni5Mo 마르텐사이트 스테인리스 강판에 대한 실험을 수행했습니다. 그들은 에어 플라즈마 아크와 기계적 방법을 모두 사용하여 V 홈 베벨을 만든 다음 동일한 용접 재료와 매개 변수를 사용하여 용접한 다음 맞대기 접합 균열 테스트를 수행했습니다.
테스트 결과 상온에서 두 가지 방법으로 가공한 베벨에는 소량의 단면 균열이 나타났지만, 샘플을 50°C로 예열한 후 용접한 경우에는 균열이 나타나지 않았습니다. 이는 에어 플라즈마 아크를 사용하여 베벨을 가공해도 용접 조인트에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 것을 의미합니다. 절단에 사용되는 플라즈마 아크는 고도로 집중된 에너지, 짧은 아크, 단단한 아크가 특징입니다.
뿌리 청소에 사용할 경우 아크는 경로를 따라 깊고 좁은 홈을 남기므로 아크의 경도로 인해 매끄러운 표면을 얻기가 어렵습니다. 플라즈마 아크가 너무 부드러우면 노즐의 압축 효과에 악영향을 미칠 수 있습니다.
스테인리스 스틸 용융 금속의 유동성과 열전도율이 낮기 때문에 절단 바닥이 과열되는 경향이 있으며, 절단에 남아있는 용융 금속이 절단 하부와 융합되어 응고 후 제거하기 어려운 용접 비드를 형성합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 회사의 기술 인력은 수많은 시험과 토론을 거쳐 플라즈마 아크의 부드러움과 경도가 적당하고 아크 길이를 충분히 유지하며 루트 세척을 용이하게 하는 적합한 노즐을 개발했습니다. 그 결과 플라즈마 아크는 높은 루트 클리닝 효율과 높은 아크 안정성을 모두 달성하는 동시에 용접 비드 없이 비교적 매끄러운 절단 표면을 생성하고 슬래그를 쉽게 제거할 수 있게 되었습니다.
복합 공기 플라즈마 아크 절단 공정의 원리는 내부 노즐은 일반적인 작업 가스를 공급하고 외부 노즐은 압축 공기를 공급하는 이중층 노즐을 사용하는 것입니다.
이 절단 방법의 장점은 두 가지입니다. 하나는 절단 영역에서 발열 반응을 위해 압축 공기를 사용하여 절단 속도를 높이고, 다른 하나는 공기와 전극의 직접적인 접촉을 피하여 전극 마모를 줄이고 순수 텅스텐 또는 세라믹 텅스텐(텅스텐-레늄) 전극을 사용할 수 있다는 점입니다.
플라즈마 아크 절단은 질소, 수소, 아르곤, 산소 및 공기와 같은 작동 가스를 사용합니다. 절단 특성을 비교하면 표 6-18에 나와 있습니다.
표 6-18: 플라즈마 아크 절단에 사용되는 다양한 가스의 절단 특성 비교
| 절단 방법 | 아르곤-수소 플라즈마 아크 | 질소 플라즈마 아크 | 에어 플라즈마 아크 | 산소 플라즈마 아크 | 압축 공기와 물을 사용한 플라즈마 아크 |
| 절단 특성 | 탁월한 절단 성능, 절단 표면의 매끄러운 금속 광택, 질소 플라즈마 아크 절단에 비해 연기 및 먼지 감소, 더 좁은 커프. 단점: 슬래그가 달라붙기 쉽고, 절단 속도가 질소 플라즈마 아크 절단보다 20% ~ 30% 느리며, 두께 10mm 미만의 판금 절단에는 적합하지 않습니다. | 우수한 절단 성능, 우수한 절단 표면, 슬래그가 달라붙지 않음, 절단 공정 파라미터 설정 용이, 아르곤 및 수소 플라즈마 아크 절단에 비해 저렴한 가스, 낮은 운영 비용. 단점: 더 많은 연기와 NOx가 발생하고, 절단 표면에 질화물 층이 있어 용접 시 다공성이 발생할 수 있습니다. 아르곤 및 수소 플라즈마 아크 절단에 비해 전극 마모가 더 빠릅니다. | 합리적인 절단 성능, 우수한 절단 표면, 비교적 빠른 절단 속도, 슬래그가 없는 절단 표면을 쉽게 얻을 수 있으며 작업 가스에 쉽게 접근할 수 있고 운영 비용이 저렴합니다. 단점: 절단 표면에 질화물이 포함되어 있고, 절단되는 재료의 두께에 제한이 있으며, 전극과 노즐이 마모되기 쉽습니다. | 합리적인 절단 성능, 우수한 절단 표면, 빠른 절단 속도, 슬래그가 없는 절단 표면을 쉽게 얻을 수 있습니다. 단점: 절단하는 재료의 두께에 제한이 있고 전극과 노즐이 빨리 마모됩니다. | 절단 성능이 뛰어나며 절단 속도가 일반적인 질소 플라즈마 아크 절단보다 약 30% 빠릅니다. 절단 표면은 매끄럽고 밝으며 수직 절단 표면을 얻을 수 있으며 (절단면의 한쪽에만) 위쪽 가장자리가 날카 롭고 아래쪽 가장자리에 슬래그가 없습니다. 열 변형이 적고 빛, 유독 가스 및 연기와 같은 유해한 영향을 억제할 수 있습니다. 절단력이 강해 특히 두꺼운 판재 절단에 유리합니다. 단점: 절단면에 질화물 층이 있어 절단 상태를 확인하기 어렵습니다. 또한 물통이 있는 절단 플랫폼이 필요하며 더 높은 아크 파워가 필요합니다. |
플라즈마 아크 절단 과정에서 대기 오염과 소음을 해결하기 위해 수중 플라즈마 아크 절단을 활용하는 것이 효과적인 방법입니다. 이 방법은 절단할 재료를 물이 채워진 절단 풀에 평평하게 놓고 수중 절단용 특수 플라즈마 아크 커팅 건을 사용하는 것입니다. 절단하는 동안 플라즈마 아크 커팅 건은 수면 아래 약 100mm 아래에 잠기므로 유해한 연기를 차단하고 소음을 줄입니다.
수중 절단은 박판의 절단 변형을 없애고 절단 품질을 개선하며 열 절단으로 인한 스테인리스 스틸의 부식을 방지할 수 있습니다. 하지만 특수 밀폐형 물탱크와 대용량 순환수 펌프가 필요하기 때문에 장비에 대한 투자 비용이 증가합니다.
이 방법은 높은 절단 치수 정확도, 좁고 최소한의 경사 절단 이음새, 슬래그 감소, 매끄러운 절단 표면, 최소한의 열 변형이 특징입니다. 하지만 특수 플라즈마 아크 절단 전원과 토치를 포함한 고정밀 플라즈마 아크 절단 장비가 필요합니다. 표준 플라즈마 아크 절단 노즐과 비교한 미세 플라즈마 아크 절단 노즐의 구조는 그림 6-15에 나와 있습니다.
그림에서 미세 플라즈마 아크 절단 노즐의 구조가 3층 구조로 되어 있어 표준 노즐의 약 2배에 달하는 고농축 플라즈마 아크 에너지가 가능하다는 것을 확인할 수 있습니다.
또한 노즐의 수명을 연장하고 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 이 특수 장비는 이미 외국 제조업체에서 생산하고 있으며 정밀 제조 및 용접 구조물에 종사하는 국내외 기업들로부터 주목을 받고 있습니다.
a) 기존 플라즈마 아크 절단 토치 b) 정밀 플라즈마 아크 절단 토치.
레이저 절단은 새로운 열 절단 방법이며 스테인리스 스틸 절단에 떠오르는 별입니다. 레이저 빔의 높은 에너지를 활용하여 공작물을 열 절단합니다. 이 방법은 금속 및 비금속 재료 모두 절단에 사용할 수 있으며, 일부에서는 레이저 빔을 '절단날'이라고 부르기도 하는데 이는 과장된 표현이 아닙니다.
산업 생산에서 일반적인 레이저 절단 방법은 절단 메커니즘에 따라 레이저 기화 절단, 레이저 용융 절단 및 레이저 산소 절단으로 분류할 수 있습니다. 여러 열 절단 방법의 에너지 밀도 비교는 표 6-19에 나와 있습니다. 표를 보면 레이저 절단이 에너지 밀도가 가장 높다는 것을 알 수 있습니다.
표 6-19: 여러 열 절단 방법의 에너지 밀도 비교
| 절단 방법 | 에너지 밀도(W/cm²) | |
| 산소-연료 가스 불꽃 차단 | 5 × 104 | |
| 플라즈마 아크 절단 | 105 ~ 1.8 × 106 | |
| 레이저 커팅 | (연속) | 10 ~ 106 |
| (펄스) | 104 ~ 1010 | |
높은 절삭 에너지 밀도로 인해 공작물의 변형을 최소화하면서 정밀 절삭이 가능하므로 사용 전에 추가 가공이 필요하지 않습니다.
절단 정밀도는 0.1~0.2mm까지 가능하며, 절단 표면 거칠기는 약 12 마이크로미터(Ra)에 불과합니다. 특히 열에 영향을 받는 영역의 폭이 0.01~0.1mm에 불과할 정도로 커프가 매우 좁아 재료의 특성에 영향을 미치지 않습니다.
2kW 레이저 커터를 사용하여 두께 10mm 미만의 강판을 절단할 때 절단 속도는 플라즈마 아크 절단 속도와 비슷할 수 있습니다.
강철 및 비철 소재뿐만 아니라 플라스틱, 가죽, 천과 같은 비금속 소재도 절단할 수 있습니다.
절단하는 동안 강한 방사선이나 소음, 환경 오염이 발생하지 않아 작업자의 건강을 위한 더 나은 작업 환경을 조성합니다.
레이저 절단과 산소-아세틸렌 또는 화염 절단 및 플라즈마 아크 절단의 성능 비교는 표 6-20에서 확인할 수 있습니다.
표 6-20: 다양한 절단 방법의 절단 성능 비교
| 절단 방법 | 가스 절단(등압 아세틸렌 절단 노즐) | 플라즈마 아크 절단(질소 플라즈마 아크 230A) | 레이저 커팅(CO2가스 레이저, 1kW) | ||
| 열원 | 철-산소 연소 열 | 전기 에너지 | 빛 에너지 | ||
| 주요 적용 자료 | 저탄소강, 저합금강 | 저탄소강, 저합금강, 스테인리스강 및 기타 비철금속 | 다양한 강철, 대부분의 비철 금속, 세라믹, 플라스틱, 목재, 가죽 및 기타 비금속 | ||
| 커프 너비 | Medium | 대형 | 매우 작음 | ||
| 절단 치수 정확도 | 불량(편차 1~2mm) | 보통(편차 0.5~1.0mm) | 매우 높음(편차 0.1~0.2mm) | ||
| 절단 표면의 수직성 | 중요하지 않음 | 대형 | Small | ||
| 절단 표면의 거칠기 | 일반적으로 | Good | Good | ||
| 절단 표면 가장자리의 용융 깊이 | 중요하지 않음 | 상대적으로 큰 | Small | ||
| 열 영향 구역의 깊이 | 중요 | Medium | Small | ||
| 절단 속도(mm/min) | 플레이트 두께(mm) | <1 | 1 | 1 | >5000 |
| 2 | 1 | 1 | 3500 | ||
| 6 | 600 | 3700 | 1000 | ||
| 12 | 500 | 2700 | 300 | ||
| 25 | 450 | 1200 | - | ||
| 50 | 300 | 250 | - | ||
| >100 | <150 | - | - | ||
절단 장비에는 CO2 가스 레이저와 이트륨 알루미늄 가넷 고체 레이저의 주요 기술 사양은 표 6-21에 요약되어 있습니다.
표 6-21: 레이저 커터의 유형 및 주요 기술 파라미터
| 유형 | 파장/μm | 진동 양식 | 출력 전력 범위 | |
| 솔리드 스테이트 | 이트륨 알루미늄 가넷 | 1.065 | 연속 | 5 ~ 750 W |
| 가스 | CO2 | 10.63 | 연속 | 1W ~ 1.5kW |
보조 가스의 종류는 재료에 따라 다릅니다. 가연성 재료와 산화를 피해야 하는 금속을 절단하는 경우 불활성 또는 중성 가스를 사용합니다. 일반 금속 재료의 절단에는 산소를 사용할 수 있습니다. 레이저 산소 절단은 일반적으로 탄소강, 스테인리스강, 티타늄 및 티타늄 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 금속 재료를 절단하는 데 사용됩니다.
레이저 산소 절단은 레이저 에너지를 사용하여 재료를 발화점까지 가열한 다음 산소 흐름으로 연소시키는 산소 연료 불꽃 절단과 유사합니다. 그 결과 용융된 슬래그는 산소 흐름에 의해 절단 부위에서 제거됩니다.
산화 반응으로 인한 추가 열은 절단 속도와 품질을 크게 향상시킵니다. 완전히 산화될 수 있는 금속의 경우, 산소 연료 불꽃 절단에 비해 절단 속도를 약 10배까지 높일 수 있습니다. 레이저 산소 절단 토치의 일반적인 개략도는 그림 6-16에 나와 있습니다.
스테인리스 스틸의 레이저 산소 절단에 대한 공정 파라미터는 표 6-22에서 확인할 수 있습니다.
1 - 공작물 2 - 절단 노즐 3 - 산소 흡입 파이프 4 - 산소 압력 게이지 5 - 렌즈 냉각수 파이프 6 - 초점 렌즈 7 - 레이저 빔 8 - 반사 거울 냉각수 파이프 9 - 반사 거울 10 - 서보 모터 11 - 볼 나사 12 - 증폭 제어 및 구동 회로 13 - 위치 센서
표 6-22: 스테인리스강용 레이저 산소 절단의 특성 및 응용 분야
| 공작물 두께(mm) | 레이저 출력(W) | 절단 속도(cm/min) | 가스 절단 | 특성 및 애플리케이션 |
| 0.5 | 250 | 450 | 산소 | 변형 없음, 재료 절약, 노동력 절약. 항공기 부품, 헬리콥터 로터 부품 및 유사 부품 제조에 사용됩니다. |
| 2 | 250 | 25 | ||
| 3.175 | 500 | 180 | ||
| 1 | 1000 | 800 | ||
| 1.57 | 1000 | 456 | ||
| 6 | 1000 | 80 | ||
| 4.8 | 2000 | 100 | ||
| 6.3 | 2000 | 150 | ||
| 12 | 2000 | 40 |
높은 절단 정밀도, 고품질 및 빠른 절단 속도의 장점으로 인해 레이저 절단기는 국내외에서 널리 사용되고 있습니다. 수동 및 일반 기계식 레이저 절단기는 아직 산업 실용화 단계에 진입하지 못했으며, 현재 모든 응용 분야는 수치 제어(NC)로 제어되는 시스템을 활용하고 있습니다.
CNC 레이저 절단기의 주요 구성 요소에는 갠트리 프레임, 레이저, 광학 시스템, 레이저 커팅 헤드, CNC 제어 및 구동 시스템, 가스 공급 시스템, 연기 배출 및 먼지 제거 시스템 등이 있습니다.
국내외 유명 용접 및 절단 장비 제조업체는 스테인리스 스틸 절단의 최대 두께가 최대 16mm에 이르는 고품질 CNC 레이저 절단 장비를 생산할 수 있습니다.
현재 이트륨-알루미늄-가넷 고체 레이저는 일반적으로 수백 와트의 출력(주로 용접에 사용)을 가지고 있으며 두께가 1~2mm인 얇은 금속판만 절단할 수 있습니다.
최근 미국은 기존 구조용 레이저보다 40배 높은 에너지 밀도로 공작물에 레이저 빔을 생성할 수 있는 새로운 유형의 이트륨-알루미늄-가넷 고체 레이저를 개발하여 절단 성능을 크게 향상시켰습니다. 최대 38mm 두께의 초합금 소재를 절단하거나 25.4mm 두께의 금속 부품을 단 2초 만에 천공할 수 있습니다(피어싱 시간 2초).
CO2 가스 레이저는 일반적으로 출력이 1.5kW 미만이며 두께가 10mm 미만인 탄소강 및 다양한 비철금속을 절단하는 데 사용할 수 있습니다. 일본에서는 CO2 가스 레이저의 파장이 약 절반이고 에너지 밀도가 4배 이상 높은 5kW CO2 가스 레이저를 개발하여 두꺼운 판재를 절단할 수 있습니다.
레이저 커팅 기술의 적용을 촉진하기 위해 커팅 장비에 상당한 진전이 있었습니다. 고정식 커팅 토치와 플랫폼 이동식 커터가 있습니다. 플랫폼은 2~5 자유도를 가지고 있으며, 플랫폼 이동은 수치 제어 및 사전 프로그래밍 가능한 방법을 활용하고 컴퓨터 지원 설계(CAD) 시스템에 연결할 수 있습니다.
영국에서 개발된 이 절단기는 갠트리에서 움직이는 CO2 레이저 절단 장치로, 역시 수치로 제어됩니다. 레이저 커팅 헤드는 5자유도(X, Y, Z 좌표를 따라 직선 운동, 회전, 기울기)로 움직일 수 있어 세 방향으로 커팅할 수 있습니다.
레이저 절단은 스테인리스 스틸, 티타늄 및 티타늄 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 초합금 절단에 널리 사용됩니다. 원자력 산업과 항공 우주 산업에 광범위하게 적용되고 있으며, 최근에는 로봇으로 작동하는 자동차 차체 패널 절단에도 레이저 절단 기술이 사용되기 시작했습니다.
워터젯 절단은 열악하고 화재가 금지된 환경에서도 사용할 수 있는 새로운 유형의 냉간 가공 기술로 널리 주목을 받고 있습니다. 기계, 전자, 컴퓨터 및 자동 제어 기술을 통합하여 첨단 기술의 성과를 나타내며 최근 몇 년 동안 새로운 재료 가공 방법으로 부상하고 있습니다.
워터젯 절단의 원리는 고압의 순수한 물 또는 액체 슬러리를 절단 연마제와 함께 사용하여 절단 노즐을 통해 분사하여 고밀도 액체 기둥을 형성하고 충격을 통해 공작물을 직접 절단하는 것입니다. 수압에 따라 저압과 고압 워터젯 절단으로 구분할 수 있습니다. 그림 6-17과 6-18은 워터젯 절단의 공정 원리를 보여줍니다.
워터젯 커팅 기술은 다음과 같은 특징을 보입니다:
워터젯 압력은 수십에서 수백 메가파스칼에 달하며, 음속의 2~3배에 달하는 엄청난 제트 에너지 밀도를 생성하여 물체를 절단합니다. 공작물 절단 시 온도 상승이 매우 낮아 일반적으로 100°C를 넘지 않으며, 이는 다른 열 절단 공정에 비해 가장 두드러진 장점입니다.
따라서 절단 시 공작물 변형, 열 충격 영역 및 구조적 변화의 가능성을 제거하여 해양 석유 시추 플랫폼, 정유 공장, 대형 오일 탱크, 석유 및 가스 파이프라인과 같은 화재가 금지된 환경에서 안전하고 안정적으로 사용할 수 있습니다.
절단 표면은 매끄럽고 버와 산화물 잔여물이 없으며 절단 간격은 일반적으로 순수한 물을 사용하여 0.1mm 이내로, 절단 연마재를 추가하면 1.2~2.0mm 사이로 매우 좁게 제어됩니다. 절단 시 2차 가공이 필요하지 않으므로 가공 공정이 간소화됩니다.
워터젯 절단은 절단 두께의 범위가 넓으며 최대 절단 두께가 100mm를 초과합니다. 두께 2.0mm의 특수 강판의 경우 절단 속도는 100cm / 분에 도달 할 수 있습니다. 워터젯 절단의 절단 속도는 레이저 절단보다 약간 낮지만 절단 과정에서 많은 양의 절단 열을 발생시키지 않으므로 실제 응용 분야에서 워터젯 절단이 더 유리합니다.
이 절단 방법은 금속 및 비금속뿐만 아니라 복합 재료 및 열에 민감한 재료의 가공에도 적합합니다.
워터젯 절단 시에는 방사선, 튀는 입자, 먼지가 발생하지 않아 환경 오염을 방지할 수 있습니다. 연마성 워터젯 절단에서도 먼지와 절단 파편은 물의 흐름에 의해 수집기로 직접 씻겨져 작업자의 건강을 보장할 수 있습니다. 환경 친화적 인 가공 방법으로 간주 될 수 있습니다.
앞서 언급한 장점으로 인해 워터젯 절단은 항공 우주, 원자력, 석유, 화학 공학, 수중 공학 및 건설과 같은 산업에서 광범위한 전망을 가지고 있습니다.
현재 워터젯 커팅에는 저압과 고압 워터젯 커팅의 두 가지 방법이 있습니다.
저압 워터젯 절단은 그림 6-17과 같이 고압의 물(14~69MPa)과 절단 연마재를 가압 탱크에서 미리 혼합한 후 호스를 통해 혼합된 연마재 슬러리를 절단 건으로 직접 전달하여 절단하는 방식입니다. 절단할 공작물은 절단 동력원으로부터 500m 떨어진 곳이나 수중에서도 절단할 수 있습니다.
고압 워터젯 절단은 그림 6-18과 같이 고압 물(240MPa 이상)과 건식 연마재를 각각의 호스를 통해 별도로 이송한 다음 커팅건의 혼합 챔버에서 혼합하여 공작물의 절단 과정을 완료하는 방식으로 이루어집니다. 절단할 공작물은 일반적으로 절단 전원 근처에 위치합니다.
저압과 고압 워터젯 절단이 동일한 조건에서 수행될 때, 전자의 물과 절단 연마재 소비량은 후자의 1/8-1/3에 불과합니다.
커팅 건 구조의 관점에서 볼 때 저압 워터젯 커팅의 커팅 건은 상대적으로 더 간단합니다. 에너지 소비 측면에서 저압 워터젯 절단은 에너지 소비가 적습니다. 따라서 저압 워터젯 절단은 현재 가장 효과적인 절단 공정입니다.
워터젯 절단에 사용되는 연마재에는 주로 다이아몬드, 감람석, 가넷, 구리 제련 슬래그, 산화물 등이 있습니다. 그중 구리 제련 슬래그가 비교적 이상적입니다. 첫째, 가격이 강철 모래 가격의 1/8~1/10에 불과할 정도로 저렴하고, 더 중요한 것은 절단 속도가 다이아몬드보다 30% 빠르다는 점입니다. 이는 구리 제련 슬래그의 입자가 비교적 날카롭기 때문입니다.
절단 공정 중에 공작물과 충돌하면 파손되어 더 많은 절삭 날을 형성합니다. 또한 워터젯 절단에 다이아몬드를 사용하면 절단 연마재가 모재에 쉽게 묻혀 용접 조인트의 기계적 특성과 같은 절단 영역의 특정 특성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 구리 제련 슬래그를 절단 연마재로 사용하면 이러한 결함을 극복할 수 있습니다.
절단 연마재의 입자 크기는 일반적으로 0.2~1.5mm가 필요하며, 이는 주로 절단 스프레이 건의 노즐 직경에 따라 달라집니다. 절단 연마재는 재활용하여 2~3회 재사용한 다음 체로 쳐서 지나치게 미세한 연마재를 제거할 수 있습니다.
절단 노즐의 경우 충분한 인성과 경도를 갖는 것 외에도 가장 중요한 측면은 우수한 내마모성으로 절단 노즐의 마모를 효과적으로 줄여 수명을 향상시키는 것입니다.
노즐 내경의 마모로 인해 절단 간격이 넓어져 절단 부분의 직각도가 감소합니다. 텅스텐, 실리콘 또는 경질 합금은 일반적으로 절단 노즐의 재료로 선택되지만 수명은 이상적이지 않습니다. 현재 노즐의 재료로 사파이어를 사용하는 것이 더 적합한 것으로 간주됩니다.
워터젯 절단에 일반적으로 사용되는 절단 재료와 절단 공정 파라미터는 표 6-23을 참조하십시오.
표 6-23: 일반적인 재료의 워터젯 절단 속도
| 자료 | 절단 두께 | 수압/MPa | 노즐 직경/물/연마제/mm | 절단 속도/(m/min) |
| 탄소강 | 12 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| 50 | 0. 1 | |||
| 스테인리스 스틸 | 13 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| 25 | 0. 2 | |||
| 티타늄 | 3. 2 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0.8 |
| 6. 4 | 0.6 | |||
| 알루미늄 | 12 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 6 |
| 100 | 0. 12 | |||
| 연성 철 | 15 | 350 | 0. 25 / 0. 76 | 0. 4 |
| 복합 재료 | 12 | 309 | 0.25 | 3. 5 |
| 석고 보드 | 15 | 294 | 0. 15 | 20 |
| 고무 | 15 | 377 | 0. 17 | 12 |
| 실리콘 고무 | 12 | 377 | 0. 12 | 3 |
| 단단한 고무 | 19 | 309 | 0. 25 | 6 |
| 천 | 20 | 309 | 0. 18 | 3 |
| 패브릭 | 20 | 377 | 0.2 | 6 |
| 가죽 | 1 | 343 | 0. 15 | 30 |
저압 워터젯 절단 공정을 사용하여 다양한 두께의 오스테나이트 스테인리스 강판을 절단하는 실험을 수행했습니다. 절단 노즐 직경은 1mm, 수압은 69MPa였으며 절단 속도, 절단 깊이, 연마재 사용량 간의 관계는 그림 6-19 및 6-20에 나와 있습니다(재질: 18-8 스테인리스강, 판 두께: 3mm).
워터젯 절단이 정밀 가공 공정으로 발전함에 따라 장비에 높은 정밀도가 요구되어 워터젯 절단기는 정밀 가공 도구가 되었습니다.
이 장비의 기술적 특성은 정밀 레이저 절단기와 동일합니다. 고압 워터젯 제너레이터(가압 장치), 워터젯 커팅 헤드, CNC 커팅 플랫폼, CNC 컨트롤러 시스템, 컴퓨터, 모래 제어 보조 장비로 구성됩니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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