레이저 절단은 높은 정밀도, 뛰어난 유연성, 불규칙한 형상 절단 능력, 그리고 높은 효율성과 같은 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특징 덕분에 기존 방식으로는 해결할 수 없었던 난제들을 해결할 수 있습니다. 오늘은 레이저 절단 기술의 기본적인 원리에 대해 알아보겠습니다.
레이저 절단은 세계에서 가장 발전된 절단 기술 중 하나입니다. 금속뿐 아니라 비금속 재료까지 절단할 수 있으며, 자동차, 기계, 가전제품 등 다양한 산업 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 레이저 절단은 높은 정밀도, 뛰어난 유연성, 불규칙한 형상 절단 능력, 그리고 높은 효율성 등의 특징을 가지고 있어 기존 방식으로는 해결할 수 없었던 난제들을 해결해 줍니다. 오늘은 레이저 절단 기술의 기본 원리에 대해 알아보겠습니다.
레이저 절단의 작동 원리
레이저 절단기는 고에너지 레이저 빔을 방출하는 레이저 발생기를 갖추고 있습니다. 레이저 빔은 렌즈를 통해 집속되어 매우 작고 고에너지의 광점을 형성합니다. 이 광점을 적절한 위치에 집중시키면 재료는 레이저 광의 에너지를 흡수하여 증발, 용융, 절삭 또는 발화점에 도달하게 됩니다. 그런 다음 고압의 보조 공기(이산화탄소, 산소, 질소)가 잔여물을 불어냅니다. 레이저 헤드는 프로그램으로 제어되는 서보 모터에 의해 구동되며, 미리 설정된 경로를 따라 재료 위를 이동하여 다양한 모양의 가공물을 절단합니다.
레이저 발생기(레이저 소스)의 종류
빛은 적색광, 주황색광, 황색광, 녹색광 등으로 분류할 수 있습니다. 빛은 물체에 흡수되거나 반사될 수 있습니다. 레이저광도 빛의 일종입니다. 레이저광은 파장에 따라 서로 다른 특성을 가집니다. 레이저 발생기의 이득 매질, 즉 전기를 레이저로 변환하는 매질은 레이저의 파장, 출력 및 적용 분야를 결정합니다. 이득 매질은 기체, 액체 및 고체일 수 있습니다.
1. 가장 대표적인 기체 상태 레이저는 CO2 레이저입니다.
2. 가장 대표적인 고체 레이저에는 파이버 레이저, YAG 레이저, 레이저 다이오드 및 루비 레이저가 있습니다.
3. 액체 레이저는 유기 용매와 같은 액체를 작동 매질로 사용하여 레이저 광을 생성합니다.
서로 다른 물질은 각기 다른 파장의 레이저 광을 흡수합니다. 따라서 레이저 발생기를 신중하게 선택해야 합니다. 자동차 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 레이저는 파이버 레이저입니다.
레이저 소스의 작동 모드
레이저 광원은 일반적으로 연속 모드, 변조 모드 및 펄스 모드의 세 가지 작동 모드를 가지고 있습니다.
연속 모드에서는 레이저의 출력 전력이 일정하게 유지됩니다. 따라서 재료에 전달되는 열이 비교적 고르게 분포되어 고속 절단에 적합합니다. 이는 작업 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 열영향부의 영향을 줄이는 효과도 있습니다.
변조 모드에서 레이저의 출력은 절단 속도의 함수가 됩니다. 각 지점의 출력을 제한함으로써 재료에 전달되는 열을 상대적으로 낮게 유지하여 절단면의 불균일성을 방지할 수 있습니다. 하지만 제어 방식이 다소 복잡하여 작업 효율이 높지 않고 단시간 사용에 제한이 있습니다.
펄스 모드는 일반 펄스 모드, 슈퍼 펄스 모드, 초강력 펄스 모드로 나눌 수 있지만, 주요 차이점은 강도뿐입니다. 사용자는 재료의 특성과 구조의 정밀도를 고려하여 선택할 수 있습니다.
요약하자면, 레이저는 대개 연속 모드로 작동합니다. 하지만 특정 재료의 경우, 최적의 절단 품질을 얻기 위해서는 이송 속도, 즉 가속도, 절단 속도, 회전 시 지연 시간 등을 조정해야 합니다. 따라서 연속 모드에서는 단순히 출력을 낮추는 것만으로는 충분하지 않습니다. 레이저 출력은 펄스 폭을 변경하여 조정해야 합니다.
레이저 절단 매개변수 설정
제품 요구 사항에 따라 최적의 매개변수를 얻기 위해서는 다양한 작업 조건에서 매개변수를 지속적으로 조정해야 합니다. 레이저 절단의 공칭 위치 정밀도는 최대 0.08mm, 반복 위치 정밀도는 최대 0.03mm입니다. 하지만 실제 작업 환경에서는 최소 허용 오차가 개구부의 경우 ±0.05mm, 구멍 위치의 경우 ±0.2mm 정도입니다.
재질과 두께에 따라 용융에 필요한 에너지가 다르기 때문에 레이저의 출력도 달라집니다. 생산 과정에서 공장주는 생산 속도와 품질 사이의 균형을 맞춰 적절한 출력과 절단 속도를 선택해야 합니다. 그래야 절단 영역에 적절한 에너지가 공급되어 재료를 효율적으로 용융시킬 수 있습니다.
레이저가 전기를 레이저 에너지로 변환하는 효율은 약 30~35%입니다. 즉, 약 4285W~5000W의 입력 전력으로 출력 전력은 약 1500W에 불과합니다. 실제 입력 전력 소비량은 공칭 출력 전력보다 훨씬 큽니다. 또한, 에너지 보존 법칙에 따라 나머지 에너지는 열로 변환되므로 산업용 냉각기를 추가해야 합니다.
S&A는 레이저 산업 분야에서 19년의 경험을 보유한 신뢰할 수 있는 냉각기 제조업체입니다. S&A에서 생산하는 산업용 냉각기는 파이버 레이저, CO2 레이저, UV 레이저, 초고속 레이저, 레이저 다이오드, YAG 레이저 등 다양한 레이저 냉각에 적합합니다. 모든 S&A 냉각기는 오랜 기간 검증된 부품으로 제작되어 문제 없는 작동을 보장하므로 사용자는 안심하고 사용할 수 있습니다.
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