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문제 정의
- 9-'° 그러므로, 레이저 절단 중 가공 조건에 대한 표면 조도 및 표면 굴곡 형성에 대한 다양한 실험 및 해석적 연구가 진행되고 있다. 质2 Schuocker 등은 CO? 레이저를 이용한 탄소강 절단시 절단폭내의 재료가 제거 되기 전 용융 층의 진동을 이용하여 주기적 표면 굴곡 생성의 원인을 규명하고자 하였다. 13 Arata 등 ” 과 Ivarson 등 ” 은 CO2 레이저를 이용한 탄소강 절단 시 반응성 가스의 산화 동역학을 이용하여 절단 무늬 표면굴곡 생성의 원인 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 1.0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 CSP 1N 냉연강판 절단시 절단속력, 레이저 출력, 재료 두께가 절단면 표면조도 및 표면 굴곡 형성에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 1.0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 CSP 1N 냉연강판 절단시 절단속력, 레이저 출력, 재료 두께가 절단면 표면조도 및 표면 굴곡 형성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한, 표면 조도와 표면굴곡 상관 관계를 분석 하였으며, 양호한 절단면 품질을 가지며 절단 속력을 최대화 할 수 있는 최적 절단 조건을 도출하였다.
제안 방법
- 고출력 CW Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 강판 절단면 분석을 통하여 재료 두께별 레이저 출력에 대한 최소 표면조도 절단속력 (Vr), 최대단위 길이당 평균 표면굴곡 발생빈도수를 가지는 절단 속력 (Vs" 및 최대 평균 표면굴곡 경사각을 가지는 절단속력 (Vs.a) 을 Table 4 와 같이 얻을 수 있었다.
- 또한, 평균표면 굴곡, 경사각은 절단면의 표면 굴곡.경사각이갑작이 변화되는 파단부 위의 영역인 절단부 영역에서 측정하였다. 단위 밀리당 표면굴곡 발생 빈도수와 평균 표면굴곡 경사각의 정의는 각각 식 (1), 식(2) 와 같다.
- Table 4 에서 최소 표면조도절단속력, 최대 단위길이당 평균 표면굴곡 발생 빈도수를 가지는 절단속력 및 최대 평균 표면 굴곡 경사각을 가지는 절단속력이 거의 비슷한 절단 속력 영역내에 있음을 알 수 있었다. 그러므로 표면 조도가 최소값 나타내는 절단속력을 각 재료 두께별 레이저 출력에 대한 최적절단속력 (V0P)으로 선정하였다.
- 그러므로, 평균조도를 나타내는 두께 방향 중심선 14 에서 표면조도를 측정하였다. 길이방향으로는 절단 품질 평가 길이 전체를 5 mm 간격으로 나누어 12 회 측정한 후, 취득된 데이터 값을 측정 횟수로 평균하여 취득하였다.
- 그러므로, 평균조도를 나타내는 두께 방향 중심선 14 에서 표면조도를 측정하였다. 길이방향으로는 절단 품질 평가 길이 전체를 5 mm 간격으로 나누어 12 회 측정한 후, 취득된 데이터 값을 측정 횟수로 평균하여 취득하였다. 한 측정지점에서는 3 회 표면 조도를 측정후 평균함으로써 해당 지점에 대한표면 조도를 산출하였다.
- 0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 CSP 1N 냉연강판 절단시 절단속력, 레이저 출력, 재료 두께가 절단면 표면조도 및 표면 굴곡 형성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한, 표면 조도와 표면굴곡 상관 관계를 분석 하였으며, 양호한 절단면 품질을 가지며 절단 속력을 최대화 할 수 있는 최적 절단 조건을 도출하였다.
- 시편은 아세톤으로 표면 세척 후 실험에 사용하였다. 레이저 절단 길이는 Ahn 등 7 의 연구와 같이 초기 레이저 안정화 길이 및 절단 종류부의 영향이 절단면 특성에 영향을 미치지 않게 하기 위하여 총 절단 길이 100 mm 중 중앙부 60 mm 만을 절단 품질 평가 길이로 선정하여 절단 품질 평가 길이에서만 표면 조도 및 표면굴곡 형성 특성을 분석하였다.
- 레이저 절단시 공정변수의 절단면 표면 굴곡 형성에 미치는 영향은 광학현미경으로 절단면을 확대 촬영하여 절단면에서 관측된 표면굴곡 발생 빈도수 및 표면굴곡 경사각을 측정하여 분석하였다.
- 레이저 절단시 시편과 레이저의 각도가 90 0 인 수직절단을 수행하였다. 시편은 아세톤으로 표면 세척 후 실험에 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 공정변수는 레이저 출력 (P), 레이저 절단속력 (VQ 및 재료두께 (T) 이다. 본 연구에 사용된 실험 범위는 Table 2 와 같이 Ahn 등 7 의 연구에 의하여 제시된 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 박판재 절단시각 절단 조건별 절단 가능영역에 1, 000 mm/min 여유 범위를 주어 선정하였다.
- 절단면은 절단 품질 평가 길이 내 6 곳을 10 mm 간격으로 Fig. 2 와 같은 크기로 촬영하였으며, 측정횟수 만큼 평균하여 단위 밀리당 평균 표면 굴곡 발생빈도수 (Average striation frequency per millimeter : F) 와 평균 표면굴곡 경사각 (Average striation an이e : %) 을 산출하였다. 평균 표면굴곡 경사각은 시편의 중앙부에서 측정하였다.
- 한 측정지점에서는 3 회 표면 조도를 측정후 평균함으로써 해당 지점에 대한표면 조도를 산출하였다. 표면조도는 Mitatoyo 사의 Surftest 402 촉침식 표면조도계를 이용하여 중심선 평균 거칠기 (Ra) 와 최대 조도 (Rmax) 값을 측정하였다.
대상 데이터
- 0 mm 이다. 레이저 빔의 공간모드는 TEM00 모드를 사용하였다. 본 연구에 .
- 본 실험에 사용된 연속파형 Nd:YAG 레이저는 독일 Trumpf 사 20 에서 제작된 아크 플래시 램프 펌핑 장치가 부가된 레이저 발진기에서 생성된다. 레이저의 파장은 1.06 nm 이며, 초점 크기는 0.6 mm 이다. Karatas 17 는 CO? 레이저로 1.
- 8 kW 의 연속파형 Nd:YAG 레이저와 절단가스분사 장치가 부착된 6 자유도 로봇 레이저 절단 시스템을 이용하였다. 본 실험에 사용된 연속파형 Nd:YAG 레이저는 독일 Trumpf 사 20 에서 제작된 아크 플래시 램프 펌핑 장치가 부가된 레이저 발진기에서 생성된다. 레이저의 파장은 1.
- 절단속력 (VQ 및 재료두께 (T) 이다. 본 연구에 사용된 실험 범위는 Table 2 와 같이 Ahn 등 7 의 연구에 의하여 제시된 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 박판재 절단시각 절단 조건별 절단 가능영역에 1, 000 mm/min 여유 범위를 주어 선정하였다. 절단가스는 산소가스로 선정하였으며, 절단가스의 순도는 99.
- 본 연구에서는 Fig. 1 과 같은 최대 출력 2.8 kW 의 연속파형 Nd:YAG 레이저와 절단가스분사 장치가 부착된 6 자유도 로봇 레이저 절단 시스템을 이용하였다. 본 실험에 사용된 연속파형 Nd:YAG 레이저는 독일 Trumpf 사 20 에서 제작된 아크 플래시 램프 펌핑 장치가 부가된 레이저 발진기에서 생성된다.
- 5 mm 강판을 절단할 때 시편내부에서 위치할 때 절단품의 절단폭, 표면조도가 최소화 되며 절단면의 표면 물결 무늬 개수가 최소화된다고 보고하였다. 이 결과를 이용하여 본 연구에서는 레이저 초점 위치는 예비 실험으로 시편위 레이저빔 직경이 최소화되는 절단노즐과 시편사이 거리로 선정하였다. 예비실험 결과 취득된 레이저 초점거리는 1.
- 본 연구에 사용된 실험 범위는 Table 2 와 같이 Ahn 등 7 의 연구에 의하여 제시된 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 박판재 절단시각 절단 조건별 절단 가능영역에 1, 000 mm/min 여유 범위를 주어 선정하였다. 절단가스는 산소가스로 선정하였으며, 절단가스의 순도는 99.99 % 이고 압력은 0.1 MPa 로 하였다.
이론/모형
- 각 공정조건별 표면조도 변화에 따른 절단면 형상 변화를 확인하기 위하여 광학식 3 차원 형상측정 장비 인 ACCURA2000 을 이용하였다.
성능/효과
- 6(a) 와 같이 절단면 전체가 양호한 절단상태를 나타내는 절단영역만을 나타내나, 평균 표면굴곡 발생빈도수에 대한 임계 절단 속력 이후에는 Fig. 6(b) 와 같이 절단면 하단부에 투입 열량 부족으로 인한 재료의 지연제거와 현저한 표면 굴곡 경사각 감소를 일으키는 파단영역이 급격히 성장하는 것이 관찰되었다.
- 3 차원 표면형상 측정기로 CSP 1 절단면 표면 형상 측정결과 Fig. 4 와 같이 절단속력이 감소할 경우 주기가 길고 높이가 높은 요철들이 발생하고 절단 속력이 증가됨에 따라 주기가 짧고 높이가 낮은 요철로 변하는 것을 알 수 있었다.
- Fig. 5 의 결과와 Fig. 3 의 결과를 비교/분석한 결과 레이저 절단속력이 증가할수록 절단면 표면 조도를 유발시키는 절단면 표면요철의 깊이는 감소하고 표면 요철 수는 증가하며, 재료두께와 레이저 출력이 증가하면 표면요철의 깊이가 증가하고 표면요철 수는 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 그러므로 고출력 CW Nd.YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 판재 절단시 절단면 두께방향으로 균일한 절단면 품질을 얻기 위해서는 재료두께 및 레이 저출력별 최소 평균 표면 굴곡 발생 속력 이하에서 절단을 수행하여야 됨을 알 수 있었다.
- 둘째, 재료두께, 레이저 출력 및 레이저 절단 속력과 절단면 표면굴곡 형성 특성의 정량적 척도인 평균 표면굴곡 발생 빈도수와 평균 표면굴곡 경사각의 상관관계를 도출할 수 있었다. 레이저 공정변수조합별 평균 표면굴곡 발생빈도수와 평균 표면 굴곡 경사각이 최대화는 임계절단속력이 존재함을 알 수 있었다.
- 평균 표면굴곡 발생빈도수가 최대화는 임계절단속력이후에는 절단면 하부에 파단영역이 급격히 성장하는 것을 알 수 있었다. 또한, 공정변수와 표면조도 및 표면굴곡 형성 특성의 상관관계를 분석하면 레이저 절단속력이 증가할 수록절단면 표면조도를 유발시키는 표면 요철의 깊이는 감소하고 표면 요철 수는 증가하며, 재료 두께와 레이저 출력이 증가하면 표면 요철의 깊이가 증가하고 표면 요철 수는 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 6 |im 범위 의 값을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 레이저 절단 속력 2, 000 mm/min 이하에서는 취입산소의 산화에 의한 측면연소효과가 커져서 표면조도가 급격히 증가됨을 알 수 있었다.
- 레이저 출력 및 재료 두께 증가시 평균 표면굴곡 경사각은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 임계 절단 속력 이후에 재료두께가 두꺼워 질수록 평균 표면 굴곡 경사각의 감소량이 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다.
- 이 현상은 재료두께가증가될수록 재료 융융을 위한 추가적인 열에너지가 필요하고 이로 인하여 절단면내 용융풀의 존재 시간이 길어져, 용융풀의 열에너지를 절단 재료 쪽으로 많이 절단시킴으로써 절단면 용융깊이가 깊어지고 용융주기가 길어지기 때문이다. 또한, 재료 두께가 증가 할수록 좁은 절단속력 영역에서 급격한 표면조도의 변화가 나타났다.
- 또한, 표면조도가 최소화되는 임계절단속력 범위내에서 중심선 평균거칠기의 경우 0.3 jim - 1.9 呻 범위 및 최대조도의 경우 1.8 呻 - 10.6 |im 범위 의 값을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 레이저 절단 속력 2, 000 mm/min 이하에서는 취입산소의 산화에 의한 측면연소효과가 커져서 표면조도가 급격히 증가됨을 알 수 있었다.
- 나타났다. 레아저 절단속력이 증가할수록 단위 밀리당 평면 표면굴곡 빈도수가 증가하다가 임계 절단 속력 이후에는 단위 밀리당 평균 표면굴곡 빈도수가 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 상관관계를 도출할 수 있었다. 레이저 공정변수조합별 평균 표면굴곡 발생빈도수와 평균 표면 굴곡 경사각이 최대화는 임계절단속력이 존재함을 알 수 있었다. 평균 표면굴곡 발생빈도수가 최대화는 임계절단속력이후에는 절단면 하부에 파단영역이 급격히 성장하는 것을 알 수 있었다.
- 평균 표면굴곡 경사각은 절단 속력증가 시 일정한 범위의 값을 나타내다가 임계 절단 속력 이후 현저히 감소하는 현상을 보였다. 레이저 출력 및 재료 두께 증가시 평균 표면굴곡 경사각은 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 임계 절단 속력 이후에 재료두께가 두꺼워 질수록 평균 표면 굴곡 경사각의 감소량이 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다.
- 레이저 출력과 재료두께가 증가할수록 단위 밀리당 평균 표면굴곡 발생빈도수는 감소하는 것으로 나타났다. 레아저 절단속력이 증가할수록 단위 밀리당 평면 표면굴곡 빈도수가 증가하다가 임계 절단 속력 이후에는 단위 밀리당 평균 표면굴곡 빈도수가 현저히 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험 조건에서는 레이저 출력이 증가할수록 절단면 표면조도가 조금씩 증가하나, 레이저 절단 속력과 재료두께의 표면조도 영향성이 레이저 출력의 표면조도 영향성 보다 크게 나타났다. 특히, 레이저 절단속력 2, 000 mm/min 인 경우에는 중심선 평균거칠기와 최대 조도가 모두 현저히 증가하였다.
- 본 실험조건에서는 CSP 1N 시편 절단면의 표면 조도가 Table 3 과 같이 중심선 평균 거칠기의 경우 최소 0.3 pm 에서 최대 1.9 gm 정도이며, 최대 조도는 최소 1.8 pm 에서 최대 10.6 pm 정도의 값을 나타내었다.
- 셋째, 공정변수와 표면조도 및 표면굴곡 형성 특성의 상관관계를 이용한 재료두께별 레이저 출력에 대한 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 CSP 1N 냉연강판 최적 절단 조건을 도출할 수 있었다. 또한, 이때 표면 조도의 범위는 최대 조도로 2.
- 이 현상은 모든 재료두께와 레이저 출력에서 동일하게 나타났다. 이 결과로부터 각 재료 두께와 레이저 출력에 대한 표면조도가 최소값을 가지는 임계절단속력이 존재함을 알 수 있었다.
- 8 은 재료두께별 레이저 출력에 대한 최적 절단 속력에서의 중심선 평균 거칠기와 최대조도 변화를 나타낸다. 이 결과로부터 고출력 CW Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 강판 절단시 각 최적 절단 조건에서 절단면의 최대조도 범위가 2.0 에서 6.2 pm 범위를 나타내는 제품을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- 재료두께가 증가할수록 절단면 표면조도가 증가하는 것으로 나타났다. 이 현상은 재료두께가증가될수록 재료 융융을 위한 추가적인 열에너지가 필요하고 이로 인하여 절단면내 용융풀의 존재 시간이 길어져, 용융풀의 열에너지를 절단 재료 쪽으로 많이 절단시킴으로써 절단면 용융깊이가 깊어지고 용융주기가 길어지기 때문이다.
- 첫째, 고출력 CW Nd:YAG 레이저의 출력과 절단 속력 및 CSP 1N 박판 두께와 중심선 평균 거칠기 및 최대 표면조도 상관관계를 도출할 수 있었다. 또한, 표면조도가 최소화되는 임계절단속력 범위내에서 중심선 평균거칠기의 경우 0.
- 7 은 실험결과 취득된 레이저 절단속력, 레이저 출력 및 재료두께와 평균 표면굴곡 경삭각의 상관관계이다. 평균 표면굴곡 경사각은 절단 속력증가 시 일정한 범위의 값을 나타내다가 임계 절단 속력 이후 현저히 감소하는 현상을 보였다. 레이저 출력 및 재료 두께 증가시 평균 표면굴곡 경사각은 증가하는 것으로 나타났다.
- 레이저 공정변수조합별 평균 표면굴곡 발생빈도수와 평균 표면 굴곡 경사각이 최대화는 임계절단속력이 존재함을 알 수 있었다. 평균 표면굴곡 발생빈도수가 최대화는 임계절단속력이후에는 절단면 하부에 파단영역이 급격히 성장하는 것을 알 수 있었다. 또한, 공정변수와 표면조도 및 표면굴곡 형성 특성의 상관관계를 분석하면 레이저 절단속력이 증가할 수록절단면 표면조도를 유발시키는 표면 요철의 깊이는 감소하고 표면 요철 수는 증가하며, 재료 두께와 레이저 출력이 증가하면 표면 요철의 깊이가 증가하고 표면 요철 수는 감소하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서 취득된 데이터베이스를 이용한 CW Nd:YAG 레이저 절단시스템 전용 최적절단경로 생성 CAD/ CAM 시스템 개발에 대한 연구가 계속되어야 할 것으로 사료된다.
- 추후, 추가적인 연구를 통하여 레이저 빔 초점 위치, 절단가스 압력, 레이저 빔 특성, 레이저 빔 공간 및 레이저 빔 편광 특성의 표면조도 및 표면 굴곡 형성 특성 영향성에 대한 연구가 계속 적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서 취득된 데이터베이스를 이용한 CW Nd:YAG 레이저 절단시스템 전용 최적절단경로 생성 CAD/ CAM 시스템 개발에 대한 연구가 계속되어야 할 것으로 사료된다.
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