[논문]고출력 CW Nd:YAG 레이저를 이용한 저탄소 냉연강판 절단시 모서리부 절단 특성 분석

안동규; 유영태

문제 정의

본 연구에서는 1.0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속 파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 저탄소 냉연강판 절단 시 절단속도, 레이저 출력, 재료 두께 및 평면 내 재료 절단각이 모서리 용융량 및 열영향 부 형성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이 연구 결과를 이용하여 공정변수와 모서리 경사각에 대한 모서리 용융량 상관관계 모델을 도출하며, 평면 내 각도 절단시 경로 수정이 필요 없는 임계 모서리각을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 1.0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속 파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 저탄소 냉연강판 절단 시 절단속도, 레이저 출력, 재료 두께, 평면 내 재료 절단각 및 루프 크기가 모서리용 융면적에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한, 평면 내 경사절단 시 용융면적을 최소화하기 위하여 절단 루프 크기와 모서리 용융량 관계를 분석/고찰하였다. 이 결과를 이용하여 루프 크기에 따른 모서리각, 유효입열량 및 재료 두께와 모서리 용융량 상관관계 모델을 도출하고자 한다.
0 kW 이상의 레이저 출력을 가진 고출력 연속 파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2 mm 이하의 저탄소 냉연강판 절단 시 절단속도, 레이저 출력, 재료 두께 및 평면 내 재료 절단각이 모서리 용융량 및 열영향 부 형성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이 연구 결과를 이용하여 공정변수와 모서리 경사각에 대한 모서리 용융량 상관관계 모델을 도출하며, 평면 내 각도 절단시 경로 수정이 필요 없는 임계 모서리각을 도출하고자 한다. 또한, 평면 내 경사절단 시 용융면적을 최소화하기 위하여 절단 루프 크기와 모서리 용융량 관계를 분석/고찰하였다.

제안 방법

각 평면경사 절단 조건에서 모서리용 융면적이 최소화 되도록 하는 루프 크기를 도출하기 위하여 루프 절단 실험을 수행하였다. 본 실험 결과 Fig.
이 연구 결과를 이용하여 공정변수와 모서리 경사각에 대한 모서리 용융량 상관관계 모델을 도출하며, 평면 내 각도 절단시 경로 수정이 필요 없는 임계 모서리각을 도출하고자 한다. 또한, 평면 내 경사절단 시 용융면적을 최소화하기 위하여 절단 루프 크기와 모서리 용융량 관계를 분석/고찰하였다. 이 결과를 이용하여 루프 크기에 따른 모서리각, 유효입열량 및 재료 두께와 모서리 용융량 상관관계 모델을 도출하고자 한다.
본 연구에 사용된 공정변수는 레이저 출력(P), 레이저 절단속도 (Vtr) 재료 두께 (T) 및 평면 내 모서리각 (Edge angle : 9) 이다.
절단 실험은 평면 각도 절단 실험과 루프 절단 실험을 수행하였다. 평면 각도 절단 실험에서는 Fig.

대상 데이터

레이저 빔의 공간 모드는 TEMoo 모드를 사용하였다. 레이저 초점 위치는 Karatas 등⑹의 연구 결과를 근거로 하여 예비 실험으로 결정된 시편 위레이저빔 직경이 최소화되는 절단 노즐과 시편 사이 거리로 선정하였다. 본 연구에 적용한 레이저 초점 거리는 사전 실험 결과 취득된 절단 노즐끝단과 시편 사이 거리 1.
본 실험에 사용된 연속 파형 Nd:YAG 레이저는 아크플래시 램프 펌핑장치가 부가된 레이저 발진기에서 생성된다. 레이저의 파장은 1.
본 연구에 사용된 저탄소 냉연강판의 재료 성분비와 기계적 물성은 각각 Table 1 및 2와 같다.
레이저 초점 위치는 Karatas 등⑹의 연구 결과를 근거로 하여 예비 실험으로 결정된 시편 위레이저빔 직경이 최소화되는 절단 노즐과 시편 사이 거리로 선정하였다. 본 연구에 적용한 레이저 초점 거리는 사전 실험 결과 취득된 절단 노즐끝단과 시편 사이 거리 1.0 mm 로 선정하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 최대 출력 2.8 kW의 연속 파형 Nd:YAG 레이저와 절단가스 분사 장치가 부착된 6자 유도 로봇레이저 절단시스템을 이용하였다.
2(b)와 같이 이동 경로의 평면 재료 절단 각 발생 부위에 루프 크기 (Size of loop : 5)만큼 추가적인 경로를 부여하였다. 실험에 사용된 루프 크기는 0 mm, 3 mm 및 5 mm로 선정하였다. 루프 절단 실험은 Table 3의 절단 속도중 Table 4와 같이 표면조도가 최소화되는 최적 절단속도에서 실험을 수행하였다.
평면 각도 절단 실험에 사용된 실험 범위는 Table 3과 같이 Ahn 등(2)의 연구에 의하여 제시된 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 시험 소재 절단 시각 출력별 표면조도가 최소화되는 절단속도 전후 영역을 선정하였다. 절단가스는 산소가스로 선정하였으며, 절단가스의 순도는 99.99 %이고 절단가스 압력 (Pg)은 0.1 MPa 로 하였다. 평면 내 모서리 각은 30° 에서 150° 까지 30° 간격으로 선정하였다.
평면 각도 절단 실험에 사용된 실험 범위는 Table 3과 같이 Ahn 등(2)의 연구에 의하여 제시된 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 시험 소재 절단 시각 출력별 표면조도가 최소화되는 절단속도 전후 영역을 선정하였다. 절단가스는 산소가스로 선정하였으며, 절단가스의 순도는 99.

이론/모형

6 mm 이다. 레이저 빔의 공간 모드는 TEMoo 모드를 사용하였다. 레이저 초점 위치는 Karatas 등⑹의 연구 결과를 근거로 하여 예비 실험으로 결정된 시편 위레이저빔 직경이 최소화되는 절단 노즐과 시편 사이 거리로 선정하였다.
레이저 절단공정에서 레이저 출력이 증가할수록 재료에 유입되는 에너지는 선형적으로 증가하고, 레 이저 절단속도가 증가할수록 재료에 유입되는 에너지는 반비례하게 감소한다7,13,14) 유효 입열량 모델은 레이 저 가공조건, 레이저 종류 및 재료에 따라 수학적 모델이 조금씩 다르게 표현된다. 본 연구에서는 Ahn 등의 연구결과에서 제시된 고출력 연속 파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 시험 소재 절단 시 유효입열량과 절단폭상관관계 유도시 도입된 식(2) 와 같은 유효입열량시 을 사용하였다.

성능/효과

1) 평면 각도 절단 실험을 통하여 절단 속도, 레이저 출력, 재료 두께 및 평면 내 재료 절단각과 모서리 용융 면적의 상관관계를 도출할 수 있었다. 또한, 평면 내 재료 절단각이 150° 이상인 경우에는 모서리 용융면적이 발생하지 않음을 알 수 있었다.
2) 동일유효 입 열량에서는 재료 두께가 증가할수록 모서리용 융면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 특히, 재료가 얇아질수록 유효입열량이 모서리용 융면적 생성에 미치는 영향이 커짐을 알 수 있었다.
3) 루프 절단 실험을 통하여 루프 크기와 모서리용융 면적의 상관관계를 도출할 수 있었다. 평면 내 재료 절단각이 90° 이상인 경우에는 루프크기 3 mm 이상에서는 모서리 용 융 면적 이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다.
Fig. 4에서 평면 내 재료 절단각이 작은 경우에는 모서리부에서만 집중적으로 용융영역이 형성되어 과용융이 발생하고, 평면 내 재료 절단각이 증가할수록 용용영역이 모서리부에서 주위 영역으로 퍼져나감으로써 국부적인 열집중이 둔화되어 용융면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
Fig. 8의 결과에서 루프 크기가 3 mm 와 5 mm 로 증가할 때 모서리용융면적의 크기가 각각 루프크기 3 mm 일 때의 30 ~ 60 % 및 20 ~ 30 % 정도로 현저히 감소함을 알 수 있었다. 특히, 루프 크기가 3 nun 이상인 경우는 평면 내 재료 경사각이 90° 이상인 영역에서는 모서리용융면적이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다.
5에서와 같이 레이저 출력의 증가 시 모서리부 용융면적은 선형적으로 증가하였다. 또한, 각 두께별 레이저 출력 증가에 따라 모서리 용용 면적은 거의 일정한 증분량을 나타내었다. 본 실험조 건에서 최대 모서리 용융면적은 0.
6의 유효입열량이 증가할 경우 모서리용융 면적이 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 동일유효입열량 조건에서 절단 시 편의 두께가 증가할수록 모서리 용융면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 재료 두께가 증가할수록 재료 내부로 전도 열손실되는 양이 증가하기 때문으로 사료된다.
특히, 루프 크기가 3 nun 이상인 경우는 평면 내 재료 경사각이 90° 이상인 영역에서는 모서리용융면적이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한, 두께가 얇아질수록 루프 크기의 모서리용융부 최소화에 미치는 영향이 현저히 증가함을 알 수 있었다.
평면 내 재료 절단각이 90° 이상인 경우에는 루프크기 3 mm 이상에서는 모서리 용 융 면적 이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 또한, 루프 크기가 3 mm 와 5 mm 로 증가할 때 모서리에서의 용융면적의 크기가 각각 루프크기 0 mm 일 때의 30 ~ 60 % 및 20 ~ 30 % 정도로 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 평면 내 재료 절단각이 30° 이하의 예각을 형성할 경우 루프 절단보다 모서리에 곡률 크게 부여하는 절단 방식이 모서리용융면적을 최소화하는 절단 방식일 것으로 사료된다.
본 실험 결과로부터 평면 내 재료 절단각이 90° 이상인 경우에는 절단 루프 크기를 3 mm 이상으로, 평면 내 재료 절단각이 90° 이하인 경우에는 루프 크기를 5 mm 내외로 설정하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 또한, 평면 내 재료 절단각이 30° 이하의 예각을 형성할 경우 루프 절단보다 모서리에 곡률 크게 부여하는 절단 방식을 채택하는 것이 모서리용융 면적을 최소화하는 절단 방식으로 사료된다.
본 실험 결과를 이용하여 CW Nd:YAG 레이저로 저탄소 냉연강판을 평면 내 각도 절단 수행 시 평면 내 재료 절단각이 150° 이상일 경우에는 루프처리나 모서리 곡률 부여와 같은 방법을 수행하고 않고 절단을 수행하여도 모서리부 용융이 거의 없이 정형가공이 가능함을 알 수 있었다.
이것은 재료 두께가 증가할수록 재료 내부로 전도 열손실되는 양이 증가하기 때문으로 사료된다. 재료 두께가 얇아질수록 유효입열량 변화에 대한 모서리용융면적 변화폭이 커지는 것을 알 수 있었다. 특히, 두께가 두꺼워지고 평면 내 재료 절단각이 120° 이상인 경우에는 고유 효입 열량 조건에서 용융면적의 변화가 거의 발생하지 않음을 알 수 있었다.
8의 결과에서 루프 크기가 3 mm 와 5 mm 로 증가할 때 모서리용융면적의 크기가 각각 루프크기 3 mm 일 때의 30 ~ 60 % 및 20 ~ 30 % 정도로 현저히 감소함을 알 수 있었다. 특히, 루프 크기가 3 nun 이상인 경우는 평면 내 재료 경사각이 90° 이상인 영역에서는 모서리용융면적이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한, 두께가 얇아질수록 루프 크기의 모서리용융부 최소화에 미치는 영향이 현저히 증가함을 알 수 있었다.
2) 동일유효 입 열량에서는 재료 두께가 증가할수록 모서리용 융면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 특히, 재료가 얇아질수록 유효입열량이 모서리용 융면적 생성에 미치는 영향이 커짐을 알 수 있었다.
그러나 평면 재료 절단 각 90° 와 150° 사이에서는 급격한 용융면적의 변화가 일어났다. 특히, 평면 내 재료 절단각이 120℃에서 90℃로 감소할 경우 거의 1.5배에서 2배 이상의 용융 면적이 증가함을 알 수 있었다.
7에서 루프 크기가 증가할수록 모서리 부의 용 융면적과 열영향부의 면적이 현저히 감소하는 것을 볼 수 있다. 특히, 평면 내 재료 절단각이 30°, 60° 및 90° 일 경우 루프 크기가 0 mm 일 때와 비교하여 루프 크기가 3 mm 와 5 mm 일 때 모서리 부에서 용융영역이 거의 발생하지 않고 원하는 가공형상이 구현됨을 알 수 있었다. 그러나 평면 내 재료 절단각이 30° 일 경우 모서 리부에드로스 (Dross)가 많이 증가하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 취득된 결과는 추후 최적 레이저 절단 경로 생성 프로그램에서 형상에 따른 최적 경로 보정량 계산 알고리즘 개발을 위한 지식 데이터베이스로 활용될 예정이다. 또한, 루프를 도입할 수 없는 형상이나 평면 내 모서리 각이 작은 경우에 필요한 모서리부 가공곡률과 용융면적의 상관관계에 대하여 연구를 계속적으로 수행할 예정이다.
본 연구에서 취득된 결과는 추후 최적 레이저 절단 경로 생성 프로그램에서 형상에 따른 최적 경로 보정량 계산 알고리즘 개발을 위한 지식 데이터베이스로 활용될 예정이다. 또한, 루프를 도입할 수 없는 형상이나 평면 내 모서리 각이 작은 경우에 필요한 모서리부 가공곡률과 용융면적의 상관관계에 대하여 연구를 계속적으로 수행할 예정이다.

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