[논문]저탄소 강판의 레이저 절단에서 자동 초점거리 추적이 절단 품질에 미치는 영향

안동규; 변경원; 유영태

[국내논문] 저탄소 강판의 레이저 절단에서 자동 초점거리 추적이 절단 품질에 미치는 영향
Effects of an Auto-tracking of the Focal Distance on the Quality of the Cut Part in the Laser Cutting of a Low Carbon Sheet 원문보기

한국공작기계학회논문집 = Transactions of the Korean society of machine tool engineers, v.16 no.4, 2007년, pp.101 - 107

안동규 (조선대학교 기계공학과) , 변경원 (조선대학교 일반대학원 기계공학과) , 유영태 (조선대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this research work is to investigate into effects of an auto tracking of the focal distance on the quality of the cut part in the cutting of a low carbon sheet using a high-power CW Nd:YAG laser. An auto-tracking system with a capacitance based distance control loop has been employed to perform a real control of the focal distance. In order to examine the influence of the auto-tracking of a focal distance on the optimum focal distance, the kerfwidth, surface roughness and the formation of the cut section, several linear cutting tests have been carried out using the auto-tracking system. The results of experiments have been shown that the optimum focal distance is 0.9mm. In addition, it has been shown that the variation of kerfwidth and the surface roughness of the cut part with control of the focal distance are reduced 40-80% and 30-55% in comparison with those of the cut part without tracking of the focal distance. From the results of the experiments, it has been found that the real time tracking of the focal distance can improve the part quality.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Biennann 등은 Nd.YAG 레이저 절단 및 용접공정에서 커페시터(Capacitor)센서 시스템을 이용한 초점거리를 실시간 제어가 제품 품질에 미치는 영향에 대하여연구하였다. Haran 등은 Nd:YAG 레이저를 이용한 1mm 강판 용접시 광행차를 이용한 실시간 초점거리 제어 방법이 용접 품질에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다
본 논문에서는 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 저탄소 강판 절단시 커페시턴스 기반의 초점거리 자동추적 시스템을 이용한 실시간 초점 거리 제어가 절단 품질에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 실시간 초점 거리 제어를 하지 않은 절단면과 실시간 초점 거리 제어를 수행한 절단면을 비교/분석하여 실시간 초점 거리에 따른 절단면 품질 변화를 분석/고찰하였다.
본 연구에서는 실시간 초점거리 제어가 절단면 품질에 미치는 영향성을 분석하기 위하여 절단면의 절단폭 및 표면 조도를 측정하였다.
본 논문에서는 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 저탄소 강판 절단시 커페시턴스 기반의 초점거리 자동추적 시스템을 이용한 실시간 초점 거리 추적이 절단 품질에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

영향에 대하여 연구하였다. 실시간 초점 거리 제어를 하지 않은 절단면과 실시간 초점 거리 제어를 수행한 절단면을 비교/분석하여 실시간 초점 거리에 따른 절단면 품질 변화를 분석/고찰하였다.
본 연구에서는 레이저 출력(P), 레이저 절단 속력(VQ 및 재료 두께(T)를 공정변수로 선정하여 실험을 수행하였다. 실험은 2단계 방법으로 수행하였다.
수행하였다. 실험은 2단계 방법으로 수행하였다. 1단계로 오토트레킹 시스템을 사용한 레이저 절단을 위한 최적 초점 거리 선정 실험을 수행하였다.
수직 절단 실험을 수행하였다. 시편은 아세톤으로 표면 세척하여 절단 실험 중 레이저 빔이 표면 이물질에 의한 흡수 및 반사의 영향을 받지 않도록 하였다. 실험은 오토트래킹 시스템을 이용한 실시간 초점거리 제어를 수행한 경우와 초점거리 제어 없이 절단한 경우를 각각 실시하여 절단면 품질의 변화를 비교/분석하였다.
시편은 아세톤으로 표면 세척하여 절단 실험 중 레이저 빔이 표면 이물질에 의한 흡수 및 반사의 영향을 받지 않도록 하였다. 실험은 오토트래킹 시스템을 이용한 실시간 초점거리 제어를 수행한 경우와 초점거리 제어 없이 절단한 경우를 각각 실시하여 절단면 품질의 변화를 비교/분석하였다.
3과 같은 직선 절단을 수행하였다. 절단 길이는 실험 분석시 초기 레이저 안정화 길이와 절단 최종 부가 절단면 품질 평가에 영향을 미치지 않도록 전체 100mm 로 선정하여, 60mm 이상의 절단 품질 평가 길이가 확보되도록 하였다.
절단폭은 절단면의 상부 절단면과 하부 절단면에 대한 절단 폭을 각각 측정하여 이들 절단폭을 평균하여 1회 측정값을 산출하였다. 절단폭은 광학현미경으로 절단면을 촬영한 후, 광학현미경의 거리 측정 기능을 이용하여 측정하였다.
산출하였다. 절단폭은 광학현미경으로 절단면을 촬영한 후, 광학현미경의 거리 측정 기능을 이용하여 측정하였다. 절단폭은 절단 품질 평가 길이내에서 10회를 측정하여 평균값으로 산출하였다.
표면조도는 시편 절단면의 최대높이(RmQ와 중심선 평균 거칠기(Ra)를 절단 품질 평가 길이내에서 5회 측정하여 평균값으로 산출하였다. 단면 측정 부위는 두께 방향으로 중심부를 측정하여 1회 측정값을 산출하였다.
산출하였다. 단면 측정 부위는 두께 방향으로 중심부를 측정하여 1회 측정값을 산출하였다. 표면조도는 Mitutotyo 사의 Suftest 402를 사용하였다_n
본 실험을 수행하기 전에 사전 실험으로써 최적 초점거리를 선정하기 위한 1단계 실험을 수행하였다. Fig.
1단계 실험결과 취득된 최적 초점거리로 실시간 자동 초점거리 추적을 수행하여 시편 절단 실험을 수행하였다. 또한, 이 결과를 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우와 비교하기 위하여 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우에 대한 시편 절단 실험을 수행하였다.
또한, 이 결과를 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우와 비교하기 위하여 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우에 대한 시편 절단 실험을 수행하였다.

대상 데이터

1과 같다. 본 실험에서는 최대 출력 2.8kW 의 연속파형 Nd:YAG 레이저와 동축 노즐을 가지는 절단 가스 분사 장치가 부착된 6 자유도 로봇 절단 시스템을 사용하였다.
레이저는 독일 Trumpf사'''에서 제작된 아크 플래시 램프 펌핑 장치가 부착된 레이저 발진기에서 생성된다. 레이저의 파장은 l, 064nmm이고, 초점 크기는 0.
레이저의 파장은 l, 064nmm이고, 초점 크기는 0.6mm이며, 빔 공간 모드는 TEMoo 모드이다. 레이저의 에너지 분포는 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 가진다.
본 실험에 사용된 시편은 자동차 및 구조물용으로 많이 사용되고 있는 CSP 1N 저 탄소강판으로 제작하였다. CSP 1N 저 탄소강판의 성분비는 Table 1과 같다.
실험은 2단계 방법으로 수행하였다. 1단계로 오토트레킹 시스템을 사용한 레이저 절단을 위한 최적 초점 거리 선정 실험을 수행하였다. 1단계 실험에서 선정된 최적 초점 거리를 이용하여 2단계 실험을 수행하였다.
1단계로 오토트레킹 시스템을 사용한 레이저 절단을 위한 최적 초점 거리 선정 실험을 수행하였다. 1단계 실험에서 선정된 최적 초점 거리를 이용하여 2단계 실험을 수행하였다. 실험조건은 Table 2와 같이 Ahn 등의 연구에서 제시된 실시간 초점거리 제어를 사용하지 않은 조건에서의 고출력 Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 박판재 절단시 각 출력 및 재료 두께별 최적 절단속례'7)으로 선정하였다.
1단계 실험에서 선정된 최적 초점 거리를 이용하여 2단계 실험을 수행하였다. 실험조건은 Table 2와 같이 Ahn 등의 연구에서 제시된 실시간 초점거리 제어를 사용하지 않은 조건에서의 고출력 Nd:YAG 레이저를 이용한 CSP 1N 박판재 절단시 각 출력 및 재료 두께별 최적 절단속례'7)으로 선정하였다.
단면 측정 부위는 두께 방향으로 중심부를 측정하여 1회 측정값을 산출하였다. 표면조도는 Mitutotyo 사의 Suftest 402를 사용하였다_n

데이터처리

절단폭은 광학현미경으로 절단면을 촬영한 후, 광학현미경의 거리 측정 기능을 이용하여 측정하였다. 절단폭은 절단 품질 평가 길이내에서 10회를 측정하여 평균값으로 산출하였다.

성능/효과

9mm일때 보다 1-6% 정도 크게 형성됨을 알 수 있었다. 또한, 초점거리가 1.0mm일 경우 시편의 절단 폭이 초점거리가 0.9mm일때 보다 4-25% 정도 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
이 결과들로부터 실시간 초점거리 추적을 수행할 경우 절단 폭이 최소화되고 시편의 후면에 드로스량이 최소화되는 최적의 초점거리가 0.9mm 임을 알 수 있었다. 또한, 실시간 초점거리 추적을 수행할 경우 최적 초점거리가 0.
9mm 임을 알 수 있었다. 또한, 실시간 초점거리 추적을 수행할 경우 최적 초점거리가 0.9mm로, 실시간 초점거리 추적을 수행하지 않은 경우 최적 초점거리인 LOmm"에 비하여 레이저 절단중 0.1mm 정도 노즐 끝단 부가 시편쪽으로 가까워짐을 알 수 있었다.
본 실험결과 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우 두께1.0mm, 1.6mm 및 2.0mm에 대하여 각각 0.56-0.63mm, 0.61-0.65mm 및 0.62-0.68mm의 절단폭이 형성됨을 알 수 있었다.
본 측정 결과 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우 시편두께 1.0mm, 1.6mm 및 2.0mm에 대하여 0.27-0.37|im, 0.48-0.62nm, 0.58-0.66|im의 중심선 평균 거칠기와 1.46- 1.90um, 2.26-3.Olum, 2.
26nm 정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 실시간 초점거리 추적을 수행하면 절단면의 거칠기가 중심선 평균 거칠기 측면에서 30-55%, 최대 조도 측면에서 30-54% 향상되어 보다 매끄러운 단면을 가지는 제품을 취득할 수 있음을 알 수 있었다.
(2) 실시간 초점 거리 추적을 수행할 경우 시편의 두께가 두꺼워질수록 절단폭이 감소하며, 시편 두께 변화에 대한 절단 폭 변화가 0.03-0.07mm 정도로 실시간 초점 거리추적을 수행하지 않은 경우보다 40-80% 정도 작아짐을 알 수 있었다. 또한, 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우와 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우의 절단면 형상은 유사하나, 실시간 초점거리를 수행한 경우가 시편 후면에 발생하는 드로스가 적게 발생함을 알 수 있었다.
07mm 정도로 실시간 초점 거리추적을 수행하지 않은 경우보다 40-80% 정도 작아짐을 알 수 있었다. 또한, 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우와 실시간 초점 거리 추적을 수행하지 않은 경우의 절단면 형상은 유사하나, 실시간 초점거리를 수행한 경우가 시편 후면에 발생하는 드로스가 적게 발생함을 알 수 있었다.
(3) 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우가 실시간 초점 거리추적을 수행하지 않은 경우 모두가 절단면의 형상은 거의 유사하나, 실시간 초점거리 추적을 수행한 경우가 절단면의 거칠기가 중심선 평균 거칠기 측면에서 30-55%, 최대 조도 측면에서 30-54% 향상됨을 알 수 있었다.
(1) 실시간 초점거리 추적을 수행할 경우 절단폭과 시편 후면의 드로스가 최소화되는 최적 초점거리가 0.9mm임을 알 수 있었다.

참고문헌 (17)

Pollmann, W. and Becker, W., 2001, 'Laser-Assisted Manufacturing Technology in the 3rdMillennium,' Proceedings of the LANE 2001, pp. 39-54
Larsson, J. K., 2001, 'The Mature Technique of Laser Processing in Body Manufacture Long Term Production Experiences and Recent Developments,' Proceedings of the LANE 2001, pp. 55-74
Geiger, M., 2002, 'Manufacturing Science- Driving Force for Innovation,' Advanced Technology of Plasticity 2002, Vol. 1, pp. 17-30
Ready, J. F., 1997, 'Industrial Applications of Lasers,' Academic Press, San Diego CA U.S.A., pp. 315-417
Caristan, C. L., 2004, 'Laser Cutting Guide for Manufacturing,' Society of Manufacturing Engineers, Dearborn Michigan U.S.A., pp. 3-54
Dorn, L., Lee, K. L. and Munasinghe, N., 1994, 'Nd:YAG Laser Cutting of Amorphous Alloys,' DVS-Berichte, Vol. 163, pp. 447-455

상세보기
Naeem, M., Matthews, M. and Ingram, S., 1999, 'Parameteric Study of Laser Cutting of Steel Using 1.5 kWContinuous Wave Nd:YAG Laser,' Proceedings of Laser Materials Processing Conference, pp. 152-158
Lemoine, F., Jouvard, J. M., Andrzejewski, H. and Grevey, D. F., 1995, 'Influence of the Nature of Optical Fibers in Materials Treatment by Nd:YAG Lasers,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 59, pp. 337-342

상세보기
Abdel Ghany, K. and Newishy, M., 2005, 'Cutting of 1.2 mm Thick Austenitic Stainless Steel Sheet Using Pulsed and CW Nd:YAG Laser,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 168, pp. 438-447

상세보기
Abdel Ghany, K., Abdel Rafea, H. and Newishy, M., 2006, 'Using a Nd:YAG Laser and Six Axes Robot to Cut Zinc-Coated Steel,' International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 28, pp. 1111-1117

상세보기
Karatas, C., Keles, O., Uslan, I. and Usta, I., 2006, 'Laser Cutting of Steel Sheet : Influence of Workpiece Thickness and Beam Waist Position on Kerf Size and Stria Formation,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 172, pp. 22-29

상세보기
Zhang, X., Chen, W., Jiang, P., Liu, C. and Guo, J., 2003, 'Double Closed-Loop Control of the Focal Point Position in Laser Beam Welding,' Measurement Science Technology, Vol. 14, pp. 1938-1943

상세보기
Biermann, S., Topkaya, A. and Jagiella, M., 1992, 'Capacitive Clearance Sensor System for High Quality Nd:YAG Laser Cutting and Welding of Sheet Metal,' Proceedings of European Conference on Laser Treatment of Materials, pp. 51-56
Haran, F. M., Hand, D. P., Peters, C. and Jones, J. D. C., 1996, 'Real-time Focus Control in Laser Welding,' Measurement Science Technology, Vol. 7, pp. 1095-1098

상세보기
http://www.trumpf-laser.com
http://www.precitec.de
Ahn, D. G., Kim, M. S., Park, H. J. and Yoo, Y. T., 2006, 'Influence of Process Parameters on the Surface Roughness and the Striation Formation of the Cut Section for the Case of Cutting of CSP 1N Sheet Using High Power CW Nd:YAG Laser,' Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 23, No. 7, pp. 30-38

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증