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문제 정의
- 본 연구에서는 일반구조용 압연강 SS400의 2.0kW 급 파이버 레이저를 이용한 절단특성을 기존 4kW급 CO2 레이저의 절단 특성과 비교하여 SS400을 파이버 레이저 2kW로 절단했을 때 최대 절단 두께에 따른 절단속도의 변화에 대한 결과를 도출하였다. 이를 통해 산업현장에서 사용되고 있는 4kW급 CO2 레이저와 비교하여 파이버 레이저의 최대 절단두께 및 절단속도 등에 따른 특성을 제시하고자 한다.
- 0kW 급 파이버 레이저를 이용한 절단특성을 기존 4kW급 CO2 레이저의 절단 특성과 비교하여 SS400을 파이버 레이저 2kW로 절단했을 때 최대 절단 두께에 따른 절단속도의 변화에 대한 결과를 도출하였다. 이를 통해 산업현장에서 사용되고 있는 4kW급 CO2 레이저와 비교하여 파이버 레이저의 최대 절단두께 및 절단속도 등에 따른 특성을 제시하고자 한다.
- 레이저 절단 특성과 파이버 레이저 절단 특성을 비교 분석하였다. 이러한 분석을 통해 파이버 레이저의 산업용 레이저 절단기로 응용을 위한 사전 연구에 목적이 있다.
- 0mm로 하였다. 본 실험에서는 레이저 절단기 X/Y 로봇의 속도 가감속의 영향을 주는 코너 및 모서리부에 대한 특성을 고려하지 않기 위해 단축 직선부 절단을 기준으로 실험하였다.
제안 방법
- 산업현장에서 주로 사용되는 SS400 소재의 두께별 파이버 레이저 최적 절단 영역을 확인하여, CO2 레이저 절단 특성과 파이버 레이저 절단 특성을 비교 분석하였다. 이러한 분석을 통해 파이버 레이저의 산업용 레이저 절단기로 응용을 위한 사전 연구에 목적이 있다.
- . 노즐과 가공소재와의 거리는 초기 절단을 위한 피어싱(Pirceing)의 경우 1.0~5.0mm를 유지하고, 절단 시 0.5~1.5mm 범위에서 절단 실험을 실시하였다.
- 본 연구에 사용된 재료는 산업현장에서 일반적으로 널리 사용되어지고 있는 일반구조용 압연강재인 SS400 판재를 선택하였다. CO2 레이저로 절단했을 때 절단 두께 및 절단속도에 대한 성능비교를 위해 보조가스로 산소를 사용해서 탄소강의 절단 실험을 했다. 시편은 SS400으로 하였고 두께를 1~20mm로 변화시켜 절단 가능한 조건을 찾기 위해 실험하였다.
- SS400을 산화반응으로 소재를 용융시켜 절단효과를 높이기 위해 절단가스로 산소를 사용하여 절단실험 하였다. 레이저로 시편을 절단할 때 용융물의 흐름과 배출을 최적의 상태로 유지하여 절단해야 양호한 절단 가공품을 얻을 수 있다.
- 노즐 팁(Tip)의 직경이 작을수록 노즐 팁 부분에서 발생하는 회절효과가 크기 때문에 거리가 멀어짐에 따라 급격하게 산소의 농도가 감소한다. 이를 보완하기 위해 절단두께가 두꺼울수록 노즐로부터 분사된 농도가 높은 보조가스가 절단면 하단까지 도달하도록 노즐 팁의 직경을 크게 제작하여 사용한다(7).
- 절단속도가 감소할수록 레이저빔과 시편이 서로 상호작용하는 시간이 증가하여 두꺼운 시편을 절단하는 경향을 나타내고 있다. 3.0mm이하의 박판인 경우 1kW 이상으로 절단시 입열량 과다로 인한 품질저하 현상이 발생되어 3.2~12mm까지의 출력별 절단속도를 비교하였다. 시편의 두께가 3.
- SS400 2.3mm의 박판소재의 파이버 레이저 절단 실험은 파이버 직경 100μm, 노즐직경 1.0mm, 산소절단가스 0.5Bar, 노즐과 판재사이의 거리를 1mm 이격시킨 상태에서 SS400 2.3mm 파이버 레이저 절단을 실시하였다.
- 후판의 경우 안정된 최적 절단품질 영역을 확보하기 위해 10인치(254mm) 초점렌즈를 사용하여 초점크기를 190μm에서 254μm으로 증가시켰다.
- (1) 2kW 파이버 레이저를 이용하여 SS400 소재 20mm 까지 절단을 실시하였고, 20mm 절단을 위한 레이저빔의 단위 면적당 입열량 범위는 44,900~46,300J/cm2 이였다.
대상 데이터
- 연구에 사용한 절단용 레이저는 최대출력 2.0kW의 연속 파형 파이버레이저(IPG, YLU-2000)이다. Fiber Cable에는 자동 초점거리 조절 기능이 장착된 절단헤드(Precitec, HP1.
- 본 실험에서 사용된 연속파형 파이버 레이저는 Fig. 2에 나타낸 것 같이 펌프 다이오드 레이저(LD, Pump Diode Laser), 이터븀 엑티브 파이버(Ytterbium Active Fiber), FBG(Fiber Bragg Grating)로 구성되어 있다. 다량의 수W급 펌프 다이오드 레이저에서 방출된 빛을 이중구조의 엑티브 파이버 클래드를 통해 전반사하면서 LD에서 방출된 빛(pump ligth)은 엑티브 파이버 코어에 흡수된다.
- 그러므로 절단을 위한 피어싱 시 CO2 레이저에 비해 적은 출력으로도 가공이 용이하였다. 본 연구에 사용된 레이저 절단 헤드는 5인치, 7.5인치, 10인치(Inch) 초점렌즈를 카트리지 방식으로 교체 하여 사용할 수 있는 절단헤드로써 초점렌즈의 초점거리가 길수록 집광되는 빔의 크기(Spot size)는 크게 되고, 초점심도는 길어진다. Fig.
- 본 연구에 사용된 재료는 산업현장에서 일반적으로 널리 사용되어지고 있는 일반구조용 압연강재인 SS400 판재를 선택하였다. CO2 레이저로 절단했을 때 절단 두께 및 절단속도에 대한 성능비교를 위해 보조가스로 산소를 사용해서 탄소강의 절단 실험을 했다.
- CO2 레이저로 절단했을 때 절단 두께 및 절단속도에 대한 성능비교를 위해 보조가스로 산소를 사용해서 탄소강의 절단 실험을 했다. 시편은 SS400으로 하였고 두께를 1~20mm로 변화시켜 절단 가능한 조건을 찾기 위해 실험하였다. 시편의 성분비와 기계적 물성은 각각 Table 1 및 2와 같다.
- 0kW 2가지로 고정하였다. 초점렌즈는 7.5Inch와 10Inch 두 종류를 사용했다. 절단가스는 산소를 사용하였고, 절단가스 압력은 0.
- 9의 파이버 전송 레이저 가공헤드에서와 같이 광학렌즈배율 즉, 콜리메이터(Collimator) 렌즈 초점거리(Fcol)를 초점렌즈 초점거리(Ffoc)로 나눈 값에 가공헤드에 부착되는 파이버 직경을 곱한 값이 초점크기가 된다. 실험에 사용된 콜리메이터 렌즈 초점거리는 100mm 이며, 7.5인치(190.5mm) 초점렌즈를 사용하여, 가공헤드의 광학적 배율은 약 1.9배이다. 빔 전송 파이버의 직경이 100μm 이므로, 최종 가공단에서의 초점크기는 190μm 이다.
- CO2 레이저 박판 절단시 사용되는 초점렌즈는 5인치(125mm)를 사용하였고, 초점렌즈에 입사되는 Raw Beam size는 22mm 이며, 이때의 초점크기는 156μm였다.
- 5Inch와 10Inch 두 종류를 사용했다. 절단가스는 산소를 사용하였고, 절단가스 압력은 0.5~1.0bar, 노즐경은 1.0~5.0mm, 노즐 옵셋 거리는 0.5~1.0mm로 하였다. 본 실험에서는 레이저 절단기 X/Y 로봇의 속도 가감속의 영향을 주는 코너 및 모서리부에 대한 특성을 고려하지 않기 위해 단축 직선부 절단을 기준으로 실험하였다.
데이터처리
- 2kW급 파이버 레이저와 4kW급 CO2 레이저 절단 속도를 비교하기 위해 일반적인 빠른 축 흐름(이하 FAF, Fast Axial Flow) 방식의 4kW급 CO2 레이저 2차원 판재 절단기 절단 조건표에서 제시된 SS400의 두께별 절단 속도를 실험 결과와 비교 분석하였다(10).
성능/효과
- 레이저에서 공급되는 파이버 직경은 100μm, 절단헤드의 조준렌즈(Collimeter Lens)와 초점렌즈(Focus Lens)는 각각 100mm, 125mm, 상태에서 측정한 결과 BPP(Beam product Parameter) 3.5mrad, 반경 66μm, layleigth length 1.227mm로써 레이저 초점 크기가 작고, 빔 프로파일(Beam profile)이 빔 전송 파이버의 코어 부분을 중심으로 멀티모드 형태로 항상 균일함을 확인하였다.
- 6과 같이 상, 중, 하로 구분하였으며, 각 두께별 절단 조건 영역을 도출하였다. 후판의 절단의 경우 일반적인 1구형 노즐을 사용할 경우 2kW 파이버 레이저에서 12mm까지 절단품질을 확보할 수 있었다. 그러나 절단가스의 분사특성을 변경한 이중형 노즐을 사용할 경우 20mm 까지 절단능력을 향상시킬 수 있었다.
- 2~12mm까지의 출력별 절단속도를 비교하였다. 시편의 두께가 3.2mm일 경우 양호한 절단 단면을 나타내는 출력별 속도를 분석하면 1,000W 일 때 절단속도는 2,500mm/min이고, 이 보다 출력을 500W 증가시켜 1,500W로 절단할 때는 절단속도가 200mm/min 증가한 2,700mm/min로 절단 했을 때 양호한 절단결과를 얻을 수 있었다. 특이한 현상은 1,500W보다 500W를 증가시켜 절단했을 경우에는 출력이 낮은 경우에 비해 절단속도가 급격히 증가하여 1,000mm/min가 증가한 3,700mm/min에서도 양호한 절단 단면을 얻을 수 있었다.
- 2mm일 경우 양호한 절단 단면을 나타내는 출력별 속도를 분석하면 1,000W 일 때 절단속도는 2,500mm/min이고, 이 보다 출력을 500W 증가시켜 1,500W로 절단할 때는 절단속도가 200mm/min 증가한 2,700mm/min로 절단 했을 때 양호한 절단결과를 얻을 수 있었다. 특이한 현상은 1,500W보다 500W를 증가시켜 절단했을 경우에는 출력이 낮은 경우에 비해 절단속도가 급격히 증가하여 1,000mm/min가 증가한 3,700mm/min에서도 양호한 절단 단면을 얻을 수 있었다. 이와 같은 실험결과는 레이저빔의 출력 증가에 대한 레이저빔의 이송도 증가율이 시편두께가 얇은 경우에는 선형적으로 증가하지 않음을 나타내고 있다.
- 이와 같은 실험결과는 레이저빔의 출력 증가에 대한 레이저빔의 이송도 증가율이 시편두께가 얇은 경우에는 선형적으로 증가하지 않음을 나타내고 있다. 이후 시편의 두께가 증가할수록 레이저빔의 이송속도 상승 효율은 감소하여 12mm인 경우에는 증가비율이 변화가 크기 않았다. 이는 시편의 두께가 증가할수록 모재로 레이저빔의 에너지를 흡수하여 레이저 절단효율을 감소시키기 때문인 것으로 판단한다.
- 레이저 출력의 증가와 함께 초점렌즈로 입사되는 에너지손실이 상대적으로 적어 기존보다 초점크기가 64μm 증가되면서 두꺼운 절단 소재를 용융 증발시켜 최적 절단영역을 확보할 수 있었다.
- 빔 전송 파이버의 직경이 100μm 이므로, 최종 가공단에서의 초점크기는 190μm 이다. 2.3mm의 얇은 판재의 경우 800W 및 1000W 에서는 절단품질이 양호하였으나, 출력을 1500W로 증가시킬 경우 입열량 과다로 인한 절단 품질 저하가 발생되었다.
- 후판의 절단의 경우 일반적인 1구형 노즐을 사용할 경우 노즐 끝단에서의 절단가스가 확산 분사되어 2kW 파이버 레이저에서 12mm까지 절단이 가능하였으나, Fig. 13과 같은 절단가스의 확산 분사가 최소화 되도록 노즐 특성을 변경한 이중형 노즐을 사용할 경우 20mm 까지 절단능력을 향상시킬 수 있었다. 이는 후판 절단일수록 후판 소재의 아래 부분까지 산화절단이 가능한 노즐 선택 역시 절단품질 및 절단 능력을 향상 시킬 수 있는 중요한 요소임을 알 수 있었다.
- 13과 같은 절단가스의 확산 분사가 최소화 되도록 노즐 특성을 변경한 이중형 노즐을 사용할 경우 20mm 까지 절단능력을 향상시킬 수 있었다. 이는 후판 절단일수록 후판 소재의 아래 부분까지 산화절단이 가능한 노즐 선택 역시 절단품질 및 절단 능력을 향상 시킬 수 있는 중요한 요소임을 알 수 있었다.
- 1.2mm 박판의 SS400 절단의 경우 파이버 레이저의 절단속도는 18m/min인데 비해 4kW CO2레이저의 경우 절단속도는 8.8m/min로, 파이버 레이저가 약 2배의 속도로 절단이 이루어졌음을 확인 할 수 있었다. 이는 파이버 레이저의 경우 레이저빔이 광섬유 내부에서 전반사하면서 전달되는 flat op 형태의 에너지 분포를 갖지만 , CO2 레이저는 레이저 빔이 반사경으로 전달되어 도넛 형태의 빔 에너지 분포가 형성되므로, 파이버 레이저가 시편표면에서 에너지밀도가 상대적으로 높기 때문에 발생하는 현상으로 생각할 수 있다.
- 1.2mm 박판 절단시 초점크기는 CO2 레이저가 파이버 레이저에 비해 17.8% 더 작지만, Fig. 4에서와 같이 파이버 레이저는 CO2 레이저에 비해 파장이 1/10으로 짧아 SS400조성의 약 99%를 차지하는 Fe 소재의 빔 흡수율이 30% 정도인데 비해 CO2 레이저는 7~8%로 약 4배 이상 파이버 레이저빔 흡수가 용이하다. 이는 특히 적은 입열량에도 쉽게 절단이 가능한 박판 절단에서 파이버 레이저의 절단 속도가 2배 이상 향상 시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 4에서와 같이 파이버 레이저는 CO2 레이저에 비해 파장이 1/10으로 짧아 SS400조성의 약 99%를 차지하는 Fe 소재의 빔 흡수율이 30% 정도인데 비해 CO2 레이저는 7~8%로 약 4배 이상 파이버 레이저빔 흡수가 용이하다. 이는 특히 적은 입열량에도 쉽게 절단이 가능한 박판 절단에서 파이버 레이저의 절단 속도가 2배 이상 향상 시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- (2) 파이버 레이저빔 흡수가 용이하여, 적은 입열량에도 쉽게 절단이 가능한 SS400 1.2mm 박판 절단에서 파이버 레이저의 절단 속도가 CO2 레이저에 비해 2배 이상 향상 되었다.
- (3) 후판 절단일수록 최적절단 영역이 한정적 이였으며, 12mm 이상 후판 절단의 경우 1구형 노즐이 아닌 절단가스의 분사 특성을 최적화한 이중형 노즐을 사용하여 20mm 까지 절단 품질을 확보할 수 있었다.
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