플라즈마 절단 및 레이저 절단 설명

플라즈마 절단

플라즈마 절단은 고에너지 밀도, 수축 아크 및 고속 플라즈마 흐름을 활용하여 금속을 녹이고 배출하여 깨끗하고 연속적인 절단을 만드는 고정밀 열 절단 프로세스입니다. 이 고급 기술은 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성한 다음 미세 구멍이 있는 구리 노즐을 통해 에너지를 집중시킵니다.

플라즈마 아크 절단 공정은 기존 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

1. 속도: 특히 두께 25mm 미만의 재료에 대해 산소 연료 절단보다 훨씬 빠른 절단 속도를 달성합니다.
2. 열 영향 영역 최소화: 플라즈마 절단은 집중된 에너지와 빠른 절단 작용으로 인해 공작물에 열이 덜 유입되어 열 왜곡이 감소하고 절단 품질이 향상됩니다.
3. 다용도성: 다양한 전도성 소재 절단에 적합 금속강철, 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 기타 합금을 포함합니다.
4. 정밀도: 특히 컴퓨터 수치 제어(CNC) 통합을 통해 좁은 커프 폭을 생산하고 엄격한 공차를 유지할 수 있습니다.

하지만 플라즈마 절단에는 몇 가지 어려움이 있습니다:

1. 환경 문제: 이 프로세스에서는 상당한 소음, 연기 및 미립자 물질이 발생하므로 적절한 환기 및 작업자 보호가 필요합니다.
2. 두께 제한: 얇은 소재의 경우 플라즈마 절단은 매우 효율적이지만, 두께가 25mm를 초과하는 탄소강판의 경우 산소 연료 절단에 비해 경제성이 떨어집니다.
3. 초기 비용: 플라즈마 절단 시스템은 일반적으로 산소 연료 장비보다 초기 투자 비용이 더 많이 듭니다.

플라즈마 기술은 절단 응용 분야를 넘어선다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 플라즈마 아크 시스템은 용접, 스프레이, 하드페이싱, 가우징 작업 등 다양한 용도로 사용할 수 있어 금속 제조에 유용한 다목적 도구로 활용되고 있습니다.

플라즈마 절단 성능을 최적화하고 단점을 완화하려면 소음 감소 및 흄 제어를 위한 워터 테이블을 구현하고 절단 품질 향상과 환경 영향 감소를 위해 고화질 플라즈마 시스템에 투자하는 것을 고려하세요.

플라즈마 아크 절단의 특성 및 분류

1.1 플라즈마 아크 커팅의 특성

플라즈마 아크 절단은 음극(일반적으로 텅스텐 전극)과 양극 사이에 고도로 압축된 고온의 아크를 사용합니다. 이 프로세스는 높은 이온화, 에너지 밀도 및 유속을 특징으로 하는 플라즈마 제트를 생성합니다.

절단 메커니즘은 소구경 노즐을 통해 아크와 불활성 가스를 강제로 분사하여 매우 뜨거운 고속 제트를 생성하는 방식으로 이루어집니다. 이 집중된 아크 에너지는 공작물 재료를 녹이고 고온의 팽창 가스 제트는 용융된 금속을 커프를 통해 배출합니다.

탄소강이나 주철과 같은 철 소재를 절단할 때 가스 흐름에 산소를 첨가하여 추가적인 발열 에너지를 제공하여 절단 공정을 개선할 수 있습니다.

플라즈마 아크 커팅의 주요 장점은 다음과 같습니다:

1. 다용도성: 다양한 금속과 기존 방식으로는 절단하기 어려운 일부 비금속 소재를 절단할 수 있습니다.
2. 속도: 특히 얇은 소재의 경우 산소 연료 절단보다 훨씬 빠릅니다(얇은 탄소강의 경우 최대 5~6배 빠름).
3. 품질: 열 왜곡을 최소화하면서 밝고 깨끗한 컷을 생성하여 정밀 부품에 이상적입니다.
4. 유연성: 복잡한 모양과 프로파일 절단에 적합합니다.

하지만 플라즈마 커팅에도 몇 가지 한계가 있습니다:

1. 커프 폭과 경사각은 다른 방법에 비해 큰 경향이 있지만, 특수 노즐과 기술을 사용하면 얇은 소재의 경우 이를 완화할 수 있습니다.
2. 후판 절단 기능은 산소 연료 절단보다 열등합니다.
3. 산소 연료 시스템에 비해 장비 비용과 전력 소비가 높습니다.
4. 고전압, 아크 방사, 연기 및 소음으로 인한 잠재적 안전 문제.

플라즈마 아크 절단 장비에는 일반적으로 다음이 필요합니다:

• 전원 공급 장치: 25-200kW, 절단 전류 범위 30-1000A 및 높은 무부하 전압.
• 가스 공급: 용도에 따라 아르곤 또는 질소-수소 혼합물.
• 열 관리를 위한 수냉식 토치.

수동 및 자동 플라즈마 절단 시스템을 모두 사용할 수 있습니다. 수동 절단은 산소 연료 절단과 유사한 기술이 필요하지만 추가적인 파라미터 제어가 필요합니다. 자동화된 시스템은 더 높은 정밀도와 생산성을 제공하며, 소음과 연기를 줄이기 위해 워터 테이블이나 재킷을 통합하는 경우가 많습니다.

결론적으로 플라즈마 아크 절단은 다양한 재료와 두께에 대해 속도, 다목적성 및 절단 품질 면에서 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 절단 공정을 선택할 때는 장비 비용, 안전 요구 사항 및 매우 두꺼운 재료에 대한 제한 사항을 이러한 장점과 비교하여 고려해야 합니다.

1.2 플라즈마 아크 커팅의 작동 원리

플라즈마 아크 절단은 일반적으로 알려진 모든 금속 및 비금속의 녹는점을 훨씬 초과하는 10,000°C~14,000°C 범위의 초고온 플라즈마 아크를 사용합니다. 이러한 극한의 열을 통해 대부분의 금속 및 비금속 물질을 포함한 다양한 재료를 절단할 수 있습니다.

1950년대에 개발된 플라즈마 아크 절단은 처음에는 알루미늄 합금 및 스테인리스 스틸과 같이 기존의 산소-아세틸렌 불꽃 절단으로 절단하기 어려운 금속 재료를 절단하는 데 사용되었습니다. 기술이 발전함에 따라 탄소강과 저합금강으로 적용 범위가 확대되어 현대 제조 분야에서 다용도로 사용되는 절단 방법이 되었습니다.

플라즈마 아크 절단 토치의 기본 설계는 플라즈마 아크 용접 토치의 설계와 매우 유사합니다. 그러나 주요 차이점은 가스 흐름 특성에 있습니다:

1. 용접 애플리케이션: 저속 이온화 가스 흐름을 활용하여 모재를 녹여 용접 접합부를 형성합니다.
2. 절단 응용 분야: 고속 이온화 가스 흐름을 사용하여 모재를 녹이고 용융된 재료를 강제로 배출하여 커프를 생성합니다.

절단에 대한 플라즈마 아크의 효과는 여러 요인에 의해 결정됩니다:

• 이온화 가스 유형
• 가스 압력
• 현재 강도
• 노즐 채널 지오메트리(종횡비)
• 노즐과 공작물 사이의 이격 거리

그림 4.1은 플라즈마 아크 절단 토치의 기본 구조를 보여줍니다.

플라즈마 아크 절단 작업에서 전원 공급 장치는 DC 양극 전용으로 구성되며, 공작물은 양극에 연결됩니다. 이 설정은 최적의 에너지 전달과 절단 성능을 보장합니다.

금속을 절단할 때는 전달 아크가 사용됩니다. 이 전달된 아크를 시작하는 방법은 특정 절단 토치 설계에 따라 다릅니다. 플라즈마 아크 절단 토치는 크게 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:

1. 파일럿 아크(유지보수 아크) 절단 토치
2. 비파일럿 아크(비유지보수 아크) 절단 토치

그림 4.2는 파일럿 아크 절단 토치의 회로 배선도를 보여줍니다. 비파일럿 아크 절단 토치 회로는 유사하지만 파일럿 아크 구성에 존재하는 저항 분기가 없습니다. 이러한 설계 차이는 각 토치 유형의 아크 시작 및 안정성 특성에 영향을 미칩니다.

이러한 원리와 장비 구성을 이해하는 것은 산업 응용 분야에서 플라즈마 아크 절단 공정을 최적화하고 다양한 재료에 걸쳐 효율적이고 고품질의 절단을 보장하는 데 매우 중요합니다.

그림 1 플라즈마 아크 커팅건의 기본 구조

• 1. 전극;
• 2. 압축 노즐;
• 3. 3. 노즐 채널 길이를 압축합니다;
• 4. 노즐에서 공작물까지의 거리;
• 5. 5. 노즐 조리개를 압축합니다;
• 6. 전극 후퇴 거리;
• 7. 로닉 가스.

그림 2 유지 보수용 아크 커팅건의 기본 회로

• 1. 전원 공급 장치;
• 2. 고주파 아크 스타터;
• 3. 저항;
• 4. 연락처 연락처;
• 5. 압축 스프레이;
• 6. 전극;
• 7. 공작물.

그림 2에서 저항의 기능은 아크 유지 전류를 전달 아크를 원활하게 점화할 수 있는 최저값으로 제한하는 것입니다.

고주파 아크 스타터는 유지보수 아크를 점화하는 데 사용됩니다.

아크가 치면 접촉기의 접점이 닫히고 고주파 아크 스타터가 고주파 및 고전압을 생성하여 유지 보수 아크를 점화합니다.

유지 보수 아크가 점화 된 후 절단 건이 공작물에 접근하면 노즐의 고속 플라즈마 불꽃이 공작물에 접촉하여 전극과 공작물 사이에 경로를 형성하여 아크가 전극과 공작물 사이로 전달됩니다.

전송 아크가 설정되면 유지 아크는 자동으로 소멸되고 일정 시간 지연 후 접촉기의 접점이 자동으로 분리됩니다.

레이저 커팅

레이저 절단은 재료 가공에 널리 사용되는 첨단 절단 기술입니다.

고에너지 밀도 레이저 빔을 '절단 도구'로 사용하여 재료를 열 절단하는 가공 방식입니다.

레이저 절단 기술은 다양한 종류의 금속, 비금속 판, 복합 재료 및 텅스텐 카바이드 및 티타늄 카바이드와 같은 단단한 재료를 절단하는 데 사용할 수 있으며 국방 건설, 항공 우주, 엔지니어링 기계 및 기타 분야에서 널리 사용되어 왔습니다.

L애저 절단 원리, 분류 및 특성

2.1 레이저 절단 원리 및 분류

(1) 레이저 커팅의 원리

레이저 커팅은 집중된 고출력 밀도 레이저 빔을 사용하여 재료를 가공하는 정밀 열 절단 방법입니다. 레이저 빔이 공작물에 조사되면 재료의 특성과 원하는 결과에 따라 재료를 녹는점, 기화 온도 또는 발화점까지 빠르게 가열합니다. 동시에 질소 또는 산소와 같은 고속 가스 스트림이 레이저 빔과 동축으로 연결되어 용융된 재료를 커프에서 배출하여 깨끗하고 정밀한 절단이 이루어집니다.

이 과정에는 몇 가지 주요 메커니즘이 포함됩니다:

1. 흡수: 재료가 레이저 에너지를 흡수하여 열로 변환합니다.
2. 용융: 국부적인 열로 인해 제한된 영역에서 재료가 녹습니다.
3. 기화: 일부 자료는 특히 높은 출력 밀도에서 부분적으로 기화할 수 있습니다.
4. 화학 반응: 산소 보조 절단의 경우 발열 반응이 발생하여 절단 프로세스가 향상될 수 있습니다.
5. 용융물 배출: 동축 가스 분사가 용융된 재료를 제거하여 절단을 생성합니다.

레이저 절단은 고정밀, 열 영향 영역 최소화, 복잡한 형상 절단 능력, 금속부터 비금속까지 다양한 재료에 대한 적합성 등 여러 가지 장점을 제공합니다.

레이저 절단 원리를 개략적으로 표현한 그림 3을 참조하세요.

그림 3 레이저 커팅의 원리

(2) 레이저 커팅의 분류

레이저 절단은 레이저 기화 절단, 레이저 용융 절단, 레이저 산소 절단, 제어 파절을 이용한 레이저 스크라이빙의 네 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

1) 레이저 기화 절단

이 과정에서 고에너지 밀도 레이저 빔이 공작물을 빠르게 가열하여 재료 온도가 끓는점에 빠르게 도달하게 합니다. 그 결과 재료가 기화되어 고속 증기 제트가 형성됩니다. 증기가 분출되면서 동시에 재료에 커프가 생성됩니다.

일반적으로 재료의 기화 열이 높기 때문에 레이저 기화 절단에는 상당한 출력과 전력 밀도가 필요합니다. 이 방법은 주로 매우 얇은 금속 시트와 종이, 직물, 목재, 플라스틱, 고무와 같은 비금속 재료를 절단하는 데 사용됩니다.

2) 레이저 용융 절단

레이저 용융 절단은 레이저 열을 사용하여 금속 재료를 녹입니다. 그런 다음 빔과 동축으로 연결된 노즐을 통해 비산화 가스(예: Ar, He 또는 N2)를 분사합니다. 고압 가스 스트림이 용융된 금속을 배출하여 커프를 만듭니다.

이 기술은 재료를 완전히 기화시킬 필요가 없기 때문에 기화 절단에 필요한 에너지의 약 1/10만 필요합니다. 레이저 용융 절단은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄 및 그 합금을 포함하여 산화에 저항하는 재료나 활성 금속을 절단하는 데 특히 효과적입니다.

레이저 용융 절단의 효율성과 정밀성 덕분에 특히 깨끗한 절단과 최소한의 열 영향 영역이 중요한 많은 산업 분야에서 선호되는 방법입니다.

3) 레이저 산소 절단

레이저 산소 절단은 레이저 기술의 정밀성과 산소 절단의 발열 반응을 결합한 방식입니다. 이 공정은 레이저 빔을 예열원으로 사용하고 산소를 절단 가스로 사용하여 절단 효율과 품질을 향상시키는 시너지 효과를 창출합니다.

이 메커니즘은 크게 두 가지 측면에서 작동합니다:

1. 산화 반응: 고압 산소 스트림이 가열된 금속 표면과 상호 작용하여 발열 산화 반응을 시작합니다. 이 반응은 상당한 양의 추가 열을 방출하여 절단 공정을 더욱 강화합니다.
2. 재료 제거: 레이저 가열과 산화의 조합으로 용융 금속과 산화물이 생성됩니다. 그런 다음 고속 산소 분사가 이 용융된 재료를 커프에서 배출하여 깨끗하고 좁은 절단면을 만듭니다.

산화 반응으로 인한 상당한 열 기여로 인해 레이저 산소 절단은 순수 용융 절단에 필요한 레이저 에너지의 약 50%만 필요합니다. 이러한 에너지 효율은 레이저 기화 또는 퓨전 절단 방식에 비해 훨씬 빠른 절단 속도로 이어집니다.

레이저 산소 절단은 특히 다음과 같이 산소 친화도가 높은 재료에 효과적입니다:

• 탄소강
• 저합금강
• 특정 등급의 열처리 강재

그러나 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄 및 그 합금과 같이 내화성 산화물을 형성하거나 산화 경향이 낮은 재료에는 적합하지 않습니다. 이러한 재료의 경우 불활성 가스 보조를 사용한 융합 절단과 같은 다른 레이저 절단 기술이 더 적합합니다.

4) 레이저 스크라이빙 및 제어 골절

레이저 스크라이빙은 고에너지 밀도 레이저를 사용하여 부서지기 쉬운 재료의 표면에 제어된 얕은 홈을 만드는 정밀 재료 가공 기술입니다. 이 프로세스에는 다음 단계가 포함됩니다:

1. 일반적으로 Q-스위치 또는 CO2 레이저에서 나오는 집중된 레이저 빔이 재료 표면을 스캔합니다.
2. 강렬한 국부적 가열로 인해 빠르게 기화되어 좁고 얕은 홈이 생깁니다.
3. 스크라이빙 후 재료에 제어된 압력이 가해집니다.
4. 깨지기 쉬운 재료가 스크라이브 라인을 따라 파손되어 깨끗하고 정밀하게 끊어집니다.

관련 기술인 제어된 파손은 레이저 스크라이빙 중에 생성되는 가파른 온도 구배를 활용하여 취성 재료에 국부적인 열 응력을 유도합니다. 이 방법

1. 스크라이브된 선을 따라 고도로 국부적인 열 영향 영역을 만듭니다.
2. 빠른 가열 및 냉각 주기로 인해 열 스트레스를 발생시킵니다.
3. 이러한 응력을 악용하여 원하는 경로를 따라 균열을 전파합니다.
4. 재료 손실을 최소화하고 가장자리 품질이 높은 제어된 브레이크를 제공합니다.

레이저 스크라이빙과 제어 파절은 유리, 세라믹, 특정 반도체와 같이 깨지기 쉬운 재료를 가공하는 데 특히 유용하며, 기존 절단 방식에 비해 정밀도와 속도, 재료 낭비 감소라는 이점을 제공합니다.

2.2 C레이저 커팅의 특성

다른 열 절단 방법에 비해 레이저 절단은 빠른 것이 특징입니다. 절단 속도 그리고 고품질.

다음과 같이 요약할 수 있습니다.

(1) 우수한 커팅 품질

레이저 커팅은 작은 초점, 높은 에너지 밀도, 빠른 커팅 속도로 탁월한 커팅 품질을 달성합니다. 이 고급 기술은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다:

정밀 커프: 레이저 커프가 매우 얇고 좁으며 재료 표면에 수직인 평행면이 있습니다. 이러한 정밀도 덕분에 절단 부품의 치수 정확도가 ±0.05mm(±0.002인치)에 달해 기존의 많은 절단 방법을 능가합니다.

깔끔한 표면 마감: 절단 표면은 깨끗하고 미적으로 보기 좋은 외관을 보여줍니다. 표면 거칠기가 수십 미크론(일반적으로 10~50μm Ra)으로 최소화되어 2차 마감 작업이 필요 없는 경우가 많습니다. 대부분의 경우 레이저로 절단한 부품은 추가적인 기계 가공 없이 바로 사용할 수 있어 생산 워크플로우를 간소화할 수 있습니다.

최소 열 영향 영역(HAZ): 레이저 커팅 공정은 매우 좁은 열 영향 영역을 생성합니다. 이 국소적인 열 입력으로 인해 발생합니다:

• 절단 가장자리에 인접한 재료 특성의 미미한 변화
• 공작물 변형 최소화, 높은 전체 정확도 유지
• 절단 경로를 따라 일관된 직사각형 단면이 특징인 뛰어난 커프 형상

정밀도, 표면 품질, 열 영향 최소화 등 이러한 요소의 조합으로 레이저 절단은 특히 항공 우주, 의료 기기 제조 및 정밀 엔지니어링과 같은 산업에서 고정밀 부품이 필요한 애플리케이션에 이상적인 선택입니다.

레이저 절단, 산소 아세틸렌 절단 및 플라즈마 절단 방법의 비교는 표 1을 참조하세요.

절단 재료는 6.2mm 두께의 저탄소 강판입니다.

표 1 레이저 절단, 산소 아세틸렌 절단 및 플라즈마 절단의 비교

(2) 높은 절단 효율

레이저 커팅기는 고유한 전송 특성과 첨단 제어 시스템으로 인해 생산성이 뛰어납니다. 이러한 시스템은 일반적으로 여러 개의 CNC(컴퓨터 수치 제어) 작업 테이블을 통합하여 완전 자동화되고 정밀하게 제어되는 절단 프로세스를 가능하게 합니다.

절단 작업은 놀라울 정도로 다양하고 효율적입니다. 작업자는 CNC 프로그램을 간단히 수정하기만 하면 다양한 형상의 부품을 신속하게 절단할 수 있습니다. 이러한 유연성은 2D 및 3D 절단 애플리케이션 모두로 확장되어 다양한 제조 요구 사항을 수용합니다.

레이저 절단 효율의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 빠른 설정 시간: 작업 간 툴링 변경 최소화
• 고속 절단: 얇은 소재의 경우 레이저 빔이 최대 20~30m/분의 속도로 이동합니다.
• 다중 축 기능: 5축 시스템으로 단일 설정으로 복잡한 3D 컷을 구현할 수 있습니다.
• 자동 네스팅: 소프트웨어가 자재 활용을 최적화하여 낭비를 줄입니다.
• 연속 작동: 일부 시스템에는 자동 재료 로딩/언로딩 기능이 있어 런타임을 연장할 수 있습니다.

이러한 기능이 결합되어 기존 절단 방식에 비해 사이클 시간을 크게 단축하고 처리량을 늘리며 전반적인 제조 생산성을 향상시킵니다.

(3) 빠른 커팅 속도

일반적으로 1200W 소스를 사용하는 고출력 레이저 시스템은 다양한 재료에 대해 놀랍도록 빠른 절단 속도를 달성할 수 있습니다. 2mm 두께의 저탄소 강판을 가공할 경우 최대 15,000mm/min(590in/min)의 절단 속도를 달성할 수 있어 금속 가공에서 레이저 기술의 효율성을 보여줍니다.

레이저 커팅의 다재다능함은 비금속 재료에도 적용됩니다. 예를 들어 5mm 두께의 폴리프로필렌 수지 시트를 절단할 때 속도도 분당 15,000mm에 달할 수 있어 다양한 재료 유형과 두께에 대한 시스템의 적응성을 입증합니다.

레이저 커팅의 주요 장점 중 하나는 비접촉 방식으로 가공물을 기계적으로 클램핑하거나 고정할 필요가 없다는 점입니다. 이 기능은 툴링 비용을 절감하고 설정을 간소화할 뿐만 아니라 재료 로딩 및 언로딩을 위한 보조 시간도 크게 줄여줍니다. 또한 물리적 접촉이 없기 때문에 공작물 변형의 위험이 최소화되어 얇거나 섬세한 소재에 특히 유용합니다.

또한 레이저 커팅의 정밀도와 속도는 재료 낭비를 줄이고 부품 일관성을 개선하여 전반적인 제조 효율성을 향상시킵니다. 열 영향 영역을 최소화하면서 복잡한 절단을 수행할 수 있는 이 기술은 자동차부터 전자 제품 제조까지 다양한 산업에서 프로토타입 제작과 대량 생산 시나리오에 모두 이상적입니다.

(4) 비접촉 절단

레이저 커팅은 커팅 메커니즘과 공작물 사이에 물리적 접촉 없이 작동하므로 공구 마모가 없고 장비 수명이 연장됩니다. 이러한 비접촉 특성 덕분에 열 왜곡을 최소화하면서 정밀하게 절단할 수 있어 열에 민감한 소재에 특히 유용합니다.

레이저 커팅의 다양성은 타의 추종을 불허하며 출력, 주파수, 초점 거리와 같은 레이저 파라미터만 조정하면 다양한 부품 형상을 가공할 수 있습니다. 이러한 유연성은 공구를 교체해야 하는 기존 절단 방식에 비해 설정 시간을 크게 단축하고 생산 효율성을 향상시킵니다.

또한 레이저 커팅은 여러 가지 환경적, 인체공학적 이점을 제공합니다:

• 일반적으로 70dB 미만의 낮은 소음 방출로 업무 환경의 쾌적성 향상
• 진동을 최소화하여 높은 정밀도를 보장하고 작업자의 피로를 줄여줍니다.
• 적절한 환기 시 칩이 발생하지 않고 연기가 거의 발생하지 않아 오염이 거의 발생하지 않습니다.

이러한 특성으로 인해 레이저 커팅은 클린룸 환경과 의료 기기 제조 및 항공 우주 분야와 같이 품질 및 환경 기준이 엄격한 산업에 이상적인 선택입니다.