** 레이저 절단 및 처리 시스템 기초 - 레이저 절단 장비 **

** II. 레이저 절단 장비의 구성 **

** 2.1 레이저 커팅 머신의 구성 요소 및 작동 원리 **

레이저 커팅 머신은 레이저 발전기, 절단 헤드, 빔 변속기 구성 요소, 공작 기계 작업 테이블, CNC 시스템, 컴퓨터 (하드웨어, 소프트웨어), 냉각기, 차폐 가스 실린더, 먼지 추출기 및 공기 건조기로 구성됩니다.

1. ** 레이저 생성기 : ** 이것은 레이저 소스를 생성하는 장치입니다. YAG 고체 레이저가 사용되는 몇몇 경우를 제외하고, 레이저 절단 응용의 경우, 대다수는 전기 광학 변환 효율이 높고 더 높은 전력을 출력하는 능력으로 인해 CO2 가스 레이저를 사용합니다. 레이저 절단은 빔 품질에 대한 요구 사항이 매우 높기 때문에 모든 레이저가 절단에 적합한 것은 아닙니다.

2. ** 커팅 헤드 : ** 주로 노즐, 포커싱 렌즈 및 포커스 추적 시스템과 같은 구성 요소가 포함됩니다. 절단 헤드 구동 장치는 서보 모터 및 리드 스크류 또는 기어와 같은 구성 요소로 구성된 프로그램에 따라 z 축을 따라 절단 헤드를 구동하는 데 사용됩니다.

*(1) ** 노즐 : ** 노즐 유형은 주로 평행, 수렴 및 원뿔형의 세 가지 형태를 포함합니다.

*(2) ** 포커싱 렌즈 : ** 절단을 위해 레이저 빔의 에너지를 이용하려면 레이저에서 방출 된 생 빔은 렌즈에 의해 초점을 맞추어 높은 에너지 밀도가 높은 지점을 형성해야합니다. 중간 및 긴 초점 길이 렌즈는 두꺼운 플레이트 절단에 적합하며 추적 시스템의 거리 안정성에 대한 요구 사항이 낮습니다. 짧은 초점 길이 렌즈는 3mm 미만의 얇은 판에만 적합합니다. 추적 시스템의 거리 안정성에 대한 엄격한 요구 사항이 있지만 필요한 레이저 출력 전력을 크게 줄일 수 있습니다.

*(3) ** 추적 시스템 : ** 레이저 커팅 머신의 초점 추적 시스템은 일반적으로 초점 커팅 헤드와 추적 센서 시스템으로 구성됩니다. 절단 헤드에는 가벼운 안내 및 초점, 수냉식, 가스 부는 및 기계적 조정을위한 부품이 포함됩니다. 센서는 감지 요소 및 증폭 제어 부품으로 구성됩니다. 감지 요소에 따라 추적 시스템은 완전히 다릅니다. 주로 두 가지 형태의 형태가 있습니다 : 정전 센서 추적 시스템 (비접촉)과 유도 센서 추적 시스템 (접촉).

3. ** 빔 변속기 성분 (외부 조명 경로) : ** 굴절 및 반사 미러는 레이저를 필요한 방향으로 안내하는 데 사용됩니다. 빔 경로 고장을 방지하기 위해, 모든 거울은 덮개로 보호되고 오염을 방지하기 위해 깨끗하고 양성 압력 차폐 가스가 공급됩니다. 고품질 렌즈 세트는 발산 각도가없는 빔을 무한한 작은 지점에 초점을 맞 춥니 다. 5.0 인치 초점 길이 렌즈가 일반적으로 사용됩니다. 7.5 인치 렌즈는 12mm 두께의 재료에만 사용됩니다.

4. ** 공작 기계 작업 테이블 (머신 호스트) : ** 커팅 작업 플랫폼을 포함하여 X, Y 및 Z 축을 따라 이동할 수있는 레이저 절단기의 기계적 부분.

5. ** CNC 시스템 : ** x, y, z 축 운동을 달성하기 위해 공작 기계를 제어하고 레이저의 출력 전력을 제어합니다.

6. ** 냉각 시스템 (Chiller Unit) : ** 레이저 생성기를 식기 위해 사용됩니다. 레이저는 전기 에너지를 광 에너지로 변환하는 장치입니다. 예를 들어, CO2 가스 레이저의 전환율은 일반적으로 20%이며 나머지 에너지는 열로 변환됩니다. 냉각수는 정상적인 작동을 유지하기 위해 과도한 열을 운반합니다. 냉각기는 또한 외부 조명 경로 미러와 포커싱 렌즈를 냉각시켜 안정적인 빔 전송 품질을 보장하고 과도한 온도로 인해 렌즈 변형 또는 균열을 효과적으로 방지합니다.

7. ** 가스 실린더 : ** 레이저 절단 기계의 중간 가스 실린더 및 보조 가스 실린더를 포함하여 레이저 진동 및 공급 보조 가스를 절단 헤드에 보조 가스를 보충하는 데 사용되는 보조 가스 실린더를 포함합니다.

8. ** 먼지 추출 시스템 : ** 가공 중에 발생하는 연기와 먼지를 추출하여 배기 배출량이 환경 표준을 충족하도록 필터링합니다.

9. ** 공기 냉각 건조기 및 필터 : ** 경로 및 거울의 정상적인 작동을 유지하기 위해 레이저 발전기 및 빔 경로에 깨끗하고 건조한 공기를 공급합니다.

** 2.2 레이저 절단 토치 **

레이저 절단 토치의 개략도는 주로 토치 본체, 포커싱 렌즈, 거울 및 보조 가스 노즐로 구성된 아래 그림에 나와 있습니다. 레이저 절단 중에 토치는 다음 요구 사항을 충족해야합니다.

횃불은 충분한 가스 흐름을 배출 할 수 있어야합니다.

torch 토치 내부의 가스 배출 방향은 거울의 광축과 동축해야합니다.

횃불의 초점 길이는 쉽게 조절할 수 있어야합니다.

cutting 절단 중에 절단 과정에서 금속 증기와 스 패스가 거울을 손상시키지 않도록하십시오.

토치의 움직임은 CNC 모션 시스템을 통해 조정됩니다. 토치와 공작물 사이의 상대적인 움직임은 세 가지 상황에서 발생할 수 있습니다.

torch는 고정되어 있으며 공작물은 작업 테이블 (주로 작은 워크 피스)을 통해 움직입니다.

∎ 공작물은 고정되어 있으며 횃불이 움직입니다.

torch 토치와 작업 테이블은 동시에 움직입니다.

** 2.2.1 절단 머리 **

레이저 절단 헤드는 빔 변속기 시스템의 끝에 위치하고 있으며 포커싱 렌즈 및 절단 노즐을 포함합니다.

포커싱 렌즈는 주로 초점 길이로 구별됩니다. 대부분의 레이저 절단 장비에는 초점 길이의 여러 절단 헤드가 장착되어 있습니다. CO2 레이저 절단을 예로 들어, 일반적인 초점 길이는 127mm (5in) 및 190mm (7.5in)입니다. 짧은 초점 길이 렌즈는 작은 초점 지점과 짧은 초점 깊이를 산출하여 케르프 폭을 줄이고 더 미세한 컷을 얻는 데 유리합니다. 긴 초점 길이 렌즈는 더 큰 초점 지점과 초점 깊이를 산출합니다. 짧은 초점 길이 렌즈와 비교할 때, 긴 초점 길이 렌즈는 더 넓은 범위의 재료 두께에 걸쳐 초점 근처의 집중 빔 에너지 밀도에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다. 따라서, 짧은 초점 길이 렌즈는 주로 얇은 시트의 미세 절단에 주로 사용되는 반면, 두꺼운 재료는 충분한 초점 깊이를 얻기 위해 긴 초점 길이 렌즈가 필요하므로 절단 두께 범위 내에서 스팟 직경 변화가 최소화되고 적절한 전력 밀도가 유지되도록합니다.

포커싱 렌즈는 작은 반점과 높은 전력 밀도를 얻기 위해 토치로 들어가는 평행 레이저 빔에 초점을 맞추는 데 사용됩니다. 렌즈는 레이저 파장을 전달하는 재료로 만들어졌습니다. 고체 레이저는 일반적으로 광학 유리를 사용하는 반면 일반 유리를 통해 전달할 수없는 CO2 가스 레이저는 Znse, Gaas 및 GE와 같은 재료를 사용하며 Znse가 가장 일반적입니다.

레이저 절단의 경우 전력 밀도를 증가시켜 고속 절단을 용이하게하기 때문에 가능한 한 작은 스팟 직경이 필요합니다. 그러나 렌즈 초점 길이가 감소하면 초점 깊이가 작아 지므로 더 두꺼운 플레이트를자를 때 수직 컷 표면을 얻기가 어렵습니다. 또한 렌즈 초점 길이가 작기 때문에 렌즈와 공작물 사이의 거리가 줄어들어 절단 중에 스패 터 및 기타 용융 재료에 의해 렌즈가 오염되기 쉬워 정상 작동에 영향을 미칩니다. 따라서 적절한 초점 길이는 절단 두께 및 품질 요구 사항과 같은 요인에 대한 포괄적 인 고려에 의해 결정되어야합니다.

** 2.2.2 거울 **

거울의 기능은 레이저에서 나오는 빔의 방향을 변경하는 것입니다. 고체 레이저의 빔의 경우, 광학 유리로 만든 거울을 사용할 수있는 반면, CO2 가스 레이저 절단 장치의 거울은 종종 반사율이 높은 구리 또는 금속으로 만들어집니다. 사용하는 동안, 거울은 일반적으로 빛 노출로 인한 과열로 인한 손상을 피하기 위해 수냉식됩니다.

** 2.2.3 노즐 **

노즐은 보조 가스를 절단 영역으로 제트하는 데 사용됩니다. 구조적 형상은 절단 효율과 품질에 특정한 영향을 미칩니다. 그림 4.11은 레이저 절단에 사용되는 일반적인 노즐 모양을 보여줍니다. 제트 오리피스 모양에는 원통형, 원추형 및 수렴 다이버 릿 (de laval) 유형이 포함됩니다.

노즐의 선택은 일반적으로 공작물 재료, 두께, 보조 가스 압력 등을 기반으로 테스트 한 후에 결정됩니다. 레이저 절단은 일반적으로 동축 노즐 (광축과의 가스 흐름 동축)을 사용합니다. 가스 흐름이 빔과 동축되지 않으면 절단 중에 상당한 스 패스를 쉽게 생성 할 수 있습니다. 노즐의 오리피스 벽은 부드러운 가스 흐름을 보장하고 난기류로 인한 절단 품질에 영향을 미치지 않도록 매끄럽게해야합니다. 절단 공정 안정성을 보장하기 위해 노즐 얼굴에서 공작물 표면까지의 거리는 종종 0.5 ~ 2.0mm로 취해야합니다. 노즐 조리개는 노즐의 내벽에 닿는 빔을 피하기 위해 레이저 빔이 방해받지 않은 것을 통과하도록해야합니다. 조리개가 작을수록 빔 시준이 더 어려워집니다. 특정 보조 가스 압력에는 최적의 노즐 조리개 직경이 있습니다. 조리개가 너무 작거나 너무 커지면 Kerf에서 용융 제품의 제거에 영향을 미치고 절단 속도에도 영향을 미칩니다.

특정 레이저 전력 및 보조 가스 압력 하에서 절단 속도에 대한 노즐 조리개의 영향은 그림 4.12 및 4.13에 나와 있습니다. 최대 절단 속도를 산출하는 최적의 노즐 조리개가 있음을 알 수 있습니다. 산소 또는 아르곤이 보조 가스로 사용되는지 여부에 관계 없이이 최적의 값은 약 1.5mm입니다.

Cemented Carbide와 같은 절단하기 어려운 재료에 대한 레이저 절단 테스트는 최적의 노즐 조리개가 그림 4.14와 같이 상기 결과에 매우 가깝다는 것을 보여줍니다. 노즐 조리개는 또한 Kerf 너비와 열 영향 구역 (HAZ)의 너비에도 영향을 미칩니다. 그림 4.15에서 볼 수 있듯이 노즐 조리개가 증가함에 따라 Kerf는 넓어지고 HAZ는 좁아집니다. 좁은 HAZ의 주된 이유는 절단 구역의 기본 재료에 대한 보조 가스 흐름의 향상된 냉각 효과 때문입니다.

** 2.3 레이저 절단 장비 매개 변수 **

** 2.3.1 토치 구동 절단 장비 **

횃불 구동 절단 장비에서, 절단 토치는 움직일 수있는 갠트리에 설치되어 갠트리 빔을 따라 가로로 움직입니다 (y 방향). 갠트리는 X 방향을 따라 횃불을 구동하고 공작물은 절단 테이블에 고정됩니다. 레이저 소스는 토치로부터 분리되기 때문에 절단 중에 레이저 전송 특성, 빔 스캐닝 방향을 따른 평행성 및 반사 미러의 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

토치 중심의 장비는 더 큰 부품을 처리 할 수 ​​있고, 절단 생산 공간을 위해 상대적으로 바닥 공간이 필요하며, 다른 장비와 함께 생산 라인에 쉽게 통합 될 수 있습니다. 그러나 위치 정확도는 일반적으로 약 ± 0.04mm입니다.

토치 구동 절단 장비의 전형적인 구조는 그림 4.19에 나와 있습니다. 이 예제는 CO2 연속파 레이저 커터를 사용하며 레이저 소스에서 토치까지의 빔 전송 거리가 18m입니다. 이 거리에서 빔 모양의 변화가 절단을 방해하지 않도록하려면 발진기 미러의 조합을 신중하게 설계해야합니다.

토치 중심 장비의 주요 기술 매개 변수 :

* 레이저 출력 전원 : 1.5kW (단일 모드), 3kW (멀티 모드).

* 토치 여행 : x 축 6.2m, y 축 2.6m.

* 드라이브 속도 : 0 ~ 10m/분 (조절 가능).

* 토치 높이 (z 축) 부동 여행 : 150mm.

* 토치 높이 조정 속도 : 300mm/분.

* 최대 가공 강판 크기 : 12mm 두께 * 2400mm * 6000mm.

* 제어 장비 : 통합 CNC 제어 방법.

** 2.3.2 XY 좌표 절단 테이블 구동 장비 **

XY 좌표 절단 테이블 구동 장비에서 토치는 기계 프레임에 고정되고 공작물은 절단 테이블에 배치됩니다. 절단 테이블은 X 및 Y 방향을 따라 NC 지침에 따라 움직입니다. 구동 속도는 일반적으로 0 ~ 1m/min (조절 가능) 또는 0 ~ 5m/min (조절 가능)입니다. 토치는 공작물에 비해 고정되어 있기 때문에, 레이저 빔의 정렬은 절단 중에 영향을 줄여 균일하고 안정적인 절단을 허용합니다. 절단 테이블 크기가 작고 기계적 정확도가 높으면 위치 정확도는 ± 0.01mm이어서 절단 정밀도가 우수하여 작은 부품의 정밀 절단에 특히 적합합니다. 또한 X 축 이동 2300 ~ 2400mm 및 Y 축 이동이 1200 ~ 1300mm의 절단 테이블도 있습니다.

XY 테이블 구동 장비의 주요 기술 매개 변수 :

* 레이저 : CO2 가스 레이저 (반면 직선 튜브 타입).

* 레이저 전원 공급 장치 : 입력 전압 200V AC, 출력 전압 0 ~ 30KV, 최대 출력 전류 100MA.

* 레이저 출력 전원 : 550W.

* 절단 테이블 이동 : x 축 2300mm, y 축 1300mm.

* 절단 테이블 드라이브 속도 (단계 조절 가능) : 0.4 ~ 5.0 m/min, 0.2 ~ 2.5 m/min, 0.1 ~ 1.3 m/min, 0.05 ~ 0.6 m/min.

* 토치 높이 (z 축) 부동 여행 : 180mm.

* 최대 가공 시트 크기 : 6mm 두께 * 1300mm * 2300mm.

* 제어 장비 : NC 방법.

** 2.3.3 토치 테이블 듀얼 구동 절단 장비 **

토치 테이블 듀얼 구동 절단 장비는 토치 구동과 XY 테이블 구동 유형 사이의 하이브리드입니다. 횃불은 갠트리에 설치되어 갠트리 빔을 따라 가로로 이동하고 (y 방향) 절단 테이블은 종 방향으로 구동됩니다 (x 방향). 높은 절단 정확도와 공간 절약의 장점을 결합합니다. 위치 정확도는 ± 0.01mm이며 절단 속도 조정 범위는 0 ~ 20m/분으로 널리 사용되는 절단 장비입니다. 이 유형의 더 큰 모델은 2000mm의 Y 축 이동 및 6000mm의 X 축 이동을 가질 수 있으며, 큰 부품을자를 수 있습니다.

일부 디자인에서는 레이저 발진기가 횃불과 함께 갠트리에 장착됩니다. 이중 구동 장비로 원형 구멍을 자르는 정확도는 상당히 좋습니다. 생산 효율도 높습니다. 예를 들어, 1mm 두께의 강철 플레이트에서 분당 10mm 직경의 46 구멍을자를 수 있습니다.

** 2.3.4 통합 절단 장비 **

통합 절단 장비에서 레이저 소스는 기계 프레임에 설치되어 세로로 이동하는 반면, 횃불과 드라이브 메커니즘은 프레임의 빔에 가로로 이동하는 장치를 형성합니다. CNC를 사용하면 다양한 모양의 부품이 잘릴 수 있습니다. 토치의 가로 이동으로 인한 광 경로 길이의 변화를 보상하기 위해, 광 경로 길이 조정 성분은 일반적으로 절단 영역을 가로 질러 균질 한 빔을 보장하고 일관된 절단 표면 품질을 유지합니다.