초점 거리와 노즐 높이가 절단 효과에 미치는 영향 관계

레이저 절단 공정에서 초점 거리와 노즐 높이는 서로 밀접하게 연관된 두 가지 핵심 공정 매개변수입니다. 이들은 레이저 에너지 분포, 용융 풀의 안정성, 보조 가스 성능 및 최종 절단 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 초점 위치와 노즐 높이의 적절한 조합은 절단 안정성과 절단면 품질을 확보하기 위한 기본 조건입니다.

I. 초점 거리의 기본 정의 및 기능

초점 거리는 레이저 빔이 광학 시스템을 통과한 후 최소 스팟을 형성하는 위치와 집광 렌즈 사이의 거리를 의미합니다. 절단 공정에서 초점 위치는 일반적으로 작업물 표면을 기준 제로점으로 하며 양의 초점, 제로 초점, 음의 초점으로 구분할 수 있습니다.

초점 위치는 레이저의 재료 표면 또는 내부에서의 에너지 밀도 분포를 결정하며, 다음 요소들에 직접적인 영향을 미칩니다:

초기 용융 능력

용융 풀의 깊이 및 형태

절단 폭 및 테이퍼

열영향부 영역의 크기

초점 위치의 과도한 편차는 에너지 밀도가 부족하거나 불균일해지며, 이로 인해 완전하지 않은 절단, 슬래그 부착 또는 거친 절단면이 발생할 수 있습니다.

II. 노즐 높이의 기본 정의와 기능

노즐 높이는 노즐 끝단과 작업물 표면 사이의 수직 거리를 의미하며, 일반적으로 높이 감지 시스템에 의해 실시간으로 제어된다. 노즐 높이의 주요 기능은 보조 가스 제트 상태와 절단 영역 내 공기 흐름의 안정성에 있다.

적절한 노즐 높이는 다음을 달성할 수 있다.

안정적이고 축대칭인 보조 가스 흐름을 보장한다

용융 금속 배출 효율을 향상시킨다

절단 홈 내 잔류 슬래그를 줄인다

광학 시스템에 대한 스패터의 영향을 최소화한다

노즐 높이가 너무 크면 가스 흐름이 분산되고 슬래그 제거 능력이 감소한다. 노즐 높이가 너무 작으면 노즐 충돌, 스패터 부착 및 공기 흐름의 난류가 발생할 수 있다.

III. 초점 거리와 노즐 높이 간의 연성 관계

초점 거리와 노즐 높이는 독립적인 파라미터가 아니다. 실제 절단 공정에서 이들 사이에는 명확한 연성 관계가 존재한다.

초점 위치 변화가 최적 노즐 높이에 미치는 영향

초점 위치가 아래로 이동할수록(더 음의 초점으로) 용융 풀은 재료 내부 더 깊숙이 확장된다. 이 경우, 보조 가스가 용융 금속에 미치는 직접적인 효과를 강화하기 위해 노즐 높이를 적절히 낮추는 것이 일반적이다.

노즐 높이 변화가 초점 에너지 활용도에 미치는 영향

노즐 높이의 변화는 가스 압력 분포에 영향을 주어, 간접적으로 용융 풀 형태 및 레이저-재료 상호작용 영역을 변화시키며, 이로 인해 초점 에너지의 유효 활용도에 영향을 준다.

파라미터 매칭이 절단 안정성에 미치는 영향

초점 거리와 노즐 높이의 부적절한 매칭은 절단 중 용융 풀의 불안정을 쉽게 유발할 수 있으며, 이는 주기적인 절단 틈 무늬, 하부 잔류물 부착 또는 절단 중단 등의 형태로 나타날 수 있다.

IV. 다양한 재료 조건에서의 파라미터 매칭 특성
박판 절단

좁은 절단 틈과 높은 절단 속도를 달성하기 위해, 일반적으로 제로에 가까운 초점 또는 약간 양의 초점을 사용하며, 작은 노즐 높이와 함께 적용한다.

중형 및 두꺼운 판 절단

음의 초점 절단이 일반적으로 채택되며, 용융 풀 깊이와 보조 가스에 의한 슬래그 제거 능력을 향상시키기 위해 노즐 높이를 상대적으로 낮춘다.

고반사율 소재 절단

에너지 변동을 방지하고 반사 위험을 줄이기 위해 안정적인 노즐 높이를 유지하면서 초점 위치를 정밀하게 제어해야 한다.

V. 일반적인 절단 결함 및 파라미터 상관관계

불완전 절단: 초점 위치가 너무 높거나 노즐 높이가 과도할 경우

하부 잔류 슬래그 발생: 음의 초점 부족 또는 노즐 높이 과도

너무 넓은 절단 폭: 과도한 양의 초점 또는 노즐 높이가 너무 낮을 경우

거친 절단면: 초점 거리와 노즐 높이의 부적절한 조합으로 인해 가스 유동과 용융 풀 간의 상호작용이 불안정해짐

VI. 공정 최적화 권장 사항

초점 거리 조정은 주로 재료 두께를 기준으로 결정되어야 합니다.

노즐 높이는 작업물과 가능한 가까이 유지하되, 운영상의 안전을 보장해야 합니다.

파라미터 튜닝 중에는 초점 거리와 노즐 높이를 독립적으로 조정하는 것이 아니라 동시에 조정해야 합니다.

시험 절단을 통해 절단 홈의 형태와 절단면 품질을 관찰하여 서서히 최적의 파라미터 조합을 결정해야 합니다.

초점 거리와 노즐 높이는 레이저 절단에서 서로 제약하고 영향을 주는 핵심 파라미터입니다. 이들의 적절한 매칭은 레이저 에너지 활용 효율, 용융 풀의 안정성 및 절단 품질을 직접적으로 결정합니다. 실제 적용에서는 재료의 종류, 두께 및 공정 목적에 따라 초점 거리와 노즐 높이를 체계적으로 조정하여 안정적이고 반복 가능한 절단 결과를 얻어야 합니다.