Fig. 2-20 Schematic illustration of laser cutting
노즐 옵셋은 노즐과 판재사이의 거리를 나타내며 피어싱 및 절단,소재의 종류 및 두께 등 각 조건에 따라 노즐 옵셋을 조정 한다.레이저 절단은 레이저 출력, 절단가스,절단노즐,노즐 옵셋,절단속도 등의 각 절단조건 (cuttingparameter)을 변경하여 소재 절단 가공시 용융물의 흐름 및 배출을 최적의 상태로 유지하여 절 단이 이루어지는 경우 양호한 절단 가공품을 얻을 수 있다.
그러나 용융물의 흐름이나 배출상태가 불량할 경우 Fig.2-21과 같이 절단품질 불량이 발생된다.절단면 하단에 드로스 (dross)가 발생되는 요인으로는 절단면의 하단에 열역학적 출력 평형이 맞지 않아 국부적인 발열반응에 의해 생기거나,고압 절단가스의 용융물 제거시 열유 속에 균형이 이루어 지지 않을때 발생한다.절단속 도가 빠른 경우 부착되는 드로스는 산소에 의해 발화가 되며 절단면 하단이 불규 칙적으로 형성되는데 절단속도를 낮추고 보조가스 압력을 크게 하면 드로스 양을 감소시킬 수 있다[95].
레이저 절단시 Fig.2-21과 같은 주기적 줄무늬 (striation)생성 요인으로는 레이 저 진행속도보다 절단면의 진행속도가 늦어짐에 따라 레이저에 의한 모재의 에너 지 유입이 증대되고 절단면의 온도상승과 절단가스와의 상호작용에 의해 급속히 상승된 절단면의 온도는 증발에 의한 급속한 물질제거가 진행된다.결국 절단면은 빠른 속도로 레이저가 조사되고 있는 선단부를 따라가게 되며 이러한 현상이 반복 됨으로써 주기적 줄무늬가 형성된다.주기적 줄무늬의 상태에 따라 절단면의 표면 거칠기가 달라지게 되며,이는 레이저 절단의 품질을 좌우된다.
절단면의 거칠기는 레이저 출력,노즐압력,절단속도에 영향을 받는다.출력이 높 을수록 절단면 거칠기는 개선되며,노즐압력이 커질수록 주기적 줄무늬 파장도 증 가한다.또한 절단속도가 빠를수록 절단면 거칠기는 개선되며,최적의 절단속도 이 상으로 계속 절단속도를 올릴 경우 출력부족으로 인한 절단이 진행되지 않게 된다.
Fig. 2-21 Quality defects of laser cutting edges [38]
레이저 절단은 절단가스의 종류 및 재료의 특성에 따라 다음과 같이 용융절단, 연소절단,기화절단으로 구분한다.
첫째 용융절단은 레이저 빔으로 절단부를 용융상태로 가열해서 무산화 절단가스 (cuttinggas)인 질소,아르곤,헬륨 등으로 제거하는 방법이다.장점으로는 연소절 단 및 기화절단에 비해 절단속도가 빠르고,산화 연소 반응이 유발되지 않아 산화 물이나 산화막의 형성을 방지 한다.주로 3mm 미만의 강판이나,스테인리스 절단 시 적용된다.
둘째,연소절단은 적용되는 절단가스인 산소와 산화 연소 반응을 하며,반응열이 생성되면서 산화물이 형성되고,형성된 산화물은 절단가스의 분사 압력에 의해 외 부로 용융된 산화물을 배출한다.장점으로는 연소반응에서 반응열을 생성하여 다른 절단방법에 비해 두꺼운 소재 절단을 할 수 있으며 경제적이다. 단점으로는 절단 면에 산화층이 형성되며,재료의 가열로 인해 정밀 형상 절단 가공에 불리하다.주 로 연강 절단시 주로 적용된다.
마지막으로 기화절단은 레이저 강도 (intensity)를 최대한 높여 목재,종이,세라 믹,플라스틱 등의 가공소재를 증발시켜 절단한다.기화절단의 장점으로는 용융상 태가 이루어 지지 않아 절단면 품질이 우수하며,연소반응이 없음으로 산화막이 없 어 후가공이 필요 없다.금속의 절단의 경우 판재두께가 빔 직경의 2배 이상을 넘 지 않는 경우에 적용이 가능하다.
레이저 절단 시 용융물을 제거하기 위한 취입 절단가스를 효과적으로 활용하기 위해 절단노즐 (cutting nozzle)이 사용된다.또한 고품질의 절단결과를 얻기 위해 서는 절단소재의 두께 및 재료 특성에 따라 노즐의 종류나 노즐 압력을 달리해야 한다.레이저 절단 시 노즐 종단에서의 노즐분사 거동 및 절단면에서의 절단가스의 유동 특성을 Fig.2-22에 나타내었다.
고압의 절단 가스는 좁은 오리피스 (orifice)형태의 동축 노즐 (co-axisnozzle) 종단의 압력파는 노즐 통과 후 급속히 면적이 넓어지면서 팽창파 (expansion wave)와 충격파 (normalshock wave)가 발생되어진다.충격파로 인한 절단면에 서의 절단가스의 유동특성은 매우 복잡하고 해석이 난해하여 절단면 시뮬레이션
(cutting kerfsimulation)에 의해 압력분포를 측정해 실험적으로 접근하고 있다 [96].절단가스의 유동특성은 용융된 절단면의 경계층 (boundary layer)의 유동박 리 (separation)가 용융물의 방출 효율에 큰 영향을 주며,이러한 절단가스의 유동 특성은 노즐의 형태나 절단압력의 조건에 따라 다양하게 변화하여 절단품질에 영 향을 미치는 주요 인자 중 하나이다[97].
Fig. 2-22 Schematic illustration of laser cutting gas jet