32 연구논문 고출력 CW Nd:YAG 레이저를이용한저탄소냉연강판절단시모서리부절단특성분석 안동규 * 유영태 ** * 조선대학교공과대학기계공학과 ** 조선대학교공과대학메카트로닉스공학과 Investigation of Cutting Characteristics in the Sharp Edge for the Case of Cutting of a Low Carbon Steel Sheet using High-power CW Nd:YAG Laser Dong-Gyu Ahn* and Young-Tae Yoo** *Dept. of Mechanical Engineering, Chosun University, Gwang-Ju 501-759, Korea **Dept. of Mechatronics Engineering, Chosun University, Gwang-Ju 501-759, Korea Abstract The objective of present research works is to investigate the effects of process parameters, including the power of laser, cutting speed, material thickness, and the edge angle, on the melted area in the sharp edge of the cut material for the case of cutting of a low carbon steel sheet using high-power CW Nd:YAG laser. In order to investigate the influence of edge angle and size of loop on the melted area in the sharp edge, angular cutting tests and loop cutting tests have been carried out. From the results of angular cutting tests, the relationship between the edge angle and the melted area has been obtained. The results of the experiments have been shown that the melted area is rapidly reduced from 120 of the edge angle and the melted area is nearly zero at 150 of the edge angle. Through the results of loop cutting experiments, the relationship between the cutting angle on the melted area in the edge according to the size of loop have been obtained. In addition, it has been shown that a proper size of loop is nearly 3 mm as the corner angle is greater than 90 and 5 mm as the corner angle is less than 90. The results of above experiments will be reflected on the knowledge base to generate optimal cutting path of the laser. *Corresponding author : smart@mail.chosun.ac.kr (Received June 7, 2006) Key Words : CW Nd:YAG laser, low carbon sheet, Cutting characteristics, Sharp edge, Edge angle, Size of loop 1. 서론 레이저절단공정은다양한형상의제품을정밀쾌속제작할수있는유연가공공정으로써자동차, 조선, 전자산업등산업계전반에걸쳐폭넓게적용되고있다 1-3). 레이저절단공정은비접촉가공으로절단저항이없고, NC 제어장치와결합하여일반절삭가공으로가공할수없는복잡한형상, 미세형상및극취성재료 의가공도가능하다 4,5). 현재산업현장에서는 1 μm 의파장대를가지면서연속파형특징을가진 CO 2 레이저를이용한절단공정이많이보급되어있다. 최근레이저의가격이감소하고, 정밀부품과국소영역에대한가공이요구되는산업적경향에의하여고체레이저로써안정된고출력을나타내며, 이론적으로는 6 μm 의파장대로써 CO 2 레이저보다초점크기가작아고집적화된고밀도의에너지를얻을수있는연속파형 Nd:YAG 레이저의산 316 Journal of KWS, Vol. 24, No. 4, August, 2006
고출력 CW Nd:YAG 레이저를이용한저탄소냉연강판절단시모서리부절단특성분석 33 업적활용이시도되기시작하고있다 4). 탄소강에 Nd: YAG 레이저를적용할경우 CO 2 레이저보다 7배이상의빔흡수율을높일수있으며, 고집적된에너지로고속절단함으로써절단후제품열변형을최소화할수있다. 이와같은이유로최근고출력연속파형 Nd: YAG 레이저를이용한박판재절단에대한학문적연구및산업적적용이활발히진행되고있다 6-8). 레이저를이용한금속박판절단시레이저절단경로가평면상에일정각을가지고평면내경사절단을수행할경우급격한곡률변화가발생하는모서리부분에서과도한열집적에의하여과용융이발생한다. 급격한곡률변화부위에대한과용융해결방안으로레이저절단경로변경과모서리부곡률처리및레이저절단속도제어등의방법들이많이사용되고있다. 특히, 광응용박판재절단전용프로그램개발에서는균일절단속도로판재를절단하기위하여레이저절단경로변경방법에대한연구를많이수행하고있다 9,10). 레이저절단조건에따른최적의레이저절단경로변경을위하여서는레이저절단경로변경특성치인경로변경량의정량적도출이필수적이다. 기존연구들에서는 CO 2 레이저를이용한일반강판절단시모서리용융특성분석에관한연구가대부분이며, kw 이상의고출력연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한저탄소냉연강판의절단시절단공정변수와모서리용융량상관관계도출에대한연구는문헌상으로거의찾아보기어렵다. 본연구에서는 kw 이상의레이저출력을가진고출력연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 2 mm 이하의저탄소냉연강판절단시절단속도, 레이저출력, 재료두께및평면내재료절단각이모서리용융량및열영향부형성에미치는영향에대하여연구하였다. 이연구결과를이용하여공정변수와모서리경사각에대한모서리용융량상관관계모델을도출하며, 평면내각도절단시경로수정이필요없는임계모서리각을도출하고자한다. 또한, 평면내경사절단시용융면적을최소화하기위하여절단루프크기와모서리용융량관계를분석 / 고찰하였다. 이결과를이용하여루프크기에따른모서리각, 유효입열량및재료두께와모서리용융량상관관계모델을도출하고자한다. 2. 실험및분석방법 2.1 실험방법 본연구에서는 Fig. 1 과같은최대출력 2.8 kw의연속파형 Nd:YAG 레이저와절단가스분사장치가부 Fig. 1 Experimental set-up 착된 6 자유도로봇레이저절단시스템을이용하였다. 본실험에사용된연속파형 Nd:YAG 레이저는아크플래시램프펌핑장치가부가된레이저발진기에서생성된다. 레이저의파장은 6 μm 이며, 초점크기는 mm 이다. 레이저빔의공간모드는 TEM 00 모드를사용하였다. 레이저초점위치는 Karatas 등 10) 의연구결과를근거로하여예비실험으로결정된시편위레이저빔직경이최소화되는절단노즐과시편사이거리로선정하였다. 본연구에적용한레이저초점거리는사전실험결과취득된절단노즐끝단과시편사이거리 mm 로선정하였다. 본연구에사용된저탄소냉연강판의재료성분비와기계적물성은각각 Table 1 및 2와같다. 본연구에사용된공정변수는레이저출력 (P), 레이저절단속도 (V tr ), 재료두께 (T) 및평면내모서리각 (Edge angle : θ) 이다. 절단실험은평면각도절단실험과루프절단실험을수행하였다. 평면각도절단실험에서는 Fig. 2(a) 와같이레이저와박판재를수직하게설정한후, 재료내레이저이동경로에평면내재료절단각을부여하였다. 이평면내재료절단각은절단시구현하고자하는평면내모서리각과동일하다. Table 1 Chemical compositions of low carbon steel sheets (wt %) C Mn P S Ti Al 3 7 1 1 5 3 Table 2 Mechanical properties of low carbon steel sheets Yield Strength Tensile Strength Max. Strain Young's Modulus (GPa) 144 302 176 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 2006 年 8 月 317
34 안동규 유영태 Moving direction of laser 같이표면조도가최소화되는최적절단속도에서실험을수행하였다. 2.2 실험결과분석방법 Table 3 Experimental conditions of angular cutting tests T (mm) Moving direction of laser P (KW) (a) Angular cutting tests Size Of Loop [δ] (b) Loop cutting tests Fig. 2 Concept of angular cutting and loop cutting tests 평면각도절단실험에사용된실험범위는 Table 3 과같이 Ahn 등 12) 의연구에의하여제시된고출력연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한시험소재절단시각출력별표면조도가최소화되는절단속도전후영역을선정하였다. 절단가스는산소가스로선정하였으며, 절단가스의순도는 99.99 % 이고절단가스압력 (P g) 은 0.1 MPa 로하였다. 평면내모서리각은 30 에서 150 까지 30 간격으로선정하였다. 루프절단실험에서는 Fig. 2(b) 와같이이동경로의평면재료절단각발생부위에루프크기 (Size of loop : δ) 만큼추가적인경로를부여하였다. 실험에사용된루프크기는 0 mm, 3 mm 및 5 mm로선정하였다. 루프절단실험은 Table 3 의절단속도중 Table 4 와 V tr (m/min) 0.5-1.8 6.0-8.0-1.8 5.0-7.0 1.6-1.8 3.0-5.0 2.0-1.8 3.0-5.0 P g 0.1 θ ( ) 30, 60, 90, 120, 150 평면각도절단실험과루프절단실험시모서리부의용융면적 (A T) 은식 (1) 및 Fig. 3 의방법을이용하여광학현미경으로모서리부를측정한후, 전체용융면적을여러개의단위삼각형으로나누어각각의면적을계산하고이국소면적들을합하여산출하였다. m A T = A j j= 1 (1) 여기서 A T, A j 및 m 은각각모서리부총용융면적, 총용융면적을구성하는단위삼각형의면적및단위삼각형의개수이다. 3. 실험결과및고찰 3.1 평면각도절단실험결과및고찰 Fig. 4, 5 및 6 은평면각도절단실험결과이다. Fig. 4 는시편두께 mm, 레이저출력 1.6 kw, 및레이저절단속도 6.0 m/min 에서의각도별절단면상태를나타내었다. Fig. 5 는각레이저출력별표면조도가최소화되는절단속도에서의재료두께에대한레이저출력별평면재료절단각과모서리용융면적의상관관계이다. Fig. 4 및 5 에서와같이평면내재료절단각이 150 이상일때에는모서리부에용융면적이거의발생하지않았다. 평면재료절단각이 90 이상일경우에는평면재료절단각증가에따라모서리용융면적이완만한증가를나타내었다. 그러나평면재료절단각 90 와 150 사이에서는급격한용융면적의변화가일어났 Table 4 Experimental conditions of loop cutting tests T (mm) P (kw) V tr (m/min) 0.5-1.8 8.0 6.0 1.4-1.8 7.0 1.6-1.8 5.0 2.0-1.4 4.0 1.6-1. 5.0 P g δ (mm) 0.1 0, 3, 5 θ ( ) 30, 60, 90, 120 Fig. 3 Measuring methodology of the melted area in the edge 318 Journal of KWS, Vol. 24, No. 4, August, 2006
고출력 CW Nd:YAG 레이저를이용한저탄소냉연강판절단시모서리부절단특성분석 35 P=kW P=1.4kW P=1.6kW P=1.8kW Edge angle, θ( ) (a) T = mm, V tr = 6.0 m/min P=kW P=1.4kW P=1.6kW P=1.8kW (b) T = 1.6 mm, V tr = 4.0 m/min Fig. 5 Influence of cutting angle and the power of laser on the melted area in the sharp edge at the optimum cutting speed Fig. 4 Formation of the melted area in the edge according to the cutting angle(t = mm, P = 1.6 kw, V tr = 6.0 m/min) 다. 특히, 평면내재료절단각이 120 에서 90 로감소할경우거의 1.5배에서 2배이상의용융면적이증가함을알수있었다. Fig. 4 에서평면내재료절단각이작은경우에는모서리부에서만집중적으로용융영역이형성되어과용융이발생하고, 평면내재료절단각이증가할수록용용영역이모서리부에서주위영역으로퍼져나감으로써국부적인열집중이둔화되어용융면적이감소하는것을확인할수있었다. Fig. 5 에서와같이레이저출력의증가시모서리부용융면적은선형적으로증가하였다. 또한, 각두께별레이저출력증가에따라모서리용용면적은거의일정한증분량을나타내었다. 본실험조건에서최대모서리용융면적은 0.96 mm 2 이었다. 일반적으로레이저절단과용접공정에서레이저출력과레이저절단속도와제품품질의상관관계를통계적 으로유도할때, 유효입열량을많이도입하고있다 7,13,14). 레이저절단공정에서레이저출력이증가할수록재료에유입되는에너지는선형적으로증가하고, 레이저절단속도가증가할수록재료에유입되는에너지는반비례하게감소한다 7,13,14). 유효입열량모델은레이저가공조건, 레이저종류및재료에따라수학적모델이조금씩다르게표현된다. 본연구에서는 Ahn 등의연구결과에서제시된고출력연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한시험소재절단시유효입열량과절단폭상관관계유도시도입된식 (2) 와같은유효입열량식을사용하였다. Q = P V tr 여기서 Q는유효입열량이다. Fig. 6 은각재료두께별유효입열량에따른평면내재료절단각과용융면적의상관관계이다. Fig. 6 의유효입열량이증가할경우모서리용융면적이증가하는것을알수있었다. 또한, 동일유효 (2) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 2006 年 8 月 319
36 안동규 유영태 1.4 1.4 (a) T = 0.5 mm Q= 9 J/mm Q=12 J/mm Q=16 J/mm Q=18 J/mm Qeff=18 J/mm Qeff =24 J/mm Qeff =28 J/mm Qeff =32 J/mm (b) T = 1.6 mm 단실험을수행하였다. 본실험결과 Fig. 8 및 9 와같은결과를얻을수있었다. Fig. 7 에서루프크기가증가할수록모서리부의용융면적과열영향부의면적이현저히감소하는것을볼수있다. 특히, 평면내재료절단각이 30, 60 및 90 일경우루프크기가 0 mm 일때와비교하여루프크기가 3 mm 와 5 mm 일때모서리부에서용융영역이거의발생하지않고원하는가공형상이구현됨을알수있었다. 그러나평면내재료절단각이 30 일경우모서리부에드로스 (Dross) 가많이증가하는것을알수있었다. 그러므로, 평면내재료절단각이 30 이하의예각을형성할경우루프절단을수행하여도모서리부용융이발생하기시작할것으로사료된다. Fig. 8 의결과에서루프크기가 3 mm 와 5 mm 로증가할때모서리용융면적의크기가각각루프크기 3 mm 일때의 30 ~ 60 % 및 20 ~ 30 % 정도로현저히감소함을알수있었다. 특히, 루프크기가 3 mm 이상인경우는평면내재료경사각이 90 이상인영역에서는모서리용융면적이거의발생하지않는것으로나타났다. 또한, 두께가얇아질수록루프크기의모서리용융부최소화에미치는영향이현저히증가함 Fig. 6 Influence of cutting angle and the effective heat input on the melted area in the edge 입열량조건에서절단시편의두께가증가할수록모서리용융면적이감소하는것을알수있었다. 이것은재료두께가증가할수록재료내부로전도열손실되는양이증가하기때문으로사료된다. 재료두께가얇아질수록유효입열량변화에대한모서리용융면적변화폭이커지는것을알수있었다. 특히, 두께가두꺼워지고평면내재료절단각이 120 이상인경우에는고유효입열량조건에서용융면적의변화가거의발생하지않음을알수있었다. 본실험결과를이용하여 CW Nd:YAG 레이저로저탄소냉연강판을평면내각도절단수행시평면내재료절단각이 150 이상일경우에는루프처리나모서리곡률부여와같은방법을수행하고않고절단을수행하여도모서리부용융이거의없이정형가공이가능함을알수있었다. 3.2 루프절단실험결과및고찰 각평면경사절단조건에서모서리용융면적이최소화되도록하는루프크기를도출하기위하여루프절 Fig. 7 Formation of the melted area in the edge according to the cutting angle (T = 1.6 mm, P = 1.4 kw, V tr = 4.0 m/min) 320 Journal of KWS, Vol. 24, No. 4, August, 2006
고출력 CW Nd:YAG 레이저를이용한저탄소냉연강판절단시모서리부절단특성분석 37 1.4 P=1.8kW, δ=0 mm P=1.8kW, δ=5 mm P=1.6kW, δ=3 mm P=1.4kW, δ=0 mm P=1.4kW, δ=5 mm P=kW, δ=3 mm P=1.8kW, δ=3mm P=1.6kW, δ=0 mm P=1.6kW, δ=5 mm P=1.4kW, δ=3 mm P=kW, δ=0 mm P=kW, δ=5 mm 0 30 60 90 120 150 (a) T = 0.5 mm P=1.8kW, δ=0 mm P=1.8kW, δ=5 mm P=1.6kW, δ=3 mm P=1.4kW, δ=0 mm P=1.4kW, δ=5 mm P=kW, δ=3 mm 0 30 60 90 120 150 (b) T = 2.0 mm P=1.8kW, δ=3mm P=1.6kW, δ=0 mm P=1.6kW, δ=5 mm P=1.4kW, δ=3 mm P=kW, δ=0 mm P=kW, δ=5 mm Fig. 8 Influence of cutting angle and the size of loop on the melted area in the edge for each optimum cutting condition 면적의상관관계를도출할수있었다. 또한, 평면내재료절단각이 150 이상인경우에는모서리용융면적이발생하지않음을알수있었다. 2) 동일유효입열량에서는재료두께가증가할수록모서리용융면적이감소하는것을알수있었다. 특히, 재료가얇아질수록유효입열량이모서리용융면적생성에미치는영향이커짐을알수있었다. 3) 루프절단실험을통하여루프크기와모서리용융면적의상관관계를도출할수있었다. 평면내재료절단각이 90 이상인경우에는루프크기 3 mm 이상에서는모서리용융면적이발생하지않는다는것을알수있었다. 또한, 루프크기가 3 mm 와 5 mm 로증가할때모서리에서의용융면적의크기가각각루프크기 0 mm 일때의 30 ~ 60 % 및 20 ~ 30 % 정도로감소하는것을알수있었다. 그러나평면내재료절단각이 30 이하의예각을형성할경우루프절단보다모서리에곡률크게부여하는절단방식이모서리용융면적을최소화하는절단방식일것으로사료된다. 본연구에서취득된결과는추후최적레이저절단경로생성프로그램에서형상에따른최적경로보정량계산알고리즘개발을위한지식데이터베이스로활용될예정이다. 또한, 루프를도입할수없는형상이나평면내모서리각이작은경우에필요한모서리부가공곡률과용융면적의상관관계에대하여연구를계속적으로수행할예정이다. 을알수있었다. 본실험결과로부터평면내재료절단각이 90 이상인경우에는절단루프크기를 3 mm 이상으로, 평면내재료절단각이 90 이하인경우에는루프크기를 5 mm 내외로설정하는것이바람직할것으로사료된다. 또한, 평면내재료절단각이 30 이하의예각을형성할경우루프절단보다모서리에곡률크게부여하는절단방식을채택하는것이모서리용융면적을최소화하는절단방식으로사료된다. 4. 결론 본연구에서는 kw 이상의레이저출력을가진고출력연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한 2 mm 이하의저탄소냉연강판절단시절단속도, 레이저출력, 재료두께, 평면내재료절단각및루프크기가모서리용융면적에미치는영향에대하여연구를수행하여다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 평면각도절단실험을통하여절단속도, 레이저출력, 재료두께및평면내재료절단각과모서리용융 후 기 이논문은산업자원부지정조선대학교치과용정밀장비및부품지역혁신센터의연구비지원에의해연구되었음. 참고문헌 1. J.K. Larsson : The Mature Technique of Laser Processing in Body Manufacture - Long Term Production Experience and Recent Development, Proceedings of the LANE 2001, (2001), 55-74 2. M. Geiger : Manufactureing Science-Driving Force for Innovation, Advanced Technology of Plasticity, 1 (2002), 17-30 3. R. Wollermann-Windgasse and C. Schinzel : Laser Technology in Manufacturing-State of the Art at the Beginning of the 21 st Century, Proceedings of the LANE 2001, (2001), 87-102 4. J.F. Ready : Industrial Applications of Laser, Academic Press, 1997, 315-417 5. J. H. Lee, J. Suh, H. K. Sohn and D. S Shin : Trends in Micromachining Technology Using Ultrashort 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 2006 年 8 月 321
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