레이저 절단 입문 완벽 가이드: 원리·종류·특징·응용·트렌드

정의

레이저 절단은 고출력 밀도 레이저 빔을 피절단 재료에 조사해 재료를 급속히 기화 온도까지 가열하여 증발시키고 구멍을 형성합니다. 빔이 재료를 따라 이동하면서 구멍이 연속적으로 좁은 폭의 슬릿을 형성해 재료 절단을 완료합니다.

원리

레이저는 물질 여기로 빛을 생성합니다. 이 빛은 강한 온도를 가지며 재료와 접촉 시 재료 표면에서 빠르게 녹아 구멍을 만듭니다. 기준점 이동에 따라 절단이 형성됩니다. 기존 절단 방식 대비 절단 간극이 작아 대부분의 재료를 절약할 수 있습니다. 절단 효과에 따라 분석이 정의되며, 레이저로 절단된 재료는 만족스러운 절단 효과와 높은 정밀도를 가집니다. 이는 레이저의 장점을 계승한 것일 뿐 아니라 일반 절단 방식으로는 따라올 수 없는 특장점입니다.

레이저 절단은 집속된 고출력 밀도 레이저 빔으로 공작물을 조사해 조사된 재료를 빠르게 녹이고, 기화시키고, 열분해시키거나 발화점에 도달하게 합니다. 동시에 빔과 동축인 고속 기류로 용융 재료를 날려버려 공작물을 절단합니다. 레이저 절단은 열적 절단 방법 중 하나입니다.

종류

레이저 절단은 레이저 기화 절단, 레이저 용융 절단, 레이저 산소 절단, 레이저 스크라이빙 및 제어 파절 네 가지로 나뉩니다.

1. 레이저 기화 절단

고에너지 밀도 레이저 빔으로 공작물을 가열해 온도를 급상승시켜 매우 짧은 시간에 재료 비등점에 도달시킵니다. 재료가 기화해 증기를 형성하며, 이 증기의 분출 속도가 매우 빨라 증기 분출과 동시에 재료에 절단선이 생깁니다. 재료 기화열은 일반적으로 매우 커서 레이저 기화 절단에는 많은 전력과 전력 밀도가 필요합니다.

주로 극박 금속 재료와 비금속 재료(종이, 천, 목재, 플라스틱, 고무 등) 절단에 사용됩니다.

2. 레이저 용융 절단

레이저 가열로 금속 재료를 녹인 뒤, 빔과 동축인 노즐을 통해 비산화 가스(Ar, He, N 등)를 분사해 가스의 강한 압력으로 액체 금속을 배출시켜 절단선을 만듭니다. 레이저 용융 절단은 금속을 완전히 기화시킬 필요가 없어 기화 절단 대비 1/10 에너지만 필요합니다.

주로 산화하기 어렵거나 활성 금속(스테인리스강, 티타늄, 알루미늄 및 합금) 절단에 사용됩니다.

3. 레이저 산소 절단

원리는 산소아세틸렌 절단과 유사합니다. 레이저를 예열 열원으로, 산소 등 활성 가스를 절단 가스로 사용합니다. 분사 가스가 절단 금속과 산화 반응해 다량의 산화열을 방출하고, 용융 산화물과 용융물이 반응 구역에서 날아가 금속에 절단선을 형성합니다. 절단 중 산화 반응으로 많은 열이 발생하므로 레이저 산소 절단에 필요한 에너지는 용융 절단의 1/2에 불과하며, 절단 속도는 레이저 기화 절단과 용융 절단보다 훨씬 빠릅니다. 주로 탄소강, 티타늄강, 열처리강 등 산화하기 쉬운 금속 재료에 사용됩니다.

4. 레이저 스크라이빙 및 제어 파절

레이저 스크라이빙은 고에너지 밀도 레이저로 취성 재료 표면을 스캔해 재료를 가열하여 미세 홈을 증발시킨 뒤 일정 압력을 가해 취성 재료가 미세 홈을 따라 갈라지게 합니다. 레이저 스크라이빙용 레이저는 일반적으로 Q-스위치 레이저와 CO2 레이저입니다.

파절 제어는 레이저 홈 가공으로 생성된 급격한 온도 분포가 취성 재료에 국부 열응력을 생성해 재료를 미세 홈을 따라 파절시키는 방식입니다.

특징

다른 열적 절단 방식과 비교해 레이저 절단은 빠른 절단 속도와 높은 품질이라는 전반적 특징을 가집니다. 구체적으로 다음과 같습니다.

1. 우수한 절단 품질

작은 레이저 스팟, 높은 에너지 밀도, 빠른 절단 속도 덕분에 좋은 절단 품질을 얻을 수 있습니다.

• 절단 폭이 좁고 양측이 평행하며 표면에 수직입니다. 절단 부품 치수 정밀도는 ±0.05mm에 도달할 수 있습니다.
• 절단면이 매끄럽고 아름다우며 표면 거칠기는 수십 미크론에 불과합니다. 레이저 절단을 최종 공정으로 사용하여 기계 가공 없이 부품을 직접 사용할 수 있습니다.
• 레이저 절단 후 열영향부 폭이 매우 작아 절단부 근처 재료 성능이 거의 영향을 받지 않습니다. 공작물 변형이 적고 절단 정밀도가 높으며 절단부 기하학이 좋고 단면 형상이 규칙적인 직사각형에 가깝습니다.

2. 높은 절단 효율

레이저 전달 특성 덕분에 레이저 절단기는 보통 여러 CNC 작업대를 갖추고 전체 공정을 완전 CNC 제어할 수 있습니다. 작동 시 NC 프로그램만 변경하면 다양한 형상 부품 절단에 적용 가능하며, 2차원·3차원 절단 모두 가능합니다.

3. 빠른 절단 속도

1200W 레이저로 2mm 저탄소강 절단 시 속도 600cm/min, 5mm 폴리프로필렌 수지판 절단 시 1200cm/min에 달합니다. 레이저 절단 시 재료를 클램프·고정할 필요가 없어 지그 고정구 절약뿐 아니라 상하차 보조 시간도 단축됩니다.

4. 비접촉 절단

절단 토치가 공작물과 접촉하지 않아 공구 마모가 없습니다. 다양한 형상 부품 가공 시 '공구'를 교체할 필요 없이 레이저 출력 파라미터만 변경하면 됩니다. 공정 소음이 낮고 진동이 적으며 오염이 없습니다.

5. 다양한 절단 재료

산소아세틸렌 절단, 플라즈마 절단 대비 레이저 절단 가능 재료 종류가 많습니다. 금속, 비금속, 금속/비금속 복합재, 가죽, 목재, 섬유 등이 포함됩니다. 하지만 재료마다 열물리적 특성과 레이저 흡수율이 달라 레이저 절단 적응성이 다르게 나타납니다.

응용 분야

대부분 레이저 절단기는 CNC 프로그램으로 제어되거나 절단 로봇으로 제작됩니다. 정밀 가공 방식으로 거의 모든 재료를 절단할 수 있으며, 박판 금속의 2차원·3차원 절단이 가능합니다.

자동차 제조 분야에서는 자동차 천장 창문 등 공간 곡선 절단 기술이 널리 쓰입니다. 독일 폭스바겐은 500W 레이저로 복잡한 형상 차체 판재와 곡면 부품을 절단합니다. 항공우주 분야에서는 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 크롬 합금, 스테인리스강, 산화베릴륨, 복합재, 플라스틱, 세라믹, 석영 등 특수 항공 재료 절단에 주로 사용됩니다. 레이저 절단 가공 항공 부품: 엔진 화염관, 티타늄 합금 얇은 벽 케이싱, 항공기 프레임, 티타늄 합금 스킨, 날개 트러스, 꼬리날개 패널, 헬리콥터 메인 로터, 우주왕복선 세라믹 단열 타일 등.

레이저 절단 기술은 비금속 재료 분야에도 널리 적용됩니다. 실리콘 나이트라이드, 세라믹, 석영 등 고경도·고취성 재료뿐 아니라 천, 종이, 플라스틱 판, 고무 등 유연한 재료도 절단 가공 가능합니다. 예: 의류 레이저 절단 시 원단 10~12% 절약, 효율 3배 이상 향상.

트렌드

1. 레이저 절단기, 기념비적 제품 혁명 지속

레이저 광원은 레이저 절단기의 핵심 부품이자 절단기 종류와 절단 능력을 결정하는 중요 지표입니다. 향후 레이저 절단기 변화도 레이저 광원에서 일어날 것입니다. CO2 레이저 절단기를 파이버 레이저 절단기가 대체한 것은 레이저 절단기 탄생 40년 이래 가장 중요한 기술 혁명으로, 제조사와 사용자에게 기념비적 경제적 이익을 안겨주었습니다. 미래에는 파이버 레이저보다 저렴하면서 성능이 더 좋고, 빔 모드가 더 우수하며, 전기-광 변환율이 더 높거나 전체 비용이 더 낮은 새로운 광원이 등장할 것입니다. 어떤 레이저가 될지는 현재 정확히 예측할 수 없습니다. 과학기술은 때로 더디고 때로 천리길을 하루에 가기도 합니다.

2. 고출력 파이버 레이저, 레이저 절단기 시장의 주력될 것

현재 다양한 출력 범위의 파이버 절단기가 크게 발전하고 있습니다. 하지만 미래 레이저 절단기 주류 레이저 출력은 어디일까요? 각 출력 범위마다 용도가 있지만, 고출력 파이버 레이저로 시작해 전 세계 레이저 절단기 기술 혁명을 촉발한 레이저 계열은 더 높은 출력, 더 높은 정밀도, 더 큰 절단 능력을 파이버 레이저 절단기의 중요한 발전 방향 중 하나로 삼고 있습니다. STYLECNC가 최근 출시한 15kW 초고속 파이버 레이저 절단기는 절단 속도와 두께에서 전례 없는 돌파구를 마련해 업계 주목을 받고 있습니다. 이것이 미래 레이저 절단기 발전 트렌드를 담고 있을지 전문가와 학자, 사용자들이 주목하고 있습니다. 또한 머지않아 국내외 파이버 레이저 절단기 제조사 간 치열한 시장 경쟁이 예상되며, 우수한 제품 품질, 지속적인 R&D 투자, 핵심 경쟁 기술을 보유한 기업만이 무적의 위치를 차지할 것입니다.

3. 지능화 시대 도래

독일의 인더스트리 4.0이든 중국의 지능형 제조이든, 산업 분야 제4차 산업혁명이 다가오고 있습니다. 고정밀 CNC 레이저 절단기는 시대 흐름에 맞춰 기술과 함께 비상할 것입니다. 레이저 절단기 자동화 발전으로 판금 작업장의 생산 능력과 자동화 수준이 크게 향상되었습니다.

미래에는 네트워크 기술, 통신 기술, 컴퓨터 소프트웨어 기술 등의 분야를 바탕으로 레이저 절단기 지능형 제조 시대가 무르익고 있습니다. 정밀 판금 블랭킹 수단으로서 자체 네트워크 통신 능력을 활용해 공장의 판재 언코일링 라인, 벤딩 머신, CNC 펀칭 머신, 용접(리벳팅) 조인트 유닛, 쇼트 블라스팅 및 코팅 라인 등 다른 장비와 통신하고, 통합 생산 계획·작업·평가 관리 시스템에 내장되어 판금 작업장 관리 시스템의 중요한 부분이 될 것입니다. 그 결과 레이저 절단기 제조사는 점차 판금 가공 계약업체로 변모할 것입니다.