CO2 레이저 vs. 파이버 레이저 절단: 공정 및 비용 분석

1. 개요
현재, 주로 사용되는 레이저 유형은 절단 절단 응용에 있습니다. CO2 레이저는 고주파와 고압 하에 CO2 가스를 excite하여 10.6μm 파장의 레이저를 생성합니다. 빔은 공명기 거울과 구리 반사경을 통해 방향 지정 및 초점 조정이 이루어져 절단 작업을 수행합니다.
파이버 레이저는 병렬로 배열된 다수의 멀티모드 펌프 다이오드를 사용합니다. 레이저 소스 , 10.6μm에서 레이저를 생성하기도 합니다. 빔은 공진기 조율을 통해 단일 광섬유에 결합되며, 이는 고출력 레이저를 형성합니다.

2. CO2 레이저 절단과의 비교 섬유 레이저 절단 공정

(1) 레이저 구조 비교
CO2 레이저 발전기는 크기가 크고 공기를 전송 매체로 사용합니다. 레이저는 반사경을 통해 직선으로 진행되며, 이는 빔 감쇠가 급격히 발생하고 에너지 손실이 큽니다. 광-전기 변환 효율은 약 10%에 불과하며, 도표 1에서 볼 수 있습니다.

섬유 레이저 다수의 다중 모드 펌프 다이오드 세트를 병렬로 사용합니다. 레이저는 광섬유를 통해 전달되며 섬유 내부에 제한되어 '곡선' 경로로 진행됩니다. 이 방법은 외부 환경의 영향을 받지 않으며 높은 광-전기 변환 효율(25% 이상)을 제공하며, 도표 2에서 볼 수 있습니다.

도표 1 CO2 레이저
1. 레이저 발전기 2. 드라이브 유닛 반사경 3. 광학 경로 4, 5, 6. 각도 반사경 7. 초점 렌즈

도표 2 섬유 레이저
1. 레이저 소스 2. 공진腔 3. 냉각 시스템 4. 광학 경로

(2) 절단 재료 비교
CO2 레이저는 탄소강, 스테인레스, 알루미늄 합금 및 비금속 재료를 절단할 수 있지만 동은 절단할 수 없습니다 . 동은 10.6μm 파장을 매우 반사하며 대부분의 빔을 흡수하지 않고 반사하여, 이는 레이저 소스에 후방 반사로 인한 손상을 초래할 수 있습니다.

광섬유 레이저는 탄소강, 스테인레스, 알루미늄 합금 및 구리 , 그러나 비금속 재료는 절단할 수 없습니다 , 예를 들어 나무, 플라스틱, 가죽과 같은 것들입니다. 또한 래미네이트 스테인레스나 방청 특수 강판과 같이 표면 코팅이 된 재료도 절단할 수 없습니다.

(3) 절단 성능 비교
절단 효율성은 절단 속도, 구멍 뚫기 성능 및 가장자리 품질을 포함하며, 이는 레이저 절단기를 평가하는 주요 지표입니다.

섬유 레이저는 특히 3mm 두께 미만의 얇은 시트를 절단할 때 뛰어나며, 그 경우 약 4배 더 빠릅니다 cO2 레이저보다. 6mm 두께에서는 두 레이저 모두 유사한 성능을 발휘하며, 이는 그들의 장점이 바뀌는 경계를 나타냅니다. 6mm 이상의 두꺼운 재료에서는 CO2 레이저가 장점을 보이기 시작하지만, 차이는 극적이지 않습니다. (다양한 재료의 절단 속도는 도표 3을 참조하세요.)

절단이 시작되기 전에 레이저는 먼저 재료에 구멍을 뚫어야 합니다. 섬유 레이저는 일반적으로 CO2 레이저보다 구멍 뚫기에 더 많은 시간이 걸립니다. 예를 들어, 3kW 레이저로 8mm 두께의 탄소 강판을 절단할 때, CO2 레이저는 구멍당 약 1초가 더 빠르며, 10mm의 경우 2초가 더 빠릅니다. 하루에 2000번의 구멍 뚫기가 이루어진다면, 이는 약 6000초, 즉 약 1.7시간의 시간 차이를 초래합니다. 이상.

에지 품질은 일반적으로 거칠기와 수직성으로 평가됩니다. 3mm 이하의 강판에서는 파이버 레이저 절단의 에지 품질이 CO2 레이저 절단보다 약간 열악합니다. 두께가 증가할수록 이 차이는 더욱 두드러지게 됩니다. 3mm 이상의 스테인레스 강판에서는 파이버 레이저 절단면이 무광으로 보이고, CO2 절단면은 반짝입니다. 16mm 탄소강에서는 파이버 레이저의 에지 수직성은 0.4-0.5mm 범위이며, CO2는 0.1mm를 달성합니다.
또한 파이버 레이저의 낮은 주파수와 높은 에너지 밀도로 인해 탄소강에서 작은 구멍을 절단할 때 과열이 발생할 수 있습니다.

CO2 레이저와 파이버 레이저 절삭 공정의 요약 비교는 표 1에 제공됩니다.

그림 3 다양한 재료의 절삭 속도

표 1 CO2 레이저와 파이버 레이저 절삭의 기본 공정 매개변수 비교

표 2: CO₂ 레이저와 파이버 레이저 절단의 비용 분석

참고: 상기 비용 분석에는 인건비, 관리비 및 이익 요인은 고려되지 않았습니다.

3. CO2 대비 비용 분석 섬유 레이저 절단

5mm 스테인레스 강판 절단을 예로 들어, 표 2에 비용 비교가 나타나 있습니다.

표를 기반으로 연간 작업 시간이 3860시간이라고 가정할 때:

• CO2 레이저 절단 운영 비용 = ¥268.8/시간

• 섬유 레이저 절단 운영 비용 = ¥242.7/시간

절삭 속도는 CO2가 2.5m/분이고 섬유 레이저가 8.2m/분일 경우:

• CO2 매터당 비용 = ¥1.79

• 섬유 레이저 매터당 비용 = ¥0.48

4. 요약 및 권장 사항

CO2와 섬유 레이저 절단 기술들은 각각 적합한 응용 분야를 가지고 있다.
CO2 레이저는 탄소 강, 스테인레스 강, 알루미늄 합금을 절단할 수 있으며 반도체, 비금속, 복합 재료도 절단할 수 있다 이로 인해 더 넓은 적용 범위를 가진다.
광섬유 레이저는 탄소강, 스테인레스, 알루미늄 합금 및 구리 —CO2 레이저는 할 수 없지만—그러나 그들은 비금속 재료를 절단할 수 없다 .

절단 비용 측면에서 광섬유 레이저는 훨씬 경제적이다 cO2 레이저보다 더 우수합니다.

레이저 선택에 대한 권장 사항:

1. 4mm 이하 두께의 재료인 경우 : 더 높은 속도와 효율성을 위해 피버 레이저를 선택하세요—전반적으로 더 나은 가치입니다.

2. 8mm 이상 두께의 재료인 경우 : 더 나은 관통 성능과 가장자리 품질을 위해 CO2 레이저를 선택하세요—특히 피버 레이저가 명확한 속도 이점을 제공하지 않는 경우.

3. 구리 또는 미러 처리된 스테인레스 스틸인 경우 : 피버 레이저를 선택하세요.
   반도체, 비금속 또는 복합 재료인 경우 : CO2 레이저를 선택하세요.