N2-0922분
플라즈마·레이저 절단
열 절단 프로세스, 절단 품질 평가
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
플라즈마 절단(Plasma Arc Cutting, PAC)은 이행식 아크(Transferred Arc)에 의해 생성된 초고온 플라즈마 제트로 금속을 용융·제거하는 열 절단 프로세스입니다.
원리: 텅스텐 전극과 공작물(모재) 사이에 아크를 발생시키고, 노즐을 통해 고속의 플라즈마 가스(Ar, N₂, O₂, Air 또는 혼합가스)를 분사합니다. 아크 에너지가 좁은 노즐에 집속되어 20,000~30,000°C의 고온 플라즈마 제트가 형성되며, 이 제트가 금속을 용융시키고 고속 가스가 용융 금속을 절단면 밖으로 불어냅니다.
플라즈마 절단의 장점:
- 모든 도전성 금속 절단 가능 (스테인리스강, 알루미늄 등 산소 절단 불가능한 재료 포함)
- 가스 절단 대비 빠른 절단 속도
- 두꺼운 판재(최대 150mm 이상)까지 절단 가능
- CNC 자동화에 적합
🟡 Referenced
레이저 절단(Laser Beam Cutting, LBC)은 집속된 레이저 빔으로 재료를 가열·용융시키고, 보조 가스(Assist Gas)의 분사로 용융물을 제거하여 절단하는 프로세스입니다.
보조 가스의 종류와 역할:
- 산소(O₂): 연강 절단에 사용. 철의 산화 반응열이 추가 에너지를 제공하여 절단 속도 향상. 절단면에 산화 피막 형성
- 질소(N₂): 스테인리스강, 알루미늄 절단에 사용. 산화 방지. 비산화 절단(Clean Cut)으로 깨끗한 절단면
- 압축 공기: 경제적 대안. 얇은 재료 절단에 사용
가스 절단(Oxyfuel Cutting, OFC)과의 비교:
| 특성 | 가스 절단 | 플라즈마 절단 | 레이저 절단 |
|---|---|---|---|
| 적용 재료 | 탄소강 전용 | 모든 도전성 금속 | 거의 모든 재료 |
| 절단 두께 | 최대 300mm+ | 최대 150mm | 최대 25mm |
| 절단 정밀도 | 낮음 | 중간 | 높음 |
| 절단 속도 (박판) | 느림 | 빠름 | 매우 빠름 |
| 절단면 품질 | 보통 | 양호 | 우수 |
| 장비 비용 | 저가 | 중가 | 고가 |
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절단 품질 평가 기준(ISO 9013): 절단면의 품질은 직각도(Perpendicularity), 표면 거칠기(Surface Roughness), 드로스(Dross, 찌꺼기) 부착, 커프(Kerf) 폭, 상부 모서리 용융(Top Edge Melting) 등으로 평가합니다. ISO 9013은 절단 품질을 Range 1~5로 분류하며, Range 1이 최고 품질입니다.
🟡 Referenced
CNC 자동화와 공정 선택
현대의 열 절단은 대부분 CNC(Computer Numerical Control) 절단기로 수행됩니다. 하나의 CNC 절단기에 가스 절단, 플라즈마 절단, 레이저 절단 토치를 동시에 장착하여 재료와 두께에 따라 최적의 프로세스를 선택하기도 합니다.
공정 선택 가이드:
- 연강 6mm 이하: 레이저 절단 (최고 속도, 최고 품질)
- 연강 6~25mm: 플라즈마 또는 레이저 (경제성 고려)
- 연강 25mm 이상: 플라즈마 또는 가스 절단
- 스테인리스강/알루미늄: 플라즈마 또는 레이저 (가스 절단 불가)
- 정밀 형상·소량: 레이저 (좁은 커프, 높은 정밀도)
- 대량·후판: 플라즈마 (경제적, 빠른 속도)
드로스(Dross): 절단면 하부에 재응고된 용융 금속이 부착된 것. 절단 속도, 가스 유량, 토치 높이를 적절히 설정하면 드로스를 최소화할 수 있습니다.
가스 절단(산소 절단)은 탄소강 전용입니다. 스테인리스강이나 알루미늄은 산화물의 융점이 모재보다 높아 산소 절단이 불가능합니다. 이들 재료에는 플라즈마 또는 레이저 절단을 사용해야 합니다.
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절단 프로세스 선정
재질(연강/STS/Al)과 두께를 확인하여 가스/플라즈마/레이저 중 최적 절단법을 선정합니다. STS·Al은 가스 절단이 불가하므로 플라즈마 또는 레이저를 선택합니다.
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절단 조건 설정
전류(플라즈마) 또는 출력(레이저), 절단 속도, 토치 높이, 보조가스 종류·유량을 설정합니다. 연강은 O₂, STS는 N₂ 보조가스가 일반적입니다.
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시험 절단·드로스 확인
시험편으로 절단 후 절단면의 드로스(찌꺼기) 부착, 직각도, 표면 거칠기를 확인합니다. 드로스가 과다하면 속도·가스 유량을 조정합니다.
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ISO 9013 품질 평가
절단면을 ISO 9013 기준으로 평가합니다. 직각도(u), 평균 거칠기(Rz5)를 측정하여 Range 등급을 판정하고, 후속 용접 개선 가공 필요 여부를 결정합니다.
열 절단 시험 함정 5종 1. "가스 절단(산소 절단)이 STS·Al에 부적합?" → 맞음. STS·Al의 산화물 융점이 모재보다 높아 산화 절단 불가. 플라즈마·레이저 사용. 2. "연강 6mm 이하 정밀 절단 - 최적?" → 레이저. 최고 속도·최고 정밀도·좁은 커프(Kerf). 3. "레이저 절단 보조가스 — 연강·STS 차이?" → 연강은 O₂(산화 반응열 + 절단 속도↑), STS는 N₂(비산화 깨끗한 절단면). 4. "ISO 9013 절단 품질 등급?" → Range 1~5, 1이 최고. 직각도(u)·표면거칠기(Rz5)·드로스로 평가. 5. "드로스(Dross)란?" → 절단면 하부에 재응고된 용융 금속 부착. 절단 속도·가스 유량으로 최소화.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 5
스테인리스강이나 알루미늄에 가스 절단(산소 절단)을 적용할 수 없는 이유는?