레이저 커팅은 빠르고 정밀하지만, 금속의 열 영향 구역(HAZ, Heat Affected Zone)이 넓어지면
절단면이 거칠어지고 뒤틀림이 생기며, 제품의 품질이 떨어질 수 있습니다.
이번 글에서는 HAZ를 최소화하기 위한 최신 공정 제어법과 과학적 원리를
사실 기반으로 정리했습니다.
🌡️ HAZ(열 영향 구역)이란?
HAZ는 레이저의 고온 에너지가 금속 내부로 확산되면서 미세조직이 변형되는 영역입니다.
이 구역에서는 금속의 경도, 연성, 내부응력이 변하기 때문에
절단 품질과 제품 내구성에 직접적인 영향을 줍니다.
🔍 근거: ASM Handbook Vol.6, “Welding, Brazing, and Soldering.”
⚙️ HAZ를 최소화해야 하는 이유
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절단면 거칠기와 산화층 감소
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뒤틀림·균열 위험 저하
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후처리 공정(연마, 세척) 최소화
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구조물 피로 강도 유지
특히 항공, 전자, 의료용 부품처럼 정밀도가 중요한 산업에서는
HAZ 최소화가 절단 품질 관리의 핵심 지표입니다.
🔧 HAZ 최소화를 위한 핵심 제어 인자
1️⃣ 레이저 출력(Power) 최적화
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출력이 높을수록 열 축적량이 커져 HAZ가 넓어집니다.
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소재 두께에 따라 최소한의 용융이 가능한 출력으로 설정하는 것이 중요합니다.
예: 1mm 스테인리스 → 800~1200W 수준
📘 출처: Optics & Laser Technology, 2023.
2️⃣ 절단 속도(Cutting Speed) 향상
절단 속도를 높이면 한 지점에 열이 머무는 시간이 짧아져
HAZ 폭이 줄어듭니다.
다만, 과도한 속도는 절단 불량을 유발할 수 있으므로
출력 대비 속도 비율(Power/Speed ratio)을 일정하게 유지해야 합니다.
Journal of Manufacturing Processes, 2022.
3️⃣ 보조 가스 선택과 압력 제어
| 가스 종류 | 특징 | HAZ 영향 |
|---|---|---|
| 질소(N₂) | 산화 반응 없음, 냉각 효과 우수 | 🔹 HAZ 최소화 |
| 산소(O₂) | 절단 속도↑, 산화 반응 발생 | 🔸 HAZ 확대 |
정밀 절단에서는 고압 질소 절단 방식이 권장됩니다.
Trumpf Technical Report, 2024.
4️⃣ 초점 위치(Focus Position) 조절
레이저 초점을 소재 표면보다 0.2~0.5mm 아래에 두면
에너지 밀도가 균일해져 열 분포가 최소화됩니다.
SPI Lasers Application Guide, 2023.
5️⃣ 펄스 레이저(Pulsed Laser) 활용
펄스 방식은 순간적인 에너지 전달 후 냉각 시간이 존재해
연속파(CW)보다 HAZ가 작게 형성됩니다.
얇은 금속판이나 정밀 가공에 특히 유리합니다.
Applied Physics A, Vol.128, 2022.
🧊 최신 기술 트렌드: 냉각 및 시뮬레이션 제어
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액체 냉각 노즐(Liquid Cooling Nozzle) 적용 시
→ HAZ 폭 약 25~35% 감소 -
열전달 시뮬레이션(ANSYS, COMSOL) 활용
→ 절단 궤적 및 공정 온도 분포를 사전 예측하여 최적화 가능
Journal of Laser Applications, 2023.
🧠 결론 요약
| 핵심 요인 | 제어 방향 | 효과 |
|---|---|---|
| 출력 | 최소한의 용융이 가능한 출력 설정 | 열 축적 감소 |
| 속도 | 가능한 한 고속 절단 | 열 확산 제한 |
| 가스 | 질소 사용 및 고압 적용 | 산화 방지 |
| 초점 위치 | 표면 하단 0.2~0.5mm | 균일 절단 |
| 펄스 방식 | CW 대신 펄스 사용 | 미세 HAZ 형성 |
결론적으로,
출력·속도·가스·초점·냉각 제어의 균형이 HAZ 최소화의 핵심입니다.
정확한 파라미터 설정만으로도 절단 품질 향상 + 후처리 비용 절감을 동시에 달성할 수 있습니다.