레이저와 재료 간의 상호작용에는 다양한 물리적 현상과 특성이 관여합니다. 다음 세 편의 기사에서는 레이저 용접 공정과 관련된 세 가지 핵심 물리적 현상을 소개하여 관련 분야 종사자분들이 더욱 명확하게 이해할 수 있도록 돕겠습니다.레이저 용접 공정레이저 흡수율과 상태 변화, 플라즈마 및 키홀 효과로 구분됩니다. 이번에는 레이저와 재료의 상태 변화 및 흡수율 간의 관계를 업데이트하겠습니다.
레이저와 물질 간의 상호작용으로 인한 물질 상태의 변화
금속 재료의 레이저 가공은 주로 광열 효과에 의한 열처리를 기반으로 합니다. 레이저를 재료 표면에 조사하면 출력 밀도에 따라 재료 표면에서 다양한 변화가 발생합니다. 이러한 변화에는 표면 온도 상승, 용융, 기화, 키홀 형성 및 플라즈마 생성이 포함됩니다. 또한, 재료 표면의 물리적 상태 변화는 재료의 레이저 흡수에 큰 영향을 미칩니다. 출력 밀도와 조사 시간이 증가함에 따라 금속 재료는 다음과 같은 상태 변화를 겪게 됩니다.
그때레이저 출력밀도가 낮고(<10^4w/cm^2) 조사 시간이 짧기 때문에 금속에 흡수되는 레이저 에너지는 재료의 온도를 표면에서 내부로만 상승시킬 뿐 고체상은 변화하지 않습니다. 주로 부품의 어닐링 및 상변환 경화 처리에 사용되며, 공구, 기어, 베어링이 주를 이룹니다.
레이저 출력 밀도(10⁴~10⁶W/cm²)가 증가하고 조사 시간이 길어짐에 따라 재료 표면이 점차 용융됩니다. 입력 에너지가 증가함에 따라 액체-고체 계면은 재료의 깊은 곳으로 점차 이동합니다. 이러한 물리적 과정은 주로 금속의 표면 재용융, 합금화, 클래딩 및 열전도 용접에 사용됩니다.
출력 밀도를 더욱 높이고(>10^6w/cm^2) 레이저 조사 시간을 연장하면 재료 표면이 녹을 뿐만 아니라 기화됩니다. 기화된 물질은 재료 표면 근처에 모여 약하게 이온화되어 플라즈마를 형성합니다. 이 얇은 플라즈마는 재료가 레이저를 흡수하도록 도와줍니다. 기화 및 팽창 압력 하에서 액체 표면은 변형되어 홈이 생깁니다. 이 단계는 레이저 용접에 사용될 수 있으며, 일반적으로 0.5mm 이내의 미세 연결부의 열전도 용접에 사용됩니다.
출력 밀도를 더욱 높이고(>10^7w/cm^2) 조사 시간을 연장하면 재료 표면에서 강한 증발이 일어나 높은 이온화도를 가진 플라즈마가 형성됩니다. 이 고밀도 플라즈마는 레이저를 차폐하는 효과를 발휘하여 재료에 입사하는 레이저 에너지 밀도를 크게 감소시킵니다. 동시에, 강한 증발 반작용력으로 인해 용융된 금속 내부에 키홀이라고 불리는 작은 구멍들이 형성됩니다. 키홀의 존재는 재료의 레이저 흡수율을 높이는 데 도움이 되며, 이러한 상태는 레이저 심층 용융 용접, 절단 및 드릴링, 충격 경화 등에 활용될 수 있습니다.
서로 다른 조건에서, 서로 다른 금속 재료에 조사되는 레이저의 파장은 각 단계에서 특정한 출력 밀도 값을 생성합니다.
물질의 레이저 흡수 측면에서 볼 때, 물질의 기화는 중요한 경계 조건입니다. 물질이 고체 또는 액체 상태로 기화되지 않을 경우, 레이저 흡수율은 표면 온도가 상승함에 따라 서서히 변화할 뿐입니다. 그러나 물질이 기화되어 플라즈마와 키홀을 형성하게 되면, 물질의 레이저 흡수율은 급격하게 변화합니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이, 레이저 용접 시 재료 표면에서의 레이저 흡수율은 레이저 출력 밀도와 재료 표면 온도에 따라 달라진다. 재료가 녹지 않은 상태에서는 재료 표면 온도가 증가함에 따라 레이저 흡수율이 서서히 증가한다. 출력 밀도가 (10^6W/cm^2)보다 커지면 재료가 격렬하게 기화되어 키홀이 형성된다. 레이저는 키홀에 진입하여 다중 반사와 흡수를 겪으면서 재료의 레이저 흡수율이 크게 증가하고 용융 깊이 또한 현저하게 증가한다.
금속 재료에 의한 레이저 흡수 – 파장
위 그림은 상온에서 일반적으로 사용되는 금속의 반사율, 흡수율 및 파장 간의 관계 곡선을 보여줍니다. 적외선 영역에서 흡수율은 파장이 증가함에 따라 감소하고 반사율은 증가합니다. 대부분의 금속은 10.6μm(CO2) 파장의 적외선을 강하게 반사하는 반면, 1.06μm(1060nm) 파장의 적외선은 약하게 반사합니다. 금속 재료는 청색광이나 녹색광과 같은 단파장 레이저에 대해 더 높은 흡수율을 나타냅니다.
금속 재료에 의한 레이저 흡수 - 재료 온도 및 레이저 에너지 밀도
알루미늄 합금을 예로 들면, 고체 상태일 때 레이저 흡수율은 약 5~7%이지만, 액체 상태일 때는 25~35%에 달하고, 키홀 상태에서는 90% 이상까지 흡수율을 높일 수 있습니다.
물질의 레이저 흡수율은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 금속 물질의 경우 상온에서의 흡수율은 매우 낮습니다. 온도가 녹는점 근처까지 상승하면 흡수율은 40%~60%에 도달할 수 있습니다. 끓는점에 가까워지면 흡수율은 최대 90%까지 올라갈 수 있습니다.
금속 재료의 레이저 흡수 - 표면 상태
기존의 흡수율은 매끄러운 금속 표면을 사용하여 측정하지만, 레이저 가열의 실제 적용에서는 높은 반사율로 인한 잘못된 납땜을 방지하기 위해 특정 고반사 재료(알루미늄, 구리)의 흡수율을 높여야 하는 경우가 많습니다.
다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다.
1. 레이저 반사율을 향상시키기 위해 적절한 표면 전처리 공정을 적용합니다. 프로토타입 산화, 샌드블라스팅, 레이저 세척, 니켈 도금, 주석 도금, 흑연 코팅 등은 모두 재료의 레이저 흡수율을 향상시킬 수 있습니다.
핵심은 재료 표면의 거칠기를 증가시켜(이는 레이저의 다중 반사 및 흡수에 유리함) 흡수율이 높은 코팅 재료를 사용하는 것입니다. 흡수율이 높은 재료를 통해 레이저 에너지를 흡수하고 용융 및 기화시킴으로써 레이저 열이 바탕 재료로 전달되어 재료의 흡수율을 향상시키고 높은 반사 현상으로 인한 가상 용접을 줄입니다.
게시 시간: 2023년 11월 23일
