미니 백과사전: 레이저 용접 원리 및 공정 응용
에너지 레벨
물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 핵과 전자로 이루어져 있다. 전자는 핵 주위를 공전한다. 원자 내 전자의 에너지는 임의적인 것이 아니다.
미시 세계를 설명하는 양자 역학에 따르면 전자는 고정된 에너지 준위를 차지합니다. 서로 다른 에너지 준위는 서로 다른 전자의 에너지에 해당하며, 핵에서 멀리 떨어진 궤도일수록 에너지가 높습니다.
또한, 각 궤도는 최대 전자 수를 수용할 수 있습니다. 예를 들어, 가장 낮은 궤도(핵에 가장 가까운 궤도)는 최대 2개의 전자를 수용할 수 있고, 더 높은 궤도는 최대 8개의 전자를 수용할 수 있는 식입니다.
이행
전자는 에너지를 흡수하거나 방출함으로써 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동할 수 있습니다.
예를 들어, 전자가 광자를 흡수하면 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동할 수 있습니다. 마찬가지로, 높은 에너지 준위에 있는 전자는 광자를 방출하면서 낮은 에너지 준위로 떨어질 수 있습니다.
이러한 과정에서 흡수되거나 방출되는 광자의 에너지는 항상 두 에너지 준위 사이의 차이와 같습니다. 광자의 에너지가 빛의 파장을 결정하기 때문에 흡수되거나 방출되는 빛은 고정된 색을 갖습니다.
레이저 발생 원리
자극된 흡수
유도 흡수는 저에너지 상태의 원자가 외부 복사선을 흡수하여 고에너지 상태로 전이될 때 발생합니다. 전자는 광자를 흡수함으로써 저에너지 준위에서 고에너지 준위로 이동할 수 있습니다.
자극 방출
유도 방출이란 높은 에너지 준위에 있는 전자가 광자의 "자극" 또는 "유도"를 받아 낮은 에너지 준위로 전이하면서 입사 광자와 동일한 주파수의 광자를 방출하는 현상을 말합니다.
유도 방출의 핵심 특징은 생성된 광자가 원래 광자와 동일하다는 것입니다. 즉, 주파수, 방향이 같고 완전히 구별할 수 없습니다. 이처럼 하나의 광자가 유도 방출 과정을 통해 두 개의 동일한 광자로 변환됩니다. 이는 빛이 강화되거나 증폭된다는 것을 의미하며, 레이저 발생의 기본 원리입니다.
자연 사정
자발적 방출은 높은 에너지 준위에 있는 전자가 외부 영향 없이 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 발생하며, 이 과정에서 빛(전자기 복사)을 방출합니다. 이때 방출되는 광자의 에너지는 E=E2−E1이며, 이는 두 에너지 준위 사이의 에너지 차이입니다.
레이저 발생 조건
레이저 이득 매체
레이저 발생에는 기체, 액체, 고체 또는 반도체와 같은 적절한 이득 매질이 필요합니다. 핵심은 레이저 출력에 필수적인 조건인 매질 내 인구 반전을 달성하는 것입니다. 준안정 에너지 준위는 인구 반전에 매우 유리합니다.
펌핑 소스
인구 반전을 달성하려면 원자 시스템을 여기시켜 상위 에너지 준위에 있는 입자 수를 늘려야 합니다.
일반적인 방법은 다음과 같습니다.
- 전기 펌핑: 높은 운동 에너지를 가진 전자를 이용한 가스 방전
- 광학 펌핑: 펄스 광원을 이용한 조사
- 열 펌프, 화학 펌프 등
이러한 방법들을 통틀어 펌핑이라고 합니다. 안정적인 레이저 출력을 위해서는 상층부에 하층부보다 더 많은 입자가 존재하도록 지속적인 펌핑이 필요합니다.
공명기
적절한 이득 매질과 펌핑 소스를 사용하면 인구 반전을 달성할 수 있지만, 유도 방출 강도가 너무 약해서 실제 사용에는 적합하지 않습니다. 따라서 추가적인 증폭이 필요하며, 이는 광 공진기를 통해 제공됩니다.
광학 공진기는 레이저의 양 끝에 평행하게 배치된 두 개의 반사율이 높은 거울로 구성됩니다.
- 전반사 거울 1개
- 부분 반사 및 부분 투과 거울 하나
전반사 거울은 입사하는 모든 빛을 원래 경로로 되돌려 보냅니다. 부분 반사 거울은 특정 에너지 임계값 미만의 광자는 매질 내부로 되돌려 보내고, 임계값 이상의 광자는 증폭된 레이저 광으로 외부로 방출합니다.
빛이 공진기 안에서 앞뒤로 진동하면서 유도 방출의 연쇄 반응을 일으키고, 마치 눈사태처럼 증폭되어 고강도 레이저 출력을 생성합니다.
펌프 램프란 무엇인가요?
크세논 램프는 불활성 기체 방전 램프로, 일반적으로 직선형 관 모양입니다. 일반적으로 전극, 석영관, 그리고 크세논(Xe) 가스로 구성됩니다.
전극은 융점이 높고 전자 방출 효율이 높으며 스퍼터링이 적은 금속으로 만들어집니다. 램프 튜브는 고강도, 내열성, 투과율이 높은 석영 유리로 만들어졌으며 제논 가스로 채워져 있습니다.
Nd:YAG 레이저 로드란 무엇인가요?
Nd:YAG(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷)는 가장 일반적으로 사용되는 고체 레이저 재료입니다.
YAG는 높은 경도, 우수한 광학적 품질 및 높은 열전도율을 지닌 입방정계 결정입니다. 결정 격자 내의 일부 삼가 이트륨 이온이 삼가 네오디뮴 이온으로 치환되어 있기 때문에 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷이라는 이름이 붙었습니다.
레이저의 특성
좋은 일관성
일반적인 광원에서 나오는 빛은 방향, 위상, 타이밍이 불규칙적이어서 렌즈를 사용하더라도 한 점으로 집중시킬 수 없습니다.
레이저 광은 결맞음성이 매우 높습니다. 즉, 순수한 주파수를 가지고 있으며, 완벽한 위상으로 같은 방향으로 전파되고, 에너지가 매우 집중된 작은 지점으로 집속될 수 있습니다.
탁월한 방향성
레이저는 다른 어떤 광원보다 방향성이 훨씬 뛰어나 거의 평행 빔처럼 작용합니다. 달(약 384,000km 거리)을 향해 조준하더라도 레이저 빔의 직경은 약 2km에 불과합니다.
우수한 단색성
유도 방출 레이저 광은 주파수 범위가 매우 좁습니다. 간단히 말해, 레이저는 탁월한 단색성을 지니고 있으며, 그 "색상"이 매우 순수합니다. 단색성은 레이저 가공 응용 분야에 매우 중요합니다.
높은 밝기
레이저 용접은 레이저 빔의 뛰어난 방향성과 높은 출력 밀도를 활용합니다. 광학 시스템을 통해 레이저를 미세한 영역에 집중시켜 매우 짧은 시간 안에 고농축 열원을 형성하고, 재료를 녹여 안정적인 용접점과 이음매를 만듭니다.
레이저 용접의 장점
다른 용접 방식과 비교했을 때 레이저 용접은 다음과 같은 장점을 제공합니다:
- 높은 에너지 집중도, 높은 용접 효율, 높은 정밀도, 그리고 용접부의 깊이 대 폭 비율이 큽니다.
- 낮은 열 입력, 작은 열영향부, 최소한의 잔류 응력 및 변형.
- 비접촉 용접, 유연한 광섬유 전송, 우수한 접근성 및 높은 자동화 수준.
- 유연한 관절 설계로 원자재를 절약합니다.
- 정밀하게 제어 가능한 에너지, 안정적인 용접 결과, 그리고 뛰어난 용접 외관.
금속 재료용 레이저 용접 공정
스테인리스 스틸
- 일반적인 사각파 펄스를 사용해도 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
- 용접 부위가 비금속 재료에 닿지 않도록 접합부를 설계하십시오.
- 강도와 외관을 위해 충분한 용접 면적과 공작물 두께를 확보하십시오.
- 용접 시 공작물의 청결과 건조한 환경을 유지하십시오.
알루미늄 합금
- 높은 반사율을 얻으려면 높은 레이저 피크 출력이 필요합니다.
- 펄스 스폿 용접 중 균열이 발생하기 쉬워 강도가 저하됩니다.
- 재료의 구성 성분으로 인해 비산이 발생할 수 있으므로 고품질 원료를 사용하십시오.
- 스팟 크기가 크고 펄스 폭이 길수록 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
구리 및 구리 합금
- 알루미늄보다 반사율이 높아 훨씬 더 높은 레이저 피크 출력이 필요합니다.
- 레이저 헤드는 비스듬한 각도로 기울여야 합니다.
- 구리 합금(황동, 구리니켈 등)은 합금 원소로 인해 용접이 더 어려우므로 신중한 매개변수 선택이 필요합니다.
레이저 용접의 일반적인 결함 및 해결책
잘못된 매개변수 또는 부적절한 작동은 다음과 같은 용접 결함을 유발할 수 있습니다.
- 표면 비산
- 내부 용접 기공
- 용접 균열
- 용접 변형
용접 스패터
스패터는 주로 레이저 출력 밀도가 지나치게 높을 때 발생합니다. 공작물이 단시간에 너무 많은 에너지를 흡수하여 심각한 재료 증발과 격렬한 용융 풀 반응을 일으키기 때문입니다.
용접 중 튀는 파편은 외관, 조립 정확도 및 용접 강도를 손상시킵니다.
원인
- 레이저 최대 출력이 지나치게 높습니다.
- 용접 파형이 부적절한 경우, 특히 반사율이 높은 재료의 경우 더욱 그렇습니다.
- 재료 분리로 인해 국부적으로 높은 에너지 흡수가 발생합니다.
- 공작물 표면에 오염 물질 또는 비금속 불순물이 있는 경우.
- 용접 중 가스를 발생시키는 저융점 물질이 공작물 사이 또는 아래에 존재합니다.
- 밀폐된 속이 빈 구조물은 가스 팽창 및 비산 현상을 유발합니다.
솔루션
- 매개변수 최적화: 최대 전력을 줄이거나 스파이크 파형을 사용하십시오.
- 품질이 검증된 고품질 원자재를 사용하십시오.
- 용접 전 세척을 강화하여 오일과 불순물을 제거하십시오.
- 용접 구조 설계를 최적화합니다.
내부 다공성
기공은 레이저 용접에서 가장 흔한 결함입니다. 빠른 열 사이클과 짧은 용융 풀 수명으로 인해 가스가 빠져나가지 못하고 기공이 형성됩니다.
일반적인 유형으로는 수소 기공, 일산화탄소 기공, 열쇠구멍 붕괴 기공 등이 있습니다.
용접 균열
균열은 용접 강도와 수명을 심각하게 저하시킵니다. 레이저 용접의 빠른 가열 및 냉각은 균열 발생 위험을 증가시킵니다.
레이저 용접 균열의 대부분은 열 균열이며, 알루미늄 합금 및 고탄소/고합금강에서 흔히 발생합니다.
방지
- 취성이 강한 재료의 경우, 균열 발생을 줄이기 위해 예열 및 서서히 냉각하는 파형을 추가하십시오.
- 용접 응력을 줄이기 위해 접합부 설계를 최적화하십시오.
- 동일한 성능을 유지하면서 균열 발생 가능성이 낮은 재료를 선택하십시오.
용접 변형
얇은 판재, 넓은 면적의 가공물 또는 다중 용접 부위에서 변형이 자주 발생하며, 이는 조립 및 성능에 영향을 미칩니다. 이러한 변형은 불균일한 열 입력과 불규칙적인 열팽창/수축으로 인해 발생합니다.
솔루션
- 열 입력량을 줄이기 위해 매개변수를 최적화하십시오. 즉, 최대 출력을 높이는 동시에 펄스 폭을 줄이십시오.
- 용접 속도와 펄스 주파수를 낮추면 단위 시간당 발생하는 열을 줄일 수 있습니다.
- 균일한 가열을 보장하기 위해 용접 순서를 최적화하십시오.
게시 시간: 2026년 2월 25일
