레이저 재료가공의 기초(CO2레이저 YAG레이저 차이점)

소개

레이저 재료가공에 가장 많이 사용되는 레이저는 고출력의 지속파 또는 펄스를 방출시키는 Nd:YAG 레이저와 CO2 레이저이다. 일반적으로 이들의 레이저빔을 집속시키지 않은 상태에서는 재료가공에 충분한 에너지밀도를 주지 못한다. 그리고 작은 열영향 구역을 주기 위하여서도 렌즈 등 광학 부품을 이용하여 필요한 크기로 집속시켜야 한다. 따라서 레이저에 의한 재료가공을 정량적으로 다루기 위하여서는 레이저빔의 형태와 에너지 분포 등에 대한 기본지식이 필요하다. 그리고 이들 레이저빔을 렌즈로 집속시키는 경우에 초점위치에서 얻어지는 점크기와 초점깊이 등 형태적인 특성과 개념을 검토하여 보아야한다. 또한 집속빔의 크기와 초점거리 측정방법 등에 대하여서도 검토하여 보자.

목차

1 레이저 빔의 조절
2 레이저빔과 재료와의 상호작용
3 레이저 재료가공의 분류
4 레이저 시스템

본문내용

3 레이저 재료가공의 분류
재료의 레이저 가공기술은 여러 관점에 따라 분류할 수 있다. 레이저빔과 물질과의 상호작용에 의해 발생하는 열을 이용하는 열가공기술(Thermal processing)과 레이저 자체의 물리적 특성을 이용하는 양자(Quantum) 혹은 비열가공기술(Non-thermal processing)로 분류할 수 있다.
레이저를 이용한 재료가공에의 적용은 레이저와 재료와의 상호 작용에 의한 효율에 의해 결정되는데 그 효율을 결정하는 주요인자는 빔과 재료의 반응시간, 빔의 출력, 재료의 특성이다. 그림7에서 보는 바와 같이 레이저빔의 강도가 낮으면(<104W/cm2), 표면 온도는 재료의 용융온도 이하에 머무르고 이 경우 흡수된 열은 열 확산에 의해서 전파된다. 그 결과 재료의 특정 온도 이상에서는 상변태가 가능하다. 이를 이용하여 재료의 표면 경화에 응용할 수 있다. 레이저빔의 강도가 104∼106W/cm2 사이의 값을 가질 때, 재료는 용융되어 용융 풀을 형성하게 된다. 이를 이용하여 레이저 표면 용융과 레이저 표면합금화 클래딩등의 공정이 가능하게 된다. 레이저빔 강도의 공간적인 분포는 용융 풀 표면에서의 온도 구배를 가져오고 이것은 용융 풀의 유동(Marangoni convection)을 유발하는데, 이것은 용융 풀에서의 열 및 물질 유동에 큰 영향을 준다. 레이저빔의 강도가 106W/cm2 이상이 되면 표면 온도는 재료의 증발 온도를 상회하게 되고 이 때 증발하는 금속 기체의 반층압력(Recoil pressure)등이 용융 풀의 표면을 변형시켜 키홀(Keyhole)을 형성시킨다. 레이저빔이 키홀에 들어오면, 홀의 깊이 방향으로의 에너지 전달이 전도와 대류에만 의존하지 않고 다중 반사와 흡수가 일어나므로 용융부의 형태가 변하여 심용입 용접(Deep penetration welding)이 이루어질 수 있다. 키홀이 형성되지 않을 경우 열전도와 대류에 의해서 생성된 용융 풀의 깊이 대 넓이의 비가 1이하이나 키홀 용접의 경우 그 비가 10정도 된다. 레이저가공기술은 크게 재료소거(Material removal)기술, 접합(Joining)기술 그리고 표면개질(Surface modification)기술로 분류된다(Table. 1).

참고자료

· 1. 김도훈, 레이저 가공학, 경문사