레이저 금속 가공에 없어서는 안 될 도구인 이유

레이저 빔은 놀라운 것입니다. 연속 와트 레이저 빔은 태양에 집중된 에너지보다 4조 배 이상 높은 에너지 밀도를 가지며, 제조업체는 판금 절단 및 용접부터 PCB 보드의 구멍 뚫기까지 모든 작업에 이 매우 높은 전력 밀도를 활용하는 방법을 결정했습니다.

레이저는 재료를 자르고, 결합하고, 뺄 수 있습니다. 레이저 금속 증착이나 3D 프린팅을 통해 재료를 추가할 수도 있습니다. 레이저 빔이 다양한 공정에 적합한 재료 반응을 유도할 수 있도록 빔 직경 조작 등을 통해 전력 수준, 펄스 주파수 및 에너지 밀도를 변경할 수 있습니다. 실제로 레이저의 산업 활용 범위는 광범위하고 다양합니다.

다양한 재료는 다양한 파장의 빛과 다르게 상호 작용하므로 일부 레이저 소스는 특정 재료를 다른 재료보다 더 효율적으로 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 1μm 파장 레이저를 사용하여 산업 응용 분야에서 금속을 절단할 때 알려진 이점 중 하나는 CO2 레이저를 사용한 절단에 비해 속도가 증가한다는 것입니다. 이 중 대부분은 예를 들어 탄소강에 대한 해당 파장의 빛의 높은 흡수성에서 비롯됩니다(참조:그림 1 ). 절단되는 강철에 효과적으로 흡수되는 작은 광선은 탄소강의 융합 절단(즉, 질소와 같은 비반응성 가스를 사용한 절단) 시 더 빠른 속도로 직접 변환됩니다.

디스크나 섬유와 같은 고체 레이저를 사용하여 절단하는 동안 초점이 맞춰진 빔 직경과 레이저 방출의 높은 흡수율이 결합되어 매우 빠른 절단 속도가 가능합니다. CO2에 대한 이러한 성능 향상은 주로 얇은 두께에서 중간 두께의 재료에서 나타나며, 재료 두께가 증가함에 따라 이점이 줄어듭니다. 빔의 직경은 빛의 시준이나 초점 렌즈의 위치 이동을 통해 어느 정도 제어할 수 있습니다(참조:그림 2), 그러나 빔을 얼마나 크거나 작게 생산할 수 있는지에는 제한이 있습니다.

빔 직경 범위는 빔 전달 섬유의 크기에 따라 결정됩니다(참조:그림 3 ). 100μm 빔 전달 광섬유는 판금 절단에 사용되는 레이저에 일반적입니다. 이 코어 직경은 높은 빔 품질과 높은 절단 속도를 제공합니다. 재료의 두께가 두꺼워지면 매우 작은 점 크기가 문제가 되어 성능, 절단 품질 및 공정 신뢰성이 제한됩니다.

이를 완화하기 위해 더 큰 코어 직경을 선택할 수 있습니다. 물론 이것의 단점은 최소 빔 직경이 더 작은 코어가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 커진다는 것입니다. 품질과 공정 신뢰성이 크게 향상되지만 재료가 얇아지면 속도가 저하됩니다.

이것이 바로 듀얼 코어 광섬유가 도움이 될 수 있는 부분입니다. 작은 직경의 코어 하나가 큰 직경의 코어에 동축으로 설치됩니다. 프로그래밍 가능한 셔터는 활성화된 코어를 변경합니다. 이러한 섬유는 레이저 절단 시스템이 얇은 재료에서 빠른 속도를 달성하고 두꺼운 재료에서 높은 품질과 신뢰성을 달성하도록 설계되었습니다.

빔 직경은 용접 시 또 다른 기능을 수행합니다. 결코 새로운 것은 아니지만 레이저 용접은 재작업 감소로 인한 잠재적인 비용 절감으로 인해 작업장과 OEM 모두에서 많은 매력을 갖고 있습니다. 더 큰 엔지니어링 유연성; 연삭 및 연마와 같이 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 다운스트림 프로세스가 제거됩니다.

판금에서 레이저 용접은 열전도 용접과 심침입 용접이라는 두 가지 주요 방식으로 발생합니다. 열전도 용접은 공작물 위에 위치한 강하게 초점이 흐려진 빔을 사용합니다. 빔의 초점 위치는 일반적으로 작업물 표면 위 6~12mm 범위이지만 최대 25mm까지 높을 수도 있습니다. 이 공정은 증기 형성 없이 금속을 녹는점 이상으로 가열합니다. 전력 밀도 범위는 104~105W/cm2이며 금속의 열전도도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 탄소와 스테인리스는 알루미늄보다 이 기술로 용접하기가 더 쉽습니다.

열전도 용접은 레이저 빔에 수직(90도)으로 배치된 매우 미적인 용접 이음새를 제공하지만 침투 깊이에 대한 절충으로 각도 유연성이 어느 정도 있기는 하지만 공정 효율성은 다소 낮습니다. 이 공정에서 1μm 빛을 생성하는 고체 레이저를 사용하는 경우 에너지의 68%가 가공물의 조사 영역에서 반사되어 침투 깊이와 용접 속도를 제한하는 낮은 결합 효율을 초래합니다. CO2 레이저를 사용하면 조사된 영역에서 빛의 88%가 반사되어 결합이 더욱 열악하므로 CO2 레이저를 사용한 열전도 용접이 실용적이지 않습니다.