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1. 레이저 가공
1.1. 레이저 가공의 원리
레이저를 이용한 절단, 용접, 천공, 마킹 등의 가공 시 레이저 빔은 대부분의 경우 가공되는 소재의 표면에서 높은 에너지 강도를 얻기 위해 렌즈를 이용해 집속된 상태로 소재에 조사된다. 소재 표면에 조사되는 레이저 빔은 소재의 반사율에 따라 일부가 반사되고 나머지 에너지는 표면에서부터 빛의 세기가 지수적으로 감소하면서 소재에 흡수된다. 소재에 흡수된 빛의 에너지는 열에너지로 변환되면서 소재의 온도를 증가시키고 소재에 열영향부를 형성한다. 대부분의 경우 레이저 빛의 강도가 메가와트(106 W/cm2) 이상이므로 레이저 Spot에 가까운 영역에서는 급속한 온도 상승과 함께 소재의 용융, 증발 등이 일어나 절단, 용접 등의 가공이 가능하게 한다.
1.2. 레이저 가공의 분류
1.2.1. 열가공기술
레이저 가공의 분류에서 열가공기술은 레이저 빔과 물질과의 상호작용에 의해 발생하는 열을 이용하는 기술이다. 열가공기술에는 어닐링/연화, 절삭, 열처리, 열경화, 화학반응 등이 포함된다.
레이저 빔의 강도가 104 W/cm2 이하인 경우, 소재의 표면 온도는 용융온도 이하에 머무르므로 상변태가 가능하다. 이를 이용하여 레이저 표면 경화에 응용할 수 있다.
레이저 빔의 강도가 104 ~ 106 W/cm2 사이인 경우, 소재는 용융되어 용융 풀을 형성하게 된다. 이를 이용하여 레이저 표면 용융과 레이저 표면합금화, 클래딩 등의 공정이 가능하다.
레이저 빔의 강도가 106 W/cm2 이상이 되면 소재의 표면 온도가 증발 온도를 넘어서 키홀(Keyhole)을 형성하게 된다. 이를 이용하여 심용입 용접이 가능해진다.
따라서 레이저 가공 기술은 레이저 빔의 강도에 따라 다양한 열적 효과를 활용할 수 있으며, 재료소거, 접합, 표면개질 등 다양한 분야에 응용할 수 있다고 볼 수 있다."
1.2.2. 양자 또는 비열가공기술
양자 또는 비열가공기술은 레이저의 물리적 특성을 이용하는 가공기술이다. 레이저 빔의 강도가 104 W/cm2 이하인 경우, 재료 표면의 온도가 용융점 이하로 유지되므로 상변태가 일어나게 된다. 이를 이용하여 레이저 표면경화와 같은 공정을 수행할 수 있다. 또한 레이저 빔의 강도가 104 ~ 106 W/cm2 사이일 때에는 재료가 용융되어 용융 풀을 형성하게 되므로, 레이저 표면 용융이나 레이저 표면합금화 클래딩 등의 공정이 가능하다. 이처럼 레이저의 물리적 특성을 이용하여 가공을 수행하는 기술을 양자 또는 비열가공기술이라고 한다.
1.3. 레이저 절단(커팅)
레이저 절단(커팅)은 철판 가공을 위한 빛의 에너지를 이용하여 가공하는 절단 방식이다. 레이저 발진장치(발진기)에서 생성된 레이저광은 절단 헤드의 광케이블 또는 미러를 통과하면서 직경이 아주 작은 고성능의 렌즈에 초점이 맺히게 된다. 이렇게 집속된 레이저광이 소재 표면에 닿으면 소재가 녹거나 증발할 정도로 가열된다. 모든 레이저 출력은 대개 0.5mm보다 더 작은 한 점에 모이며, 이 지점에 열전도에 의해 분산되는 것보다 더 많은 열이 한 곳에 응축되면 레이저 빔이 재료를 완전히 관통하게 된다. 이러한 절단 프로세스를 통해 다른 가공 방식에 비해 접촉이 없어 공구의 마모나 소재의 변형 및 손상이 없이 가공이 가능하다"이다.
레이저 절단의 특징은 다음과 같다. 첫째, 재료의 다양성이 높아 강철에서부터 알루미늄, 스테인리스강, 플라스틱, 유리, 목재 등 산업 전반에 걸쳐 사용되는 모든 소재를 안전하고 깨끗하게 높은 품질로 절단할 수 있다. 둘째, 비접촉식 가공이므로 소음이 적고 공구의 변형 및 오염이 없으며 소재의 반력도 없어 극히 얇은 박판도 변형없이 정밀하게 가공할 수 있다. 셋째, 한 점에 모인 레이저 빔의 작은 초점으로 인해 절단 홈의 폭이 빔 폭과 거의 차이가 없어 복잡하고 정교한 컨투어를 매끄럽고 깨끗하게 절단할 수 있다.
따라서 레이저 절단은 높은 정밀도와 자유도, 비접촉 가공, 다양한 재료 적용 등의 장점으로 인해 산업 전반에서 널리 활용되고 있으며, 특히 CNC 밀링 등 기존 가공 방식의 한계를 극복하고 생산성과 효율을 높일 수 있는 주요 기술로 평가받고 있다.
1.4. 레이저 용접
레이저 용접은 매우 작은 점으로 집속된 높은 밀도의 에너지로 재료를 용융시키는 용접 방법이다. 용접과정에서 레이저 집속광은 용접될 재료의 표면에 도달하여 대부분 표면반사로 손실되지만 소량의 흡수 에너지는 재료를 급속하게 가열하여 고온의 금속 증기와 이온을 생성시킨다.
용접 과정에서 레이저 집속광이 소정의 에너지 밀도를 가지면 재료에는 작은 구멍인 키홀(Keyhole)을 형성하고 그 내부에는 고온의 금속 증기와 용융금속이 존재한다. 키홀이 깊어지면 레이저광은 그 안에서 여러 번 연속적 반사를 일으켜 용접에 활용되는 레이저 에너지 전달효과를 증가시킨다. 레이저 빔이 연속 모드이고 용접이 진행됨에 따라 키홀이 움직이면 키홀 주위의 용융금속은 표면 장력에 의해 일부 벽면에 부착하고 일부는 중력의 영향으로 키홀 아래에 쌓이면서 응고하여 용접부(bead)를 형성한다.
레이저 용접의 특징은 다음과 같다. 첫째, 깊은 용접부를 얻을 수 있다. 출력만 충분하면 단 1회의 용접으로도 상당히 깊은 용접부를 쉽게 얻을 수 있다. 이러한 특성은 두꺼운 소재의 용접에서 반드시 필요한 용접 홈의 가공과 용접봉 사용을 배제할 수 있기 때문에 생산성에서 매우 유리하다. 둘째, 낮은 열변형이 있다. 적은 에너지로 용접이 가능하기 때문에 용접 후 소재의 변형을 최소화할 수 있다. 변형량이 적으면 용접 전후처리 공정을 생략하거나 축소할 수 있으므로 생산원가를 대폭 낮출 수 있다. 셋째, 높은 생산 능률이 있다. 레이저 용접법은 자동화된 고속 용접 기법이므로 용접 생산성과 제조 공정의 융통성을 부여할 수 있다. 레이저 용접에서는 매초 수십~수백mm의 속도를 낼 수 있고, 몇 개의 작업대를 하나의 레이저 발진기로 번갈아 가면서 용접을 실시하는 것이 가능하므로 생산 능률이 매우 높다.
1.5. 레이저 표면경화
레이저 표면경화는 레이저 빔이 부품의 표면에 조사되면 열에너지가 표면에 흡수되어 빠르게 온도가 상승하게 되는 원리를 이용한다. 레이저 빔의 전력밀도가 충분히 높으면 열이 재료 내부로 전도되어 없어지는 것보다 더 빠른 속도로 표면에 축적되어 ...
