레이저 용접의 원리와 작동 방식 완벽 이해

레이저란 무엇인가?

레이저는 특정 파장에서 생성된 집중된 빛 에너지 빔입니다. 자연계에서 빛은 매우 짧은 파장(X선, 감마선)부터 매우 긴 파장(라디오파)까지 스펙트럼으로 존재합니다. 인간은 약 430~690나노미터(nm)의 가시광선 또는 '백색광' 파장만 볼 수 있습니다. 레이저 빔은 특정 파장에서 증폭된 빛 에너지의 집속체로, 간섭성(coherent) 빛이어서 좁은 지점에 초점을 맞추고 장거리에서 좁은 빔을 유지할 수 있습니다. 'LASER'는 '유도 방출에 의한 빛 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)'의 약자입니다.

레이저 용접기 작동 원리

레이저 빔은 루비 결정 내부에서 생성됩니다. 루비 결정은 산화알루미늄에 크롬이 분산된 형태로, 크롬이 결정의 약 1/2000을 차지합니다(천연 루비보다 적은 양). 은 코팅 거울이 결정 양쪽에 내부 장착되어 있으며, 한쪽 거울에는 작은 구멍이 있어 빔이 이곳으로 나옵니다.

루비 결정 주변에는 제논 불활성 가스가 채워진 플래시 튜브가 장착됩니다. 플래시는 초당 수천 회 점멸하도록 특수 설계되었습니다. 전기 에너지가 플래시 튜브를 통해 빛 에너지로 변환되며, 커패시터가 전기 에너지를 저장했다가 플래시 튜브에 고전압을 공급해 적절히 작동하게 합니다.

커패시터에서 방전된 전기 에너지와 제논이 1/1000초 비율로 고에너지 백색 섬광으로 변환됩니다. 루비 결정의 크롬 원자가 들뜬 상태가 되어 고에너지로 펌핑됩니다. 열 발생으로 일부 에너지는 손실되지만, 일부 빛 에너지는 거울 사이를 반사하며 크롬 원자를 다시 들뜨게 해 여분의 에너지를 동시에 잃게 함으로써 좁은 간섭성 빛 빔을 형성합니다. 이 빔은 결정 거울 한쪽 끝의 작은 구멍으로 나옵니다.

이 좁은 빔은 광학 집속 렌즈를 통해 공작물 위에 작고 강렬한 레이저 빔으로 집속됩니다.

소재와 상호작용할 때 레이저 빔의 변화

소재의 레이저 에너지 흡수는 파장, 소재 두께, 결정 구조, 소재 첨가제, 분자 구조 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 이 공정은 이러한 소재 특성과 레이저를 활용해 두 플라스틱 소재(하나는 레이저 에너지를 투과시키고, 다른 하나는 흡수하는) 사이에 결합을 만듭니다.

레이저 빔이 플라스틱 등 소재와 만나면 파장과 소재 구성에 따라 투과, 반사, 흡수됩니다. 대부분의 소재는 이 세 가지 효과를 모두 어느 정도 보이지만 비율이 다릅니다. 육안으로 투명해 보이는 소재가 적외선 레이저에는 강한 흡수성을 보이거나, 불투명해 보이는 소재가 적외선 레이저에는 투명할 수 있습니다.

레이저 용접 메커니즘

레이저 용접은 결합할 표면에 집속된 간섭성 빛 빔을 조사해 얻은 열로 소재를 융합시키는 공정입니다. 다음 단계로 이루어집니다:

1. 레이저 빔과 공작물 소재의 상호작용
2. 열전도와 온도 상승
3. 용융·증발·접합: 용접용 레이저 빔을 사용할 때 전자기 복사가 기재 금속 표면에 고농도 에너지로 조사돼 표면 온도가 녹아 증발하고, 그 아래 금속이 용융됩니다.