CNC LASER, 레이져 가공원리 laser

CNC LASER, 레이져 가공원리 laser


레이저를 이용한 절단, 용접, 천공, 마킹등의 가공시 레이저 빔은 대부분의 매질에서 매우 높은 에너지 강도를 가지며 입사하게 됩니다. 이때 매질 표면에 레이저 빔은 매질의 반사율에 따라 일부가 반사되고 나머지 에너지는 표면에서부터 빛의 세기가 지수적으로 감소하면서 매질에 흡수됩니다. 이때 흡수된 레이저 빔은 열 에너지로 변환되면서 매질의 온도를 증가시키고 이 현상을 통해서 레이저 스팟(spot) 가까운 영역에서 급속한 온도 상승과 함께 매질의 증발이 일어나 절단, 용접등의 레이저 가공이 가능하게 됩니다.



- 매질 표면의 반사율은 입사되는 레이저 에너지 가운데 실제로 가공에 이용되는 레이저 에너지의 비율을 결정하므로 매우 중요한 측정값입니다.
- 반사율은 레이저 빛의 파장, 재료의 종류, 표면상태등에 따라 각각 다릅니다.
- 일반적으로 금속의 반사율이 세라믹, 플라스틱, 나무등의 재료에 비해 높습니다.
- 흡수 계수는 레이저 에너지가 재료속을 통과할 때 얼마나 빨리 감소되는 지를 결정함

(흡수계수) 1 / 파장

■ 위 식을 통해서 자외선 빛은 흡수율이 높고, 적외선 빛은 흡수율이 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
■ 흡수 계수가 큰 재료는 표면의 온도가 급속히 상승하게 됩니다.

- 위 식을 통해서 우리는 침투 깊이를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

침투깊이 ≡ 1 / 흡수계수

■ 레이저 빛이 재료 내부에 투과하는 깊이
■ 레이저 가공은 위 침투 깊이 이내에서만 이루어짐



- 레이저 빔에 노출된 재료에 발생하는 현상을 총칭하여 레이저 어블레이션(ablation)이라고 합니다. 매우 복잡한 열적, 광화학적 현상의 발생으로 이론적 해석은 여전히 불완전 합니다.

◎ 재료

■ 가열, 용융, 증발
■ 순간 온도 : 수백 - 수천도
■ 순간 압력 : 수 - 수십 기압
■ 산화 및 탄화
■ 보일링 및 입자 발생 , 천공 및 크레이터 발생

◎ 증발현상

■ 순간적인 고압 증기의 팽창
■ 주변 공기에 충격파 발생
■ 플라즈마(이온화된 가스)의 생성



1. 레이저 크레이터



2. 충격파 (shock wave) 및 증기유동

충격파는 주로 펄스레이저와 같이 순간 강도가 매우 높은 큰 레이저 가공에서 주로 발생하는 현상입니다.
수 나노초나 혹은 수십 나노초 사이의 짧은 시간 동안에 온도가 증발점 이상으로 가열된 재료 표면에서 발생된 증기는 압력이 수기압에서 수십기압까지 상승하며 주변의 대기중으로 팽창해 나가면서 충격파를 형성하게 됩니다.



▷ 폴리싱한 알루미늄 샘플을 파장 266nm 펄스길이 3 나노초의 Nd:YAG 레이저로 어블레이션 했을 때의 충격파 발생

3. 레이저 가공 플라즈마의 생성

레이저 플라즈마는 가공중에 증기나 입자 형태로 제거되는 재료가 입사되는 레이저 에너지를 흡수해서 이온화 되면서 생성됩니다. 이때 플라즈마가 에너지를 흡수 및 재 분배 함으로써 가공중의 현상을 더욱 복잡하게 만들며, 높은 에너지 강도에서는 거의 발생하는 현상입니다.