금속 재료의 레이저 흡수율

1.1 레이저와 재료의 상호작용으로 인한 물리적 상태 변화
금속 재료의 레이저 가공은 주로 광열 효과를 기반으로 한 열처리입니다. 레이저를 재료의 표면에 조사하면 v...

1.1 레이저와 재료의 상호작용으로 인한 물리적 상태 변화

금속 재료의 레이저 가공은 주로 광열 효과를 기반으로 한 열처리입니다. 레이저가 재료 표면에 조사되면 다양한 출력 밀도 하에서 표면적에 다양한 변화가 발생합니다. 이러한 변화에는 다음이 포함됩니다.

용융: 재료가 레이저 에너지를 흡수하면 온도가 상승하여 녹는점에 도달하여 재료가 고체에서 액체로 전환됩니다. 이 프로세스는 다음과 같은 기술에 널리 사용됩니다. 레이저 용접, 레이저 클래딩, 레이저 신속한 프로토타이핑.

증발 및 승화: 레이저의 강도가 재료 온도를 끓는점 이상으로 빠르게 올릴 만큼 높으면 재료는 고체 또는 액체 상태에서 기체 상태로 직접 전환됩니다. 이 공정은 레이저 절단, 레이저 드릴링, 레이저 증발과 같은 기술에 사용됩니다.

응고: 레이저 가열 후 액체 상태에서 고체 상태로 되돌아가는 물질의 과정을 응고라고 합니다. 이 프로세스는 레이저 제조 프로세스, 특히 레이저 브레이징 및 3D 프린팅 기술에서 일반적입니다.

어닐링: 레이저 가열을 통해 재료의 내부 응력을 재분배하여 내부 응력을 줄이고 재료 성능을 향상시키는 목적을 달성할 수 있습니다. 이 과정은 상 변화를 동반하지 않지만 결정 구조의 재배열과 재료 특성의 변화를 유발합니다.

상 변태 경화: 특정 재료(예: 강철)는 냉각 과정에서 상전이를 겪으며 면심 입방 구조(오스테나이트)에서 체심 입방 구조(마르텐사이트)로 전환됩니다. 이러한 변형은 재료의 경도와 강도를 크게 향상시킵니다. 레이저 담금질은 레이저 가열 및 냉각 과정을 제어하여 재료 표면이나 국부적인 영역을 경화시키는 원리를 활용합니다.

광화학 반응: 레이저 조사는 재료에서 광화학 반응을 유발할 수도 있습니다. 이러한 반응에는 물리적 공정(예: 광분해, 광중합)뿐만 아니라 재료 특성을 근본적으로 변화시킬 수 있는 화학적 공정도 포함됩니다. 이 원리는 포토리소그래피 및 재료 표면 수정과 같은 분야에 사용됩니다.

광변색성: 일부 재료는 레이저 조사 시 광변색 반응, 즉 재료의 색상 변화를 겪습니다. 이러한 변화는 빛 에너지를 흡수한 후 물질의 전자 구조 변화로 인해 발생합니다. 이 기술은 데이터 저장 및 디스플레이 기술과 같은 분야에서 잠재적인 응용 가치를 가지고 있습니다.

관련 동작 메커니즘은 아래 그림에 나와 있습니다.

레이저 출력 밀도가 낮은 경우(<10^4w/cm^2) 조사 시간이 짧고 금속에 흡수된 레이저 에너지는 재료의 온도를 표면에서 내부로 증가시킬 수 있지만 고체상은 변하지 않습니다. 주로 절삭 공구, 기어 및 베어링과 같은 부품의 어닐링 및 상변화 경화에 사용됩니다.
레이저 출력밀도가 증가(10^4~10^6w/cm^2)하고 조사시간이 길어짐에 따라, 재료의 표면층이 점차 녹습니다. 입력 에너지가 증가함에 따라 액체-고체 상 경계면은 점차적으로 재료의 깊이를 향해 이동합니다. 이 물리적 공정은 주로 금속의 표면 재용해, 합금화, 클래딩 및 열전도 용접에 사용됩니다.
전력 밀도(>10^6w/cm^2)를 더욱 높이고 레이저 작동 시간을 연장합니다.. 재료의 표면은 녹을 뿐만 아니라 기화되기도 합니다. 증기는 재료 표면 근처에 모여 약하게 이온화되어 플라즈마를 형성합니다. 이 얇은 플라즈마는 재료가 레이저를 흡수하는 데 도움이 됩니다. 기화 및 팽창 압력 하에서 액체 표면이 변형되어 구덩이를 형성합니다. 이 스테이지는 레이저 용접에 사용할 수 있으며 일반적으로 0.5mm 이내의 미세 연결의 열전도 용접에 사용됩니다.
전력밀도를 더 높이면 (>10^7w/cm^2) 조사 시간이 길어지면 재료 표면이 강하게 기화되어 더 높은 이온화도를 가진 플라즈마가 형성됩니다. 이 고밀도 플라즈마는 레이저에 대한 차폐 효과를 가지며, 재료에 입사되는 레이저의 에너지 밀도를 크게 감소시킵니다. 동시에, 큰 증기 반력으로 인해 용융 금속 내부에 일반적으로 열쇠 구멍이라고 불리는 작은 구멍이 형성됩니다. 열쇠 구멍의 존재는 재료의 레이저 흡수에 도움이 됩니다. 이 단계는 레이저 심층 용접, 절단 및 드릴링, 충격 경화 등에 적합하게 사용할 수 있습니다.

서로 다른 조건에서 서로 다른 파장을 가진 레이저가 서로 다른 금속 재료를 조사할 때 각 단계의 출력 밀도의 특정 값에 일정한 차이가 있습니다. 레이저의 재료 흡수 측면에서 재료의 기화는 구분선입니다. 고체상이든 액체상이든 재료가 기화하지 않으면 레이저 흡수는 표면 온도의 증가에 따라 천천히 변합니다. 재료가 기화하여 플라즈마와 키홀을 형성하면 재료의 레이저 흡수가 갑자기 변합니다.

아래 그림은 재료 표면의 레이저 흡수율이 어떻게 나타나는지 보여줍니다. 레이저 용접 레이저 출력 밀도와 재료 표면 온도에 따라 변화합니다. 재료가 녹지 않으면 재료의 표면 온도가 증가함에 따라 재료의 레이저 흡수율이 천천히 증가합니다. 출력 밀도가 (10^6w/cm2)보다 크면 재료가 격렬하게 기화하여 열쇠 구멍을 형성하고 레이저가 열쇠 구멍에 들어가 여러 번 반사됩니다. 흡수는 재료의 레이저 흡수율을 극적으로 증가시키고 침투 깊이도 크게 증가시킵니다.

1.2 금속 재료에 의한 레이저 흡수 - 파장

레이저 흡수 메커니즘:
금속에 의한 레이저 흡수는 주로 자유 전자의 이동을 통해 이루어집니다. 레이저가 금속 표면에 빛을 비추면 전자기장이 금속의 자유 전자를 진동시키게 됩니다. 이 진동 에너지는 열의 형태로 금속 격자 구조에 전달되어 재료를 가열합니다. 금속의 이러한 흡수 특성으로 인해 금속은 레이저 가공에 탁월한 소재가 됩니다.

파장의 영향
단파장(UV~가시광선 영역):금속은 일반적으로 단파장 범위에서 단파장 레이저를 더 쉽게 흡수합니다. 이는 금속 내의 자유전자가 단파장 빛의 전자기장과 효과적으로 상호작용하여 광파의 에너지가 금속으로 전달되어 열 효과를 발생시키기 때문입니다. 단파장 레이저는 더 높은 위치 정확도와 더 작은 초점 직경을 얻을 수 있어 정밀 가공에 적합합니다.

중파장(적외선 근처):파이버 레이저(파장 약 1064nm)와 같은 근적외선 영역의 레이저는 금속에 대한 흡수율이 높고 금속 가공에서 가장 일반적으로 사용되는 파장 범위입니다. 이 파장의 레이저는 금속 깊숙이 침투할 수 있으며 흡수율이 상대적으로 높아 심층가공 및 고효율가공에 적합합니다.

장파장(원적외선 영역):장파장 레이저용(예: CO2 레이저 (파장은 약 10.6 미크론) 파장이 증가함에 따라 일반적으로 금속에 의한 레이저 에너지의 흡수 효율이 감소합니다. 이는 장파장 레이저 (예: 원적외선)가 금속 표면에서 반사되는 비율이 더 높다는 것을 의미합니다. 흡수율은 낮습니다. 금속의 흡수율은 상대적으로 낮습니다. 그럼에도 불구하고, 그 파장은 금속의 자유 전자 평균 자유 경로보다 훨씬 크기 때문에 일부 특정 금속 재료에서의 흡수 효율은 여전히 허용 가능합니다. 장파장 레이저는 주로 비금속 재료를 가공하는 데 사용되지만 일부 특수 금속 가공 응용 분야에도 사용됩니다.

아래 그림은 상온에서 일반적으로 사용되는 금속의 반사율, 흡수율, 파장의 관계를 나타낸 것입니다. 적외선 영역에서는 파장이 커질수록 흡수율은 감소하고 반사율은 증가합니다. 대부분의 금속은 10.6um(CO2) 파장의 적외선을 강하게 반사하므로, 그러나 1.06um(1060nm) 파장의 적외선에서는 반사가 약합니다. 금속 재료는 b와 같은 단파장 레이저에 대해 더 높은 흡수율을 갖습니다.루 라이트와 그린 라이트.