용접 분야의 CW 레이저 및 QCW 레이저

에너지 분배 특성

CW 레이저의 주목할 만한 특성은 레이저 빔 단면의 에너지 분포가 가우스(정규 분포) 패턴의 중심에서 바깥쪽으로 감소하는 가우스 에너지 분포입니다. 이러한 분포 특성을 통해 CW 레이저는 특히 집중된 에너지 배치가 필요한 응용 분야에서 매우 높은 초점 정밀도와 처리 효율성을 달성할 수 있습니다.

CW 레이저 에너지 분포 다이어그램

연속파(CW) 레이저 용접의 장점

미세구조적 관점

금속의 미세 구조를 조사하면 준연속파(QCW) 펄스 용접에 비해 연속파(CW) 레이저 용접의 뚜렷한 장점이 드러납니다. 일반적으로 약 500Hz의 주파수 제한으로 인해 제한되는 QCW 펄스 용접은 중첩률과 침투 깊이 사이의 균형에 직면합니다. 중첩률이 낮으면 깊이가 부족하고, 중첩률이 높으면 용접 속도가 제한되어 효율성이 떨어집니다. 이에 비해 CW 레이저 용접은 적절한 레이저 코어 직경과 용접 헤드를 선택하여 효율적이고 지속적인 용접을 실현합니다. 이 방법은 높은 밀봉 무결성이 요구되는 응용 분야에서 특히 신뢰성이 입증되었습니다.

열 영향 고려 사항

열 충격의 관점에서 QCW 펄스 레이저 용접은 중첩 문제로 인해 용접 이음새가 반복적으로 가열됩니다. 이로 인해 전위 크기 및 냉각 속도의 변화를 포함하여 금속의 미세 구조와 모재 사이에 불일치가 발생하여 균열 위험이 높아질 수 있습니다. 반면 CW 레이저 용접은 보다 균일하고 지속적인 가열 공정을 제공하여 이러한 문제를 방지합니다.

조정 용이성

작동 및 조정 측면에서 QCW 레이저 용접은 펄스 반복 주파수, 피크 전력, 펄스 폭, 듀티 사이클 등을 포함한 여러 매개변수의 세심한 조정을 요구합니다. CW 레이저 용접은 주로 파형, 속도, 전력 및 초점 흐림 정도에 중점을 두어 조정 프로세스를 단순화하여 작동 어려움을 크게 완화합니다.

CW 레이저 용접의 기술 발전

QCW 레이저 용접은 높은 피크 전력과 낮은 열 입력으로 알려져 있으며 열에 민감한 부품과 매우 얇은 벽의 재료를 용접하는 데 유용합니다. 특히 고출력 응용 분야(일반적으로 500와트 이상)에 대한 CW 레이저 용접 기술의 발전과 키홀 효과를 이용한 심용입 용접은 그 적용 범위와 효율성을 대폭 확대했습니다. 이 유형의 레이저는 특히 1mm보다 두꺼운 재료에 적합하며 상대적으로 높은 열 입력에도 불구하고 높은 종횡비(8:1 이상)를 달성합니다.

준연속파(QCW) 레이저 용접

집중된 에너지 분배

QCW는 "Quasi-Continuous Wave"의 약자로 그림 a와 같이 레이저가 불연속 방식으로 빛을 방출하는 레이저 기술을 나타냅니다. 단일 모드 연속 레이저의 균일한 에너지 분포와 달리 QCW 레이저는 에너지를 더 조밀하게 집중합니다. 이러한 특성은 QCW 레이저에 우수한 에너지 밀도를 부여하여 더 강력한 침투 기능을 제공합니다. 결과적인 야금학적 효과는 깊이 대 폭 비율이 상당한 "못" 모양과 유사하므로 QCW 레이저는 고반사율 합금, 열에 민감한 재료 및 정밀 미세 용접과 관련된 응용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

안정성 향상 및 연기 간섭 감소

QCW 레이저 용접의 뚜렷한 장점 중 하나는 금속 기둥이 재료의 흡수율에 미치는 영향을 완화하여 보다 안정적인 공정을 가능하게 한다는 것입니다. 레이저와 재료가 상호 작용하는 동안 강렬한 증발로 인해 일반적으로 금속 기둥이라고 하는 용융 풀 위에 금속 증기와 플라즈마의 혼합물이 생성될 수 있습니다. 이 기둥은 재료의 표면을 레이저로부터 보호하여 불안정한 전력 전달과 스패터, 폭발 지점 및 피트와 같은 결함을 유발할 수 있습니다. 그러나 QCW 레이저의 간헐적인 방출(예: 5ms 버스트 후 10ms 일시 중지)은 각 레이저 펄스가 금속 플룸의 영향을 받지 않고 재료 표면에 도달하도록 보장하여 특히 박판 용접에 유리한 안정적인 용접 프로세스를 제공합니다.

안정적인 용융 풀 역학

특히 열쇠 구멍에 작용하는 힘과 관련된 용융 풀의 역학은 용접 품질을 결정하는 데 매우 중요합니다. 연속 레이저는 장기간 노출되고 열 영향을 받는 영역이 더 크기 때문에 액체 금속으로 채워진 더 큰 용융 풀을 생성하는 경향이 있습니다. 이로 인해 열쇠 구멍 붕괴와 같은 대규모 용융 풀과 관련된 결함이 발생할 수 있습니다. 대조적으로, QCW 레이저 용접의 집중된 에너지와 짧은 상호 작용 시간은 열쇠 구멍 주변의 용융 풀을 집중시켜 힘의 분포를 더욱 균일하게 하고 다공성, 균열 및 스패터 발생률을 낮춥니다.