용접 시 CW 레이저 및 QCW 레이저

에너지 분포 특성

CW 레이저의 주목할 만한 특징 중 하나는 가우시안 에너지 분포입니다. 레이저 빔 단면의 에너지 분포가 중심에서 바깥쪽으로 갈수록 가우시안(정규 분포) 형태로 감소하는 것입니다. 이러한 분포 특성 덕분에 CW 레이저는 특히 집중된 에너지 사용이 요구되는 응용 분야에서 매우 높은 집속 정밀도와 처리 효율을 달성할 수 있습니다.

CW 레이저 에너지 분포도

연속파(CW) 레이저 용접의 장점

미세구조적 관점

금속의 미세구조를 분석해 보면 연속파(CW) 레이저 용접이 준연속파(QCW) 펄스 용접에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 일반적으로 약 500Hz의 주파수 한계를 갖는 QCW 펄스 용접은 겹침률과 용입 깊이 사이의 상충 관계에 직면합니다. 겹침률이 낮으면 용입 깊이가 부족해지고, 겹침률이 높으면 용접 속도가 느려져 효율이 저하됩니다. 반면, CW 레이저 용접은 적절한 레이저 코어 직경과 용접 헤드를 선택함으로써 효율적이고 연속적인 용접을 구현할 수 있습니다. 이 방법은 특히 높은 밀봉성이 요구되는 응용 분야에서 신뢰성이 입증되었습니다.

열 영향 고려 사항

열적 영향 측면에서 볼 때, QCW 펄스 레이저 용접은 용접 이음매의 반복적인 가열로 인해 용접 부위가 겹치는 문제가 발생합니다. 이는 용접 금속의 미세 구조와 모재 사이의 불일치, 예를 들어 전위 크기 및 냉각 속도의 변화를 초래하여 균열 발생 위험을 증가시킬 수 있습니다. 반면, CW 레이저 용접은 보다 균일하고 연속적인 가열 과정을 제공함으로써 이러한 문제를 해결합니다.

조정 용이성

QCW 레이저 용접은 작동 및 조정 측면에서 펄스 반복 주파수, 피크 출력, 펄스 폭, 듀티 사이클 등 여러 매개변수를 세밀하게 조정해야 합니다. 반면 CW 레이저 용접은 파형, 속도, 출력, 초점 이탈량에 주로 초점을 맞추어 조정 과정을 간소화함으로써 작동 난이도를 크게 낮춥니다.

CW 레이저 용접의 기술 발전

QCW 레이저 용접은 높은 최대 출력과 낮은 열 입력으로 인해 열에 민감한 부품이나 매우 얇은 벽 재료 용접에 적합한 것으로 알려져 있습니다. 그러나 CW 레이저 용접 기술, 특히 고출력(일반적으로 500와트 이상) 및 키홀 효과에 기반한 심층 침투 용접 기술의 발전으로 적용 범위와 효율성이 크게 확대되었습니다. 이러한 유형의 레이저는 특히 1mm 이상의 두꺼운 재료에 적합하며, 비교적 높은 열 입력에도 불구하고 8:1 이상의 높은 종횡비를 구현할 수 있습니다.

준연속파(QCW) 레이저 용접

집중형 에너지 분배

QCW는 "준연속파(Quasi-Continuous Wave)"의 약자로, 그림 a에서처럼 레이저가 불연속적으로 빛을 방출하는 레이저 기술을 나타냅니다. 단일 모드 연속 레이저의 균일한 에너지 분포와 달리, QCW 레이저는 에너지를 더욱 밀집시켜 방출합니다. 이러한 특성 덕분에 QCW 레이저는 우수한 에너지 밀도를 가지며, 이는 더 강력한 침투력으로 이어집니다. 결과적으로 형성되는 금속학적 효과는 깊이 대 너비 비율이 큰 "못" 모양과 유사하여, QCW 레이저는 고반사 합금, 열에 민감한 재료, 정밀 미세 용접 등의 응용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

향상된 안정성 및 연기 기둥 간섭 감소

QCW 레이저 용접의 두드러진 장점 중 하나는 금속 플룸이 재료의 흡수율에 미치는 영향을 완화하여 더욱 안정적인 용접 공정을 가능하게 한다는 점입니다. 레이저와 재료가 접촉하는 과정에서 강렬한 증발로 인해 용융 풀 위에 금속 증기와 플라즈마가 혼합된 기체, 즉 금속 플룸이 생성될 수 있습니다. 이 플룸은 재료 표면을 레이저로부터 차단하여 불안정한 출력 전달과 스패터, 폭발 지점, 피트와 같은 결함을 유발할 수 있습니다. 그러나 QCW 레이저는 간헐적인 방출 방식(예: 5ms 버스트 후 10ms 휴지)을 통해 각 레이저 펄스가 금속 플룸의 영향을 받지 않고 재료 표면에 도달하도록 보장하여, 특히 박판 용접에 매우 안정적인 용접 공정을 제공합니다.

안정적인 용융 풀 역학

용융 풀의 역학, 특히 키홀에 작용하는 힘은 용접 품질을 결정하는 데 매우 중요합니다. 연속 레이저는 장시간 조사와 넓은 열영향부로 인해 액체 금속으로 채워진 더 큰 용융 풀을 생성하는 경향이 있습니다. 이는 키홀 붕괴와 같은 큰 용융 풀 관련 결함을 유발할 수 있습니다. 반면, QCW 레이저 용접은 집중된 에너지와 짧은 접촉 시간으로 용융 풀을 키홀 주변에 집중시켜 보다 균일한 힘 분포를 유도하고 기공, 균열 및 스패터 발생률을 낮춥니다.