용접에서의 CW 레이저와 QCW 레이저

에너지 분배 특성

연속파(CW) 레이저의 주목할 만한 특징은 가우시안 에너지 분포입니다. 레이저 빔 단면의 에너지 분포는 중심에서 바깥쪽으로 가우시안(정규 분포) 패턴으로 감소합니다. 이러한 분포 특성 덕분에 연속파(CW) 레이저는 특히 집중적인 에너지 분배가 필요한 응용 분야에서 매우 높은 초점 정밀도와 처리 효율을 달성할 수 있습니다.

CW 레이저 에너지 분포도

연속파(CW) 레이저 용접의 장점

미세 구조적 관점

금속의 미세 구조를 살펴보면, 준연속파(QCW) 펄스 용접에 비해 연속파(CW) 레이저 용접의 뚜렷한 장점이 드러납니다. 일반적으로 약 500Hz의 주파수 한계로 제약되는 QCW 펄스 용접은 중첩률과 용입 깊이 사이에서 균형을 이룹니다. 중첩률이 낮으면 용입 깊이가 부족하고, 중첩률이 높으면 용접 속도가 제한되어 효율이 떨어집니다. 반면, CW 레이저 용접은 적절한 레이저 코어 직경과 용접 헤드를 선택하여 효율적이고 연속적인 용접을 구현합니다. 이 방법은 높은 밀봉 강도가 요구되는 분야에서 특히 신뢰성이 높습니다.

열 충격 고려

열 충격 측면에서 QCW 펄스 레이저 용접은 중첩으로 인해 용접 이음매가 반복적으로 가열되는 문제가 있습니다. 이로 인해 금속 미세 구조와 모재 사이에 전위 크기 및 냉각 속도의 차이를 포함한 불일치가 발생하여 균열 위험이 증가합니다. 반면, CW 레이저 용접은 더욱 균일하고 연속적인 가열 공정을 제공함으로써 이러한 문제를 해결합니다.

조정 용이성

QCW 레이저 용접은 작동 및 조정 측면에서 펄스 반복 주파수, 피크 전력, 펄스 폭, 듀티 사이클 등 여러 매개변수의 세심한 조정을 요구합니다. CW 레이저 용접은 파형, 속도, 전력, 디포커스 양에 주로 초점을 맞춰 조정 과정을 간소화하여 작업의 어려움을 크게 줄여줍니다.

CW 레이저 용접의 기술 발전

QCW 레이저 용접은 높은 피크 출력과 낮은 열 입력으로 잘 알려져 있어 열에 민감한 부품과 매우 얇은 두께의 소재 용접에 유용합니다. 특히 고출력(일반적으로 500와트 이상) 및 키홀 효과에 기반한 심용입 용접을 위한 CW 레이저 용접 기술의 발전으로 적용 범위와 효율성이 크게 확대되었습니다. 이 유형의 레이저는 특히 1mm보다 두꺼운 소재에 적합하며, 비교적 높은 열 입력에도 불구하고 높은 종횡비(8:1 이상)를 달성합니다.

준연속파(QCW) 레이저 용접

집중된 에너지 분배

QCW는 "준연속파(Quasi-Continuous Wave)"를 의미하며, 그림 a와 같이 레이저가 불연속적으로 빛을 방출하는 레이저 기술을 나타냅니다. 단일 모드 연속 레이저의 균일한 에너지 분포와 달리, QCW 레이저는 에너지를 더욱 조밀하게 집중시킵니다. 이러한 특성으로 인해 QCW 레이저는 탁월한 에너지 밀도를 갖게 되어 더 강력한 침투력을 발휘합니다. 결과적으로 나타나는 야금학적 효과는 깊이 대 너비 비율이 큰 "못" 모양과 유사하여, QCW 레이저는 고반사율 합금, 열에 민감한 재료, 정밀 미세 용접 등의 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

향상된 안정성 및 감소된 플룸 간섭

QCW 레이저 용접의 두드러진 장점 중 하나는 금속 플룸이 재료의 흡수율에 미치는 영향을 완화하여 더욱 안정적인 공정을 구현할 수 있다는 것입니다. 레이저와 재료의 상호작용 시, 강한 증발로 인해 용융 풀 위에 금속 증기와 플라즈마 혼합물이 생성될 수 있는데, 이를 흔히 금속 플룸이라고 합니다. 이 플룸은 재료 표면을 레이저로부터 보호하여 불안정한 전력 공급과 스패터, 폭발 지점, 피트와 같은 결함을 유발할 수 있습니다. 그러나 QCW 레이저는 간헐적으로 방출되므로(예: 5ms 버스트 후 10ms 멈춤) 각 레이저 펄스가 금속 플룸의 영향을 받지 않고 재료 표면에 도달하여 매우 안정적인 용접 공정을 제공하며, 특히 박판 용접에 유리합니다.

안정적인 용융 풀 역학

용융 풀의 역학, 특히 키홀에 작용하는 힘의 역학은 용접 품질을 결정하는 데 매우 중요합니다. 연속 레이저는 장시간 노출과 더 넓은 열 영향부로 인해 액체 금속으로 채워진 더 큰 용융 풀을 생성하는 경향이 있습니다. 이는 키홀 붕괴와 같은 큰 용융 풀과 관련된 결함으로 이어질 수 있습니다. 이와는 대조적으로, QCW 레이저 용접은 집중된 에너지와 짧은 상호 작용 시간을 통해 용융 풀을 키홀 주변에 집중시켜 더 균일한 힘 분포를 제공하고 기공, 균열, 스패터 발생을 줄입니다.