레이저 청소 101: 초보자를 위한 기본 사항
빛의 힘을 이용해 금속 표면을 원래의 아름다움으로 복원한다고 상상해 보세요. 레이저 클리닝은 기존 방식에 대한 정밀하고 친환경적인 대안을 제시하며 제조업에 혁신을 일으키고 있습니다. 이 글에서는...
금속과 레이저의 상호작용이 매력적인 이유는 무엇일까요? 빛과 금속의 하전 입자 간의 상호작용으로 인해 다양한 수준의 반사, 흡수 및 투과가 발생합니다. 이 문서에서는 레이저 파장, 재료 특성, 온도 및 표면 조건과 같은 요소를 살펴보면서 금속 레이저 흡수의 과학에 대해 자세히 설명합니다. 독자들은 이러한 요소가 레이저 가공 중 에너지 전달에 어떤 영향을 미치는지 알아보고 효율성과 정밀도를 높이기 위한 레이저 사용 최적화에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
물질 표면에서의 빛의 반사, 흡수 및 투과 현상은 본질적으로 광파의 전자기장과 물질 내 하전 입자 간의 상호작용의 결과입니다. 금속은 고밀도의 자유 전자를 가지고 있으며, 이 자유 전자는 광파의 전자기장에 의해 강제로 진동하여 2차 전자기파(서브파)를 생성합니다.
이러한 서브파 간, 그리고 서브파와 입사파 간의 간섭으로 인해 강한 반사파가 발생하고 상대적으로 약한 투과파가 금속 표면의 얇은 층에 흡수됩니다. 따라서 금속 표면은 레이저에 대한 반사 비율이 높은 경우가 많습니다. 특히 저주파 적외선의 경우 광자 에너지가 낮아 주로 금속의 자유 전자에 영향을 미쳐 강하게 반사됩니다.
광자 에너지가 더 큰 고주파 가시광선 및 자외선의 경우 금속의 결합 전자에 영향을 줄 수 있습니다. 결합된 전자의 작용은 금속의 반사율을 낮추고 투과율을 높이며 금속에 의한 레이저의 흡수를 향상시킵니다.
자유 전자의 밀도가 높기 때문에 투과파는 금속의 매우 얇은 표면층 내에서 흡수됩니다. 파장 0.25μm의 자외선부터 파장 10.6μm의 적외선까지 측정한 결과 다양한 금속에서 빛의 투과 깊이는 0.01~0.1μm에 불과한 것으로 나타났습니다.
위에서 설명한 것처럼 투과 깊이는 선형 흡수 계수의 역수와 같으므로 광파에 대한 금속의 선형 흡수 계수는 10 사이의 큰 값입니다.5~106 cm-1.
레이저를 흡수한 후 재료는 하전 입자의 공명과 입자 간 충돌을 자극하여 빛 에너지를 열 에너지로 변환합니다. 전체 프로세스는 매우 짧은 시간 내에 완료됩니다. 금속의 전체 에너지 이완 시간은 일반적으로 10%입니다.-13s. 일반용 레이저 가공를 통해 흡수된 레이저를 열 에너지로 변환하는 것이 순간적으로 완료되는 것으로 알려져 있습니다.
그 순간 열은 재료의 레이저 조사 영역에 국한됩니다. 이후 열 전도가 고온 영역에서 저온 영역으로 열을 전달합니다.
그리고 레이저 흡수 금속별 레이저 파장, 재료 특성, 온도, 표면 상태, 편광 특성 등 일련의 요인과 관련이 있습니다.
일반적으로 레이저 파장이 길수록 반사 비율이 높아지고 흡수 비율은 낮아집니다.
그림 1-2는 상온에서 일반적으로 사용되는 금속의 반사 비율 R과 파장 간의 관계를 보여줍니다. 적외선 영역에서 흡수율 A는 대략 (ρ/λ)에 비례합니다.1/2여기서 ρ는 재료의 저항률이고 λ는 파장입니다. 파장이 길어질수록 흡수율 A는 감소하고 반사율 R은 증가합니다.
20℃에서 다양한 레이저 파장에 따른 다양한 금속의 흡수율 A는 표 1-1에 나와 있습니다.
표 1-1에서 볼 수 있듯이 상온에서 금속 표면의 10.6μm 파장 적외선 레이저의 흡수율은 가시광선(표의 레이저 파장은 500nm 및 700nm)보다 거의 10배 이상 작으며, 1.06μm YAG 적외선 레이저의 흡수율은 CO.2 레이저.
표 1-1: 20℃에서 다양한 레이저 파장에 따른 다양한 금속의 흡수 비율
| 자료 | 아르곤 이온 | Ruby | YAG | CO2 |
| 파장 | 500nm | 700nm | 1.06μm | 10.6μm |
| 알루미늄 | 0.09 | 0.11 | 0.08 | 0.019 |
| 구리 | 0.56 | 0.17 | 0.1 | 0.015 |
| 골드 | 0.58 | 0.07 | - | 0.017 |
| 이리듐 | 0.36 | 0.3 | 0.22 | - |
| Iron | 0.68 | 0.64 | - | 0.035 |
| Lead | 0.38 | 0.35 | 0.16 | 0.045 |
| 몰리브덴 | 0.48 | 0.48 | 0.4 | 0.027 |
| 니켈 | 0.4 | 0.32 | 0.26 | 0.03 |
| 니오븀 | 0.58 | 0.5 | 0.32 | 0.036 |
| 플래티넘 | 0.21 | 0.15 | 0.11 | 0.036 |
| 니켈 | 0.47 | 0.44 | 0.28 | - |
| 실버 | 0.05 | 0.04 | 0.04 | 0.014 |
| 탄탈륨 | 0.65 | 0.5 | 0.18 | 0.044 |
| Tin | 0.2 | 0.18 | 0.19 | 0.034 |
| 티타늄 | 0.48 | 0.45 | 0.42 | 0.08 |
| 텅스텐 | 0.55 | 0.5 | 0.41 | 0.026 |
| 아연 | - | - | 0.16 | 0.027 |
그림 1-2와 같이 가시광선 영역과 그 인접 영역에서, 다른 금속 는 반사율에 복잡한 변화를 보입니다. 그러나 λ>2μm인 적외선 범위에서 금속의 반사율 순서는 다음과 같습니다: 은 > 구리 > 알루미늄 > 니켈 > 탄소강 순이며, 이는 재료의 전도성이 좋을수록 적외선에 대한 반사율이 높다는 것을 나타냅니다.
이 규칙은 이러한 금속이 레이저를 흡수하는 메커니즘으로 설명할 수 있습니다. 이 적외선 대역에서는 광자 에너지가 낮고 금속의 자유 전자와만 결합할 수 있습니다. 금속의 저항이 낮을수록 자유 전자의 밀도가 높아집니다. 자유 전자의 강제 진동은 더 강한 반사파를 생성하여 반사율이 높아집니다.
계산 결과 흡수율과 금속 저항률 사이에는 다음과 같이 대략적인 관계가 있음을 알 수 있습니다:
공식에서:
A는 레이저에 대한 금속의 흡수 비율을 나타냅니다;
ρ는 측정 시점의 금속 재료의 저항률(Ω-cm)입니다;
λ는 레이저의 파장(cm)입니다.
이 관계는 다양한 광택 금속 표면에 대한 테스트를 통해 확인되었습니다.
금속의 저항은 온도가 상승함에 따라 증가하며, 이는 이를 보여줍니다:
방정식에서:
ρ20 는 20℃(Ω-cm)에서의 금속 재료의 저항률입니다;
γ는 온도 저항 계수(℃-1)입니다;
T는 온도(℃)입니다.
방정식 (1-14)를 방정식 (1-13)에 대입하면 다음과 같이 다양한 온도에서의 흡수율을 계산할 수 있습니다:
방정식 (1-15)에서 볼 수 있듯이 흡수율은 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 이 관계는 고체 금속에만 적용되는 것이 아니라 액체 금속에도 유효합니다.
표 1-2에는 20℃에서 다양한 금속에 대한 저항률 p20과 저항 온도 계수 γ가 나와 있습니다. 그림 1-3은 방정식 (1-15)에 따라 계산된 온도에 따른 10.6μm 파장 적외선 레이저에 대한 여러 금속의 흡수율 변화를 보여줍니다.
저탄소강의 온도 저항 계수는 알루미늄 및 구리에 비해 크게 다르지 않지만 20℃에서의 저항률이 훨씬 커서 절대값이 클 뿐만 아니라 온도에 따라 흡수율이 더 빠르게 증가한다는 점에 주목합니다. 그러나 전반적으로 대부분의 고체 표면은 광택이 있습니다. 금속 소재 는 10.6μm 파장 레이저에 대한 흡수율이 낮으며 11%를 초과하는 레이저는 없습니다.
표 1-2: 저항률 ρ20 및 20℃에서 다양한 금속에 대한 온도 저항 계수 γ.
| 자료 | ρ20(Ω -cm) | γ(℃-1) | 자료 | ρ20(Ω-cm) | γ(℃-1) |
| 알루미늄 | 2. 82 ×10-6 | 3. 6 ×10-3 | 니켈 | 7.24 ×10-6 | S. 4 ×10-3 |
| 황동 | 8.00×10-6 | 1.5 ×10-3 | 플래티넘 | 1. 05 ×10-5 | 3. 7 ×10-3 |
| 브론즈 | 8. 00 ×10-6 | 3. 5 ×10-3 | 실버 | 1. 62 ×10-6 | 3.6 ×10-3 |
| 구리-니켈 합금 | 4. 90 ×10-5 | 1.0×10-5 | 합금강 | 1. 50 ×10-5 | 1.5×10-3 |
| 구리 | 1. 72 ×10-5 | 4. 0 ×10-3 | 저탄소 강철 | 1.50 ×10-5 | 3.3×10-3 |
| 골드 | 2. 42 ×10-6 | 3. 6×10-3 | 구조용 강철 | 1. 20 × 10-5 | 3. 2 ×10-3 |
| Invar | 7. 80 ×10-5 | 2. 0 ×10-3 | 탄탈륨 | 1.55×10-5 | 3.1×10-3 |
| Iron | 9.80 ×10-6 | 5. 0 ×10-3 | Tin | 1. 14 × 10-6 | 4. 0 ×10-3 |
| 망간 | 4. 40 ×10-6 | 1.0×10-5 | 카드뮴 | 5.50 ×10-5 | 5.2×10-3 |
| 몰리브덴 | 5. 60 ×10-6 | 4. 7 ×10-3 | 아연 | 5. 92 ×10-5 | 3.5 ×10-3 |
| 니크롬 합금 | 1. 00 ×10-4 | 4. 0×10-4 |
금속 표면의 거칠기, 산화막의 상태, 특수 표면 코팅의 존재 여부는 적외선 레이저의 흡수율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
표 1-1의 흡수율은 진공 상태에서 매끄러운 금속 표면을 사용하여 측정한 것입니다. 그러나 실제 레이저로 가열된 금속 표면은 산화와 오염으로 인해 표의 값보다 적외선 레이저의 흡수율이 훨씬 더 높습니다. 가시광선 흡수율에 대한 표면 상태의 영향은 상대적으로 작습니다.
표 1-3은 알루미늄과 그 합금의 표면 상태가 이산화탄소 흡수율에 미치는 영향을 보여줍니다.2 레이저.
표 1-3: 알루미늄과 그 합금의 표면 상태가 CO의 흡수율에 미치는 영향2 레이저[6](%).
| 자료 | 원본 표면 | 전기 연마 | 샌드 블라스팅 | 아노다이징 |
| 순수 알루미늄 | 7 | 5 | 20 | 22 |
| 5456 알루미늄 합금 | 5~11 | 4 | 22 | 27 |
금속에 형성된 산화막 고온의 재료 는 흡수율을 크게 증가시킵니다. 그림 1-4는 공기 중에서 1분간 산화시킨 304 스테인리스강 표면에 10.6μm 파장의 적외선 레이저를 쏘았을 때 흡수율과 산화 온도와의 관계를, 그림 1-5는 몰리브덴 표면과 동일한 레이저를 쏘았을 때 흡수율과 산화 온도 및 시간과의 관계를 보여줍니다.
산화막의 두께는 산화 온도와 시간의 함수이므로 레이저의 흡수율도 산화 온도와 시간의 영향을 받습니다. 금속 재료의 10.6μm 파장 CO2 레이저는 저항률 증가와 표면 고온 산화라는 두 가지 요인으로 인해 온도에 따라 크게 증가합니다.
인산염, 지르코니아, 산화티타늄, 실리카는 물론 카본블랙, 흑연 등은 이산화탄소 흡수율이 높은 물질입니다.2 레이저. 주로 이러한 물질로 구성된 표면 코팅은 적외선 레이저에 대한 금속의 흡수율을 크게 높일 수 있으며, 이는 레이저 표면 열처리 시 반드시 고려해야 하는 중요한 척도가 되었습니다.
그러나 레이저 용접인, 산소, 탄소의 증가는 매우 해롭습니다. 인과 산소와 탄소는 피부의 가소성과 인성을 감소시킬 수 있습니다. 용접 솔기의 사용을 신중하게 고려해야 합니다.
입사 레이저가 재료 표면에 수직이 아닌 경우 반사 비율과 흡수 비율은 입사 레이저의 편광 상태와 관련이 있습니다. 이 문제는 섹션 1.1.1에서 설명했습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
KO 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
TR