오랫동안 레이저 기술은 용접, 절단 및 마킹에 널리 사용되는 것으로 알려져 왔습니다. 지난 2년 동안 레이저 세척이 점차 대중화되면서 레이저 표면 처리 개념이 사람들의 관심의 초점이 되었고 사람들의 마음에 나타났습니다. 레이저 가공은 비접촉, 매우 유연하고, 고속이며, 소음이 없으며, 열 영향 구역이 작고 기판에 손상이 없으며, 소모품이 없으며, 환경 친화적이고 저탄소입니다.
레이저 세척 외에도 레이저 표면 처리에는 실제로 레이저 연마, 레이저 클래딩, 레이저 담금질 등과 같은 많은 응용 범주가 있습니다. 이러한 방법은 표면 공정을 소수성으로 만들거나 레이저 펄스를 사용하여 직경이 약 10마이크론이고 깊이가 몇 마이크론에 불과한 작은 움푹 들어간 부분을 생성하여 거칠기를 높이고 표면 접착력을 강화하는 등 재료 표면의 특정 물리적 및 화학적 특성을 변경하는 데 사용됩니다.
레이저 세척 외에 다음과 같은 레이저 표면 처리 방법을 알고 계신가요?
01. 레이저 급냉
레이저 담금질은 고응력 복합 부품을 가공하기 위한 솔루션 중 하나입니다. 캠축 및 굽힘 공구와 같이 마모가 많은 부품을 더 높은 응력을 견뎌내고 수명을 연장할 수 있습니다.
그 원리는 탄소 함유 공작물 표면을 용융 온도보다 약간 낮은 온도(900-1400도, 조사 전력의 40%가 흡수됨)로 가열하여 금속 격자의 탄소 원자를 재배열(오스테나이제이션)한 다음 레이저 빔이 공급 방향을 따라 표면을 안정적으로 가열하는 것입니다. 레이저 빔이 이동함에 따라 주변 재료는 빠르게 냉각되고 금속 격자는 원래 형태로 돌아갈 수 없어 마르텐사이트가 생성되어 경도가 크게 증가합니다.
레이저 경화로 달성된 탄소강 외층의 경화 깊이는 일반적으로 0.1-1.5mm이며, 일부 재료에서는 2.5mm 이상일 수 있습니다. 기존 담금질 방법과 비교했을 때, 장점은 다음과 같습니다.
1. 대상 열 입력이 동일한 영역으로 제한되므로 처리 중에 구성 요소 뒤틀림이 거의 없습니다. 재작업 비용이 감소하거나 완전히 제거됩니다.
2. 복잡한 기하학적 표면과 정밀 부품도 경화시킬 수 있으며, 기존 담금질 방법으로는 담금질할 수 없는 국부적으로 제한된 기능 표면의 정밀한 경화를 달성할 수 있습니다.
3. 왜곡 없음. 기존의 경화 공정은 더 높은 에너지 입력과 담금질로 인해 변형이 발생하지만 레이저 경화 공정에서는 레이저 기술과 온도 제어로 인해 열 입력을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 구성 요소는 거의 원래 상태를 유지합니다.
4. 구성 요소의 경도 기하학은 "즉시" 변경될 수 있습니다. 즉, 광학/전체 시스템을 변환할 필요가 없습니다.
02. 레이저 텍스쳐링
레이저 텍스처링은 금속 재료의 표면 개질을 위한 공정 수단 중 하나입니다. 구조화 공정 동안 레이저는 층이나 기판에 규칙적으로 배열된 기하 구조를 생성하여 기술적 특성을 목표 방식으로 변경하고 새로운 기능을 개발합니다. 이 공정은 대략 레이저 복사(일반적으로 단펄스 레이저)를 사용하여 표면에 규칙적으로 배열된 기하 구조를 재현 가능한 방식으로 생성하는 것입니다. 레이저 빔은 재료를 제어된 방식으로 녹이고 적절한 공정 관리를 통해 정의된 구조로 응고시킵니다.
예를 들어, 소수성 표면 구조는 물이 표면에서 흘러내리도록 합니다. 이 특징은 초단 펄스 레이저로 표면에 서브마이크론 구조를 생성하여 달성할 수 있으며, 생성될 구조는 레이저 매개변수를 변경하여 정밀하게 제어할 수 있습니다. 친수성 표면과 같은 반대 효과도 달성할 수 있습니다.
자동차 패널을 도색하기 위해서는 박판 표면에 "마이크로 피트"를 고르게 분포시켜 도료의 접착력을 높여야 한다. 초당 수천~수만 회의 주파수를 갖는 펄스 레이저 빔을 집중시켜 롤러 표면에 입사시킨다. 초점 지점에서 롤링 표면에 작은 용융 풀을 형성한다. 동시에 작은 용융 풀을 옆으로 불어서 용융 풀에 있는 용융물이 지정된 요구 사항에 따라 용융 풀의 가장자리까지 최대한 축적되도록 하여 호 모양의 보스를 형성한다. 이러한 작은 보스와 마이크로 피트는 재료 표면의 거칠기를 증가시키고 도료의 접착력을 증가시킬 뿐만 아니라 재료의 표면 경도를 증가시키고 사용 수명을 연장할 수도 있다.
일부 특성은 레이저 구조화에 의해 생성되는데, 예를 들어 일부 금속 재료의 마찰 특성이나 전기 및 열 전도도 등이 있습니다. 또한 레이저 구조화는 작업물의 접합 강도와 서비스 수명도 증가시킵니다.
수이상 보광
기존 방식에 비해 표면 레이저 구조화는 환경 친화적이며 추가적인 사포 분사제나 화학 물질이 필요하지 않습니다. 반복 가능하고 정밀한 레이저는 미크론 단위의 정확한 제어된 구조를 달성하며 복제가 매우 쉽습니다. 빠르게 마모되는 기계 도구에 비해 유지 관리 비용이 낮고, 레이저는 비접촉이어서 전혀 마모가 없습니다. 후처리가 필요 없고 레이저로 처리한 부분에 용융물이나 기타 처리 잔여물이 남지 않습니다.
03. 레이저 컬러풀 표면처리
레이저 템퍼링은 종종 레이저 컬러 마킹이라고도 알려진 레이저 컬러 표면 처리에 사용됩니다. 공정 원리는 레이저가 재료를 가열하면 금속이 녹는점보다 약간 낮아집니다. 적절한 공정 매개변수에서 게이트의 구조가 변경됩니다. 즉, 작업물 표면에 산화막이 형성됩니다. 이 필름이 빛에 노출되면 입사광이 간섭하여 이때 다양한 템퍼링 색상이 나타납니다. 표면에 생성된 컬러 마킹 층은 시야각에 따라 달라집니다. 마크 패턴도 다양한 색상으로 변경됩니다. 이러한 색상은 최대 약 200"C의 온도에서 안정적으로 유지됩니다. 더 높은 온도에서는 게이트가 초기 상태로 돌아가 마킹이 사라집니다. 표면 품질은 완전히 보존됩니다. 위조 방지 응용 분야에서 높은 수준의 보안과 추적성을 갖추고 있습니다. 최근 몇 년 동안 의료 기술 분야에서 성숙하게 사용되었습니다. 초단 펄스 레이저의 새로운 블랙 마킹 외에도 제품 식별에도 매우 적합하여 UDI 지침에 따라 고유한 추적성을 달성합니다.
04. 레이저 클래딩
금속 및 금속-세라믹 하이브리드 소재에 적합한 적층 제조 공정입니다. 이를 사용하여 3D 형상을 만들거나 수정할 수 있습니다. 레이저를 사용하여 이 생산 방법을 사용하여 수리하거나 코팅할 수도 있습니다. 따라서 항공우주 분야에서는 적층 제조를 사용하여 터빈 블레이드를 수리합니다.
도구 및 금형 제조에서 부러지거나 마모된 모서리와 성형된 기능 표면을 수리하거나 심지어 보호할 수 있습니다. 에너지 기술이나 석유화학에서 베어링, 롤러 또는 유압 구성품은 마모와 부식으로부터 보호하기 위해 코팅됩니다. 적층 제조는 자동차 건설에도 사용됩니다. 여기에서 많은 수의 구성품이 수정됩니다.
기존의 레이저 금속 증착에서 레이저 빔은 먼저 작업물을 국부적으로 가열한 다음 용융 풀을 형성합니다. 그런 다음 미세 금속 분말을 레이저 가공 헤드의 노즐에서 용융 풀에 직접 분사합니다. 고속 레이저 금속 증착에서 분말 입자는 이미 기판 표면 위의 거의 용융 온도로 가열됩니다. 따라서 분말 입자를 녹이는 데 필요한 시간이 줄어듭니다.
효과: 공정 속도가 크게 증가했습니다. 열 효과가 감소했기 때문에 알루미늄 합금 및 주철 합금과 같은 매우 열에 민감한 재료도 고속 레이저 금속 증착을 사용하여 코팅할 수 있습니다. HS-LMD 공정을 사용하여 회전 대칭 표면에서 최대 1500rpm의 높은 표면 속도를 달성할 수 있습니다. cm/min. 동시에 분당 최대 수백 미터의 공급 속도가 달성됩니다.
레이저 파우더 증착으로 값비싼 부품이나 금형을 빠르고 쉽게 수리합니다. 모든 크기의 손상을 빠르고 거의 흔적을 남기지 않고 수리할 수 있습니다. 설계 변경도 가능합니다. 이를 통해 시간, 에너지 및 재료를 절약할 수 있습니다. 이는 니켈이나 티타늄과 같은 값비싼 금속에 특히 유용합니다. 일반적인 적용 사례는 터빈 블레이드, 다양한 피스톤, 밸브, 샤프트 또는 금형입니다.
05. 레이저 열처리
수천 개의 마이크로 레이저(VCSEL)가 단일 칩에 장착됩니다. 각 에미터에는 이러한 칩 56개가 장착되어 있으며 모듈은 여러 에미터로 구성됩니다. 직사각형 복사장은 수백만 개의 마이크로 레이저를 포함할 수 있으며 수 킬로와트의 적외선 레이저 전력을 출력할 수 있습니다.
VCSEL은 크고 방향성이 있는 직사각형 빔 단면을 가진 100W/cm²의 복사 강도를 가진 근적외선 빔을 생성합니다. 원칙적으로 이 기술은 표면 및 온도 제어에 매우 높은 정밀도가 필요한 모든 산업 공정에 적합합니다.
레이저 열처리 모듈은 특히 까다롭고 유연한 요구 사항이 있는 대면적 가열 응용 분야에 적합합니다. 기존 가열 방법과 비교했을 때, 이 새로운 가열 공정은 더 높은 유연성, 정밀성 및 비용 절감을 제공합니다.
이 기술은 알루미늄 호일이 주름지는 것을 방지하기 위해 백형 셀을 밀봉하는 데 사용할 수 있으므로 배터리의 서비스 수명을 연장할 수 있습니다. 또한 배터리 알루미늄 호일을 건조하고, 태양광 패널을 빛에 담그고, 특정 소재(예: 강철 및 실리콘 웨이퍼)의 가열 영역을 정밀하게 처리하는 데 사용할 수 있습니다.
06. 레이저 연마
레이저 연마 기술의 메커니즘은 표면 좁은 용융 및 표면 과용융이며, 레이저 재용융층의 표면 재용융 및 재고화에 의존합니다. 금속 표면이 충분히 높은 에너지 레이저로 조사되면 표면은 어느 정도 재용융 및 재분배를 거치고 표면 인장 응력과 중력의 작용을 통해 응고 전에 매끄러운 표면이 달성됩니다.
용융층의 전체 두께는 홈통에서 피크까지의 높이보다 얇으므로 용융 금속 전체가 근처 홈통에 채워집니다. 이 채우기의 구동력은 모세관 효과를 통해 달성되는 반면, 더 두꺼운 층은 액체 금속이 용융 풀의 중심에서 바깥쪽으로 흐르게 합니다. 구동력은 열 모세관 효과 또는 마르코니 효과이므로 재분배될 수 있습니다.
슈이치 비에광
적용 사례로는 실리콘 카바이드 세라믹이 있으며, 이는 빛과 대형 망원경(특히 대형 및 복잡한 모양의 반사경)의 광학 부품으로 사용됩니다. RB-SiC는 전형적인 고경도, 복합상 재료이며, 표면 정밀 연마 기술은 어렵고 비효율적입니다. Si 분말로 사전 코팅된 RB-SiC의 표면은 펨토초 레이저로 개질됩니다. 연마 후 불과 4.5시간 만에 표면 거칠기 Sq가 4.45nm인 광학 표면을 얻을 수 있습니다. 직접 연삭 및 연마와 비교하면 연마 효율이 3배 이상 증가합니다. 레이저 연마는 금형, 캠 및 터빈 블레이드의 연마에도 널리 사용됩니다.
07. 레이저 샷 피닝
레이저 쇼크 강화는 레이저 샷 피닝이라고도 하며, 금속 부품 표면에 고에너지 밀도, 고초점, 단펄스 레이저(λ=1053nm)를 조사하는 것입니다. 표면 금속(또는 흡수층)은 고출력 밀도 레이저의 작용으로 즉시 플라스마 폭발을 형성합니다. 폭발 충격파는 제한층의 제약 하에 금속 부품 내부로 전달되어 표면 입자가 압축 소성 변형을 일으키고 부품 표면의 더 두꺼운 범위에서 잔류 압축 응력, 입자 미세화 및 기타 표면 강화 효과를 얻습니다. 기존의 기계적 샷 피닝과 비교할 때 다음과 같은 장점이 있습니다.
1. 강한 방향성: 레이저는 제어 가능한 각도에서 금속 표면에 작용하며, 에너지 변환 효율이 높고, 기계적 투사체 충격 각도는 무작위입니다.
2. 큰 힘: 레이저 샷 피닝 플라즈마 블라스팅에 의해 생성되는 순간 압력은 수 GPa만큼 높습니다. 높은 전력 밀도: 레이저 충격의 피크 전력 밀도는 수~수십 GW//cm2에 이릅니다.
3. 양호한 표면 무결성: 레이저 충격은 표면에 스퍼터링 효과가 거의 없지만 기계적 샷피닝 후 표면 형태가 손상되고 응력 집중이 발생합니다.
레이저 충격 후 최대 압축 응력 값이 더 좋고 표면 잔류 압축 응력이 약 40%~50% 증가하여 피로 수명, 고온 저항 및 작업물의 굽힘 성형과 같은 관련 지표 값이 크게 향상되었습니다. 항공기 표면 처리 및 항공기 엔진 표면 처리 분야에 적용되었습니다.
