레이저 가열

레이저 가열이란

레이저 가열은 레이저 빔의 집속된 복사 에너지를 재료 표면에서 흡수시켜 열로 바꾸는 방식이다.

비접촉으로 국부만 가열하고 전력 밀도가 높아 미세 가공과 표면 처리에 쓰인다.

전기가열 방식을 비교하는 문항에서 반복해 출제되는 개념이다.

흡수와 전력 밀도

레이저 빔은 깊이 들어갈수록 세기가 줄어든다. 이를 Bouguer-Lambert 법칙으로 표현한다.

흡수계수가 클수록 빔 에너지는 얕은 층에서 열로 바뀐다. 흡수율은 파장과 표면 상태에 따라 달라진다.

파워밀도는 단위 면적당 입사 전력이다. 전력 밀도가 충분하면 재료는 증발하고 키홀이 형성된다.

레이저 용접은 약 1 MW/cm² 수준의 높은 전력 밀도를 가져 열영향부가 작다.

계산 예제

출력 4 kW, 스폿 지름 0.2 mm인 빔으로 계산해 본다.

지름 0.2 mm는 반지름 0.01 cm이므로 면적은 3.14×10⁻⁴ cm²이다.

전력 밀도는 출력을 면적으로 나눈 값이므로 약 1.27×10⁷ W/cm²이다.

이 값은 키홀 용접 영역에 속한다. 스폿을 13 mm로 넓히면 밀도는 급격히 낮아진다.

레이저 종류와 파장

레이저 종류는 매질에 따라 나뉘며, 파장에 따라 흡수율이 달라진다.

CO2 레이저는 10.6μm로 비금속 가공에 쓰이고, 금속 가공에도 쓰인다.

Nd:YAG는 1.06μm, 파이버는 1.07μm이며 금속 흡수가 높아 금속 절단에 유리하다.

연속파와 펄스

레이저 가열은 빔이 나가는 방식에 따라 연속파와 펄스로 나뉜다.

연속파는 깊은 용접과 대량 생산에 쓰이고, 열 누적이 지속된다.

펄스는 열 누적을 억제해 얇은 판과 정밀 부품 용접에 쓰인다.

한계와 대책

정답은 펄스 레이저다. 밀리초 펄스는 열 누적을 줄여 얇은 재료에 맞는다.

레이저 가열의 한계는 설비 비용이 높고 금속 반사율이 큰 점이다.

표면 코팅이나 산화막으로 흡수율을 높이고, 펄스 제어로 고온 균열을 줄인다.

흡수율의 온도 의존성을 열해석에 반영하는 것이 쟁점이다.

정리와 답안 포인트

마지막으로 핵심을 정리한다. 레이저 가열은 고밀도 국부 가열이다.

진공이 필요 없고 비접촉이라 자동화가 쉽고 X선이 발생하지 않는다.

얇은 재료는 펄스, 깊은 용접은 연속 레이저를 쓴다는 구분을 기억한다.

답안에서는 레이저 종류별 파장 값과 적용 재료를 짝지어 쓴다.