레이저 가공

1. 레이저 가공

레이저(Laser) 는 Light Amplification by Stimulate Emission of radiation 의 머리 글자를 딴 것으로 광 레이저라고도 하며, 레이저 가공은 빛의 에너지를 이용한 가공법이다.
레이저 관원의 빛은 여러 가지 특성이 있으나 그 중에서 밀도가 대단히 높은 단색성과 평행도가 높은 지향성을 이용하여 렌즈나 반사경을 통해 집적해서 가공물에 빛을 쏘면, 전자 빔 가공과 같이 순간적으로 국부에 가열되어 용해 또는 증발 된다.
이것을 레이저 가공이라 한다.

2. 레이저 가공의 특성

2.1 장점

미세가공이 가능하다.
국부 고온가공에 의해 난삭재의 가공이 가능하다.
공구인 레이저 빔과 가공물 사이에 물리적인 접촉이 없다.
투명체를 통해 가공이 가능하다.
원격 조작이 용이하고 진공이 불필요하다.
장치가 간단하고 취급이 쉬우며 작업성이 좋다.

2.2 단점

피가공물의 표면상태에 따라 특별 전처리가 필요할 수도 있다.
비교적 가공경비가 높다.
장치의 유지 및 관리가 어렵다.

3. 가공에 사용되는 레이저의 종류 및 특성

3.1 고체 레이저

다른 레이저에 비해 큰 출력을 얻기 쉽다.
스펙트럼 폭이 넓고, 단색 지향성이 기체 레이저에 비해 떨어진다.

3.2 기체 레이저

펄스의 반복을 빨리 할 수 있다.
출력 빔의 지향성이 좋고 확산이 적다.
펄스의 에너지는 고체 레이저에 비해 적다.

고체 레이저와 기체 레이저 비교
레이저의 종류		모체	활성입자
고체 레이저	루비	$AL_2O_3$	$CR^{3+}$
	YAG	$Y_3AL_2O_{12}$	$Nd^{3+}$
	유리	유리	$Nd^{2+}$
	$CaWO_4$	$CaWO_4$	$Nd^{3+}$
기체 레이저	He-Ne	$He-Ne$	$He-Ne$
	$A_{10}$	$A$	$A^+$
	$CO_2$	$CO_2-He-N_2$	$CO_2$

3.3 레이저 발진

4. 레이저 빔 가공의 응용

4.1 구멍가공 ($0.01 \sim 1.0 \text{mm}$)

다이아몬드 와이어 드로잉 다이의 구멍가공
시세용 보석 베어링의 구멍 가공
집적회로 기판용의 사파이어 구멍가공
초경합금, 스테인리스강의 구멍가공

4.2 절단 및 홈파기

특징
절삭 폭이 좁으며 임의의 점에서 시작이 가능하다.
응력에 의한 변형이 없고 거스러미가 없다.
다품종 소량 절단에 용이하다.
가공의 종류
목재 및 종이의, 금속재료의 복잡한 형상의 절단
양복지 재단
반도체 기판, 세라믹 판의 금긋기

4.3 트리밍 및 밸런싱 가공

재료의 미세 부분을 제거하여 형상을 보정하거나 수정하는 가공으로, 자이로스코프의 밸런싱
시계의 밸런스 휠 조정 등에도 응용됨.

4.4 용접

종류가 다른 금속의 용접
열에 민감한 재료의 용접
좁고 깊은 장소의 용접
반응성이 강한 재료의 비 진공에서의 용접.

4.5 레이저 담금질

$10^4 W/cm^2$ 정도의 레이저 광으로 강의 표면을 주사하면, 가열 급랭되어 수백 $\mu m$ 의 경화층을 얻으며
필요한 부분만의 열처리가 가능하다.

5. 레이저 가공 변수

구분	가공 변수
레이저 절단	에너지 밀도, 보조가스(압력, 속도, 성분) , 절단속도 흡수율
공정 변수	출력, 파장, 작용시간, 빔 직경, 가공물의 열 특성, 펄스
용접 변수	출력, 빔 직경, 가공물의 열 특성, 펄스
열처리 변수	출력, 빔 직경, 흡수율, 열처리 속도, 가공물의 열 특성

6. 전자 빔과 레이저 빔의 비교