고속 레이저 클래딩 분말의 활용률과 관련된 요인은 무엇입니까?

고속 레이저 클래딩 기술은 비약적으로 발전해 왔습니다. 가공 효율을 높이고 가공 비용을 낮추려는 노력은 끊임없이 이어지고 있으며, 가공 비용을 지속적으로 절감하는 방법은 고속 레이저 클래딩 연구의 중요한 과제로 남아 있습니다.

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레이저 클래딩 총비용의 80~90%가 분말 비용에서 발생하기 때문에, 분말 이용률을 향상시키는 것은 고속 레이저 클래딩에서 해결해야 할 중요한 기술적 과제입니다. 따라서 고속 레이저 클래딩의 분말 이용률에 영향을 미치는 요인들을 규명하는 것이 필수적입니다. 본 논문에서는 이러한 요인들을 하나씩 살펴보고, 고속 레이저 클래딩의 분말 이용률을 향상시키는 방안에 대해 논의할 것입니다.

(1) 용융 풀의 스팟 크기

고속 레이저 클래딩 분말의 활용률에 영향을 미치는 주요 요인은 용융 풀의 스폿 크기, 즉 기판 표면에 조사되는 레이저 빔의 스폿 크기입니다. 레이저 출력에 따라 고속 레이저 클래딩 용융 풀의 스폿 크기는 1mm에서 5mm 사이로 선택할 수 있습니다. 실제 작업에서는 장비의 레이저 출력에 맞춰 적절한 용융 풀 스폿 크기를 선택해야 합니다.

용융 풀의 크기가 너무 작으면 분말 이용률이 낮아지고, 용융 풀의 크기가 너무 크면 코팅 표면의 평탄도가 떨어집니다. 용융 풀의 크기를 키우면 분말 이용률을 높일 수 있지만, 용융 풀의 크기가 너무 크면 코팅의 평탄도가 떨어져 후속 연마 공정에서도 분말이 낭비됩니다. 고속 레이저 클래딩의 경우에도 클래딩 공정에서의 분말 이용률뿐만 아니라 연마 공정을 포함한 전체 클래딩 공정에서의 분말 이용률을 종합적으로 고려해야 합니다.

(2) 클래딩 헤드의 분말 배출구 직경

클래딩 헤드의 분말 배출구 직경은 분말 흐름의 두께를 결정합니다. 배출구가 작을수록 분말 흐름이 미세해지지만, 미세해질수록 분말 분산 속도가 빨라집니다. 실제 작업에서는 클래딩 높이와 용융 풀의 스폿 크기를 고려하여 적절한 분말 배출구 직경을 선택해야 합니다. 그래야 기판 표면의 분말 스폿 직경이 용융 풀의 스폿 직경보다 작아집니다. 그렇지 않으면 용융 풀의 스폿 크기를 벗어난 분말은 손실되어 낭비됩니다.

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(3) 레이저 출력

레이저 출력은 용융 풀에 떨어지는 분말이 완전히 녹을 수 있도록 충분히 커야 합니다. 분말 공급량 및 기타 매개변수가 일정할 때, 레이저 출력이 높을수록 분말 이용률이 높아집니다.

(4) 분말 공급량

장비의 레이저 출력을 결정할 때, 분말 공급량이 적을수록 분말 이용률이 높아집니다. 그러나 분말 공급량을 줄이면 클래딩 효율에 영향을 미칩니다. 클래딩 효율을 고려하지 않는다면 분말 공급량을 조절하여 분말 이용률을 100%까지 높일 수 있지만, 이는 실질적인 의미가 없습니다. 

(5) 클래딩 선형 속도

고속 레이저 클래딩의 선속도는 일반 레이저 클래딩의 수 배, 심지어 수십 배에 달합니다. 기판과 클래딩 헤드 사이의 상대 이동 속도가 클수록 기판 표면의 분말 입자의 운동 에너지가 커져 분말 분출량이 많아지고 분말 이용률이 감소합니다. 또한, 레이저 출력이 결정될 때 클래딩 헤드와 기판 사이의 상대 이동 속도가 높을수록 용융 풀의 온도가 낮아지고 분말 이용률이 더욱 떨어집니다. 

(6) 공작물 부피 

동일한 클래딩 매개변수를 사용할 경우, 공작물의 직경(부피)이 클수록 분말 이용률은 낮아집니다. 이는 부피가 클수록 레이저 에너지가 매트릭스에 더 많이 흡수되어 용융 풀의 온도가 충분히 높지 않기 때문입니다. 따라서 부피가 큰 공작물의 경우, 분말 이용률을 높이기 위해 더 높은 출력의 클래딩 장비를 사용해야 합니다.

(7) 분말 입자 크기 

고속 레이저 클래딩 분말은 빛과의 반응 시간이 짧기 때문에 레이저 출력 크기에 따라 적절한 입자 크기의 분말을 선택해야 합니다. 분말 입자가 너무 크면 제한된 시간 내에 분말이 녹지 않아 비산 손실이 발생할 수 있습니다. 

위에서 언급한 사항들은 고속 레이저 클래딩 분말의 이용률에 영향을 미치는 주요 7가지 요인입니다. 분말 이용률을 향상시키고 클래딩 가공 비용을 절감하기 위해서는 장비 및 클래딩 대상물의 구체적인 조건에 따라 적절한 하드웨어 기술 매개변수와 클래딩 가공 매개변수를 선택해야 합니다.

여기서 다시 한번 강조하지만, 분말 이용률은 단순 클래딩 공정의 분말 이용률이 아닌 전체 가공 공정의 분말 이용률을 고려해야 합니다. 일반적인 레이저 클래딩의 분말 이용률은 100%에 달할 수 있지만, 종합적인 분말 이용률은 대개 50% 미만입니다.


게시 시간: 2022년 8월 24일