레이저 클래딩 기술은 고에너지 레이저를 이용하여 금속 분말과 기판 표면을 동시에 용융시켜 급속 응고를 통해 야금학적으로 결합된 합금 코팅을 형성하는 정교한 표면 엔지니어링 기술입니다. 이 첨단 레이저 클래딩 공정은 가공물 표면에 탁월한 내식성, 내마모성 및 고온 저항성을 부여하여 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

실제 레이저 클래딩 응용 분야에서 대부분의 산업 사용자는 높은 평탄도를 가진 코팅을 얻는 것을 목표로 합니다. 표면이 평탄할수록 후가공 작업이 줄어들어 금속 분말 재료를 절약하고 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 특히, 레이저 클래딩 코팅의 평탄도는 주로 세 가지 요소, 즉 단일 클래딩 패스의 평탄도, 단일 패스의 두께, 그리고 인접한 클래딩 패스 사이의 중첩률에 의해 영향을 받습니다.

레이저 클래딩 품질에 미치는 스폿 형상의 영향

레이저 클래딩 공정 중 용융 금속의 표면 장력과 젖음성이 상호 작용하여 레이저 스팟의 모양에 따라 용융 트랙 프로파일이 확연히 달라집니다. 작은 원형 스팟(3mm~5mm)을 사용하는 경우, 용융 트랙 표면은 일반적으로 원하는 평평한 표면이 아닌 볼록한 형태를 나타냅니다. 반대로, 더 큰 직사각형 스팟(10mm~30mm)을 사용하는 경우, 분말 공급 균일성 및 스팟 강도 균일성과 같은 요인으로 인해 단일 클래딩 층이 이상적인 평탄도를 얻기 어렵습니다.

레이저 클래딩에서 겹침률의 중요한 역할

레이저 클래딩에서 인접한 용융 트랙은 특정 정도로 겹쳐야 하는데, 이 겹침률은 최종 코팅의 평탄도에 매우 중요한 요소입니다. 겹침률(R)은 다음과 같이 계산됩니다.
R = D/W × 100%
어디에 D 겹치는 너비는 다음과 같습니다. W 는 단일 패스 클래딩 폭입니다. 스텝 크기가 있는 경우 d (레이저가 한 번 지나간 후 ​​앞으로 이동하는 거리)를 사용하면 중첩률은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
R = (Wd)/W × 100%

공식에서 알 수 있듯이 스텝 크기가 작을수록 겹침률이 커지는데, 이는 용융 트랙이 더 많이 겹친다는 것을 의미합니다. 직사각형 스팟 레이저 클래딩의 경우 겹침률은 일반적으로 50% 미만입니다. 겹침률이 너무 높으면 클래딩 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 50%보다 낮으면 코팅 두께에 변동이 발생할 수 있습니다.

레이저 클래딩에서 원형 스팟 크기와 직사각형 스팟 크기의 성능 비교

한 번의 도포 두께가 1mm라고 가정해 보겠습니다. 직사각형 스폿을 사용하는 공정에서 코팅의 가장 얇은 부분은 약 1mm이고, 가장 두꺼운 부분은 이론적으로 2mm까지 도달할 수 있습니다(실제로는 약간 더 얇습니다). 따라서 긴 직사각형 스폿은 클래딩 코팅에 요구되는 높은 평탄도를 충족하기 어려울 수 있습니다.

반면, 3~5mm 크기의 원형 레이저 스팟을 사용하는 레이저 클래딩 공정은 상당한 이점을 제공합니다. 그 원리는 직사각형 스팟을 사용하는 방식과 다릅니다. 직사각형 스팟은 일반적으로 단일 레이어(또는 최대 두 레이어)를 통해 필요한 클래딩 두께를 얻는 반면, 3~5mm 원형 스팟 레이저 클래딩은 여러 레이어가 겹쳐지면서 필요한 두께를 얻습니다.

예를 들어, 5mm 원형 스팟에 1mm 스텝 크기(80% 겹침률)로 1mm 두께의 코팅을 얻으려면 0.2mm 두께의 용융 트랙이 5개 층으로 필요합니다. 이러한 다층 적층 특성은 소형 원형 스팟 레이저 클래딩과 직사각형 스팟 레이저 클래딩의 주요 차이점입니다.

고속 레이저 클래딩의 실제 효과

3~5mm 원형 스팟 레이저 클래딩 공정을 채택함으로써 10마이크론 미만의 매우 높은 평탄도를 달성할 수 있습니다. 그림 2는 중커중메이(Zhongke Zhongmei)에서 3~5mm 원형 스팟을 사용하여 제작한 코팅의 평탄도 시험 결과를 보여주는데, Ra5~6μm의 우수한 평탄도를 나타냈습니다.

결론: 레이저 클래딩 공정을 위한 스팟 선택 최적화

위의 분석을 바탕으로 다음과 같은 명확한 결론을 내릴 수 있습니다. 높은 평탄도가 요구되는 레이저 클래딩 공정에서 레이저 스팟의 모양과 크기는 매우 중요한 공정 변수입니다. 3~5mm 원형 스팟 레이저 클래딩 공정은 높은 중첩률과 다층 적층을 통해 필요한 클래딩 두께를 구현하므로, 고평탄도 코팅에 가장 적합한 방식입니다. 코팅 품질과 후속 공정 비용을 중시하는 레이저 클래딩 공정에서는 원형 스팟이 단연 최고의 선택입니다.

특정 레이저 클래딩 프로젝트에서 엔지니어는 레이저 클래딩 품질이 최적의 상태에 도달하도록 공작물 요구 사항, 생산 효율성 및 경제적 고려 사항과 같은 요소를 기반으로 스폿 유형과 공정 매개변수를 선택해야 합니다.