레이저 용접 원리
레이저 용접은 연속 또는 펄스 레이저 빔으로 달성할 수 있습니다. 레이저 용접의 원리는 열전도 용접과 레이저 심용입 용접으로 나눌 수 있습니다. 출력 밀도가 104~105 W/cm2 이하일 때 열전도 용접입니다. 이때 침투 깊이가 얕고 용접 속도가 느리다. 전력 밀도가 105~107 W/cm2보다 크면 금속 표면이 가열에 의해 "캐비티"로 가라앉아 깊은 용입 용접을 형성하며 빠른 용접 속도와 큰 종횡비의 특성을 갖습니다.
열전도 레이저 용접의 원리는 레이저 방사가 피가공면을 가열하고 표면열이 열전도를 통해 내부로 확산된다는 것입니다. 레이저 펄스 폭, 에너지, 피크 전력, 반복 주파수 및 기타 레이저 매개변수를 제어함으로써 공작물이 용융되어 특정 용융 풀을 형성합니다. .
기어 용접 및 야금 박판 용접에 사용되는 레이저 용접기는 주로 레이저 심용입 용접을 포함합니다. 다음은 레이저 심용입 용접의 원리에 중점을 둡니다.
레이저 심용입 용접은 일반적으로 연속 레이저 빔을 사용하여 재료 연결을 완료하며 금속 물리적 프로세스는 전자 빔 용접과 매우 유사합니다. 즉, 에너지 변환 메커니즘은 "키홀" 구조를 통해 완료됩니다. 충분히 높은 출력 밀도의 레이저 조사 하에서 재료는 증발하고 작은 기공을 형성합니다. 증기로 가득 찬 이 작은 구멍은 흑체와 같으며 입사 빔의 거의 모든 에너지를 흡수하고 공동의 평형 온도는 약 2500 0C에 도달합니다. 열은 고온 캐비티의 외벽에서 전달되어 캐비티를 둘러싼 금속을 녹입니다. 작은 구멍은 빔의 조사 하에서 벽 재료의 연속적인 증발에 의해 생성된 고온 증기로 채워지고, 작은 구멍의 벽은 용융 금속으로 둘러싸여 있고, 액체 금속은 고체 재료로 둘러싸여 있습니다. 대부분의 기존 용접 공정 및 레이저 전도 용접, 먼저 공작물 표면에 에너지가 축적된 다음 전송을 통해 내부로 전송됨). 기공 벽 외부의 액체 흐름과 벽 층의 표면 장력은 기공 공동에서 지속적으로 생성되는 증기압과 동적 균형을 유지합니다. 빔은 지속적으로 작은 구멍으로 들어가고 작은 구멍 외부의 재료는 지속적으로 흐릅니다. 빔이 이동함에 따라 작은 구멍은 항상 안정적인 흐름 상태에 있습니다. 즉, 리딩 빔의 전진 속도로 작은 구멍과 구멍 벽을 둘러싼 용탕이 앞으로 이동하고 작은 구멍이 남긴 틈을 용탕이 채운 다음 응축되어 용접이 형성됩니다. 위의 모든 프로세스는 매우 빠르게 발생하여 용접 속도가 분당 몇 미터에 쉽게 도달할 수 있습니다.
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레이저 심용입 용접의 주요 공정 매개변수
1) 레이저 파워. 레이저 용접에는 레이저 에너지 밀도의 임계값이 있습니다. 이 값 미만에서는 침투 깊이가 매우 얕습니다. 이 값에 도달하거나 초과하면 침투 깊이가 크게 증가합니다. 공작물의 레이저 출력 밀도가 임계값(재료에 따라 다름)을 초과하는 경우에만 플라즈마가 생성되며, 이는 안정적인 심용입 용접 진행을 나타냅니다. 레이저 출력이 이 임계값 미만이면 가공물의 표면만 녹습니다. 즉, 안정적인 열 전도로 용접이 이루어집니다. 레이저 출력 밀도가 작은 구멍을 형성하기 위한 임계 조건에 가까워지면 깊은 용입 용접과 전도 용접이 교대로 수행되며 이는 용접 공정이 불안정해지며 용입 깊이의 변동이 커집니다. 레이저 심용입 용접 시 레이저 출력은 용입 깊이와 용접 속도를 동시에 제어합니다. 용접 용입은 빔 출력 밀도와 직접적인 관련이 있으며 입사 빔 출력과 빔 초점의 함수입니다. 일반적으로 특정 직경의 레이저 빔의 경우 빔 출력이 증가함에 따라 침투 깊이가 증가합니다.
2) 빔 초점. 빔 스폿 크기는 출력 밀도를 결정하기 때문에 레이저 용접에서 가장 중요한 변수 중 하나입니다. 그러나 고출력 레이저의 경우 간접 측정 기술이 많지만 측정이 어려운 문제입니다.
빔 초점의 회절 제한 스폿 크기는 광 회절 이론에 따라 계산할 수 있지만 초점 렌즈 수차가 존재하기 때문에 실제 스폿 크기는 계산된 값보다 큽니다. 가장 간단한 실용적인 방법은 두꺼운 종이로 폴리프로필렌 판을 탄화 및 침투시킨 후 초점과 천공 직경을 측정하는 등온 프로파일링 방법입니다. 이 방법은 측정 실습을 통해 레이저 출력과 빔 작동 시간을 마스터해야 합니다.
3) 재료 흡수 값. 재료에 의한 레이저 광의 흡수는 흡수율, 반사율, 열전도율, 용융 온도, 증발 온도 등과 같은 재료의 몇 가지 중요한 특성에 따라 달라지며, 그 중 가장 중요한 것은 흡수율입니다.
레이저 빔에 대한 재료의 흡수율에 영향을 미치는 요인에는 두 가지 측면이 포함됩니다. 첫 번째는 재료의 저항입니다. 재료의 연마된 표면의 흡수율을 측정한 후, 재료의 흡수율은 저항률의 제곱근에 비례하고 저항률은 온도에 따라 변하는 것으로 나타났습니다. 둘째, 재료의 표면 상태(또는 평활도)는 빔 흡수율에 더 중요한 영향을 미치며, 이는 용접 효과에 상당한 영향을 미칩니다.
CO2 레이저의 출력 파장은 일반적으로 10.6μm입니다. 세라믹, 유리, 고무, 플라스틱 및 기타 비금속의 흡수율은 상온에서 매우 높은 반면, 금속 물질의 흡수율은 상온에서 매우 열악하여 재료가 녹거나 기체가 될 때까지 흡수율이 급격히 증가합니다. 표면 코팅 또는 표면 산화막 형성을 사용하여 재료의 광선 흡수를 개선하는 데 매우 효과적입니다.
4) 용접 속도. 용접 속도는 용입 깊이에 큰 영향을 미칩니다. 속도를 높이면 침투가 얕아지지만 속도가 너무 낮으면 재료가 과도하게 용융되어 공작물이 용접됩니다. 따라서 일정한 레이저 출력과 일정한 두께를 가진 특정 재료에 적합한 용접 속도 범위가 있으며 해당 속도 값에서 최대 침투 깊이를 얻을 수 있습니다. 그림 10-2은 1018강의 용접 속도와 침투 깊이 사이의 관계를 보여줍니다.
5) 보호 가스. 불활성 가스는 종종 레이저 용접 공정에서 용융 풀을 보호하는 데 사용됩니다. 일부 재료가 표면 산화와 관계없이 용접되는 경우 보호가 고려되지 않을 수 있지만 대부분의 응용 분야에서 헬륨, 아르곤, 질소 및 기타 가스는 납땜 중에 공작물을 산화로부터 보호하기 위한 보호 수단으로 자주 사용됩니다.
헬륨은 쉽게 이온화되지 않아(높은 이온화 에너지) 레이저가 원활하게 통과하고 빔 에너지가 방해 없이 작업물의 표면에 도달합니다. 이것은 레이저 용접에 사용되는 가장 효과적인 차폐 가스이지만 더 비쌉니다.
아르곤 가스는 저렴하고 밀도가 높기 때문에 보호 효과가 더 좋습니다. 그러나 빔의 일부가 공작물에 닿지 않도록 보호하는 고온 금속 플라즈마 이온화에 취약하고 용접을 위한 유효 레이저 출력을 감소시키며 용접 속도와 관통력도 손상시킵니다. 아르곤으로 보호되는 용접물의 표면은 헬륨으로 보호될 때보다 더 부드럽습니다.
질소는 가장 저렴한 차폐 가스이지만 일부 유형의 스테인리스강 용접에는 적합하지 않습니다. 주로 겹치는 부분에 다공성을 생성하는 흡수와 같은 야금학적 문제로 인해 주로 사용됩니다.
차폐 가스 사용의 두 번째 기능은 포커싱 렌즈를 금속 증기 오염 및 액체 방울의 스퍼터링으로부터 보호하는 것입니다. 특히 고출력 레이저 용접에서는 이젝션이 매우 강력해지기 때문에 이때 렌즈 보호가 더욱 필요하다.
차폐 가스의 세 번째 기능은 고출력 레이저 용접으로 생성된 플라즈마 차폐를 소멸시키는 데 매우 효과적이라는 것입니다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하여 플라즈마 구름으로 이온화되고 금속 증기 주변의 보호 가스도 열로 인해 이온화됩니다. 플라즈마가 너무 많으면 플라즈마에 의해 레이저 빔이 다소 소모됩니다. 플라즈마는 2차 에너지로 작업 표면에 존재하여 침투를 얕게 하고 용접 풀의 표면을 넓힙니다. 이온과 중성 원자와의 전자의 삼체 충돌을 증가시켜 플라즈마의 전자 밀도를 감소시켜 전자의 재결합 속도를 높입니다. 중성 원자가 가벼울수록 충돌 빈도가 높아지고 재결합 속도가 높아집니다. 반면에 높은 이온화 에너지를 가진 보호 가스만이 가스 자체의 이온화로 인해 전자 밀도를 증가시키지 않습니다.
플라즈마 구름의 크기는 사용되는 차폐 가스에 따라 다르며 헬륨이 가장 작고 질소가 두 번째, 아르곤이 가장 큽니다. 플라즈마 크기가 클수록 침투가 얕아집니다. 이러한 차이가 나는 이유는 먼저 가스 분자의 이온화 정도가 다르기 때문이며, 차폐 가스의 밀도가 다르기 때문에 발생하는 금속 증기의 확산 정도도 다르기 때문입니다.
헬륨은 가장 이온화도가 낮고 밀도가 가장 낮은 가스이며 용융 금속 수조에서 생성된 상승하는 금속 증기를 신속하게 제거합니다. 따라서 헬륨을 차폐 가스로 사용하면 플라즈마를 최대한 억제하여 침투 깊이를 늘리고 용접 속도를 높일 수 있습니다. 가벼운 무게로 인해 빠져 나갈 수 있으며 모공을 일으키기 쉽지 않습니다. 물론 실제 용접 효과에서 아르곤 보호 효과는 나쁘지 않습니다.
침투에 대한 플라즈마 구름의 영향은 낮은 용접 속도 영역에서 가장 분명합니다. 용접 속도가 증가함에 따라 그 효과가 감소합니다.
실드 가스는 노즐을 통해 일정한 압력으로 분사되어 작업물의 표면에 도달합니다. 노즐의 유체역학적 형태와 배출구의 직경은 매우 중요합니다. 용접 표면을 덮을 수 있도록 분무된 차폐 가스를 구동할 수 있을 만큼 충분히 커야 하지만 렌즈를 효과적으로 보호하고 금속 증기가 오염되거나 금속이 튀어 렌즈가 손상되는 것을 방지하기 위해 노즐의 크기도 제한해야 합니다. 유속도 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 차폐 가스의 층류가 난류가 되고 대기가 용융 풀에 포함되어 결국 기공을 형성합니다.
보호 효과를 향상시키기 위해 추가적인 사이드 블로잉 방법을 사용할 수도 있습니다. 즉, 더 작은 직경의 노즐을 통해 보호 가스가 깊은 용입 용접의 작은 구멍에 특정 각도로 직접 주입됩니다. 실드 가스는 공작물 표면의 플라즈마 구름을 억제할 뿐만 아니라 플라즈마 및 구멍의 작은 구멍 형성에 영향을 미치고 침투 깊이를 더욱 증가시키고 이상적인 깊이-폭 비율로 용접을 얻습니다. . 그러나 이 방법은 공기 흐름의 크기와 방향을 정밀하게 제어해야 하며, 그렇지 않으면 난류가 발생하여 용융 풀을 파괴하여 용접 공정을 안정화하기 어렵게 만듭니다.
6) 렌즈 초점 거리. 포커싱 방식은 용접시 레이저를 집광시키기 위해 주로 사용되며 초점거리가 63~254mm(2.5"~10")인 렌즈가 일반적으로 사용된다. 초점 스폿 크기는 초점 거리에 비례하며 초점 거리가 짧을수록 스폿이 작아집니다. 그러나 초점 길이는 초점 깊이에도 영향을 미칩니다. 즉, 초점 깊이는 초점 거리와 동시에 증가하므로 짧은 초점 길이는 전력 밀도를 증가시킬 수 있지만 초점 깊이가 작기 때문에 렌즈와 공작물 사이의 거리 정밀하게 유지되어야 하며 침투 깊이가 크지 않습니다. 용접 공정에서 발생하는 스패터 및 레이저 모드의 영향으로 실제 용접에 사용되는 최단 초점 깊이는 대부분 초점 거리 126mm(5")입니다. 접합부가 크거나 용접 이음새를 늘려야 하는 경우 초점 거리가 254mm(10")인 렌즈를 선택할 수 있습니다. 이 경우, 깊은 침투 핀홀 효과를 얻기 위해서는 더 높은 레이저 출력(출력 밀도)이 필요하다.
레이저 출력이 2kW를 초과하는 경우, 특히 10.6μm CO2 레이저 빔의 경우 광학 시스템을 형성하는 특수 광학 재료를 사용하기 때문에 포커싱 렌즈의 광학적 손상 위험을 피하기 위해 반사 포커싱 방법이 종종 사용됩니다. 사용되며 광택이 나는 구리 거울이 일반적으로 반사기로 사용됩니다. 효과적인 냉각으로 인해 고출력 레이저 빔의 초점을 맞추는 데 종종 권장됩니다.
7) 초점 위치. 용접 시 충분한 출력 밀도를 유지하려면 초점 위치가 중요합니다. 초점과 공작물 표면의 상대 위치 변경은 용접의 폭과 깊이에 직접적인 영향을 미칩니다. 그림 2-6은 1018강의 침투 깊이와 솔기 너비에 대한 초점 위치의 영향을 보여줍니다.
대부분의 레이저 용접 응용 분야에서 초점은 일반적으로 공작물 표면 아래에서 원하는 침투 깊이의 약 1/4에 위치합니다.
8) 레이저 빔 위치. 이종 재료를 레이저 용접할 때 레이저 빔 위치는 특히 랩 조인트보다 맞대기 조인트의 경우 용접의 최종 품질을 제어합니다. 예를 들어, 경화된 강철 기어가 연강 드럼에 용접될 때 레이저 빔 위치를 적절하게 제어하면 상대적으로 균열에 강한 저탄소 부품으로 용접을 생성하는 데 도움이 됩니다. 일부 응용 분야에서는 용접할 공작물의 형상에 따라 레이저 빔이 일정 각도 편향되어야 합니다. 빔 축과 조인트 평면 사이의 편향 각도가 100도 이내이면 공작물에 의한 레이저 에너지 흡수에 영향을 미치지 않습니다.
9) 용접 시작점과 끝점에서 레이저 출력의 점진적인 상승 및 하강 제어. 레이저 심용입 용접 중에는 용접 깊이에 관계없이 작은 구멍이 항상 존재합니다. 용접 프로세스가 종료되고 전원 스위치가 꺼지면 용접 끝에 피트가 나타납니다. 또한 레이저 용접 층이 원래의 용접 이음새를 덮을 때 레이저 빔의 과도한 흡수가 발생하여 용접물이 과열되거나 기공이 생성됩니다.
위와 같은 현상이 발생하지 않도록 전원 시작 및 종료 시점을 프로그래밍하여 전원 시작 및 종료 시간을 조정할 수 있습니다. 그리고 용접은 조정될 수 있습니다. 시간, 그리고 마지막으로 전원은 용접이 종료되면 설정된 전원에서 0으로 점차 감소합니다.
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레이저 심용입 용접의 특징과 장단점
레이저 심용입 용접의 특징
1) 높은 종횡비. 용융 금속이 뜨거운 증기의 원통형 공동 주위에 형성되고 공작물 쪽으로 확장됨에 따라 용접이 깊고 좁아집니다.
2) 최소 입열량. 작은 구멍의 온도가 매우 높기 때문에 용융 공정이 매우 빠르게 발생하고 공작물에 대한 열 입력이 매우 낮으며 열 변형 및 열 영향부가 작습니다.
3) 고밀도. 고온의 증기로 채워진 작은 기공은 용접 풀의 교반과 가스의 탈출에 도움이 되어 기공 없는 용입 용접이 이루어지기 때문입니다. 용접 후 높은 냉각 속도는 쉽게 용접 구조를 미세하게 만들 수 있습니다.
4) 강한 용접. 타오르는 열원과 비금속 성분의 충분한 흡수로 인해 불순물 함량이 감소하고 개재물의 크기와 용융 풀에서의 분포가 변경됩니다. 용접 공정에는 전극이나 필러 와이어가 필요하지 않으며 용융 영역이 덜 오염되어 용접의 강도와 인성이 최소한 모재보다 같거나 더 높습니다.
5) 정확한 제어. 집중된 광점이 작기 때문에 용접 이음새를 고정밀하게 배치할 수 있습니다. 레이저 출력에는 "관성"이 없으며 고속으로 정지했다가 다시 시작할 수 있으며 수치 제어 빔 이동 기술로 복잡한 공작물을 용접할 수 있습니다.
6) 비접촉 대기 용접 공정. 에너지는 광자 빔에서 나오므로 작업물과의 물리적 접촉이 없으므로 작업물에 외력이 가해지지 않습니다. 또한 자기와 공기는 레이저 빛에 영향을 미치지 않습니다.
레이저 심용입 용접의 장점
1) 집속 레이저는 기존 방식보다 출력 밀도가 훨씬 높기 때문에 용접 속도가 빠르고 열영향부 및 변형이 적으며 티타늄과 같은 용접이 어려운 재료도 용접이 가능하다.
2) 빔의 전달과 제어가 용이하고 토치와 노즐을 자주 교체할 필요가 없고 전자빔 용접에 진공이 필요하지 않아 다운타임의 보조시간을 획기적으로 줄여 부하율과 생산효율이 높다.
3) 정화 효과와 높은 냉각 속도로 인해 용접 강도, 인성 및 종합 성능이 높습니다.
4) 낮은 평균 입열량과 높은 가공 정밀도로 인해 재가공 비용을 줄일 수 있습니다. 또한 레이저 용접의 운영 비용도 낮아 공작물 가공 비용을 줄일 수 있습니다.
5) 빔 강도와 미세 위치를 효과적으로 제어할 수 있으며 자동 작동을 쉽게 실현할 수 있습니다.
레이저 심용입 용접의 단점
1) 용접깊이가 제한적이다.
2) 공작물의 조립 요구 사항이 높습니다.
3) 레이저 시스템의 일회성 투자가 상대적으로 높다.
