레이저 용접 알루미늄: 기본 사항

현대 기술이 어떻게 전통적인 용접을 혁신할 수 있는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 항공우주부터 자동차에 이르기까지 다양한 산업에서 레이저 용접의 장점과 도전 과제, 적용 사례를 살펴보며 레이저 용접의 매력적인 세계를 살펴봅니다. 이 최첨단 기술이 알루미늄 합금 용접을 어떻게 변화시켜 이전과는 비교할 수 없는 정밀도와 효율성을 제공하는지 알아보세요.

목차

레이저 용접은 최소한의 열 입력, 열 영향 감소, 높은 종횡비, 자동화된 공정 제어 등 기존 용접 방식에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 이러한 장점은 금속 접합 분야에서 용접 품질 개선, 생산성 향상, 정밀도 향상이라는 결과로 이어집니다.

알루미늄 합금은 저밀도, 높은 중량 대비 강도, 우수한 내식성, 우수한 성형성 등 뛰어난 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 선호되고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 알루미늄 합금은 컨테이너 제조, 기계 생산, 전력 장비, 화학 산업 부품, 항공 우주 구조물 등의 응용 분야에 이상적입니다.

용접 구조물에서 강철을 알루미늄 합금으로 대체하면 전반적인 구조 성능과 무게를 크게 개선할 수 있습니다. 그러나 알루미늄은 높은 열전도율, 낮은 이온화 전위, 끈질긴 알루미늄 산화물(Al2O3) 층을 형성합니다. 이 산화막은 융착을 방해하고 융착 부족, 다공성, 내포물, 열 균열과 같은 용접 결함을 유발하여 용접 조인트의 기계적 무결성을 손상시킬 수 있습니다.

레이저 용접은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은 기존 아크 용접 기술과 비교할 때 몇 가지 뚜렷한 장점을 제공합니다. 여기에는 더 좁은 용접 이음새, 열 영향 영역 최소화, 조인트 오버랩 요구 사항 감소, 용접 매개변수에 대한 정밀한 제어, 향상된 자동화 기능 등이 포함됩니다. 이러한 기능은 용접 품질 향상, 왜곡 감소, 생산 효율성 향상에 기여합니다.

현재 레이저 용접 기술은 벽이 얇은 전자 부품, 구조 부품 및 항공 우주 부품을 접합하는 데 광범위하게 사용되고 있습니다. 레이저 용접 연구의 미래 궤적은 특히 대형 및 두꺼운 단면 재료의 심용입 용접을 위한 10kW 범위의 고출력 파이버 레이저의 개발과 구현에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 발전은 레이저 용접의 기능을 확장하여 중공업 및 대규모 제조 분야에서 더 까다로운 응용 분야를 해결할 수 있도록 할 것입니다.

주요 고출력 레이저 레이저 용접 애플리케이션

성능/유형이산화탄소 레이저NdYAG
레이저
YbYAG
Dac 레이저
파이버 레이저
파장 / 음10.61.061.061-2
전기 변환 효율/%12-152-6208-10
전력 밀도/(MW/cm-2)1010100100
최대 전력/kW)5061550
빔 출력광학 렌즈광섬유광섬유광섬유
금속 흡수성/%8202020
유지보수 주기/시간100010001ooo20000
레이저 밝기(103W/mm2스테라디안)(4kW/h)7.5(초점 거리: 200;
섬유 직경: 0.6mm)
134.2(초점 거리: 200;
섬유 직경: 0.2mm)
264.4
(초점 거리: 160;
섬유 직경: 0.1mm)

CO2 가스 레이저

CO2 레이저는 이산화탄소 가스를 활성 매체로 사용하며 10.6μm의 파장에서 방출됩니다. 이 레이저는 여기 구조에 따라 교차 흐름과 축류 유형으로 분류됩니다. 교차 흐름 CO2 레이저는 최대 150kW의 인상적인 출력을 달성했지만, 빔 품질이 정밀 용접 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 반면 축류 CO2 레이저는 빔 품질이 우수하여 알루미늄 합금과 같이 반사율이 높은 소재를 용접하는 데 적합합니다. 그러나 CO2 레이저의 파장이 길면 열 영향 영역이 증가하고 얇은 재료에서 열 왜곡이 발생할 수 있습니다.

YAG 고체 레이저

고체 레이저는 결정 또는 유리 재료를 활성 매체로 사용하며 루비, 네오디뮴 유리, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 등이 일반적인 유형입니다. 이러한 레이저는 일반적으로 1.06μm 파장에서 방출됩니다. YAG 레이저는 금속 용접 시 CO2 레이저에 비해 금속 표면의 높은 흡수율, 플라즈마 차폐 효과 감소, 광섬유 빔 전달과의 호환성 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 이러한 광섬유 기능 덕분에 유연한 용접 작업이 가능하고 복잡한 형상에 대한 접근성이 향상됩니다. 또한 파장이 짧기 때문에 초점이 더 작아져 출력 밀도와 용접 속도를 높일 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 YAG 레이저는 많은 산업 분야에서 알루미늄 합금 구조용접을 위한 주요 선택이 되었습니다.

YLR 파이버 레이저

2002년 이후에 개발된 YLR 파이버 레이저는 레이저 기술의 획기적인 발전을 상징합니다. 이 레이저는 희토류 이온이 도핑된 광섬유를 이득 매체로 사용하며, 일반적으로 약 1.08μm에서 방출됩니다. 이 레이저의 혁신적인 이중 피복 광섬유 구조는 기존 광섬유 레이저에 비해 펌프 효율과 출력을 획기적으로 개선합니다. YLR 파이버 레이저는 YAG 시스템에 비해 다음과 같은 다양한 이점을 제공합니다:

  1. 컴팩트한 크기와 설치 공간 감소
  2. 높은 전기-광학 효율로 인한 운영 비용 절감
  3. 우수한 빔 품질로 더욱 정밀한 초점과 높은 출력 밀도 지원
  4. 멀티 킬로와트 시스템을 즉시 사용할 수 있는 확장 가능한 출력 전력
  5. 다이오드 수명 연장, 유지보수 요구 사항 감소
  6. 뛰어난 빔 안정성 및 포인팅 정확도

이러한 특성으로 인해 YLR 파이버 레이저는 특히 용접 품질과 공정 신뢰성이 중요한 항공 우주 및 자동차 분야에서 알루미늄 합금의 고정밀 용접에 점점 더 인기를 얻고 있습니다.

알루미늄 합금 분류 및 용접성

알루미늄과 알루미늄 합금은 크게 7가지 계열로 분류됩니다:

  • 1000 시리즈(상업용 순수 알루미늄)
  • 2000 시리즈(Al-Cu 합금)
  • 3000 시리즈(Al-Mn 합금)
  • 4000 시리즈(Al-Si 합금)
  • 5000 시리즈(Al-Mg 합금)
  • 6000 시리즈(Al-Mg-Si 합금)
  • 7000 시리즈(Al-Zn-Mg-Cu 합금)

알루미늄 합금은 가공 특성에 따라 단조 알루미늄 합금과 주조 알루미늄 합금의 두 가지 주요 카테고리로 분류됩니다. 단조 합금은 다시 비열처리 합금과 열처리 합금으로 세분화됩니다.

알루미늄 합금의 용접성은 계열에 따라 크게 달라집니다:

비열처리 합금(1000, 3000, 5000 시리즈)은 일반적으로 용접성이 우수합니다. 4000 시리즈 합금은 열 균열에 대한 민감성이 낮습니다.

그러나 마그네슘 함량이 2%를 초과하는 5000 시리즈 합금은 균열이 발생하기 쉽습니다. 마그네슘 함량이 증가하면 용접 성능은 향상되지만 합금의 연성 및 내식성에 부정적인 영향을 미칩니다.

열처리 가능 합금(2000, 6000, 7000 시리즈)은 용접 시 더 큰 도전 과제를 안고 있습니다. 고온 균열에 더 취약하고 용접 비드 형성이 불량하며 열 영향 구역(HAZ)에서 경화 침전물의 용해로 인해 강도가 크게 감소합니다.

알루미늄 합금에서 고품질의 용접 접합부를 얻으려면 적절한 용접 기술을 구현하고, 적합한 용접 공정을 선택하고, 호환 가능한 필러 재료를 사용하는 것이 중요합니다. 용접 전 표면 준비는 필수적이며 일반적으로 다음과 같은 작업이 포함됩니다:

  1. 유기 용제를 사용한 탈지
  2. NaOH 용액에서의 알칼리성 에칭
  3. 깨끗한 물로 꼼꼼히 헹구기
  4. 화학적 또는 기계적 산화물 제거

표면 청결을 유지하려면 표면 준비 후 24시간 이내에 용접을 수행해야 합니다. 또한 특정 합금 조합 및 조인트 구성에 대한 매개변수를 최적화하기 위해 용접 절차 적격성 테스트를 수행하는 것이 좋습니다.

알루미늄 합금 구조물에 레이저 용접 적용

1990년대 이후 레이저 기술, 특히 고출력 및 고휘도 레이저의 개발이 크게 발전하면서 레이저 용접은 새로운 차원의 통합성, 지능, 유연성 및 다용도로 발전했습니다. 이러한 발전은 전 세계적으로 다양한 산업 분야에서 알루미늄 합금 구조물에 레이저 용접을 적용하는 데 대한 관심을 불러일으켰습니다.

자동차 부문에서는 이미 여러 중국 제조업체가 최신 모델에 레이저 용접 기술을 도입했습니다. 두꺼운 알루미늄 합금 판을 레이저로 용접하는 능력이 계속 향상됨에 따라 이 기술은 향후 장갑차 구조에 적용되어 중량 대비 강도 및 제조 효율성 측면에서 잠재적인 이점을 제공할 수 있습니다.

제조 경량화를 추구하면서 알루미늄 합금 샌드위치 구조의 레이저 용접은 조선 및 고속철도 산업에서 핵심 연구 분야가 되었습니다. 이러한 복합 구조는 강도, 경량화 및 열 관리의 최적의 균형을 제공하여 해양 및 철도 애플리케이션의 성능과 에너지 효율을 향상시키는 데 매우 중요합니다.

알루미늄 합금은 항공우주 구조물에서 여전히 중요하기 때문에 일본, 미국, 영국, 독일 등 기술 선진국에서는 레이저 용접 기술에 대한 집중적인 연구를 진행하고 있습니다. 특히 후판 접합 및 이종 금속 용접의 경우 우수한 용접 품질, 더 깊은 침투, 열 영향 영역 감소를 제공하는 파이버 레이저 용접과 레이저 아크 하이브리드 용접으로 초점이 이동하고 있습니다.

파이버 레이저 기술의 발전으로 파이버 레이저 용접과 레이저 아크 하이브리드 용접은 첨단 항공 제조에서 알루미늄 합금 접합의 최전선에 서게 되었습니다. 이러한 기술은 정밀도, 속도, 복잡한 형상을 용접할 수 있는 능력이 뛰어나 항공 우주 분야에 이상적입니다. 대표적인 예로 상용 항공기와 합동 타격 전투기(JSF) 엔진의 연소실 구조용 파이버 레이저 및 레이저 아크 하이브리드 용접에 대한 최첨단 연구를 진행하고 있는 미국 NALI(National Aerospace Leadership Initiative) 프로젝트가 있습니다.

알루미늄 합금을 위한 첨단 레이저 용접 기술에 대한 지속적인 연구와 구현은 여러 첨단 산업 분야에서 구조 설계, 제조 공정 및 재료 성능의 혁신을 주도하여 자동차, 방위, 해양, 철도 및 항공 우주 부문에서 더 가볍고 강하며 효율적인 제품을 위한 길을 열어주고 있습니다.

알루미늄 합금 레이저 용접의 특성

알루미늄 합금의 레이저 용접은 고집적 열 입력, 우수한 용접 깊이 대 폭 비율, 구조적 변형 최소화 등 기존 용융 용접 기술에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 하지만 이 첨단 공정에는 고유한 과제도 있습니다:

  1. 정밀도 요구 사항: 레이저의 좁은 초점 스폿(일반적으로 0.5mm 미만)은 공작물 정렬 및 조립 시 탁월한 정확성을 요구합니다. 간격 및 정렬 오차에 대한 공차는 일반적으로 재료 두께의 0.1mm 또는 10% 중 더 적은 값 이내로 유지되어야 합니다. 이러한 정밀도 요구 사항은 복잡한 3차원 용접 구조의 실현 가능성을 제한할 수 있습니다.
  2. 높은 반사율: 알루미늄 합금은 상온에서 레이저 방사선에 대해 최대 90%의 반사율을 나타내므로 다른 금속에 비해 심용입 용접에 훨씬 더 높은 출력을 투입해야 합니다. 이러한 특성은 에너지 효율과 공정 안정성 모두에 영향을 미칩니다.
  3. 공정 파라미터 감도: 알루미늄 합금의 성공적인 레이저 심용입 용접은 레이저 출력 밀도와 선형 에너지 입력의 정밀한 제어에 달려 있습니다. 이러한 파라미터는 용융 풀 동역학 및 결과적으로 용접 특성에 중대한 영향을 미칩니다. 용접의 배면 폭 비율은 완전 관통 용접 공정을 최적화하는 데 효과적인 지표가 될 수 있습니다.
  4. 열 관리 과제: 알루미늄 합금의 낮은 융점과 높은 열전도율은 가공 창을 좁게 만듭니다. 과도한 에너지 투입은 심각한 기화를 유발하여 레이저 에너지 흡수를 방해하는 금속 증기 및 플라즈마 구름을 형성할 수 있습니다. 이 현상은 키홀 효과를 불안정하게 만들어 잠재적으로 다공성, 표면 붕괴, 언더컷과 같은 결함을 초래할 수 있습니다.
  5. 빠른 응고 효과: 레이저 용접에 내재된 매우 빠른 가열 및 냉각 속도로 인해 기존 아크 용접 방식에 비해 용접 경도가 높아질 수 있습니다. 그러나 이러한 빠른 열 주기는 특정 합금 원소의 우선적인 기화를 유발하여 강화 메커니즘을 손상시키고 열 영향 구역(HAZ)에서 국부적인 연화를 초래할 수 있습니다.
  6. 미세 구조적 고려 사항: 레이저 용접의 고유한 열 프로파일은 알루미늄 합금에 상당한 미세 구조 변화를 유발할 수 있습니다. 여기에는 미세한 비평형 응고 구조의 형성, 침전물 분포의 변경, 열처리 가능한 합금의 잠재적인 입자 경계 액화 등이 포함될 수 있습니다.
  7. 접합부 설계 최적화: 알루미늄 합금에서 일관된 고품질 용접을 달성하려면 재료의 열적 특성과 레이저 용접 공정 특성을 고려한 맞춤형 조인트 설계가 필요한 경우가 많습니다. 여기에는 특수한 모서리 준비 기술 또는 공정 견고성을 높이기 위한 하이브리드 용접 방식(예: 레이저-MIG 하이브리드 용접)의 사용이 포함될 수 있습니다.
  8. 품질 보증 과제: 레이저 용접 알루미늄 접합부의 작은 용접 비드 크기와 내부 결함 가능성으로 인해 용접 무결성을 보장하기 위해서는 고해상도 X-레이 또는 초음파 검사와 같은 고급 비파괴 검사 방법이 필요합니다.

결론적으로, 레이저 용접은 알루미늄 합금 접합에 강력한 이점을 제공하지만, 그 잠재력을 최대한 실현하려면 이러한 고유한 과제를 해결해야 합니다. 이 기술을 발전시키기 위한 주요 초점은 용접 파라미터의 정밀한 제어, 혁신적인 접합 설계, 실시간 모니터링 및 적응형 제어 시스템의 통합을 통해 용접 결함을 완화하고 접합 특성을 향상하며 공정 안정성을 개선하는 전략을 개발하는 데 있습니다.

알루미늄 합금 레이저 용접에 존재하는 주요 문제

레이저 용접은 레이저를 고밀도 광원으로 사용하여 빠른 가열과 순간 응고, 12:1의 높은 종횡비를 제공합니다. 하지만 알루미늄 합금의 높은 반사율과 우수한 열전도율, 플라즈마의 차폐 효과로 인해 용접 과정에서 결함이 발생할 가능성이 높습니다.

가장 중요한 두 가지 결함은 기공과 열 균열입니다. 알루미늄 합금 레이저 용접의 과제는 강한 반사로 인한 재료의 레이저 빛 흡수를 효과적으로 개선하는 것입니다.

그리고 레이저 용접 공정 의 경우 알루미늄 합금 자체의 특성으로 인해 더 복잡하고 개선하고 정제하는 것이 중요합니다.

레이저 흡수율

재료의 레이저 흡수율이 높거나 열전달 계수 및 온도 전도율이 낮을수록 레이저 에너지가 재료 표면에 쉽게 흡수되어 표면 온도가 빠르게 상승하고 재료가 용융 또는 증발합니다.

표 1은 다양한 파장의 레이저에 대한 다양한 금속의 반사율을 보여줍니다.

표 1 상온에서 다양한 파장의 레이저에 대한 금속의 반사율(%)

λ/μmAgAlCuCrNiSteel
0.7957782566858
1.06978091587563
10.6999898939593

의 반사율은 다른 금속 는 파장이 짧아질수록 감소하며, 레이저 빛에 대한 Ag, Al, Cu의 반사율은 90% 이상으로 높습니다. 이는 다음과 같은 작업의 난이도를 크게 증가시킵니다. 레이저 가공.

실온에서 이산화탄소의 흡수율은 다음과 같습니다.2 레이저는 알루미늄 합금 표면에서 98%의 레이저 에너지가 반사되어 반사율이 매우 낮습니다. Nd:YAG 레이저의 반사율도 최대 80%입니다.

알루미늄 합금은 자유 전자 밀도가 높기 때문에 레이저 빛에 대한 반사율이 높고 흡수율이 낮다는 것은 분명합니다. 빛 전자파의 강한 진동으로 인해 강한 반사파가 발생하고 약한 투과파가 발생합니다. 반사파는 알루미늄 합금 표면에 쉽게 흡수되지 않아 상온에서 레이저에 대한 반사율이 높습니다.

"작은 구멍"의 유도 및 안정화

에서 레이저 용접 공정레이저 에너지 밀도가 3.5 * 10을 초과하는 경우6W/cm2을 누르면 이온이 생성됩니다. 이 용접 방법은 심용입 용접을 통해 이루어지며 "작은 구멍" 효과를 기반으로 합니다. "작은 구멍"의 존재는 재료의 레이저 흡수율을 크게 증가시키고 높은 에너지 밀도로 용접물을 융합하여 우수한 용접 효과를 가져옵니다.

알루미늄 합금 레이저 용접의 주요 과제는 작은 구멍의 안정성을 유도하고 유지하는 것입니다. 재료 속성 알루미늄 합금과 레이저 빔의 광학적 특성을 고려해야 합니다. 앞서 언급했듯이 알루미늄은 상온에서 80%의 에너지를 반사하고 열전도율이 우수하기 때문에 "작은 구멍"을 생성하려면 큰 레이저 에너지 밀도 임계값이 필요합니다.

입력 출력이 이 값을 초과하면 재료로의 레이저 에너지 전달이 더 이상 열 전도에 의해 제한되지 않고 깊은 침투를 통해 용접이 수행됩니다. 그리고 레이저 방사 는 모재를 강하게 증발시켜 증발 홈을 형성합니다. 레이저 빔이 이 홈을 통해 재료를 관통하여 용접 깊이와 효율이 모두 급격히 증가합니다.

알루미늄 합금 및 구리 합금과 같이 반사율이 높은 재료의 경우 용접 시 높은 출력 밀도가 필요합니다. 따라서 용접 모델과 콜리메이트 및 초점 렌즈 선택에 특정 요구 사항이 적용됩니다.

용접의 기계적 특성

정제 강화, 고용체 강화, 노화 침전 강화는 알루미늄 합금을 강화하는 세 가지 방법입니다. 이러한 메커니즘에도 불구하고 레이저 용접 시 Mg 및 Zn과 같은 저융점 합금 원소의 다량 증발로 인해 용접부가 가라앉고 그 경도 및 강도.

급속 응고 과정에서 미세 입자 강화 구조가 주조 구조로 변형되면 경도와 강도가 감소합니다. 또한 용접부에 균열과 기공이 생기면 인장 강도가 감소합니다.

결론적으로 접합부 연화는 알루미늄 합금의 레이저 용접에서 또 다른 과제입니다.

장루

알루미늄 합금의 레이저 용접 공정에는 수소 가스 기공과 키홀 붕괴 기공이라는 두 가지 주요 유형의 기공이 있습니다.

(1) 수소 모공: 알루미늄 합금은 고온에서 표면에 산화막을 형성하여 환경의 수분을 쉽게 흡수합니다. 레이저로 가열하면 물이 수소로 분해되고 액체 알루미늄의 수소 용해도는 고체 알루미늄보다 약 20배 더 높습니다. 합금이 빠르게 응고되는 동안 액체 알루미늄에서 고체 상태로 바뀌면 수소의 용해도가 급격히 감소합니다. 액체 알루미늄의 과도한 수소가 원활하게 상승하여 넘치지 않으면 수소 기공이 형성됩니다. 이러한 기공은 일반적으로 수상돌기보다 모양이 규칙적이고 크기가 크며, 내부 표면에서 수상돌기의 응고 패턴을 볼 수 있습니다.

(2) 키홀 붕괴: 용접 구멍은 자체 중력 및 대기압과 균형을 이루고 있습니다. 이 균형이 깨지면 용융 풀의 액체 금속이 흘러넘쳐서 제때 채워지지 않아 불규칙한 구멍이 생깁니다. 연구에 따르면 구멍 내벽의 마그네슘 함량은 용접 부근의 약 4배에 달하는 것으로 나타났습니다. 레이저 용접의 냉각 속도가 너무 빠르기 때문에 수소 가스 기공 문제가 더 심각하고 레이저 용접의 작은 구멍이 붕괴되어 더 많은 구멍이 있습니다.

열 균열

알루미늄 합금은 다음과 같은 경향이 있는 일반적인 공융 합금입니다. 뜨거운 균열 용접 결정화 균열 및 HAZ(열 영향 구역) 액화 균열을 포함하여 용접 중에 발생합니다. 일반적으로 결정화 균열은 용접 영역에 나타나고 액화 균열은 접합부 근처에 나타납니다. 알루미늄 합금 중에서도 6000 시리즈 Al-Mg-Si 합금은 특히 균열에 취약합니다.

모재는 빠른 가열과 냉각을 거치며 순간적인 응고 및 결정화 과정을 거치게 됩니다. 이 과정에서 과냉각이 심하면 결정 입자가 용접 중심에 수직으로 성장하여 Al-Si 또는 Mg-Si, Al-Mg2Si 등과 같은 저용융 공융 화합물을 형성합니다. 이는 결정면의 결합력을 약화시켜 열 응력 하에서 결정 균열이 발생하기 쉽습니다.

알루미늄 합금 용접 공정에서는 Mg, Zn, Mn, Si와 같은 비등점이 낮은 원소가 쉽게 증발하고 연소됩니다. 용접 속도가 느릴수록 연소가 더 심해져 용접 금속의 화학 성분이 변합니다. 용접 영역의 성분 분리로 인해 공융 분리 및 입자 경계 용융이 발생하여 응력을 받는 입자 경계에서 액화 균열이 발생하여 용접 조인트의 성능이 저하됩니다.

알루미늄 합금 레이저 용접 공정

알루미늄 합금의 성공적인 레이저 용접을 달성하고 앞서 언급한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 몇 가지 접근 방식을 취합니다.

가스 보호 장치

용접 중 알루미늄 합금의 저융점 원소 손실에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나는 노즐에서 배출되는 가스의 압력입니다. 이 문제를 완화하기 위해 노즐 직경을 줄이고 가스 압력과 유량을 늘릴 수 있습니다. 이렇게 하면 용접 공정 중 Mg 및 Zn과 같은 원소의 연소 손실이 줄어들고 침투율도 높아집니다.

블로잉 방법에는 직접 블로잉과 측면 블로잉의 두 가지가 있습니다. 또한 용접물의 위쪽과 아래쪽을 동시에 블로잉할 수도 있습니다. 블로잉 방법의 선택은 용접 중 특정 상황에 따라 결정해야 합니다.

표면 처리

알루미늄 합금은 레이저 에너지에 강한 반응을 보입니다. 양극 산화와 같은 알루미늄 합금의 적절한 표면 처리, 전해 연마샌드블라스팅 등을 통해 표면에서 빔의 에너지 흡수를 크게 향상시킬 수 있습니다.

연구에 따르면 알루미늄 합금에서 산화막을 제거하면 결정화 균열이 형성되는 경향이 증가한다고 합니다. 레이저 용접 공정을 단순화하면서 알루미늄 합금의 표면 상태를 손상시키지 않으려면 용접 전에 공작물 표면 온도를 높여 재료의 레이저 흡수율을 높일 수 있습니다.

레이저 매개변수

레이저 용접은 펄스 레이저와 연속 레이저의 두 가지 범주로 나뉩니다. 파장이 1064nm인 펄스 레이저는 빔이 고도로 집중되어 있으며 펄스 단일점 에너지가 연속 레이저보다 더 큽니다. 그러나 펄스 레이저의 에너지는 일반적으로 제한적이기 때문에 벽이 얇은 재료를 용접하는 데 더 적합합니다.

펄스 모드 용접

레이저 용접을 할 때는 적절한 용접 파형을 선택하는 것이 중요합니다. 일반적인 펄스 파형에는 구형파, 스파이크파, 이중 피크파가 있습니다. 일반적으로 펄스 파는 밀리초 범위에서 지속됩니다. 레이저 펄스 동안 금속의 반사율은 극적으로 변합니다. 알루미늄 합금은 빛에 대한 반사율이 높기 때문에 재료 표면에 닿는 레이저 에너지의 60-98%가 반사로 인해 손실될 수 있습니다. 이 반사율은 표면 온도에 따라 변화합니다.

파형의 상승 단계가 알루미늄 합금을 녹이는 데 더 많은 에너지를 제공하기 때문에 샤프 웨이브 및 이중 피크 웨이브는 알루미늄 합금 용접에 가장 적합한 옵션입니다. 공작물에 "작은 구멍"이 형성되면 심용입 용접 중에 레이저에 대한 액체 금속의 흡수율이 급격히 증가합니다. 이 시점에서 레이저 에너지를 빠르게 줄이고 튀는 것을 방지하기 위해 저전력으로 용접을 수행하는 것이 중요합니다.

용접 파형의 감속 부분은 펄스 폭이 더 길어 기공과 균열의 형성을 효과적으로 감소시킵니다. 이 파형은 용접이 용융과 응고를 반복하여 용융 풀의 응고 속도를 감소시킵니다. 파형은 다양한 유형의 샘플을 용접할 때 필요에 따라 조정할 수 있습니다.

알루미늄 합금 용접의 펄스 파형

그림 1 알루미늄 합금 용접의 펄스 파형

적절한 양의 defocus 는 기공의 형성을 최소화할 수 있습니다. 디포커스의 변화는 용접 표면의 형성과 침투에 큰 영향을 미칩니다. 네거티브 디포커스는 침투를 증가시킬 수 있으며, 펄스 용접에서 포지티브 디포커스는 용접 표면을 더 매끄럽고 시각적으로 더 매력적으로 만들 수 있습니다.

레이저 에너지에 대한 알루미늄 합금의 반사율이 높기 때문에 일반적으로 용접 헤드는 레이저 빔이 수직으로 반사되어 손상되는 것을 방지하기 위해 각도가 조정됩니다. 레이저 초점 렌즈. 레이저 경사각이 증가함에 따라 솔더 조인트의 직경과 유효 접합 표면이 증가합니다. 레이저 경사각이 40°일 때 가장 큰 솔더 조인트와 유효 접합 표면을 얻을 수 있습니다. 그러나 레이저 경사각이 증가함에 따라 용접점 관통력과 유효 관통력은 감소하고 60°를 초과하면 유효 관통력이 감소합니다. 용접 관통력 가 0으로 감소합니다. 용접 헤드를 특정 각도로 기울이면 용접의 관통 깊이와 폭을 늘릴 수 있습니다.

또한 용접 속도가 빠를수록 균열의 위험이 커진다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 용접 속도가 빠르면 용접 영역의 입자가 미세해지고 같은 방향으로 많은 수의 "빔 결정"이 성장하여 이러한 빔 결정 사이의 결정면에 균열이 형성될 가능성이 높아지기 때문입니다. 용접 속도가 너무 빠르면 용접물의 침투 깊이가 상대적으로 얕아집니다.

연속 모드 용접

기존의 레이저 용접은 취화나 균열이 발생할 수 있습니다. 반면 연속 레이저 용접은 펄스 레이저 용접과 같은 급격한 냉각 및 가열 과정이 없으므로 용접 공정 중 균열이 적습니다. 또한 대부분의 알루미늄 합금의 파이버 레이저 용접은 용접 후 인성이 향상되고 취성의 위험이 줄어듭니다.

펄스 레이저 용접은 산업용 순수 알루미늄 용접에 적합하며 용접 후 균열의 위험이 거의 없습니다. 그러나 일부 산업에서는 용접 후 표면 연마가 필요할 수 있으며 펄스 레이저 용접은 찌그러짐을 유발하고 필요한 연마량을 증가시켜 가공 시간과 생산 비용을 증가시킬 수 있습니다. 연속 레이저는 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

그림 2와 같이 펄스 레이저 용접과 연속 레이저 용접 후 배터리 쉘 용접 이음새를 비교하면 연속 레이저 용접의 장점을 알 수 있습니다. 임펄스 솔더 접합부는 표면이 고르지 않고 움푹 패여 있으며 스패터가 많이 발생하고 용접 후 강도가 낮습니다. 반면, 연속 레이저 용접은 매끄럽고 균일합니다. 용접 솔기 용접 이음새에 균열이 없고 결함이나 튄 자국이 없는 표면입니다.

Al-Mn 합금의 펄스 및 연속 용접

그림 2 펄스 및 연속 용접 Al-Mn 합금의

아크 분화구는 다음 중 흔히 발생합니다. 아르곤 아크 용접레이저 용접 시에도 동일하게 발생할 수 있습니다. 작은 크레이터의 출현을 최소화하기 위해 용접 중 파형에 느린 상승 및 느린 하강 단계를 설정할 수 있으며 필요에 따라 용접 속도를 높일 수 있습니다.

연속 레이저 용접은 알루미늄 합금을 용접할 때 많은 장점이 있습니다. 기존의 용접 방법연속 레이저 용접은 더 효율적이며 와이어 충전이 필요하지 않습니다. 펄스 레이저 용접에 비해 연속 레이저 용접은 균열, 기공 및 스패터와 같은 결함을 제거하고 용접 후 알루미늄 합금의 기계적 특성이 우수합니다. 또한 용접 후 찌그러짐이 없고 필요한 연마 및 연삭의 양이 줄어들어 생산 비용이 절감됩니다.

그러나 연속 레이저는 스폿 크기가 상대적으로 작기 때문에 공작물 조립 정확도가 높아야 한다는 점에 유의해야 합니다.

합금 요소 소개

열 균열을 방지하는 것은 알루미늄 합금, 특히 균열에 매우 민감한 6000 시리즈 합금의 레이저 용접에 있어 매우 중요한 기술입니다. ω(Mg2Si)의 함량이 1%에 도달하면 고온 균열이 발생할 가능성이 높습니다. 균열의 위험을 줄이기 위해 적절한 합금 원소를 첨가하여 용융 풀의 화학적 조성을 조정할 수 있습니다(예: Al-Si 또는 Al-Mg-Si 분말 첨가).

또한 와이어 피딩은 용접 효과를 개선하고 경도가 향상된 균일한 용접 이음새를 생성할 수 있습니다. 필러 재료를 도입하면 덴드라이트의 수상 돌기에서 Mg와 Si의 함량이 증가합니다. 퓨전 존고체 용액 강화 효과로 인해 관절의 강도가 증가합니다.

일반적으로 6063 및 6082 알루미늄 합금은 Al-5Si 및 Al-7Si 용접 와이어로 채워지고 6013 및 6056 플레이트는 CO로 용접됩니다.2 및 Nd: YAG 레이저를 각각 사용하고 Al-12Si 용접 와이어로 채웠습니다.

기타 프로세스 방법

알루미늄 합금 레이저 용접의 안정성과 품질을 목표로 합니다.

현재 알루미늄 합금 레이저 용접의 연구 초점은 레이저 빔의 높은 에너지 밀도와 아크의 넓은 가열 범위를 결합하여 두 열원의 강점을 활용하고 높은 에너지 밀도와 안정적인 아크의 특성을 향상시키는 복합 공정을 사용하는 것입니다.

알루미늄 합금과 같이 반사율이 높은 재료의 경우 하이브리드 레이저 용접은 아크 에너지를 사용하여 재료 표면을 예열하거나 녹여 알루미늄 합금의 레이저 에너지 흡수를 크게 향상시킬 수 있습니다.

Shida 등은 10kW CO2 레이저를 TIG 및 MIG 아크와 함께 사용하여 다음을 성공적으로 수행했습니다. 알루미늄 용접 합금. 아크의 도입으로 레이저 에너지 사용률이 향상되고 용접 관통률이 5-20%까지 증가했습니다. 그 결과 매끄럽고 잘 형성된 용접 표면을 얻을 수 있었습니다.

레이저 하이브리드 용접은 용융 풀 크기를 확대하고 레이저 빔과 아크의 결합을 통해 용융 상태의 재료 흐름 조건을 변경하여 기공을 제거하는 데 유리합니다.

알루미늄 합금 용접에서 에어홀 제거는 듀얼 빔 용접을 통해서도 달성할 수 있습니다. 듀얼 빔에는 6kW 연속 파이버 레이저가 사용되었습니다. 맞대기 용접 의 5052 알루미늄 합금에 대해 2빔 병렬 및 직렬 용접 모드와 다양한 용접 속도가 이음새 형태와 구조에 미치는 영향을 연구했습니다. 연구 결과, 이중 빔 병렬 용접은 용접부에 큰 구멍이 생기는 반면, 알루미늄 합금의 직렬 용접은 기공 없이 양호한 용접 형성을 생성하는 것으로 나타났습니다.

알루미늄 합금 레이저 용접의 결함 제어 기술

고출력 레이저의 영향으로 알루미늄 합금의 레이저 심용입 용접에서 발생하는 주요 결함은 다공성, 표면 붕괴 및 언더컷입니다. 표면 붕괴 및 언더컷 결함은 레이저 와이어 충전 용접 또는 레이저 아크 하이브리드 용접을 통해 개선할 수 있습니다. 그러나 다공성 결함을 제어하는 것은 어렵습니다.

연구에 따르면 알루미늄 합금의 레이저 심용입 용접에는 두 가지 유형의 특징적인 기공이 있는 것으로 나타났습니다. 한 가지 유형은 아크 융합 용접과 유사하게 용접 공정 중 재료 오염 또는 공기 침입으로 인해 발생하는 야금 기공입니다. 다른 유형은 레이저 심용입 용접 공정에 내재된 작은 구멍의 불안정한 변동으로 인해 발생하는 공정 다공성입니다.

레이저 심용입 용접 시 작은 구멍은 액체 금속의 점성으로 인해 빔 이동에 뒤처지는 경우가 많으며, 플라즈마/금속 증기의 영향으로 직경과 깊이가 변동합니다. 빔이 움직이고 용융 풀 금속이 흐르면 용융 풀 금속의 흐름으로 인해 불완전한 심용입 용접이 닫히고 작은 구멍의 끝에 기포가 나타납니다. 완전 관통 심용입 용접에서는 가운데 작은 구멍의 허리에 기포가 나타납니다.

이러한 기포는 액체 금속의 흐름에 따라 이동하여 구르거나 용융 풀 표면에서 빠져나가거나 작은 구멍으로 다시 밀려 들어갑니다. 기포가 용융 풀에 의해 고형화되고 금속 전면에 포획되면 용접 구멍이 됩니다.

금속 기공은 용접 전 표면 처리와 용접 공정 중 적절한 가스 보호를 통해 제어할 수 있습니다. 공정 기공 제어의 핵심은 레이저 심용입 용접 공정 중 안정성을 보장하는 것입니다.

국내 레이저 용접 기술에 대한 연구에 따르면 알루미늄 합금 레이저 심용입 용접에서 에어홀을 제어하려면 용접 전, 용접 공정, 용접 후 처리 등 모든 연결 고리를 고려해야 합니다. 이는 다음과 같은 새로운 공정과 기술을 통해 달성할 수 있습니다.

용접 전 처리 방법

용접 전 표면 처리는 알루미늄 합금 레이저 용접에서 야금 기공을 제어하는 효과적인 방법입니다. 일반적인 표면 처리 방법에는 물리적 기계적 세척과 화학적 세척이 있습니다. 최근에는 레이저 용접의 자동화를 더욱 향상시키는 레이저 충격 세척도 등장했습니다.

파라미터 안정성 최적화 제어

알루미늄 합금 레이저 용접의 공정 매개 변수에는 일반적으로 레이저 출력, 디포커스, 용접 속도, 가스 보호의 구성 및 흐름이 포함됩니다. 이러한 매개 변수는 용접 영역의 보호 효과에 영향을 미칠뿐만 아니라 레이저 심용입 용접 공정의 안정성에도 영향을 미치며, 이는 차례로 다음과 같은 영향을 미칩니다. 용접 다공성.

알루미늄 합금 시트의 레이저 심용입 용접을 통해 작은 구멍 침투의 안정성이 용융 풀의 안정성에 영향을 미쳐 용접 형성에 영향을 미치고 다공성 결함을 초래한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 레이저 심용입 용접의 안정성은 레이저 출력 밀도와 선형 에너지의 일치와 관련이 있습니다.

따라서 안정적인 용접 형성을 위한 합리적인 공정 파라미터를 결정하는 것은 알루미늄 합금 레이저 용접의 다공성을 제어하는 효과적인 방법입니다. 전체 관통 안정 용접 형성 특성에 대한 연구 결과에 따르면 용접 표면 폭에 대한 용접 후면 폭의 비율(용접 후면 폭 비율)은 알루미늄 합금 시트의 용접 형성 및 안정성을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

박판 레이저 용접 시 레이저 출력 밀도와 라인 에너지를 적절히 일치시킴으로써 특정 용접 후폭 비율을 보장하여 용접 다공성을 효과적으로 제어할 수 있습니다.

더블 스폿 레이저 용접

이중 스폿 레이저 용접은 두 개의 집중된 레이저 빔이 동일한 용접 풀에 동시에 작용하는 용접 공정을 말합니다. 레이저 심용입 용접에서 용접 다공성의 주요 원인 중 하나는 용접 풀의 작은 구멍에서 가스가 닫히는 것입니다.

더블 스폿 레이저 용접을 사용하면 두 광원의 영향으로 작은 구멍의 개구부가 증가하여 내부 금속 증기가 쉽게 빠져나가고 작은 구멍의 안정성이 향상되어 용접 다공성이 감소합니다.

A356, AA5083, 2024 및 5A90 알루미늄 합금의 레이저 용접에 대한 연구에 따르면 이중 스폿 레이저 용접은 용접 다공성을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

레이저 아크 하이브리드 용접

레이저 아크 하이브리드 용접은 레이저와 아크가 동일한 용융 풀에 영향을 미치는 용접 방법입니다. 일반적으로 레이저가 주 열원이며 레이저와 아크의 상호 작용으로 레이저 용접의 침투력과 용접 속도가 향상되는 반면 용접 조립 정확도는 떨어집니다.

필러 와이어를 사용하면 용접 조인트의 미세 구조와 특성을 제어하는 데 도움이 되며, 아크의 보조 효과는 레이저 용접 구멍의 안정성을 향상시켜 용접 다공성을 줄이는 데 기여합니다.

레이저 아크 하이브리드 용접 과정에서 아크는 레이저 공정에서 생성된 금속 증기/플라즈마 구름에 영향을 미쳐 레이저 에너지의 흡수와 작은 구멍의 안정성을 촉진합니다.

알루미늄 합금의 레이저 아크 하이브리드 용접에 대한 연구를 통해 용접 다공성을 줄이는 데 레이저 아크가 효과적인 것으로 확인되었습니다.

파이버 레이저 용접

레이저 심용입 용접의 키홀 효과는 레이저의 영향으로 금속이 강하게 기화되기 때문에 발생합니다. 금속 기화의 힘은 레이저 출력 밀도 및 빔 품질과 밀접하게 연결되어 레이저 용접의 관통력과 키홀의 안정성 모두에 영향을 미칩니다.

Seiji 등은 SUS304 스테인리스 스틸 고출력 파이버 레이저를 연구하여 그 결과를 보여주었습니다:

고속 용접 중에는 용융 풀이 길어지고 스패터가 제어되며 작은 구멍 변동이 안정적이며 작은 구멍 끝에 기포가 발생하지 않습니다. 파이버 레이저를 고속에 사용하는 경우 티타늄 용접 합금 및 알루미늄 합금으로 기공이 없는 용접을 생성할 수도 있습니다.

다음에 대한 연구 차폐 가스 Allen 외의 티타늄 합금 섬유 레이저 용접을 위한 제어 기술. s어떻게요?

의 위치를 제어하여 용접 차폐 가스를 사용하면 가스 개입을 방지하고, 작은 구멍 폐쇄 시간을 줄이고, 용접 작은 구멍을 안정화하며, 용융 풀의 응고 거동을 변경하여 용접 다공성을 줄일 수 있습니다.

펄스 레이저 용접

연속 레이저 용접에 비해 펄스 모드의 레이저 출력은 용융 풀의 주기적이고 일정한 흐름을 향상시켜 기포 방출을 돕고 용접 다공성을 줄일 수 있습니다.

티와이 쿠오와 에스엘 젱은 SUS 304L 스테인리스 스틸과 인코넬 690 초합금으로 만든 용접물의 다공성 및 특성에 대한 YAG 레이저 출력 모드의 영향을 조사했습니다.

그 결과 구형파 펄스 레이저 용접의 경우 기본 출력이 1700W로 증가함에 따라 펄스 진폭 ΔP가 증가함에 따라 용접 기공률이 감소하는 것으로 나타났습니다. 구체적으로 스테인리스강의 기공률은 2.1%에서 0.5%로 감소하고 초합금의 기공률은 7.1%에서 0.5%로 감소합니다.

용접 후 복합 처리 기술

실제 엔지니어링 응용 분야에서는 용접 전 엄격한 표면 처리와 안정적인 용접 공정에도 불구하고 알루미늄 합금 레이저 용접에서 다공성은 여전히 일반적인 문제입니다.

따라서 다공성을 제거하기 위한 용접 후 처리 방법은 매우 중요합니다.

현재 주로 사용되는 방법은 변형 용접입니다.

알루미늄의 내부 및 수축 다공성을 제거하는 방법 중 하나입니다. 합금 주물 는 열간 등방성 프레스 기술입니다.

이를 알루미늄 합금 레이저 용접 후 응력 열처리와 결합하여 알루미늄 합금 레이저 용접 부품의 열간 등방성 압착 및 열처리의 복합 공정을 형성합니다. 이를 통해 용접 다공성을 제거할 뿐만 아니라 접합부의 성능도 향상됩니다.

결론

알루미늄 합금에 고출력 레이저 용접을 적용하는 것은 알루미늄 합금의 고유한 특성으로 인해 여전히 많은 과제를 안고 있습니다.

주요 과제 중 하나는 용접 다공성 결함을 제어하고 개선하는 것입니다. 용접 품질.

알루미늄 합금 레이저 용접에서 용접 공정의 안정성을 개선하고 다공성을 제어하려면 용접 전 단계부터 용접 공정 및 용접 후 처리까지 모든 측면을 고려하는 종합적인 접근 방식이 필수적입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 용접 전 레이저 클리닝, 후면 폭 비율 제어를 통한 용접 공정 파라미터 최적화, 더블 빔 레이저 용접, 레이저-아크 하이브리드 용접, 펄스 레이저 용접 등 여러 가지 새로운 기술과 공정이 개발되었습니다. 광섬유 레이저 용접.

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Shane
작성자

Shane

MachineMFG 설립자

MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.

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