레이저 디포커스: 빔 품질 및 용접에 미치는 영향

1. 서문

레이저 기술은 컴퓨터, 반도체, 원자력 기술과 함께 20세기의 4대 기술 혁신 중 하나로 꼽힙니다. 광통신, 의료, 테스트, 재료 가공 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위하게 채택되고 있습니다.

최근 몇 년 동안 재료 가공을 위한 레이저 기술의 발전은 특히 주목할 만합니다. 레이저 마킹, 절단, 드릴링 및 용접과 같은 응용 분야가 크게 개선되었습니다. 레이저 용접특히 아르곤 아크 용접이나 저항 용접과 같은 기존 용접 방식에 비해 뚜렷한 장점으로 인해 각광받고 있습니다.

레이저 용접의 주요 이점은 다음과 같습니다:

1. 최소 열 영향 구역(HAZ)
2. 고종횡비 용접을 생성하는 기능
3. 우수한 용접 강도
4. 기본 재료와 비슷하거나 그 이상의 접합 강도
5. 고에너지 광섬유를 통한 손쉬운 빔 전송으로 공정 자동화 촉진

레이저 용접에는 일반적으로 CO2 레이저, 디스크 레이저, Nd:YAG 레이저, 파이버 레이저, 반도체 레이저 등 다양한 레이저 소스가 사용됩니다. 비교적 최근에 개발된 파이버 레이저는 몇 가지 장점이 있습니다:

• 높은 광전 변환 효율(최대 30%)
• 컴팩트한 디자인
• 낮은 유지 관리 요구 사항
• 운영 수명 연장
• 스테인리스강 및 알루미늄 합금 용접 적합성

IPG 포토닉스에서 개발한 준연속 펄스 파이버 레이저는 최첨단 레이저 소스를 대표합니다. 이 레이저의 특징은 다음과 같습니다:

• 높은 피크 전력 출력
• 밀리초 범위까지 확장되는 펄스 폭
• 금속 용접 및 기타 재료 가공 분야에 탁월한 적합성

준연속 펄스 파이버 레이저는 전자 정밀 용접에 널리 사용되고 있지만, 세부 용접 공정에 대한 연구는 아직 제한적입니다.

이 연구는 용접 공정에서 중요한 요소인 초점에 초점을 맞춥니다. 다양한 초점 조건에서 레이저 빔 품질의 변화를 조사하여 용접 효과에 미치는 영향을 밝히는 것을 목표로 합니다. 이 연구는 레이저 용접 매개변수를 최적화하고 전반적인 공정 효율성을 향상시켜 잠재적으로 용접 품질을 개선하고 첨단 제조 분야의 응용 분야를 확대하는 데 기여하고자 합니다.

2. 용접 장비 및 테스트 준비

(1) 용접 장비

이 기사에서는 150W 준연속 펄스 파이버 레이저를 용접 광원으로 사용합니다. 레이저의 기술 사양은 표 1에서 확인할 수 있습니다.

표 1 레이저 기술 파라미터

그리고 레이저 가공 헤드는 X/Y/Z 모바일 플랫폼의 작동을 통해 작업물을 기준으로 이동하여 트랙의 용접을 수행합니다. 레이저 가공 헤드와 레이저 출력 신호는 모션 제어 보드를 통해 연결되어 특정 위치에 배치된 후 레이저가 용접을 위해 빛을 방출합니다.

(2) 용접 재료 및 준비

이 연구에서는 304 스테인리스 스틸을 주요 테스트 재료로 사용하며, 랩 용접 구성을 활용합니다. 상단 시트의 두께는 0.2mm이고 하단 시트의 두께는 0.5mm입니다. 두 시트는 모두 100mm x 50mm 크기로 절단됩니다.

용접 전에 세심한 표면 준비 과정을 거칩니다. 아세톤으로 먼저 닦은 다음 이소프로필 알코올로 닦는 2단계 솔벤트 닦기 방법을 사용하여 재료 표면을 철저히 세척합니다. 이 절차는 용접 무결성을 손상시킬 수 있는 오일 잔여물, 산화물 및 기타 잠재적 불순물과 같은 오염 물질을 제거합니다.

용접 조건을 최적화하기 위해 맞춤형으로 설계된 픽스처가 사용됩니다. 이 픽스처는 균일한 압력을 가해 상부 및 하부 시트를 압축하여 계면 간격을 효과적으로 최소화합니다. 이 단계는 여러 가지 이유로 중요합니다:

1. 용접 시 시트 사이의 열 전달을 향상시킵니다.
2. 일관된 용접 침투를 촉진합니다.
3. 융착 부족이나 다공성 등 용접 결함의 위험을 줄여줍니다.

(3) 다음을 확인합니다. 레이저 초점 위치

레이저 용접 결과에 영향을 미치는 주요 요인은 레이저 피크 출력, 펄스 폭 및 defocus (레이저 초점과 공작물 표면 사이의 거리), 특히 디포커스가 중요한 요소입니다.

디포커스는 초점이 공작물 표면 위에 있으면 양수로, 표면 아래에 있으면 음수로 정의됩니다.

가장 신뢰할 수 있는 방법은 레이저 초점 는 삼각형 스테인리스 스틸 레이저 교정 방법입니다. 이 방법은 저에너지 레이저(50W)를 사용하여 스테인리스 스틸에 점을 만들고, 가장 강한 스파크가 레이저 초점의 위치를 나타냅니다. 그런 다음 레이저 초점 근처에 스테인리스 스틸 삼각형 블록을 배치하고 레이저 빔을 사용하여 블록에 약 2mm 간격으로 0.5mm 간격으로 선을 그립니다. 현미경을 사용하여 가장 좁은 선 폭을 측정하고 이 측정값이 레이저 초점을 나타냅니다.

3. 디포커싱이 빔 품질에 미치는 영향

레이저 빔의 품질은 빔 분석기, 레이저 프로브 및 레이저 감쇠기를 사용하여 테스트합니다. 먼저 테스트를 위해 레이저 프로브를 레이저 초점에 배치한 다음 레이저 가공 헤드를 한 번에 1mm씩 위로 들어 올려 디포커스를 0mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm로 설정합니다.

빔 분포를 보여주는 테스트 결과는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 디포커싱에 따른 빔 품질 변화

디포커스를 0mm로 설정하면 레이저 에너지가 주로 스팟 중앙에 집중됩니다. 디포커스가 증가함에 따라 스팟 전체에 걸친 레이저 에너지 분포가 점점 더 균일해집니다. 3mm의 디포커스에서는 스팟 전체에 걸친 레이저 에너지 분포가 가장 균형 잡혀 있습니다. 그러나 디포커스가 4mm로 증가하면 레이저 에너지의 분포가 고르지 않게 됩니다.

4. 디포커싱이 용접 효과에 미치는 영향

(1) 디포커스 양은 솔더 조인트에 영향을 미칩니다.

공작물을 레이저 초점에 배치하고 레이저 피크 출력과 펄스 폭을 설정합니다. 그런 다음 기본 재료의 뒷면에 선명한 흔적이 보일 때까지 출력과 펄스 폭을 점차적으로 증가시켜 스테인리스 스틸 샘플에 스팟을 만듭니다. 이 경우 레이저 피크 출력은 500W, 펄스 폭은 3ms였습니다.

피크 전력, 펄스 폭 및 기타 파라미터를 변경하지 않은 상태에서 디포커스 양을 한 번에 1mm씩 조정하고 솔더 조인트의 모양을 기록했습니다. 이러한 결과는 그림 2에서 확인할 수 있습니다.

그림 2 디포커스 양에 따라 솔더 조인트의 모양이 달라집니다.

그 결과 디포커스를 0mm에서 1mm 사이로 설정했을 때 납땜 조인트가 가장 작았으며 다음과 같이 나타났습니다. 용접 스패터. 이는 이 디포커스 범위에서 레이저 에너지가 주로 스폿의 중앙에 집중되어 고밀도의 [...]가 발생하기 때문일 수 있습니다. 레이저 파워 를 납땜 조인트 중앙에 배치하여 스패터를 유발합니다.

디포커스가 계속 증가함에 따라 레이저 빔의 분포가 더 균일해져 납땜 접합부가 더 균일해지고 스패터가 발생하지 않았습니다. 그러나 디포커스가 4mm보다 크면 원형 의 납땜 조인트가 일정하지 않고, 레이저 에너지의 불균일한 분포로 인해 납땜 조인트의 크기가 어느 정도 줄어든 것으로 보입니다.

또한 디포커스가 0mm에서 3mm로 증가함에 따라 솔더 조인트의 크기가 점차 증가하여 솔더 조인트의 직경이 0.4mm에서 0.5mm로 커지는 것으로 나타났습니다. 이는 디포커스가 증가함에 따라 재료 표면의 레이저 스폿이 커져 솔더 조인트가 더 커졌기 때문입니다.

그러나 디포커스를 4mm로 늘렸을 때 솔더 조인트의 크기는 오히려 감소했습니다. 이는 레이저 빔의 분포가 변경되어 레이저가 재료와 접촉하는 스폿의 가장자리에서 낮은 에너지가 발생하여 표면의 스폿은 커졌지만 솔더 조인트는 작아졌기 때문일 수 있습니다.

솔더 조인트의 직경과 디포커스 양 사이의 관계는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 솔더 조인트 직경과 디포커스 사이의 관계

(2) 디포커싱 양이 솔더 조인트 침투에 미치는 영향

슬라이서를 사용하여 레이저 솔더 조인트의 가장자리를 따라 절단했습니다. 거친 연삭, 미세 연삭, 연마 과정을 거친 후 솔더 조인트의 중심을 연마하는 동안 관찰했습니다. 마지막으로 질산과 알코올 용액으로 부식 처리를 거친 후 다양한 디포커스 조건에서 솔더 조인트 침투의 변화를 테스트했습니다.

그 결과 디포커스를 0mm에서 1mm 사이로 설정했을 때 솔더 조인트가 가장 깊게 침투하여 기본 재료에 도달하는 것으로 나타났습니다. 디포커스를 2mm에서 3mm 사이로 설정했을 때는 용접 관통력 가 얕아져 기본 재료 두께의 1/2만 관통했습니다. 그러나 디포커스를 4mm로 설정했을 때는 용접 관통력 그림 4와 같이 깊이가 현저히 감소하여 기본 재료 두께의 1/3만 관통했습니다.

그림 4 디포커싱에 따른 솔더 조인트 침투 변화

(3) 디포커싱 양이 용접 강도에 미치는 영향

인장 기계를 사용하여 하부 재료를 고정하고 상부 재료를 위로 당겨서 단일 솔더 조인트의 강도를 테스트했습니다. 정확한 인장 테스트 데이터를 확보하기 위해 각 파라미터 세트에 대해 3개의 샘플을 테스트하고 평균값을 구했습니다.

디포커스 양은 0mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm로 설정되었으며, 각각 7N, 8N, 11N, 15N, 6N의 강도를 가진 솔더 조인트에 해당합니다.

일반적인 추세는 디포커스가 증가함에 따라 솔더 조인트의 인장 강도가 증가했습니다. 이는 디포커스가 증가함에 따라 솔더 조인트의 크기, 특히 상부 소재와 하부 소재 사이의 접촉 폭이 증가하여 인장 강도가 증가했기 때문입니다. 그러나 디포커스가 4mm로 증가하면 인장 강도가 감소했는데, 이는 빔 품질이 악화되고 스폿 크기가 커져 레이저 출력 밀도가 감소하여 솔더 조인트의 침투 깊이와 강도가 감소했기 때문인 것으로 보입니다.

실험 데이터에 따르면 단일 솔더 조인트의 인장 강도는 디포커스를 3mm로 설정했을 때 최대 값인 15N에 도달했습니다.

5. 결론

다양한 디포커스 조건에서 레이저 빔 분포를 조사한 결과, 디포커스가 증가함에 따라 스팟의 레이저 에너지 분포가 더 균일해졌지만 디포커스가 4mm를 초과하면 에너지 분포가 고르지 않게 되는 것을 발견했습니다.

스테인리스 스틸 랩 용접 공정을 테스트한 결과, 다른 요인이 일정할 때 디포커스 양을 조정하면 솔더 조인트의 외관, 크기, 침투력, 인장 강도 및 전반적인 외관 및 강도 요구 사항에 영향을 미친다는 결론을 내렸습니다.

결론은 다음과 같습니다:

• 디포커스가 증가함에 따라 솔더 조인트의 품질이 향상되고 솔더 조인트의 인장 강도가 점차 증가했습니다.
• 디포커스를 3mm로 설정했을 때 납땜 조인트가 일정하고 인장 강도가 가장 높았습니다.
• 그러나 디포커스를 더 높이면 솔더 조인트의 강도와 품질이 다시 감소했습니다.