레이저 용접 교육: 금속 재료에 대한 기본 사항 마스터하기

레이저 용접의 원리

레이저 용접은 고집적, 고강도 레이저 빔을 사용하여 금속 표면을 융합하는 고급 접합 공정입니다. 이 프로세스는 일반적으로 정밀 광학 장치를 통해 집중된 레이저 에너지가 공작물로 향할 때 시작됩니다. 레이저가 금속과 상호작용하면서 광자 흡수와 열 전도의 조합을 통해 재료를 녹는점까지 빠르게 가열합니다.

강렬하고 국부적인 열은 좁고 깊은 관통 프로파일이 특징인 열쇠구멍 모양의 용접 풀을 생성합니다. 이 키홀 효과는 효율적인 에너지 결합을 가능하게 하고 두꺼운 재료에 단일 패스 용접을 가능하게 합니다. 레이저 빔이 접합선을 따라 이동하면 용접 풀의 앞쪽 가장자리에 있는 용융 금속이 키홀 주위로 흐르고 뒤쪽 가장자리에서 응고되어 연속적인 용접 이음새를 형성합니다.

이 공정은 일반적으로 아르곤이나 헬륨과 같은 차폐 가스를 사용하여 용접 풀을 산화로부터 보호하고 빔 결합을 개선하기 위해 통제된 분위기에서 수행됩니다. 고급 레이저 용접 시스템은 실시간 모니터링과 적응형 제어를 통합하여 일관된 용접 품질과 관통 깊이를 보장할 수 있습니다.

레이저 용접에는 두 가지 메커니즘이 있습니다:

1. 열전도 용접:

레이저를 재료 표면에 쏘면 레이저 에너지의 일부는 반사되고 나머지는 재료에 흡수됩니다. 이렇게 흡수된 에너지는 열로 변환되어 재료가 가열되고 녹습니다.

재료 표면층의 열은 용접되는 두 조각이 서로 결합될 때까지 열전도를 통해 재료의 더 깊은 층으로 계속 전달됩니다.

펄스 레이저 용접기 이 프로세스에 일반적으로 사용되며, 일반적으로 깊이 대 너비 비율은 1 미만입니다.

도면 파이프 용접 - 연속 용접

2. 레이저 심용입 용접

높은전력 밀도 레이저 빔을 재료 표면에 쏘면 재료가 빛 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환합니다. 그 결과 재료가 가열되고 녹아 기화되어 다량의 금속 증기가 생성됩니다.

빠져나가는 증기의 반력이 용융 금속을 밀어내면서 구멍이 생깁니다. 레이저를 지속적으로 조사하면 이 구멍이 재료 깊숙이 침투합니다.

레이저가 꺼지면 구덩이 주변의 용융 금속이 다시 흐르고 굳어져 두 조각이 서로 용접됩니다.

이 프로세스는 일반적으로 연속 레이저 용접 기계의 경우, 깊이 대 너비 비율은 일반적으로 1보다 큽니다.

레이저 용접의 특성

레이저 용접은 탁월한 속도, 깊은 침투 깊이, 열 영향 영역을 최소화하여 용접 재료의 왜곡이 거의 발생하지 않는 것이 특징입니다. 이러한 정밀성 덕분에 높은 정확도와 구조적 무결성이 요구되는 분야에 이상적입니다.

레이저 용접의 다재다능함은 다양한 환경에서 작동할 수 있는 능력에서 분명하게 드러납니다. 레이저 용접은 비교적 간단한 장비 설정으로 상온 또는 통제된 대기 조건에서 수행할 수 있습니다. 레이저 빔은 전자기 간섭에 대한 내성이 있어 다양한 산업 환경에서 일관된 성능을 발휘할 수 있습니다. 특히 레이저 용접은 진공, 공기 또는 특정 가스 환경에서 실행할 수 있으며 유리와 같은 투명한 소재를 통해서도 실행할 수 있어 독특한 제작 가능성을 열어줍니다.

레이저 용접의 가장 큰 장점 중 하나는 이종 및 내화성 재료를 접합할 수 있다는 점입니다. 티타늄과 같은 고융점 금속과 석영과 같은 세라믹의 용접에 탁월하여 기존 용접 방식이 종종 실패하는 곳에서 우수한 접합 품질을 달성할 수 있습니다. 이 기능은 항공우주 및 첨단 제조 분야에서 특히 유용합니다.

최신 고출력 레이저 용접 시스템은 놀라운 출력 밀도를 달성할 수 있어 최대 5:1 이상의 용접 깊이 대 폭 비율을 구현할 수 있습니다. 이 높은 종횡비는 열에 민감한 재료의 기계적 특성을 유지하는 데 중요한 최소한의 열 입력으로 깊은 관통 용접을 가능하게 합니다.

레이저 용접의 정밀성은 초소형 애플리케이션까지 확장됩니다. 레이저 용접은 높은 위치 정확도로 빔을 매우 작은 스폿 크기(보통 100μm 미만)에 집중시킴으로써 초소형 부품과 마이크로 전자 장치를 쉽게 조립할 수 있습니다. 이러한 마이크로 용접 기능은 의료 기기 제조 및 반도체 생산과 같은 산업에서 필수 불가결한 기능입니다.

레이저 용접의 비접촉식 특성 덕분에 복잡한 어셈블리에서 접근하기 어려운 영역에 접근하여 원격 용접 작업을 수행할 수 있습니다. 이 기능은 로봇 통합과 결합하여 생산 라인 설계 및 자동화 전략에 탁월한 유연성을 제공합니다.

고급 레이저 시스템은 에너지 분배와 시간 공유 측면에서 빔 분할 기능을 제공합니다. 이를 통해 여러 워크스테이션에서 단일 레이저 소스의 멀티 스테이션 동시 용접 또는 시간 분할 다중화가 가능합니다. 이러한 구성은 생산 처리량과 장비 활용도를 크게 향상시켜 레이저 용접을 대량 제조 시나리오에 적합한 비용 효율적인 솔루션으로 만들어 줍니다.

또한 레이저 용접의 에너지 입력을 정밀하게 제어할 수 있어 맞춤형 열 주기가 가능하며, 이는 고급 합금에서 원하는 미세 구조를 유지하고 용접 부품의 잔류 응력을 줄이는 데 매우 중요합니다. 이러한 수준의 공정 제어는 까다로운 애플리케이션에서 피로 저항성과 전반적인 접합 성능을 개선하는 데 기여합니다.

레이저 용접 분류

두 가지가 있습니다. 레이저의 종류 용접: 펄스 레이저 용접과 파이버 연속 레이저 용접은 사용되는 레이저 유형에 따라 분류됩니다.

두 방법의 차이점은 다음과 같습니다:

연속 용접 패턴

펄스 용접

펄스 용접 스폿 중첩

레이저 용접 방식에 따른 레이저 용접 분류

제품 조합에 따라 다음과 같이 나뉩니다:

맞대기 용접 일반적으로 간격이 없거나 필요한 경우 0.05mm 미만의 간격이 필요합니다. 용접되는 제품의 두께가 얇을수록 간격에 대한 요구 사항이 더 엄격해집니다.

관통 용접의 경우 상층과 하층이 단단히 결합되도록 하는 것이 중요합니다. 상층 재료가 얇아질수록 원하는 결과를 얻으려면 더 단단히 결합해야 합니다.

레이저 용접과 다른 용접 방법의 비교

펄스/연속 용접

금속 재료의 용접 특성

강철의 용접 특성

강철은 철과 탄소의 합금으로, 철과 탄소는 탄소 함량 0.04%에서 2.3% 사이입니다. 강철의 인성과 가소성을 보장하기 위해 탄소 함량은 일반적으로 1.7%를 초과하지 않습니다.

합금강은 제련 과정에서 Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti 등과 같은 합금 원소를 의도적으로 첨가하여 생산됩니다. 이러한 합금 원소는 강철의 기계적 특성, 공정 특성 또는 내식성, 내열성, 내마모성과 같은 기타 특수 특성을 개선하는 데 사용할 수 있습니다.

화학 성분별 분류:

(1) 탄소강:

a. 저탄소강(C ≤ 0.25%);

b. 중간 탄소강(C ≤ 0.25 ~ 0.60%);

c. 고탄소강 (c ≤ 0.60% ~ 2.11%).

탄소 함량이 높을수록 용융 풀에 폭발 구멍이 생기기 쉽습니다.

(2) 합금강:

a. 저합금강(총 합금 원소 콘텐츠 ≤ 5%);

b. 중간 합금강(총 합금 원소 함량 > 5 ~ 10%);

c. 고합금강(총 합금 원소 함량 > 10%).

그리고 용접성 합금강의 용접성은 합금 원소에 따라 달라지며, 스테인리스강의 융점 특성과 유사한 용접성이 우수합니다.

(3) 스테인리스 스틸

스테인리스 스틸은 강철 유형 공기, 증기, 물과 같은 약한 부식성 매체와 산, 알칼리, 소금과 같은 화학적 부식성 매체에 내성이 있는 강철입니다. 마르텐사이트강, 페라이트강, 오스테나이트강 등 여러 종류로 나뉩니다.

마르텐사이트 스테인리스 스틸 은 일반적으로 크롬 함량이 12%에서 18% 사이의 저탄소 또는 고탄소 강이며 주요 합금 원소는 철, 크롬, 탄소입니다. 하지만 모든 스테인리스강 중에서 용접성이 가장 떨어집니다. 스테인리스 스틸의 용접 조인트 는 딱딱하고 부서지기 쉬우며 차갑게 갈라지는 경향이 있습니다. 균열 및 취성 가능성을 줄이려면 다음과 같은 경우 예열 및 템퍼링을 권장합니다. 스테인리스 스틸 용접 403, 410, 414, 416, 420, 440A, 440B 및 440C와 같이 탄소 함량이 0.1%보다 큰 제품입니다.

반면 오스테나이트 스테인리스강은 상온에서 오스테나이트 구조의 스테인리스강을 말합니다. 이 유형의 강철은 약 18%의 크롬과 니켈을 함유하고 있으며, 안정적인 오스테나이트 크롬 함량이 8%에서 10% 사이이고 탄소 함량이 약 0.1%인 구조입니다. 일반적으로 레이저 용접 성능이 우수합니다. 그러나 기계적 특성을 개선하기 위해 유황과 셀레늄을 첨가하면 응고 균열 경향이 증가합니다.

오스테나이트 계 스테인리스강은 탄소강보다 열전도율이 낮고 흡수율이 약간 높습니다. 용접 침투 깊이는 일반 탄소강의 약 5-10%에 불과합니다. 그럼에도 불구하고 열 입력이 적고 용접 속도가 빠른 레이저 용접은 Cr Ni 계열 스테인리스강 용접에 적합합니다. 일반적인 오스테나이트 스테인리스강 유형에는 201, 301, 302, 303 및 304가 있습니다.

전반적으로 스테인리스 스틸은 용접 풀이 잘 형성되어 있어 용접성이 우수합니다.

(4) 200 시리즈 - Cr Ni Mn

오스테나이트 계 스테인리스강, 300 시리즈 - 크롬-니켈

각 글자의 의미:

• CR 는 크롬 를 의미합니다.
• Ni는 니켈을 의미합니다.
• Mn은 망간을 의미합니다.
• 1은 탄소 함량을 나타냅니다(304에서 0은 탄소가 없는 것은 아니지만 탄소 함량이 0.1% 미만으로 저탄소에 속함).
• 201: 오스테나이트 계를 나타내는 1Cr17Mn6Ni5N 스테인리스 스틸 201 탄소 1%, 망간 17%, 크롬 17%, 니켈 6%를 함유하고 있습니다;
• 304: 탄소 0.1% 미만, 크롬 18% / 19%, 니켈 9% 미만의 오스테나이트계 스테인리스강 304를 나타내는 0Cr19Ni9(0Cr18Ni9)입니다;

201 스테인리스 스틸은 망간을 함유하고 있어 습하고 염분이 많으며 관리가 잘 되지 않는 환경에서 산화 및 녹이 발생하기 쉽습니다(철 제품보다는 훨씬 우수하며 산화 및 녹 발생 후 와이어 드로잉 또는 연마로 처리할 수 있음).

철 제품과 달리 표면 전기 도금층은 부식 후 처리할 수 없습니다.

반면 304 스테인리스 스틸은 망간이 함유되어 있지 않지만 크롬과 니켈 함량이 높아 산화와 녹에 더 강합니다.

201 스테인리스 스틸의 가격은 철 기반(크롬 도금 또는 스프레이) 가구 소재의 3~4배인 반면 304 스테인리스 스틸의 가격은 201 스테인리스 스틸의 절반 이상, 거의 두 배에 달합니다.

304 스테인리스 스틸의 표면은 플라스틱 판과 비슷한 금속 광택이 나는 흰색입니다.

페라이트계 스테인리스 스틸몸체 중심의 입방정 결정 구조를 가진 크롬은 일반적으로 11% - 30% 크롬을 함유하며 니켈을 포함하지 않습니다(소량의 Mo, Ti, Nb 및 기타 원소를 포함할 수 있음).

이 유형의 강철은 열전도율이 높고 팽창 계수가 낮으며 내산화성이 우수하고 응력 내식성이 뛰어납니다.

한 가지 예로 430 스테인리스 스틸을 들 수 있습니다.

오스테 나이트 계 및 마르텐 사이트 계 스테인리스 강에 비해 페라이트 계 스테인리스 강은 고온 및 열 발생 경향이 가장 적습니다. 차가운 균열 레이저 용접 시

자동차 스티어링 시스템 구조 용접 - 연속 용접

알루미늄 합금의 용접 특성

알루미늄 용접은 높은 표면 반사율과 높은 열전도율로 인해 높은 전력 밀도가 필요하므로 안정적인 용융 풀을 형성하기 어렵습니다.

많은 알루미늄 합금 에는 실리콘과 마그네슘과 같은 휘발성 원소가 포함되어 있어 용접부에 많은 기공이 형성됩니다.

액체 알루미늄의 낮은 점도와 표면 장력으로 인해 용융 풀의 액체 금속이 쉽게 넘쳐 용접 형성에 영향을 미칩니다.

일부 알루미늄 합금은 냉각 시간 및 용접 보호와 관련하여 응고 중에 뜨거운 균열이 발생할 수 있습니다.

알루미늄의 순도가 높을수록 용접 품질.

3시리즈 알루미늄 내 용접은 일반적으로 허용되지만, 저순도 알루미늄 용접은 폭발 구멍과 균열이 발생할 수 있습니다.

레이저 용접 공정의 특징

출력 밀도, 빔 특성 등 레이저 용접 품질에 영향을 미치는 수많은 공정 파라미터가 있습니다, defocus용접 속도, 레이저 펄스 파형 및 보조 가스 흐름.

1. 전력 밀도

출력 밀도는 레이저 용접에서 중요한 매개 변수입니다.

높은 전력 밀도는 금속을 마이크로초 단위로 녹는점까지 빠르게 가열하여 고품질 용접을 가능하게 합니다.

전력 밀도는 피크 전력과 납땜 조인트의 면적에 따라 결정됩니다.

전력 밀도 = 피크 전력 ÷ 납땜 접합 면적

알루미늄이나 구리와 같이 반사율이 높은 재료를 용접할 때는 출력 밀도를 높여야 합니다. 이는 더 높은 전류 또는 전력을 사용하고 가능한 한 초점에 가깝게 용접하면 달성할 수 있습니다.

2. 레이저 펄스 파형

레이저 펄스 파형은 레이저 용접에서 특히 다음과 같은 경우에 중요한 요소입니다. 시트 용접.

고강도 레이저 빔이 재료 표면과 상호작용할 때 반사로 인해 60%~90%의 레이저 에너지가 손실되고 표면 온도에 따라 반사율이 변화합니다.

레이저 펄스 동안 금속의 반사율은 크게 변합니다.

금속이 고체 상태일 때는 레이저의 반사율이 높습니다.

그러나 재료 표면이 녹으면 반사율이 감소하고 흡수가 증가하여 전류 또는 전력을 점진적으로 감소시킬 수 있습니다.

따라서 펄스 파형은 일반적으로 다음과 같은 변화를 수용하도록 설계됩니다:

3. 디포커스 금액

"디포커스 양"이라는 용어는 초점면에서 공작물 표면의 편차를 나타냅니다.

디포커스의 위치는 테일러 용접 시 키홀 효과에 직접적인 영향을 미칩니다.

디포커싱에는 포지티브와 네거티브의 두 가지 모드가 있습니다.

초점면이 공작물 위에 있으면 포지티브 디포커스로 간주하고 공작물 아래에 있으면 네거티브 디포커스로 간주합니다.

포지티브와 네거티브 디포커스가 같으면 해당 평면의 전력 밀도는 거의 동일하지만 용융 풀의 모양이 달라집니다.

네거티브 디포커스는 용융 풀의 형성과 관련된 더 큰 침투를 초래할 수 있습니다.

실험 결과에 따르면 레이저 가열이 50~200μS에 도달하면 재료가 녹기 시작하여 액상 금속을 형성하고 부분적으로 기화하여 고압 증기를 형성합니다. 그 결과 눈부신 백색광이 고속으로 분사됩니다.

동시에 고농도 가스는 액체 금속을 용융 풀의 가장자리로 이동시켜 풀 중앙에 함몰을 만듭니다.

네거티브 디포커스 중에는 재료의 내부 전력 밀도가 표면보다 높아져 용융과 기화가 더 강하게 일어납니다. 이를 통해 빛 에너지가 재료의 더 깊은 부분까지 전달될 수 있습니다.

따라서 실제 응용 분야에서는 깊은 침투가 필요한 경우 네거티브 디포커스를 사용하고 얇은 재료를 용접할 때는 포지티브 디포커스를 사용해야 합니다.

초점 위치:

에너지가 가장 높은 가장 작은 지점은 다음을 통해 달성할 수 있습니다. 스폿 용접. 반대로 작은 스폿이 필요하고 에너지가 낮은 경우 스폿 용접을 사용할 수도 있습니다.

네거티브 디포커스 위치:

심용입 연속 용접 및 심용입 스폿 용접에는 약간 더 큰 스폿이 적합합니다. 초점으로부터의 거리가 멀어질수록 스폿 크기가 커집니다.

포지티브 디포커스 위치:

약간 더 큰 스폿은 표면 씰 용접의 연속 용접이나 낮은 침투가 필요한 상황에 적합합니다. 초점으로부터의 거리가 멀어질수록 스폿의 크기도 커집니다.

4. 용접 속도

품질은 용접 표면, 침투, 열 영향 영역 및 기타 요소는 용접 속도에 따라 결정됩니다.

용접 속도를 줄이거나 용접 전류를 높이면 관통력을 향상시킬 수 있습니다.

용접 속도를 낮추는 것은 일반적으로 관통력을 향상시키고 장비의 수명을 늘리기 위해 사용됩니다.

5. 보조 송풍

보조 블로잉은 고출력 레이저 용접에서 매우 중요한 공정입니다.

첫째, 동축 보호 가스를 사용하여 금속 스퍼터링이 포커싱 미러를 오염시키는 것을 방지합니다.

두 번째로, 이 제품은 제조 과정에서 발생하는 고온 플라즈마의 축적을 방지합니다. 용접 프로세스 사이드 블로잉을 통해 레이저가 재료 표면에 도달하는 것을 막습니다.

셋째, 보호 가스를 사용하여 공기를 차단하고 용접 풀이 산화되지 않도록 보호합니다.

보조 가스의 선택과 분사 공기의 양은 용접 결과에 큰 영향을 미치며, 분사 방식에 따라 용접 품질에도 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

6. 광섬유 및 용접 조인트 구성

예를 들어, 광섬유 직경이 0.6mm이고 초점 초점 거리가 120mm이고 콜리메이트 초점이 150mm인 경우 초점 직경은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

초점 직경 = 0.6 x 120/150 = 0.48mm

구체적인 구성은 제품의 재질, 두께, 관통력 및 여유 공간에 따라 결정됩니다.

롱 포커스의 특징:

• 작업 거리가 상당히 길어 고정 장치의 간섭을 피하고 제품 높이 변동에 따른 영향을 줄이며 보호 렌즈에 튀는 물방울의 오염을 최소화할 수 있습니다.
• 동일한 수준의 보급률을 달성하려면 장비의 전력 요구 사항이 더 높아집니다.