레이저 용접 차폐 가스: 기본 사항
무엇이 완벽한 용접을 만드는지 궁금한 적이 있나요? 레이저 용접에서 그 비밀은 보호 가스의 사용에 있습니다. 이 기사에서는 질소, 아르곤, 아르곤과 같은 다양한 가스가 어떻게 용접에 사용되는지 살펴봅니다.
보호 가스가 레이저 용접 프로젝트를 어떻게 크게 개선할 수 있을까요? 레이저 용접에서 보호 가스는 공기 성분과의 반응을 방지하고 스패터를 관리하여 용접 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 이 문서에서는 용접 결과를 최적화하기 위한 다양한 유형의 보호 가스, 특정 응용 분야 및 공급 방법을 살펴봅니다. 올바른 보호 가스가 어떻게 더 강력하고 깨끗한 용접과 프로젝트의 효율성 향상으로 이어질 수 있는지 자세히 알아보세요.
레이저 용접에서 보호 가스는 용접 품질을 최적화하고 장비를 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 가스는 보조 가스(MDE 가스), 차폐 가스, 제트 가스의 세 가지 범주로 분류되며, 각각 용접 공정에서 특정 기능을 수행합니다.
특히 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 레이저에 효과적인 보조 가스는 금속 증기 플라즈마에 의한 레이저 빔의 흡수를 완화합니다. 이는 빔 투과와 에너지 전달 효율을 향상시킵니다. 일반적인 보조 가스에는 이온화 전위가 높기 때문에 헬륨 또는 아르곤-헬륨 혼합물이 포함됩니다.
차폐 가스는 용접 영역에서 대기 공기를 대체하여 용융 금속과 산소 및 질소와 같은 대기 원소 사이의 유해한 반응을 방지하는 역할을 합니다. 그 결과 용접 품질이 향상되고 산화가 감소하며 다공성이 최소화됩니다. 일반적인 보호 가스에는 아르곤, 헬륨 또는 기본 재료 및 용접 매개변수에 맞춘 특정 혼합물이 포함됩니다.
스패터와 증기가 과도하게 발생하기 쉬운 고에너지 밀도 용접 공정에 사용되는 제트 가스는 보호 에어 커튼을 생성합니다. 이 커튼은 특수 노즐을 통해 가공 헤드와 90도 각도로 향하게 됩니다. 이 커튼은 용접 스패터와 응축으로부터 광학 및 초점 시스템을 효과적으로 보호하여 일관된 성능을 보장하고 장비 수명을 연장합니다. 중요한 점은 제트 가스가 용접 풀 역학이나 1차 차폐 가스 엔벨로프에 간섭하지 않고 작동하도록 설계되었다는 점입니다.
레이저는 용접 공정에 필수적인 에너지 빔을 생성합니다. 이 고강도 빔은 스티어링 미러, 레이저 광케이블 및 초점 장치로 구성된 정교한 광학 시스템을 통해 공작물의 접합 위치로 정확하게 전달됩니다.
집중된 레이저 빔의 정확한 안내를 위해서는 공작물의 정확한 위치와 고정이 중요합니다. 초점 광학 소자는 이음새 위치를 따라 이동하며 집중된 레이저 에너지를 마이크로미터 단위의 정밀도로 공작물에 전달합니다.
초점에서 레이저 빔의 극도로 높은 출력 밀도는 재료의 빠른 용융과 부분 기화를 유도합니다. 그 결과 발생하는 금속 증기압은 매우 강렬하여 "키홀"로 알려진 좁고 깊은 침투 채널을 생성합니다. 이 키홀은 일반적으로 재료 내부로 수 밀리미터까지 확장되어 레이저 용접의 특징인 깊고 좁은 용접을 가능하게 합니다.
초점 렌즈가 공작물을 기준으로 움직이면 키홀이 그 아래를 따라갑니다. 이 동적 프로세스를 통해 용융 금속이 키홀 뒤로 흐르고 합쳐져 좁고 고품질의 용접 이음새로 굳어집니다.
그러나 많은 금속은 용융 상태, 특히 산소 및 질소와 같은 대기 가스와 반응성이 높습니다. 이러한 반응은 다공성, 산화, 취화 등의 용접 결함으로 이어져 용접 품질과 기계적 특성을 크게 저하시킬 수 있습니다.
차폐 가스는 이러한 문제를 완화하는 데 중요한 역할을 합니다. 용접 풀 주변에 보호 분위기를 조성하여 반응성 공기 성분을 효과적으로 대체합니다. 일반적으로 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스 또는 특정 용도에 따라 CO2와 같은 활성 가스가 사용됩니다. 보호 가스는 대기 오염을 방지할 뿐만 아니라 여러 주요 용접 매개변수에도 영향을 미칩니다:
불활성 가스는 일반적으로 금속에 사용됩니다. 레이저 용접 은 매트릭스 물질과 반응하지 않거나 거의 반응하지 않는 특성 때문에 사용하지 않는 것이 좋습니다. 권장되는 차폐 가스로는 질소(N2), 아르곤(AR), 헬륨(He) 등이 있습니다.
산업용 가스에는 소량의 불순물이 포함되어 있는 경우가 많다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 가스의 순도는 디지털 시스템을 사용하여 표시되며, 첫 번째 숫자는 백분율 값에서 9의 수를 나타내고 두 번째 숫자는 백분율 값의 마지막 숫자를 나타냅니다. 예를 들어 He 4.6은 헬륨 순도가 99.996%(부피 기준)임을 나타냅니다.
가스통의 수명은 쉽게 계산할 수 있습니다. 용접 가스 는 가스 실린더에 저장되며, 일반적인 가스 저장 실린더에는 200bar의 압력으로 50리터의 가스가 들어 있습니다.
예시:
V = 50l, p = 200bar, Q = 40l/h → T = 50l - 200bar/40l/h = 250시간
질소는 크롬-니켈 강철 용접에 적합한 무색 무취의 불활성 기체입니다. 그러나 지르코늄 합금과 함께 사용하는 것은 권장하지 않습니다. 티타늄 물질은 비활성 상태이지만 이러한 물질과 화합물을 형성할 수 있기 때문입니다.
질소로 강철을 용접할 때 질소가 있으면 강철에서 크롬과 니켈이 용해되어 녹 저항성이 약간 감소할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
다음 표는 권장되는 차폐 가스에 대한 개요입니다.
| Ar | He | N2 | 참고 | |
| 알루미늄 및 알루미늄 합금 | – | + | – | 수소 또는 수소 혼합물로 매끄럽고 광택이 나는 용접을 형성할 수 있습니다.
수소를 사용하면 재료에 기공이 생길 수 있습니다. 수소 함유 가스는 재료에 기공을 일으킬 수 있습니다. 이산화탄소(CO2) 또는 수소/이산화탄소 혼합물로 용접할 때 매우 높은 품질의 용접을 형성할 수 있습니다. 그러나 이러한 용접의 부드러움과 광택은 약간 떨어집니다. |
| 크롬 니켈 강철 | + | – | + | 아르곤은 질소보다 무겁기 때문에 가스가 넘치기 쉬운 장치에는 아르곤을 사용하는 것이 좋으며, 부식을 방지하려면 질소가 재료의 크롬 및 니켈과 반응하기 때문에 아르곤을 사용해야 합니다. |
| 티타늄 및 티타늄 합금 | + | – | + | 티타늄은 공기 중의 성분과 강하게 반응합니다. 티타늄이 용접 온도 냉각 후에도 여전히 200 ℃ 인 경우 용액 풀을 아르곤으로 완전히 덮을 필요가 있습니다 (예 : 글러브 박스 사용 가능). |
| 크롬 합금 | + | – | – | – |
| 구리 | – | – | – | 일반적으로 다음과 같은 경우에는 차폐 가스를 사용할 필요가 없습니다. 구리 용접. |
원료의 보호 가스에 대한 제안: "+" = 예, "-" = 아니오
참고: 좁은 장치에서 용접할 때는 금속 증기가 주변 환경의 산소를 밀어내면서 자체 보호 기능이 발생합니다. 이 경우 보호 가스를 사용할 필요가 없습니다.
처리 위치에 차폐 가스를 입력하는 방법은 다음과 같습니다:
사용하려면 다음 매개변수를 최적으로 설정해야 합니다:
차폐 가스 입력량은 다음 기준에 따라 조정해야 합니다. 레이저 유형 (연속 또는 펄스), 용접 속도 및 용접부에 따라 달라집니다. TRUMPF는 몇 가지 표준 노즐을 제공하며, 이에 대해서는 다음 정보에서 자세히 설명합니다.
리니어 노즐은 각 파이프가 개별적으로 조립되는 컴파운드 파이프의 고급 버전입니다.
리니어 노즐은 다음과 같은 장점이 있습니다:
전제 조건:
용접 애플리케이션:
리니어 노즐은 선형 용접 용접에 적합합니다:
이 노즐을 사용하면 차폐 가스를 일직선으로 보낼 수 있으며, 측면 MDE 노즐을 사용하여 금속 증기의 영향을 줄일 수 있습니다.
전제 조건:
용접 애플리케이션:
리니어 노즐은 선형 용접 용접에 적합합니다:
원뿔형 노즐에는 광선 조절기가 장착되어 있어 층류 흐름과 차폐 가스의 균일한 분포를 보장합니다.
버블링 노즐은 다음 전제 조건이 충족되는 경우에 사용할 수 있습니다:
용접 애플리케이션:
버블 링 노즐은 빔 파워와 대면적 층류 가스 공급을 제공할 수 있습니다. 용접 속도 가 낮습니다. 반면 원뿔형 노즐은 특히 접근하기 어려운 영역에서 차폐 가스를 균일하게 분배합니다.
용도에 따라 공작물과의 거리는 8~12mm, 각도는 30°~50°를 유지하는 것이 좋습니다.
기타 방법
보호 가스로 재료를 완전하고 균일하게 덮어야 하는 상황에서는 글러브 박스를 사용하는 것이 좋습니다. 글러브 박스는 작업 공간을 완전히 둘러싸고 보호 가스가 넘쳐나는 것을 방지합니다.
글러브 박스가 차폐 가스로 완전히 채워져 있기 때문에 별도의 차폐 가스 노즐이 필요하지 않습니다.
레이저 용접에는 두 가지 용접 공정이 있습니다:
열 전도성 용접에서는 재료의 표면만 녹기 때문에 용접 깊이가 수십 밀리미터에 불과합니다. 이 용접 공정은 주로 펄스 Nd:YAG 레이저와 함께 사용됩니다.
이와 대조적으로 심용입 용접은 깊고 좁은 용접을 생성합니다. 이 공정은 연속파 작동 모드에서 Nd:YAG 레이저를 사용하여 수행됩니다.
펄스 레이저로 용접할 때 최상의 결과를 얻으려면 일반적으로 용접 와이어(사용하는 경우)를 천천히 삽입합니다. 보호 가스 입력 방향은 자유롭게 선택할 수 있습니다.
연속파 레이저로 용접할 때 최적의 결과를 얻으려면 차폐 가스를 전방으로 입력하고 용접 와이어(사용 시)의 삽입 속도를 늦춰야 합니다.
차폐 가스 입력 노즐은 부드럽고 균일한 공기 흐름을 생성하도록 배치해야 합니다. 가장자리를 따라 용접할 때 와류가 발생하여 주변 환경의 산소를 용접 영역으로 끌어들일 수 있습니다.
산소 함량이 0.5%를 초과하면 재료가 산소와 반응할 수 있습니다. 용접 중 가장자리를 따라 기류 소용돌이를 방지하기 위해 버퍼 플레이트를 설치할 수 있습니다.
최적의 용접 결과를 얻으려면 보호 가스를 정확하게 측정하는 것이 중요합니다. 이상적으로는 처리 지점 위에 부드럽고 균일한 층류 기류가 존재해야 합니다.
보호 가스의 양이 너무 적으면 적절한 보호 기능을 제공하지 못해 가스나 공기의 습기가 용접부에 유입될 수 있습니다. 반면에 보호 가스를 너무 많이 사용하면 용접 부위에 공기가 유입되는 와류가 발생할 수 있습니다.
용접부의 색상을 통해 용접 시 사용된 보호 가스의 양을 파악할 수 있습니다. 용접부가 회색으로 나타나면 보호 가스가 사용되지 않았음을 의미합니다. 용접부가 노란색으로 나타나면 차폐 가스의 측정을 최적화해야 합니다.
차폐 가스 측정이 최적화되면 고광택 용접이 생성됩니다.
광선 조절기가 있는 차폐 가스 노즐은 차폐 가스의 균일한 흐름을 보장할 수 있습니다. 노즐에 스틸 울을 사용해도 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.
가로 에어 커튼:
윈드 커튼은 다음과 같은 경우에 유용합니다. 용접 애플리케이션 상당한 양의 스패터와 증기를 발생시킵니다. 에어 커튼의 흐름이 차폐 가스를 방해하지 않도록 에어 커튼을 조정해야 합니다.
제안:
간단한 테스트를 통해 제트 가스가 최적으로 설정되었는지 확인할 수 있습니다. 작업물 위에 종이를 놓고 제트에 의해 종이가 밀려 내려오거나 빨려 들어가지 않도록 제트의 공기 압력을 조정합니다.
보호 가스에 따라 용접 모양에 영향을 미치고 더 매끄럽고 광택이 나는 용접 표면을 만드는 등 다양한 결과가 나올 수 있습니다. 또한 보호 가스의 선택은 용접부의 기공 형성과 스패터에 영향을 미치고 레이저 빔의 결합을 방해할 수 있습니다.
| Ar | He | N2 | 보호 가스 없음 | |
| 용접 모양
b = 너비 T = 깊이 |  |  |  |  |
| 용접 표면 | ++ | + | + | – |
| 스패터 | + | + | 0 | – |
| 장루 | ++ | + | + | – |
| 레이저 빔 커플링 | – | – | – | + |
| 비용 | – | – | 0 | Less |
차폐 가스의 효과를 최적화하려면 용접 전후에 차폐 가스를 잠시 개방해야 합니다. 보호 가스를 개방한 후 가스가 공작물에 도달하기까지 시간 지연이 있습니다. 용접 후 여전히 냉각 중인 용융물도 보호 가스로 잠시 덮어야 합니다.
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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