레이저 용접 두께 차트 및 파워 설정
레이저 용접이 금속 가공을 어떻게 변화시키는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 정밀도와 강도를 보장하는 중요한 매개변수에 초점을 맞춰 레이저 용접의 비밀을 공개합니다. 레이저 출력 조정부터...
레이저 용접은 놀랍도록 다양한 재료를 접합할 수 있지만, 어떤 재료가 정말 뛰어난가요? 이 글에서는 탄소강과 알루미늄과 같은 일반적인 금속부터 플라스틱과 구리 합금과 같은 복잡한 재료에 이르기까지 모든 것을 다루며 구체적인 내용을 살펴봅니다. 독자들은 각 재료의 고유한 과제와 해결책을 발견하고 레이저 용접 프로젝트에 적합한 재료와 기술을 선택하는 데 필수적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.
레이저 용접은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 재료의 작은 영역을 국부적으로 가열하는 프로세스입니다. 레이저 방사의 에너지는 열 전달을 통해 재료의 내부로 전달되어 재료가 녹고 특정 용융 풀을 형성하여 용접의 목적을 달성합니다.
레이저 용접기는 레이저 재료 가공에 사용되는 장치입니다. 작동 모드에 따라 레이저 금형 용접기, 자동 레이저 용접기, 자동 레이저 용접기레이저 스폿 용접기, 광섬유 전송 레이저 용접기 등이 있습니다.
레이저 용접 기술은 다양한 공구강과 금형 소재를 접합할 때 탁월한 정밀도와 효율성을 제공합니다. 이 고급 용접 공정은 특히 고성능 금형강에 효과적입니다:
레이저 용접기의 집중된 열 입력과 정밀한 제어로 열 영향 영역을 최소화하고 왜곡을 줄이며 용접 품질이 우수합니다. 따라서 고가의 금형과 금형을 수리하고 수정하는 데 이상적입니다. 이 공정은 기본 재료의 특성을 유지하여 사출 성형, 다이 주조, 금속 성형과 같은 까다로운 응용 분야에서 일관된 성능을 보장합니다.
이러한 공구강에 대한 레이저 용접의 주요 장점은 다음과 같습니다:
최적의 결과를 얻으려면 특정 강종 및 적용 요건에 따라 적절한 재료 준비, 차폐 가스 선택 및 용접 매개변수를 신중하게 제어해야 합니다.
탄소강은 레이저 용접 기술을 사용하여 효과적으로 접합할 수 있으며, 용접 품질은 재료 구성과 준비에 따라 크게 영향을 받습니다. 최적의 결과를 얻으려면 탄소 함량이 0.25%를 초과하는 경우 예열이 필수적이며, 이는 냉각 속도를 줄이고 열 영향 구역(HAZ)에서 취성 마르텐사이트가 형성될 위험을 최소화하기 때문입니다.
탄소 함량이 서로 다른 강재를 접합할 때는 레이저 빔 위치를 조정하는 것이 중요합니다. 초점은 일반적으로 빔 직경의 10-15%만큼 낮은 탄소강 쪽으로 약간 오프셋되어야 합니다. 이 기술은 보다 균일한 열 분포를 보장하고 접합 인터페이스에서 더 나은 융착을 촉진합니다.
매우 빠른 가열 및 냉각 속도를 특징으로 하는 레이저 용접 고유의 빠른 열 순환은 탄소 함량이 증가함에 따라 용접 결함에 대한 취약성을 증가시킬 수 있습니다. 탄소강이 높을수록 HAZ에 단단하고 부서지기 쉬운 미세 구조가 형성되기 쉬워 냉간 균열이 발생하거나 연성이 저하될 수 있습니다.
레이저 용접은 일반적인 합금강뿐만 아니라 중탄소강 및 고탄소강(각각 0.30-0.60% C 및 >0.60% C)을 포함한 다양한 강종에 적합합니다. 그러나 이러한 소재는 신중한 공정 관리가 필요한 경우가 많습니다. 150~300°C(탄소 당량 및 단면 두께에 따라 다름)로 예열하면 열 충격을 완화하는 데 도움이 됩니다. 25mm 두께당 1시간 동안 550~650°C에서 응력 완화 등의 용접 후 열처리는 잔류 응력을 줄이고 용접 조인트의 기계적 특성을 개선하는 데 매우 중요합니다.
용접 품질을 더욱 향상시키려면 다음과 같은 추가 사례를 고려하세요:
스테인리스 스틸의 레이저 용접은 특히 우수한 기계적 특성과 미적 매력을 갖춘 고품질 접합부를 얻을 수 있다는 점에서 기존 용접 방식에 비해 상당한 이점을 제공합니다.
레이저 용접의 높은 에너지 밀도와 정밀한 제어로 열 영향 영역(HAZ)이 좁고 용접 속도가 빠릅니다. 이러한 조합은 스테인리스 스틸의 큰 열팽창 계수와 관련된 문제를 효과적으로 완화하여 열변형 및 잔류 응력의 위험을 줄여줍니다. 결과적으로 레이저 용접된 스테인리스강 접합부는 일반적으로 다공성, 내포물 또는 열 균열과 같은 결함이 최소화됩니다.
스테인리스 스틸의 고유한 재료 특성으로 인해 레이저 용접에 특히 적합합니다. 상대적으로 낮은 열전도율(탄소강의 43~54W/m-K에 비해 일반적으로 16~26W/m-K 범위)은 열 입력을 집중시키고, 높은 에너지 흡수 계수(CO2 레이저 파장의 경우 35% 이상)는 레이저 에너지의 효율적인 결합을 보장합니다. 이러한 특성 덕분에 레이저 출력과 용접 파라미터에 따라 한 번에 5~10mm의 침투 깊이를 달성할 수 있는 높은 종횡비로 깊고 좁은 침투 용접을 쉽게 형성할 수 있습니다.
얇은 게이지 스테인리스 강판(일반적으로 3mm 미만)의 경우 저출력 레이저(500W-2kW)로 매우 깨끗하고 시각적으로 매력적인 용접을 생성할 수 있습니다. 정밀한 에너지 제어를 통해 열 입력을 최소화하여 표면 프로파일이 매끄럽고 스패터가 적은 좁은 융착 구역을 만들 수 있습니다. 이는 미적 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 열 영향을 받는 영역에서 크롬 카바이드 침전을 최소화하여 스테인리스강의 내식성을 유지합니다.
스테인리스 스틸의 레이저 용접을 최적화하려면 레이저 출력, 용접 속도, 초점 위치, 보호 가스 구성과 같은 주요 파라미터를 신중하게 제어해야 합니다. 예를 들어, 아르곤과 2-5% 수소를 혼합하여 보호 가스로 사용하면 아크 안정성을 높이고 산화를 줄여 용접 품질을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
구리와 그 합금의 용접은 높은 열전도율과 낮은 융점으로 인해 고유한 과제를 안고 있습니다. 완전한 융합과 침투를 달성하기 위해 전자빔, 레이저 또는 플라즈마 아크 용접과 같은 에너지가 집중된 열원을 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 고출력 방법은 예열 기술과 결합하여 구리의 빠른 열 발산 특성을 극복하는 데 도움이 됩니다.
얇거나 강성이 낮은 구리 가공품은 특히 용접 중 변형이 발생하기 쉽습니다. 적절한 고정 또는 열 관리 전략이 없으면 용접 후 열팽창과 수축으로 인해 상당한 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 접합부에 강성 제약 조건이 적용되는 경우 잔류 응력이 발생하여 부품의 구조적 무결성 또는 치수 정확도가 손상될 수 있습니다.
열 균열은 구리 용접에서 흔히 발생하는 문제로, 소재가 고온 단락에 취약하기 때문에 발생하는 경우가 많습니다. 이 현상은 불순물의 입자 경계 분리가 고온에서 소재를 약화시킬 때 발생합니다. 이러한 위험을 완화하려면 열 입력, 냉각 속도를 신중하게 제어하고 적절한 필러 금속을 선택하는 것이 중요합니다.
용융 구리에서 가스(특히 수소와 산소)의 용해도가 높기 때문에 다공성은 구리 및 구리 합금 용접에서 빈번한 결함으로 남아 있습니다. 용접 풀이 응고되면 이러한 용존 가스가 기포를 형성하여 내부 공극이 발생할 수 있습니다. 다공성을 최소화하려면 엄격한 세척 절차, 적절한 차폐 가스 선택, 최적화된 용접 파라미터가 필수적입니다. 경우에 따라 구리 합금에서 고품질의 기공 없는 용접을 생산하기 위해 진공 용접 또는 필러 금속에 탈산 원소 사용과 같은 특수 기술이 필요할 수 있습니다.
레이저 용접 기술은 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리아미드(PA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등 열가소성 플라스틱과 열가소성 엘라스토머 접합에서 탁월한 활용성을 입증하고 있습니다. 이러한 광범위한 적용 가능성은 레이저 용접의 정밀한 에너지 전달과 국소 가열 특성으로 인해 열 스트레스와 재료 열화를 최소화할 수 있기 때문입니다.
그러나 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 및 액정 폴리머(LCP)와 같은 특정 고성능 엔지니어링 플라스틱은 본질적으로 낮은 레이저 투과율로 인해 직접 레이저 용접에 어려움을 겪습니다. 이러한 재료는 일반적으로 높은 결정성과 열 안정성을 나타내며, 이러한 특성은 우수한 기계적 및 화학적 저항성에 기여하지만 레이저 에너지 흡수가 좋지 않습니다.
이러한 한계를 극복하고 레이저 용접에 적합한 재료의 범위를 넓히기 위해 접합 인터페이스의 바닥층을 수정하는 것이 일반적인 전략입니다. 레이저 흡수 첨가제, 특히 카본 블랙을 이 층에 통합하면 레이저 에너지를 흡수하는 재료의 능력이 크게 향상됩니다. 이러한 변형은 용접 인터페이스에 국부적인 열 영향 영역을 생성하여 재료의 용융 및 융합을 촉진합니다. 원래의 구성을 유지한 상층은 레이저 투과성을 유지하여 에너지가 변형된 하층에 효율적으로 도달할 수 있도록 합니다.
이 접근 방식은 전통적으로 까다로운 재료의 레이저 용접을 가능하게 할 뿐만 아니라 용접 깊이와 강도를 포함한 용접 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 또한 접합 인터페이스에만 수정이 제한되기 때문에 용접된 부품의 전체적인 외관과 특성을 유지할 수 있습니다. 레이저 용접 기술이 계속 발전함에 따라 새로운 첨가제 및 표면 처리를 개발하여 더욱 광범위한 엔지니어링 플라스틱 및 복합 재료에 적용 범위를 확대하기 위한 연구가 진행 중입니다.
알루미늄 및 합금 레이저 용접의 주요 과제는 용접 공정 효율에 큰 영향을 미치는 10.6µm CO2 레이저 빔에 대한 높은 반사율에서 비롯됩니다.
알루미늄은 자유 전자의 밀도가 높아 열 및 전기 전도성이 뛰어나 빛 반사체로서의 효율성이 뛰어납니다. 이 특성은 많은 응용 분야에서 유용하지만 레이저 용접 공정에서는 상당한 장애물이 됩니다.
처음에 알루미늄 표면은 CO2 레이저 파장에 대해 95%를 초과하는 반사율을 보입니다. 따라서 심용입 용접은 입력 에너지의 5% 미만이 흡수된 상태에서 시작해야 합니다. 따라서 용접 시작에 필요한 임계 출력 밀도를 달성하기 위해서는 매우 높은 입력 전력이 필요합니다. 갑작스러운 국부적 가열은 종종 열쇠 구멍과 같은 공동을 형성하여 적절하게 제어하지 않으면 용접 결함으로 이어질 수 있습니다.
이러한 문제를 완화하기 위해 몇 가지 전략이 개발되었습니다:
마그네슘 합금은 알루미늄보다 밀도가 약 36% 낮기 때문에 높은 비강도가 요구되는 응용 분야에 매우 매력적인 소재입니다. 이러한 특성 덕분에 마그네슘 합금은 경량화가 중요한 항공우주, 자동차, 휴대용 전자기기 등의 산업에서 잠재적인 게임 체인저로 자리매김하고 있습니다.
이러한 경량 합금의 용접 가능성을 평가하기 위해 펄스 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 레이저와 연속 이산화탄소(CO2) 레이저라는 두 가지 첨단 레이저 용접 기술을 사용하여 종합적인 테스트를 수행했습니다. 이 레이저 시스템은 정밀도, 제어 가능성, 열 영향 영역을 최소화하는 능력 때문에 선택되었습니다.
연구진은 판 두께가 1.8mm인 3.27% 알루미늄과 0.79% 아연으로 구성된 AZ31B-H244 마그네슘 합금에 초점을 맞춰 결함을 최소화하는 최적의 용접 파라미터를 확인했습니다. 가장 유리한 조건은 다음과 같은 설정의 펄스 YAG 레이저를 사용하여 달성되었습니다:
이러한 매개 변수는 열 입력, 용융 효율 및 응고 속도 간에 이상적인 균형을 유지하여 다공성 및 균열을 최소화하는 고품질 용접을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다.
이와 동시에 연속 CO2 레이저 용접 시험에서는 우수한 관통력이 입증되었습니다. 이 기술은 두꺼운 부분이나 깊고 좁은 용접이 필요한 용도에 특히 효과적인 것으로 입증되었습니다. CO2 레이저의 연속파 특성은 일관된 열 입력을 허용하여 접합부 전체에 걸쳐 균일한 용접 특성을 촉진합니다.
두 가지 레이저 용접 방법 모두 마그네슘 합금 접합에 유망한 결과를 보여줌으로써 첨단 제조 공정에서 이러한 경량 소재를 광범위하게 채택할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.
저합금 고강도 강철의 레이저 용접은 최적화된 파라미터로 수행하면 모재와 비슷하거나 그 이상의 기계적 특성을 가진 접합부를 생성할 수 있습니다. 이는 담금질 및 템퍼링 처리 후 뛰어난 강도와 균열 저항성으로 잘 알려진 전형적인 저합금 고강도 강철인 HY-130 강철과 같은 소재에 특히 중요합니다.
HY-130 강재는 세심한 합금 및 열처리를 통해 뛰어난 기계적 특성을 달성하는 저합금 고강도 강재의 대표적 예입니다. 일반적으로 강화 마르텐사이트로 구성된 미세 구조는 적절한 용접 기술을 사용할 경우 강도, 인성 및 용접성의 탁월한 균형을 제공합니다.
기존의 용접 방법은 종종 용접 및 열 영향 영역(HAZ) 내에 이질적인 미세 구조가 발생합니다. 이러한 구조는 일반적으로 거친 입자 영역, 미세 입자 영역, 원래 모재 구조의 잔재 등이 혼합되어 구성됩니다. 이러한 다양성은 때때로 유익할 수 있지만, 용접된 접합부 전체에서 일관되지 않은 기계적 특성을 초래하는 경우가 많습니다.
기존 용접 기술의 문제점은 모재에 비해 접합부의 인성과 균열 저항성이 떨어진다는 점입니다. 이러한 불일치는 용접부와 HAZ가 냉간 균열에 매우 취약한 용접 상태일 때 특히 두드러집니다. 이러한 취약성은 주로 강화되지 않은 마르텐사이트와 같은 부서지기 쉬운 미세 구조의 형성과 빠른 냉각 속도로 인해 유도된 잔류 응력의 존재로 인해 발생합니다.
그러나 레이저 용접은 이러한 문제를 완화하는 데 뚜렷한 이점을 제공합니다. 레이저 용접의 높은 에너지 밀도와 열 입력의 정밀한 제어로 인해 HAZ가 더 좁아지고 냉각 속도가 빨라지며 보다 균일하고 정교한 미세 구조를 얻을 수 있습니다. 레이저 출력, 용접 속도, 초점 위치 등의 파라미터를 신중하게 최적화함으로써 용접 미세 구조를 모재의 특성에 가깝게 일치시키거나 향상시킬 수 있으므로 냉간 균열의 위험을 최소화하고 전반적인 접합 성능을 개선할 수 있습니다.
레이저 용접은 전통적으로 상당한 어려움을 겪었던 이종 금속을 용접할 수 있는 기능을 포함하여 다양한 재료를 접합할 수 있는 탁월한 다용도성을 보여줍니다. 이 고급 접합 기술은 고에너지 밀도 레이저 빔을 활용하여 정밀하고 국부적인 열 영역을 생성함으로써 열 왜곡을 최소화하고 물리적, 화학적 특성이 다른 금속을 융합할 수 있습니다.
광범위한 연구와 산업 응용 분야에서 다양한 이종 금속 조합에 대한 레이저 용접의 효능이 입증되었습니다. 주목할 만한 조합으로는 구리-니켈, 니켈-티타늄, 구리-티타늄, 티타늄-몰리브덴, 황동-구리, 저탄소강-구리 등이 있습니다. 각 조합은 금속 간 화합물 형성, 열 응력 및 균열과 같은 문제를 완화하면서 건전한 금속 결합을 달성하기 위해 신중하게 최적화된 파라미터가 필요합니다.
예를 들어, 구리-니켈 용접은 레이저 용접의 빠른 가열 및 냉각 주기의 이점을 활용하여 부서지기 쉬운 금속 간 상이 성장하는 것을 제한합니다. 형상 기억 합금 응용 분야에서 중요한 니켈-티타늄 접합은 두 재료의 고유한 특성을 보존하기 위해 열 입력에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 항공우주 및 의료 산업에서 필수적인 티타늄-몰리브덴 조합은 레이저 용접의 좁은 융착 영역을 생성하는 기능을 활용하여 잠재적으로 해로운 금속 간 층의 범위를 최소화합니다.
레이저 용접은 이종 금속 접합에 상당한 이점을 제공하지만, 성공적인 구현을 위해서는 정밀한 빔 위치 지정, 출력 변조, 경우에 따라 호환성을 높이기 위한 중간층 또는 필러 재료의 사용 등 정교한 공정 제어가 필요하다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 파이버 및 다이오드 레이저의 채택이 증가함에 따라 이 분야의 가능성이 더욱 확대되어 더욱 까다로운 재료 조합을 위한 향상된 빔 품질과 제어가 가능해졌습니다.
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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