심층 침투 레이저 용접의 주요 공정 매개 변수

소개:

이전 기사에서 우리는 심층 침투 레이저 용접의 원리와 특성에 대해 논의했습니다. 여기서는 주요 공정 매개변수에 초점을 맞출 것입니다. 이것은 여러분이 이 용접 기술에 대해 더 많이 아는 데 도움이 될 것입니다.

심층 침투 레이저 용접의 주요 공정 매개 변수

1. 레이저 파워

레이저 용접에는 레이저 에너지 밀도의 임계값이 있습니다. 이 값 아래에서는 침투 깊이가 매우 얕습니다. 이 값에 도달하거나 초과하면 침투 깊이가 크게 증가합니다. 작업물의 레이저 전력 밀도가 임계값(재료에 따라 다름)을 초과할 때만 플라즈마가 생성됩니다. 이는 안정적인 심층 침투 용접의 진행을 나타냅니다.

레이저 출력이 이 임계값보다 낮으면 작업물의 표면 용융만 발생합니다. 이는 안정적인 열전도 용접입니다. 그러나 레이저 출력 밀도가 작은 구멍 형성을 위한 임계 조건에 가까울 때 심관입 용접과 전도 용접이 번갈아 수행됩니다. 이는 불안정한 용접 공정이 되어 침투 깊이에 큰 변동이 발생합니다.

레이저 심층 침투 용접 중 레이저 전력은 침투 깊이와 용접 속도를 동시에 제어합니다. 용접 침투는 빔 전력 밀도와 직접 관련이 있으며 입사 빔 전력과 빔 초점의 함수입니다. 일반적으로 특정 직경의 레이저 빔의 경우 빔 전력이 증가함에 따라 침투 깊이가 증가합니다.

2. 빔 초점 스팟

빔 스팟 크기는 레이저 용접에서 가장 중요한 변수 중 하나입니다. 왜냐하면 그것은 전력 밀도를 결정하기 때문입니다. 하지만 고전력 레이저의 경우 측정이 어렵습니다. 간접 측정 기술이 많이 있지만요.

빔 초점의 회절 한계 스팟 크기는 광 회절 이론에 따라 계산할 수 있습니다. 그러나 초점 렌즈 수차가 존재하기 때문에 실제 스팟 크기는 계산된 값보다 큽니다. 가장 간단한 실용적인 방법은 등온 프로파일링 방법입니다. 즉 두꺼운 종이로 폴리프로필렌 판을 탄화하고 관통한 후 초점 스팟과 천공 직경을 측정하는 것입니다. 이 방법은 측정 연습을 통해 레이저 출력과 빔 작동 시간을 숙지해야 합니다.

3. 물질흡수율

재료에 의한 레이저 광의 흡수는 재료의 몇 가지 중요한 특성에 따라 달라집니다. 예를 들어 흡수율, 반사율, 열전도도, 용융 온도, 증발 온도 등입니다.
가장 중요한 것은 흡수율입니다.

재료가 레이저 빔에 흡수되는 속도에 영향을 미치는 요인에는 두 가지 측면이 있습니다.

• 먼저, 재료의 연마된 표면의 흡광도를 측정합니다. 재료의 저항률은 저항률 계수의 제곱근에 비례하는 것으로 밝혀졌습니다. 저항률 계수는 온도에 따라 변합니다.
• 둘째, 재료의 표면 상태(또는 마감)는 빔 흡수율에 더 중요한 영향을 미칩니다. 따라서 용접 효과에 상당한 영향을 미칩니다.

세라믹, 유리, 고무, 플라스틱과 같은 비금속은 실온에서 높은 흡수율을 보입니다. 그러나 금속 재료는 실온에서 흡수율이 낮습니다. 그리고 재료가 녹거나 증발하면 급격히 증가합니다. 표면 코팅이나 표면 산화막을 사용하면 재료의 광선 흡수율이 효과적으로 향상됩니다.

4. 용접속도

용접 속도는 침투 깊이에 큰 영향을 미칩니다. 속도를 높이면 침투가 얕아집니다. 그러나 속도가 너무 낮으면 재료가 과도하게 용융되고 작업물이 용접됩니다. 따라서 특정 레이저 출력과 두께를 가진 특정 재료에 적합한 용접 속도 범위가 존재합니다. 최대 침투 깊이는 해당 속도 값에서 얻을 수 있습니다.

5. 보호가스

불활성 가스는 종종 레이저 용접 중 용융 풀을 보호하는 데 사용됩니다. 일부 재료는 표면 산화와 관계없이 용접되며 보호가 고려되지 않을 수 있습니다. 그러나 대부분의 응용 분야에서는 헬륨, 아르곤, 질소 및 기타 가스가 종종 보호로 사용됩니다.

• 헬륨

헬륨은 쉽게 이온화되지 않습니다(더 높은 이온화 에너지). 이를 통해 레이저가 매끄럽게 통과하고 빔 에너지가 방해 없이 작업물 표면에 도달합니다. 이것은 레이저 용접에 사용되는 가장 효과적인 차폐 가스입니다. 하지만 더 비쌉니다.

• 아르곤가스

아르곤 가스는 저렴하고 밀도가 높아 보호 효과가 더 좋습니다. 그러나 고온 금속 플라즈마 이온화에 취약합니다. 이는 빔의 일부가 작업물에 부딪히는 것을 보호하고 용접을 위한 효과적인 레이저 전력을 감소시키며 용접 속도와 침투를 손상시킬 수 있습니다. 아르곤으로 보호되는 용접 표면은 헬륨으로 보호될 때보다 매끄럽습니다.

• 질소

질소는 가장 저렴한 보호 가스입니다. 그러나 흡수와 같은 야금학적 문제로 인해 일부 유형의 스테인리스강 용접에는 적합하지 않습니다. 때때로 이로 인해 겹치는 부분에 기공이 생깁니다.

보호가스를 사용하면 주로 다음 세 가지 측면에서 유익합니다.

• 납땜 중 작업물을 산화로부터 보호합니다.
• 초점 렌즈를 금속 증기 오염 및 액체 방울의 스퍼터링으로부터 보호합니다. 특히 고출력 레이저 용접에서 그렇습니다. 방출이 강력해지기 때문에 지금 렌즈를 보호할 필요가 있습니다.
• 고출력 레이저 용접으로 생성된 플라즈마 실드를 소산시킨다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하고 플라즈마 구름으로 이온화된다. 금속 증기 주변의 보호 가스도 열로 인해 이온화된다. 플라즈마가 너무 많으면 레이저 빔이 플라즈마에 의해 다소 소모된다. 플라즈마는 작업 표면에 2차 에너지로 존재하여 침투가 얕아지고 용접 풀 표면이 넓어진다. 전자의 재결합 속도는 전자와 이온 및 중성 원자의 3체 충돌을 증가시켜 플라즈마의 전자 밀도를 줄임으로써 증가한다. 중성 원자가 가벼울수록 충돌 빈도와 재결합 속도가 높아진다. 반면에 이온화 에너지가 높은 보호 가스만이 가스 자체의 이온화로 인해 전자 밀도를 증가시키지 않는다.

6. 렌즈 초점거리

초점 방법은 일반적으로 용접 시 레이저를 응축하는 데 사용되며 초점 거리가 63~254mm인 렌즈가 일반적으로 사용됩니다. 초점 스팟 크기는 초점 거리에 비례합니다. 초점 거리가 짧을수록 스팟이 작아집니다. 그러나 초점 거리는 초점 깊이에도 영향을 미칩니다. 즉, 초점 깊이는 초점 거리와 동기적으로 증가합니다. 따라서 초점 거리가 짧으면 전력 밀도가 증가할 수 있습니다. 초점 깊이가 작기 때문에 렌즈와 공작물 사이의 거리를 정확하게 유지해야 하며 침투 깊이가 크지 않습니다.

용접 공정에서 발생하는 스패터와 레이저 모드의 영향으로 실제 용접에 사용되는 가장 짧은 초점 깊이는 대부분 초점 거리 126mm(5인치)입니다. 조인트가 크거나 스팟 크기를 늘려 용접 이음매를 늘려야 하는 경우 초점 거리가 254mm인 렌즈를 선택할 수 있습니다. 이 경우 깊은 침투 핀홀 효과를 얻으려면 더 높은 레이저 출력 전력(전력 밀도)이 필요합니다.

레이저 출력이 2kW를 초과하면(특히 10.6μm CO2 레이저 빔의 경우) 광학 시스템을 형성하기 위해 특수 광학 재료를 사용하기 때문에 초점 렌즈의 광학적 손상 위험을 피하기 위해 반사 초점 방법이 종종 사용됩니다. 일반적으로 광택 구리 거울이 반사기로 사용됩니다. 효과적인 냉각으로 인해 고출력 레이저 빔을 초점 맞추는 데 종종 권장됩니다.

7. 초점 위치

초점 위치는 용접 시 적절한 전력 밀도를 유지하는 데 중요합니다. 작업물 표면에 대한 초점 위치의 변화는 용접 폭과 깊이에 직접적인 영향을 미칩니다.
대부분의 레이저 용접 작업에서 초점은 일반적으로 작업물 표면 아래 원하는 융합 깊이의 약 1/4에 위치합니다.

8. 레이저 빔 위치

이종 소재를 레이저 용접할 때, 레이저 빔 위치는 용접의 최종 품질을 제어하는데, 특히 랩 조인트보다 맞대기 조인트의 경우에 그렇습니다. 예를 들어, 경화 강철 기어를 연강 드럼에 용접할 때 레이저 빔 위치를 적절히 제어하면 비교적 균열에 강하고 주로 저탄소 성분을 가진 용접을 만드는 데 도움이 됩니다. 일부 응용 분야에서는 용접할 작업물의 형상 때문에 레이저 빔을 각도만큼 편향시켜야 합니다. 빔 축과 조인트 평면 사이의 편향 각도가 100도 이내이면 작업물에 의한 레이저 에너지 흡수에 영향을 미치지 않습니다.

9. 용접 시작 및 종료 지점에서 레이저 출력의 점진적인 상승 및 하강 제어

레이저 심관입 용접 시, 용접 깊이에 관계없이 항상 작은 구멍이 존재합니다. 용접 공정이 종료되고 전원 스위치가 꺼지면 용접 끝에 피트가 나타납니다. 또한 레이저 용접 층이 원래 용접 이음매를 덮으면 레이저 빔의 과도한 흡수가 발생합니다. 이로 인해 용접물이 과열되거나 기공이 발생합니다.

위의 현상이 발생하지 않도록 전원 시작 및 종료 지점을 프로그래밍하여 전원 시작 및 종료 시간을 조정할 수 있습니다. 초기 전원은 짧은 시간 내에 0에서 설정된 전원 값으로 전자적으로 증가합니다. 그리고 용접 시간을 조정할 수 있습니다. 마지막으로 용접이 종료되면 전원이 설정 전원에서 0으로 점차 감소합니다.