레이저 용접은 레이저 가공 기술 응용 분야의 중요한 측면 중 하나이며, 21세기에서 가장 주목받고 유망한 용접 기술이기도 합니다. 기존 용접 방식과 비교했을 때, 레이저 용접은 더 높은 용접 품질과 더 빠른 효율 등 여러 장점을 가지고 있습니다. 현재 레이저 용접 기술은 제조업, 분말 야금, 자동차 산업, 전자 산업, 바이오 의학 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다.
용접 풀 형성 메커니즘에 따라 레이저 용접은 크게 열전도 용접과 심층 침투(미세 기공) 용접의 두 가지 기본 메커니즘으로 나뉩니다. 열전도 용접에서 발생하는 열은 열전달을 통해 공작물로 확산되어 용접면이 용융되며, 증발 현상이 거의 발생하지 않습니다. 이러한 용접 방식은 저속으로 얇은 벽 부품을 용접할 때 주로 사용됩니다. 심층 침투 용접은 재료를 증발시키고 다량의 플라즈마를 생성합니다. 높은 열로 인해 용융 풀의 앞쪽에 미세 기공이 발생할 수 있습니다. 심층 침투 용접은 공작물을 완벽하게 용접할 수 있으며, 투입 에너지가 크고 용접 속도가 빠르다는 장점이 있어 가장 널리 사용되는 레이저 용접 방식입니다.
레이저 용접 품질에 영향을 미치는 공정 변수에는 출력 밀도, 레이저 펄스 파형, 초점 이탈, 용접 속도 및 보조 가스 분사량 등이 있습니다.
1. 레이저 출력 밀도 출력 밀도는 레이저 가공에서 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 출력 밀도가 높을수록 표면층이 마이크로초 단위의 시간 내에 끓는점까지 가열되어 많은 양의 기화가 발생합니다. 따라서 높은 출력 밀도는 펀칭, 절단, 조각과 같은 재료 제거 가공에 매우 유리합니다. 출력 밀도가 낮으면 표면 온도가 끓는점에 도달하는 데 수 밀리초가 걸리고, 표면층이 기화되기 전에 하부층이 녹는점에 도달하여 양호한 용접이 이루어지기 쉽습니다. 따라서 열전도 레이저 용접에서 출력 밀도 범위는 10⁴~10⁶W/cm²입니다.
2. 레이저 펄스 파형
레이저 펄스 파형은 재료 제거와 재료 용융을 구분하는 중요한 매개변수일 뿐만 아니라, 가공 장비의 용량과 비용을 결정하는 핵심 요소이기도 합니다. 고강도 레이저 빔이 재료 표면에 조사될 때, 재료 표면은 레이저 에너지의 60~90%를 반사하여 손실합니다. 특히 금, 은, 구리, 알루미늄, 티타늄 등의 재료는 반사율이 높고 열 전달이 빠릅니다. 금속의 반사율은 레이저 펄스 신호 동안 시간에 따라 변화합니다. 재료 표면 온도가 용융점에 도달하면 반사율이 급격히 감소하고, 표면이 용융 상태에 이르면 반사율은 특정 값으로 안정화됩니다.
3. 펄스 폭 펄스 폭은 펄스 레이저 용접의 중요한 매개변수입니다. 펄스 폭은 용입 깊이와 열영향부에 영향을 미칩니다. 펄스 폭이 길수록 열영향부가 커지고, 용입 깊이는 펄스 폭의 1/2배로 증가합니다. 그러나 펄스 폭이 증가하면 피크 출력이 감소하므로, 일반적으로 펄스 폭 증가는 열전도 용접에 사용되어 넓고 얕은 용접부를 얻을 수 있으며, 특히 얇은 판재와 두꺼운 판재의 겹침 용접에 적합합니다. 하지만 피크 출력이 낮아지면 열 입력이 과도해지며, 각 재료마다 용입 깊이를 최대화하는 최적의 펄스 폭이 존재합니다.
4. 디포커싱 레이저 용접은 일반적으로 일정량의 디포커싱이 필요합니다. 스폿 중심부의 레이저 초점이 너무 높으면 기포로 용융물이 쉽게 증발하기 때문입니다. 디포커싱을 통해 레이저 초점에서 멀리 떨어진 각 평면에서 전력 밀도 분포가 비교적 균일해지도록 할 수 있습니다. 디포커싱 방법에는 양의 디포커싱과 음의 디포커싱 두 가지가 있습니다. 초점면이 공작물 위에 위치하면 양의 디포커싱이고, 그렇지 않으면 음의 디포커싱입니다. 기하광학 이론에 따르면, 양의 디포커싱 평면과 음의 디포커싱 평면과 용접 평면 사이의 거리가 같을 때, 해당 평면의 전력 밀도는 거의 동일하지만, 실제로 얻어지는 용접 풀의 형상은 다릅니다. 음의 디포커싱의 경우, 더 깊은 용입 깊이를 얻을 수 있는데, 이는 용융 풀 형성 과정과 관련이 있습니다.
5. 용접 속도 용접 속도는 용접면 품질, 용입 깊이, 열영향부 등에 영향을 미칩니다. 용접 속도는 단위 시간당 열 입력량에 영향을 주는데, 용접 속도가 너무 느리면 열 입력량이 과도해져 용접부가 타버릴 수 있습니다. 반대로 용접 속도가 너무 빠르면 열 입력량이 너무 적어 용접부가 불투명해질 수 있습니다. 일반적으로 용접 속도를 줄이면 용입 깊이를 향상시킬 수 있습니다.
6. 보조 가스 주입 및 보호 가스 주입은 고출력 레이저 용접에서 필수적인 공정입니다. 이는 금속 재료의 스퍼터링 및 집속 거울 오염을 방지하는 한편, 용접 과정에서 생성된 플라즈마가 과도하게 집중되어 레이저가 재료 표면에 도달하는 것을 막는 역할을 합니다. 레이저 용접 과정에서는 용융 풀을 보호하기 위해 헬륨, 아르곤, 질소 등의 가스가 일반적으로 사용되며, 이를 통해 용접 공정에서 공작물의 산화를 방지합니다. 보호 가스의 종류, 공기 유량, 주입 각도 등의 요소는 용접 결과에 큰 영향을 미치며, 주입 방식 또한 용접 품질에 일정한 영향을 줍니다.
헬륨은 이온화가 잘 되지 않아(이온화 에너지가 높음) 레이저 빔이 원활하게 통과하고 가공물 표면에 방해 없이 도달할 수 있도록 합니다. 이는 레이저 용접에 사용되는 가장 효과적인 보호 가스이지만 가격이 상대적으로 비쌉니다. 아르곤은 더 저렴하고 밀도가 높아 보호 효과가 더 우수합니다. 그러나 고온의 금속 플라즈마에 의해 쉽게 이온화되어 가공물에 도달하는 빔의 일부를 차단함으로써 용접에 필요한 레이저 출력을 감소시키고 용접 속도와 침투 깊이를 저하시킵니다. 아르곤으로 보호된 용접면은 헬륨으로 보호된 용접면보다 매끄럽습니다. 질소는 보호 가스 중 가장 저렴하지만, 흡수와 같은 야금학적 문제로 인해 일부 스테인리스강 용접에는 적합하지 않습니다. 이러한 흡수 현상은 때때로 겹침 부위에 기공을 생성할 수 있습니다.
새로운 용접 기술인 레이저 용접은 높은 에너지 밀도, 빠른 속도, 높은 정밀도, 깊은 침투력 및 뛰어난 적응성 등의 특징을 가지고 있습니다. 그 적용 범위가 점점 넓어지고 있으며, 생산 효율 향상뿐 아니라 용접 품질 향상에도 기여하고 있습니다. 레이저 용접 기술은 앞으로 재료 가공 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
게시 시간: 2023년 3월 28일
