코어 직경이 다른 레이저의 용접 효과 비교

레이저 용접연속 레이저 빔 또는 펄스 레이저 빔을 사용하여 구현할 수 있습니다. 원리는 다음과 같습니다.레이저 용접레이저 심층 용접은 열전도 용접과 레이저 심층 용접으로 나눌 수 있습니다. 전력 밀도가 10⁴~10⁵ W/cm² 미만일 때는 열전도 용접입니다. 이때 용접 깊이가 얕고 용접 속도가 느립니다. 전력 밀도가 10⁵~10⁷ W/cm² 이상일 때는 열로 인해 금속 표면에 "구멍" 모양의 오목한 부분이 생겨 심층 용접이 형성됩니다. 심층 용접은 용접 속도가 빠르고 종횡비가 큰 것이 특징입니다. 열전도 원리는 용접 과정에서 금속 표면에 열이 전달되는 방식입니다.레이저 용접레이저 복사열이 가공할 표면을 가열하고, 표면의 열이 열전도를 통해 내부로 확산됩니다. 레이저 펄스 폭, 에너지, 최대 출력, 반복 주파수와 같은 레이저 매개변수를 제어함으로써 공작물을 녹여 특정한 용융 풀을 형성할 수 있습니다.

레이저 심층 용접은 일반적으로 연속적인 레이저 빔을 사용하여 재료의 접합을 완료합니다. 그 야금학적 물리적 과정은 전자빔 용접과 매우 유사하며, 즉 에너지 변환 메커니즘이 "키홀" 구조를 통해 이루어집니다.

충분히 높은 출력 밀도의 레이저를 조사하면 물질이 증발하여 작은 구멍들이 형성됩니다. 증기로 채워진 이 작은 구멍은 마치 흑체처럼 입사되는 레이저 빔의 에너지를 거의 모두 흡수합니다. 구멍 내부의 평형 온도는 약 2500℃에 도달합니다.°C. 고온 구멍의 외벽에서 열이 전달되어 구멍 주변의 금속이 녹습니다. 작은 구멍은 빔 조사 하에서 벽면 재료의 지속적인 증발로 생성된 고온 증기로 채워집니다. 작은 구멍의 벽면은 용융 금속으로 둘러싸여 있고, 액체 금속은 고체 재료로 둘러싸여 있습니다(대부분의 기존 용접 공정 및 레이저 전도 용접에서는 에너지가 먼저 공작물 표면에 전달된 후 내부로 전달됩니다). 구멍 벽 외부의 액체 흐름과 벽면 층의 표면 장력은 구멍 내부에서 지속적으로 생성되는 증기압과 동위상으로 작용하여 동적 평형을 유지합니다. 광선이 작은 구멍으로 지속적으로 유입되고, 작은 구멍 외부의 재료는 지속적으로 흐릅니다. 광선이 이동함에 따라 작은 구멍은 항상 안정적인 유동 상태를 유지합니다.

즉, 작은 구멍과 구멍 벽을 둘러싼 용융 금속이 파일럿 빔의 전진 속도에 맞춰 앞으로 이동합니다. 용융 금속은 작은 구멍이 제거된 후 남은 틈을 채우고 그에 따라 응축되어 용접부가 형성됩니다. 이 모든 과정이 매우 빠르게 진행되기 때문에 용접 속도는 분당 수 미터에 쉽게 도달할 수 있습니다.

출력 밀도, 열전도 용접 및 심부 침투 용접의 기본 개념을 이해한 후, 다음으로는 다양한 코어 직경에 대한 출력 밀도 및 금속 조직학적 상을 비교 분석할 것입니다.

시중에서 흔히 볼 수 있는 레이저 코어 직경을 기준으로 한 용접 실험 비교:

코어 직경이 다른 레이저의 초점 위치별 전력 밀도

출력 밀도 관점에서 볼 때, 동일한 출력에서 ​​코어 직경이 작을수록 레이저의 밝기가 높아지고 에너지가 더욱 집중됩니다. 레이저를 날카로운 칼에 비유하자면, 코어 직경이 작을수록 레이저의 절삭력이 더 날카롭습니다. 14μm 코어 직경 레이저의 출력 밀도는 100μm 코어 직경 레이저보다 50배 이상 높으며, 가공 능력 또한 훨씬 뛰어납니다. 다만, 여기서 계산된 출력 밀도는 단순 평균값이며, 실제 에너지 분포는 대략 가우시안 분포를 따르므로 중심 에너지는 평균 출력 밀도의 몇 배에 달합니다.

코어 직경이 다른 경우 레이저 에너지 분포의 개략도

에너지 분포도의 색상은 에너지 분포를 나타냅니다. 색상이 붉을수록 에너지가 높습니다. 붉은색은 에너지가 집중된 부분을 나타냅니다. 코어 직경이 다른 레이저 빔의 에너지 분포를 통해 레이저 빔의 전면이 불분명한 부분과 선명한 부분을 비교해 볼 수 있습니다. 코어 직경이 작을수록 에너지가 한 지점에 집중되어 더욱 선명해지고 투과력이 강해집니다.

코어 직경이 다른 레이저의 용접 효과 비교

코어 직경이 다른 레이저 비교:

(1) 실험에서는 150mm/s의 속도, 초점 위치 용접을 사용하며 재료는 1 시리즈 알루미늄, 두께 2mm입니다.

(2) 코어 직경이 클수록 용융 폭이 커지고 열영향부가 커지며 단위 전력 밀도가 작아집니다. 코어 직경이 200um를 초과하면 알루미늄이나 구리와 같은 고반응성 합금에서 침투 깊이를 달성하기가 쉽지 않고 고출력에서만 더 깊은 침투 용접이 가능합니다.

(3) 소형 코어 레이저는 높은 출력 밀도를 가지며 높은 에너지와 작은 열영향부로 재료 표면에 키홀을 빠르게 뚫을 수 있습니다. 그러나 동시에 용접면이 거칠고 저속 용접 시 키홀 붕괴 확률이 높으며 용접 사이클 동안 키홀이 닫히고 사이클이 길어 결함이나 기공과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다. 고속 가공이나 스윙 궤적 가공에 적합합니다.

(4) 코어 직경이 큰 레이저는 더 큰 광점을 가지며 더 많은 에너지를 분산시키므로 레이저 표면 재용융, 클래딩, 어닐링 및 기타 공정에 더 적합합니다.