열쇠구멍의 형성 및 발달 과정:
키홀 현상 정의: 레이저 조사 강도가 10^6W/cm^2보다 클 때, 레이저의 작용으로 재료 표면이 녹고 증발합니다. 증발 속도가 충분히 커지면 생성된 증기 반동 압력이 액체 금속의 표면 장력과 중력을 극복하여 액체 금속의 일부를 밀어내고, 여기 영역의 용융 풀이 가라앉아 작은 구멍을 형성합니다. 레이저 빔이 이 작은 구멍 바닥에 직접 작용하여 금속을 더욱 녹이고 기화시킵니다. 고압의 증기는 구멍 바닥의 액체 금속을 용융 풀의 주변으로 계속 흐르게 하여 작은 구멍을 더욱 깊게 만듭니다. 이 과정이 반복되어 최종적으로 액체 금속에 열쇠 구멍 모양의 구멍이 형성됩니다. 작은 구멍 내부에서 레이저 빔에 의해 생성된 금속 증기압이 액체 금속의 표면 장력과 중력과 평형을 이루면 작은 구멍은 더 이상 깊어지지 않고 깊이가 안정적인 상태를 유지하는데, 이를 "작은 구멍 효과"라고 합니다.
레이저 빔이 공작물에 대해 상대적으로 이동함에 따라, 작은 구멍은 앞쪽은 약간 뒤쪽으로 휘어진 곡선 형태를 보이고 뒤쪽은 명확하게 기울어진 역삼각형 모양을 나타냅니다. 작은 구멍의 앞쪽 가장자리는 레이저의 작용 영역으로 고온 및 고압 증기압을 가지는 반면, 뒤쪽 가장자리는 상대적으로 온도가 낮고 증기압이 낮습니다. 이러한 압력 및 온도 차이로 인해 용융액은 작은 구멍 주변을 앞쪽에서 뒤쪽으로 흐르면서 작은 구멍의 뒤쪽 끝에서 와류를 형성하고 최종적으로 뒤쪽 가장자리에서 응고됩니다. 위 그림은 레이저 시뮬레이션과 실제 용접을 통해 얻은 키홀의 동적 상태를 보여주며, 다양한 속도로 이동할 때 작은 구멍의 형상과 주변 용융액의 흐름을 나타냅니다.
미세한 구멍들 때문에 레이저 빔 에너지가 재료 내부로 침투하여 깊고 좁은 용접부를 형성합니다. 위 그림은 레이저 심층 침투 용접부의 전형적인 단면 형상을 보여줍니다. 용접부의 침투 깊이는 키홀의 깊이와 거의 같습니다(정확히 말하면, 금속 조직층은 키홀보다 60~100μm 더 깊고, 액체층이 하나 더 적습니다). 레이저 에너지 밀도가 높을수록 미세한 구멍이 더 깊어지고 용접부의 침투 깊이도 더 깊어집니다. 고출력 레이저 용접에서 용접부의 깊이 대 폭 비율은 최대 12:1에 달할 수 있습니다.
흡수 분석레이저 에너지열쇠구멍으로
미세 기공과 플라즈마가 형성되기 전에는 레이저 에너지가 주로 열전도를 통해 공작물 내부로 전달됩니다. 이 경우 용접 공정은 전도 용접(침투 깊이 0.5mm 미만)에 해당하며, 재료의 레이저 흡수율은 25~45%입니다. 키홀이 형성되면 레이저 에너지는 키홀 효과를 통해 공작물 내부에서 주로 흡수되며, 용접 공정은 심층 침투 용접(침투 깊이 0.5mm 이상)으로 바뀌어 흡수율이 60~90% 이상에 도달할 수 있습니다.
키홀 효과는 레이저 용접, 절단, 드릴링과 같은 가공 과정에서 레이저 흡수율을 높이는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 키홀에 들어간 레이저 빔은 구멍 벽에서 여러 번 반사되면서 거의 완전히 흡수됩니다.
레이저의 키홀 내부 에너지 흡수 메커니즘은 역흡수와 프레넬 흡수라는 두 가지 과정을 포함하는 것으로 일반적으로 알려져 있습니다.
열쇠구멍 내부의 압력 균형
레이저 심부 용접 시 재료는 심하게 증발하고, 고온 증기에 의해 발생하는 팽창 압력으로 인해 액체 금속이 배출되어 미세한 구멍이 형성됩니다. 재료의 증기압과 삭마압(증발 반력 또는 반동 압력이라고도 함) 외에도 표면 장력, 중력에 의한 액체 정압, 그리고 미세 구멍 내부에서 용융 재료의 흐름에 의해 발생하는 유체 동압이 작용합니다. 이러한 압력 중 증기압만이 미세 구멍의 열린 상태를 유지하고, 나머지 세 가지 힘은 미세 구멍을 닫으려는 경향이 있습니다. 용접 과정에서 키홀의 안정성을 유지하려면 증기압이 다른 저항을 극복하고 평형을 이루어야 하며, 이를 통해 키홀의 장기적인 안정성을 유지할 수 있습니다. 일반적으로 키홀 벽에 작용하는 힘은 주로 삭마압(금속 증기 반동 압력)과 표면 장력으로 간주됩니다.
키홀의 불안정성
배경: 레이저가 재료 표면에 작용하면 다량의 금속이 증발합니다. 이때 발생하는 반동 압력이 용융된 금속 풀을 눌러 키홀과 플라즈마를 형성하고, 결과적으로 용융 깊이가 증가합니다. 레이저가 이동하는 과정에서 키홀의 전면 벽에 부딪히면, 레이저가 재료와 접촉하는 부위에서 심한 증발이 발생합니다. 동시에 키홀 벽면은 질량 손실을 겪게 되고, 이 증발로 인해 발생하는 반동 압력이 용융된 금속을 눌러 키홀 내부 벽면이 아래쪽으로 요동치며 용융 풀 뒤쪽으로 이동합니다. 용융된 금속 풀의 부피가 전면 벽에서 후면 벽으로 이동함에 따라 키홀 내부의 부피가 지속적으로 변화하고, 이에 따라 키홀 내부 압력도 변화하여 분출되는 플라즈마의 부피가 변하게 됩니다. 플라즈마 부피의 변화는 레이저 에너지의 차폐, 굴절 및 흡수 변화를 초래하여 재료 표면에 도달하는 레이저 에너지의 변화를 야기합니다. 전체 과정은 역동적이고 주기적이며, 최종적으로 톱니 모양 또는 물결 모양의 금속 침투를 발생시켜 매끄럽고 균일한 침투 용접을 얻을 수 없습니다. 위 그림은 용접 중심에 평행하게 세로로 절단하여 얻은 용접부 중심부의 단면도이며, 키홀 깊이 변화를 실시간으로 측정한 결과이기도 합니다.IPG-LDD를 증거로 제시합니다.
열쇠구멍의 안정성 방향을 개선합니다
레이저 심부 용접 시, 작은 구멍의 안정성은 구멍 내부의 다양한 압력의 동적 평형에 의해서만 확보됩니다. 그러나 구멍 벽에 의한 레이저 에너지 흡수, 재료 증발, 작은 구멍 외부로의 금속 증기 배출, 작은 구멍과 용융 풀의 전진 운동은 모두 매우 강렬하고 빠른 과정입니다. 특정 공정 조건, 즉 용접 과정 중 특정 순간에 작은 구멍의 안정성이 국부적으로 깨져 용접 결함이 발생할 가능성이 있습니다. 가장 대표적이고 흔한 결함으로는 미세 기공형 기공 결함과 키홀 붕괴로 인한 스패터가 있습니다.
그렇다면 열쇠 구멍을 어떻게 안정시킬 수 있을까요?
키홀 유체의 변동은 비교적 복잡하며 온도장, 유동장, 힘장, 광전자 물리학 등 너무나 많은 요인이 관련되어 있는데, 이를 간단히 두 가지 범주로 요약할 수 있습니다. 첫째는 표면 장력과 금속 증기 반동 압력의 관계입니다. 금속 증기의 반동 압력은 키홀 생성에 직접적인 영향을 미치며, 키홀의 깊이와 부피에 밀접한 관련이 있습니다. 동시에 용접 과정에서 유일하게 위로 이동하는 물질인 금속 증기는 스패터 발생과도 밀접한 관련이 있습니다. 둘째는 표면 장력이 용융 풀의 흐름에 영향을 미친다는 점입니다.
따라서 안정적인 레이저 용접 공정은 용융 풀 내 표면 장력 분포의 기울기를 과도한 변동 없이 유지하는 데 달려 있습니다. 표면 장력은 온도 분포와 관련이 있으며, 온도 분포는 열원과 관련이 있습니다. 그러므로 복합 열원과 스윙 용접은 안정적인 용접 공정을 위한 잠재적인 기술 방향입니다.
금속 증기 및 키홀 부피를 조절할 때는 플라즈마 효과와 키홀 개구부 크기에 주의해야 합니다. 개구부가 클수록 키홀도 커지고, 용융 풀 바닥 지점의 미세한 변동은 전체 키홀 부피 및 내부 압력 변화에 상대적으로 작은 영향을 미칩니다. 따라서 조절 가능한 링 모드 레이저(환형 스팟), 레이저 아크 재조합, 주파수 변조 등은 모두 확장 가능한 방향입니다.
게시 시간: 2023년 12월 1일
