기존 용접 기술과 비교했을 때,레이저 용접용접 정밀도, 효율성, 신뢰성, 자동화 등 여러 측면에서 타의 추종을 불허하는 장점을 가지고 있습니다. 최근 자동차, 에너지, 전자 등 다양한 분야에서 빠르게 발전해 왔으며, 21세기 가장 유망한 제조 기술 중 하나로 손꼽힙니다.
1. 이중 빔 개요레이저 용접
이중 빔레이저 용접이중 빔 방식은 동일한 레이저를 두 개의 분리된 광선으로 나누어 용접하거나, CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 고출력 반도체 레이저 등 서로 다른 두 종류의 레이저를 결합하여 사용하는 광학적 방법을 말합니다. 이러한 방식은 주로 레이저 용접의 조립 정밀도에 대한 적응성 문제를 해결하고, 용접 공정의 안정성을 향상시키며, 용접 품질을 개선하기 위해 제안되었습니다.레이저 용접빔 에너지 비율, 빔 간격, 심지어 두 레이저 빔의 에너지 분포 패턴까지 변경하여 용접 온도장을 편리하고 유연하게 조절할 수 있으며, 용융 풀 내 키홀 발생 패턴과 액체 금속의 흐름 패턴을 변경하여 더욱 다양한 용접 공정을 선택할 수 있습니다. 이는 단순히 큰 용량의 용접이 가능하다는 장점뿐만 아니라,레이저 용접침투력, 빠른 속도 및 높은 정밀도를 자랑할 뿐만 아니라 기존 용접 방식으로는 용접하기 어려운 재료 및 접합부에도 적합합니다.레이저 용접.
이중 빔용레이저 용접먼저 이중 빔 레이저의 구현 방법에 대해 논의합니다. 관련 문헌을 종합적으로 살펴보면 이중 빔 용접을 구현하는 주요 방법에는 투과 집속과 반사 집속 두 가지가 있습니다. 구체적으로, 하나는 집속 거울과 평행 거울을 통해 두 레이저의 각도와 간격을 조절하는 방식이고, 다른 하나는 레이저 광원을 사용하여 반사 거울, 투과 거울, 쐐기형 거울 등을 통해 이중 빔을 형성하는 방식입니다. 첫 번째 방식에는 크게 세 가지 형태가 있습니다. 첫 번째는 광섬유를 통해 두 레이저를 결합하고 동일한 평행 거울과 집속 거울 아래에서 두 개의 서로 다른 빔으로 분리하는 방식입니다. 두 번째는 두 레이저가 각각의 용접 헤드를 통해 레이저 빔을 출력하고, 용접 헤드의 공간적 위치를 조절하여 이중 빔을 형성하는 방식입니다. 세 번째는 레이저 빔을 먼저 두 개의 거울 1과 2를 통해 분리한 후, 두 개의 집속 거울 3과 4를 통해 각각 집속하는 방식입니다. 두 초점 사이의 위치와 거리는 두 개의 집속 거울 3과 4의 각도를 조절하여 조정할 수 있습니다. 두 번째 방법은 고체 레이저를 사용하여 빛을 분할하여 이중 빔을 생성하고, 투사 거울과 집속 거울을 통해 각도와 간격을 조정하는 것입니다. 아래 첫 번째 줄의 마지막 두 그림은 CO2 레이저의 분광 시스템을 보여줍니다. 평면 거울을 쐐기형 거울로 교체하고 집속 거울 앞에 배치하여 빛을 분할함으로써 평행한 이중 빔을 얻습니다.
이중 빔 구조의 구현 방식을 이해했으니 이제 용접 원리와 방법에 대해 간략하게 소개하겠습니다. 이중 빔 구조에서레이저 용접용접 공정에는 직렬 배열, 병렬 배열, 혼합 배열의 세 가지 일반적인 빔 배열 방식이 있습니다. 즉, 용접 방향과 용접 수직 방향 모두에 간격이 있습니다. 그림의 마지막 행에 나타낸 바와 같이, 직렬 용접 공정 중 서로 다른 스폿 간격에서 나타나는 미세 기공과 용융 풀의 모양에 따라, 이들은 단일 용융 풀, 공통 용융 풀, 분리된 용융 풀의 세 가지 상태로 further 분류될 수 있습니다. 단일 용융 풀과 분리된 용융 풀의 특성은 단일 용융 풀의 특성과 유사합니다.레이저 용접수치 시뮬레이션 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 유형별로 공정 효과가 다릅니다.
유형 1: 특정 스폿 간격에서 두 개의 빔 키홀이 동일한 용융 풀에서 하나의 큰 키홀을 형성합니다. 유형 1의 경우, 한 빔은 작은 구멍을 만드는 데 사용하고 다른 빔은 용접 열처리에 사용하여 고탄소강 및 합금강의 구조적 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있다고 보고되었습니다.
유형 2: 동일한 용융 풀 내의 스폿 간격을 늘리고, 두 개의 빔을 두 개의 독립적인 키홀로 분리하며, 용융 풀의 흐름 패턴을 변경합니다. 유형 2는 두 개의 전자빔 용접과 동일한 기능을 하며, 적절한 초점 거리에서 용접 스패터와 불규칙한 용접부를 줄입니다.
유형 3: 스폿 간격을 더욱 넓히고 두 빔의 에너지 비율을 변경하여, 두 빔 중 하나는 용접 과정 중 용접 전 또는 용접 후 처리를 위한 열원으로 사용하고, 다른 하나는 미세 구멍을 생성하는 데 사용합니다. 유형 3의 경우, 두 빔이 키홀을 형성하고, 생성된 미세 구멍은 쉽게 무너지지 않으며, 용접부에 기공이 발생하기 어렵다는 것을 연구 결과 확인했습니다.
2. 용접 공정이 용접 품질에 미치는 영향
직렬 빔 에너지 비율이 용접 이음매 형성에 미치는 영향
레이저 출력 2kW, 용접 속도 45mm/s, 초점 이탈량 0mm, 빔 간격 3mm일 때, RS(RS=0.50, 0.67, 1.50, 2.00)를 변화시켰을 때 용접면 형상은 그림과 같습니다. RS=0.50과 2.00일 때, 용접 부위가 더 심하게 움푹 들어가고 용접 가장자리에 비산이 많이 발생하여 규칙적인 비늘 모양이 형성되지 않습니다. 이는 빔 에너지 비율이 너무 작거나 너무 클 경우 레이저 에너지가 과도하게 집중되어 용접 과정에서 레이저 핀홀의 진동이 심해지고, 증기의 반동 압력으로 인해 용융 풀 내부의 금속이 튀어 오르기 때문입니다. 또한 과도한 열 입력은 알루미늄 합금 측 용융 풀의 침투 깊이를 너무 깊게 만들어 중력에 의해 함몰을 발생시킵니다. RS=0.67 및 1.50일 때, 용접면의 비늘 모양 패턴이 균일하고 용접 형상이 더욱 아름다우며, 용접면에 열 균열, 기공 및 기타 용접 결함이 보이지 않습니다. 빔 에너지 비율 RS에 따른 용접부의 단면 형상은 그림과 같습니다. 용접부의 단면은 전형적인 "와인잔 모양"을 띠는데, 이는 레이저 심층 침투 용접 모드로 용접 공정이 진행되었음을 나타냅니다. RS는 알루미늄 합금 측 용접부의 침투 깊이 P2에 중요한 영향을 미칩니다. 빔 에너지 비율 RS=0.5일 때, P2는 1203.2 마이크론입니다. 빔 에너지 비율이 RS=0.67 및 1.5일 때, P2는 각각 403.3 마이크론 및 93.6 마이크론으로 크게 감소합니다. 빔 에너지 비율이 RS=2일 때, 접합부 단면의 용접 침투 깊이는 1151.6 마이크론입니다.
평행 빔 에너지 비율이 용접 이음매 형성에 미치는 영향
레이저 출력 2.8kW, 용접 속도 33mm/s, 초점 이탈량 0mm, 빔 간격 1mm일 때, 빔 에너지 비율(RS=0.25, 0.5, 0.67, 1.5, 2, 4)을 변화시켜 얻은 용접면의 형상은 그림과 같습니다. RS=2일 때, 용접면의 비늘 모양 패턴이 비교적 불규칙합니다. 나머지 다섯 가지 빔 에너지 비율로 얻은 용접면은 형태가 양호하며, 기공이나 스패터와 같은 눈에 띄는 결함이 없습니다. 따라서, 직렬 이중 빔 방식과 비교했을 때, 이 방식은 우수한 용접 품질을 제공합니다.레이저 용접평행 이중 빔을 사용한 용접면은 더욱 균일하고 아름답습니다. 빔 에너지 비율(RS)이 0.25일 때는 용접부에 약간의 함몰이 나타나지만, RS가 점차 증가함에 따라(RS=0.5, 0.67, 1.5) 용접면은 균일해지고 함몰이 발생하지 않습니다. 그러나 빔 에너지 비율이 더욱 증가하면(RS=1.50, 2.00) 용접면에 함몰이 생깁니다. 빔 에너지 비율(RS)이 0.25, 1.5, 2일 때는 용접 단면 형상이 "와인잔 모양"이고, RS=0.50, 0.67, 1일 때는 "깔때기 모양"입니다. RS=4일 때는 용접부 바닥에 균열이 발생할 뿐만 아니라 용접부 중간 및 하부에도 기공이 발생합니다. RS=2일 때는 용접부 내부에 큰 공정 기공이 나타나지만 균열은 발생하지 않습니다. RS=0.5, 0.67, 1.5일 때, 알루미늄 합금 측 용접부의 침투 깊이 P2는 더 작았고, 용접부 단면은 양호하게 형성되었으며 눈에 띄는 용접 결함이 발생하지 않았습니다. 이는 병렬 이중 빔 레이저 용접 시 빔 에너지 비율이 용접 침투 깊이 및 용접 결함에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
평행보 – 보 간격이 용접 이음매 형성에 미치는 영향
레이저 출력 2.8kW, 용접 속도 33mm/s, 초점 이탈량 0mm, 빔 에너지 비율 RS=0.67일 때, 빔 간격(d=0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm)을 변화시켜 그림과 같은 용접면 형상을 얻었다. d=0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm일 때, 용접면은 매끄럽고 평평하며 형상이 아름답다. 비늘 모양의 용접 패턴도 규칙적이고 아름다우며, 눈에 띄는 기공, 균열 등의 결함이 없다. 따라서 이 네 가지 빔 간격 조건에서 용접면이 잘 형성되었다. 또한, d=2mm일 때는 두 개의 서로 다른 용접부가 형성되는데, 이는 두 개의 평행한 레이저 빔이 용융 풀에 작용하지 않아 효과적인 이중 빔 레이저 하이브리드 용접이 이루어지지 않음을 보여준다. 빔 간격이 0.5mm일 때 용접부는 깔때기 모양이며, 알루미늄 합금 측 용접부의 침투 깊이 P2는 712.9미크론이고 용접부 내부에 균열, 기공 등의 결함이 없습니다. 빔 간격이 계속 증가함에 따라 알루미늄 합금 측 용접부의 침투 깊이 P2는 크게 감소합니다. 빔 간격이 1mm일 때 알루미늄 합금 측 용접부의 침투 깊이는 94.2미크론에 불과합니다. 빔 간격이 더 증가하면 알루미늄 합금 측에 효과적인 침투가 이루어지지 않습니다. 따라서 빔 간격이 0.5mm일 때 이중 빔 재결합 효과가 가장 좋습니다. 빔 간격이 증가함에 따라 용접 열 입력이 급격히 감소하고 이중 빔 레이저 재결합 효과가 점차 저하됩니다.
용접 형상의 차이는 용접 과정 중 용융 풀의 유동 및 냉각 응고의 차이로 인해 발생합니다. 수치 시뮬레이션 방법은 용융 풀의 응력 분석을 더욱 직관적으로 만들 뿐만 아니라 실험 비용도 절감할 수 있습니다. 아래 그림은 단일 빔, 다양한 배치 및 스폿 간격에 따른 측면 용융 풀의 변화를 보여줍니다. 주요 결론은 다음과 같습니다. (1) 단일 빔 용접 시레이저 용접이 공정에서 용융 풀 구멍의 깊이가 가장 깊고, 구멍 붕괴 현상이 발생하며, 구멍 벽면이 불규칙하고, 구멍 벽면 근처의 유동장 분포가 고르지 않습니다. 용융 풀 후면 근처에서는 리플로우가 강하고, 용융 풀 바닥에서는 상향 리플로우가 발생합니다. 용융 풀 표면의 유동장 분포는 비교적 균일하고 느리며, 용융 풀의 폭은 깊이 방향으로 고르지 않습니다. 이중 빔의 작은 구멍 사이의 용융 풀에서는 벽면 반동 압력으로 인한 교란이 발생합니다.레이저 용접그리고 이는 항상 작은 구멍의 깊이 방향을 따라 존재합니다. 두 빔 사이의 거리가 계속 증가함에 따라 빔의 에너지 밀도는 점차 단일 피크에서 이중 피크 상태로 전환됩니다. 두 피크 사이에는 최소값이 있으며 에너지 밀도는 점차 감소합니다. (2) 이중 빔의 경우레이저 용접스폿 간격이 0~0.5mm일 때 용융 풀의 미세 기공 깊이가 약간 감소하고 전체적인 용융 풀 유동 거동은 단일 빔 방식과 유사합니다.레이저 용접(3) 스폿 간격이 1mm 이상일 때, 미세 구멍들은 완전히 분리되며 용접 과정에서 두 레이저 간의 상호 작용이 거의 없어 1750W 출력의 단일 빔 레이저 용접 두 개를 연속/병렬로 용접하는 것과 같습니다. 예열 효과가 거의 없으며 용융 풀의 유동 거동은 단일 빔 레이저 용접과 유사합니다. (3) 스폿 간격이 0.5~1mm일 때, 두 배열 모두에서 미세 구멍의 벽면이 더 평평해지고 미세 구멍의 깊이가 점차 감소하며 바닥이 점차 분리됩니다. 미세 구멍과 표면 용융 풀의 유동 사이의 교란은 0.8mm에서 가장 강합니다. 직렬 용접의 경우 용융 풀의 길이는 점차 증가하고 폭은 스폿 간격이 0.8mm일 때 가장 크며, 예열 효과도 0.8mm일 때 가장 뚜렷합니다. 마랑고니력의 영향이 점차 약해지면서 용융 풀 양쪽으로 더 많은 액체 금속이 흐르게 되어 용융 풀 폭 분포가 더욱 균일해집니다. 평행 용접의 경우, 용융 풀의 폭은 점차 증가하여 길이가 0.8mm에서 최대가 되지만 예열 효과는 없습니다. 마랑고니력으로 인한 표면 부근의 리플로우는 항상 존재하며, 작은 구멍 바닥의 하향 리플로우는 점차 사라집니다. 단면 유동장은 직렬 용접만큼 좋지 않고, 교란이 용융 풀 양쪽의 흐름에 거의 영향을 미치지 않아 용융 풀 폭이 불균일하게 분포됩니다.
게시 시간: 2023년 10월 12일
