알루미늄 합금용 레이저 용접 공정

용접 조립

1. 조립 틈새 및 정렬 불량

조립 품질은 용접 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다. 조립 간격이 너무 크거나 정렬이 어긋나면 용접부 관통, 불량 용접 형성, 불완전 용입과 같은 결함이 쉽게 발생할 수 있습니다. 필렛 용접과 맞대기 용접의 조립 간격은 가능한 한 작아야 합니다. 표 8-2는 휴대용 레이저 자가 용접 시 간격 및 정렬 불량에 대한 요구 사항을 나타냅니다.

2.가접 용접

용접 중 비틀림 변형으로 인한 용접 부위의 정렬 불량을 방지하고, 가공물의 치수를 정확하게 유지하며, 변형을 최소화하기 위해 일반적으로 본 용접 전에 가접 용접이 필요합니다. 조립 가접 용접은 본 용접과 동일한 공정 방법을 사용합니다. 가접 용접부의 길이는 20~30mm이며, 가접 용접부의 품질 요구 사항(예: 용입 깊이 및 폭)은 본 용접보다 낮습니다. 가접 용접 시에는 일반적으로 본 용접보다 빠른 이송 속도를 사용합니다. 가접 용접부의 안정적인 접합을 보장하기 위해 가접 용접부는 평평하고 길며 얇아야 하며, 지나치게 크거나 넓거나 높지 않아야 합니다. 또한 가접 용접부는 산화를 방지하기 위해 적절한 보호 처리가 필요합니다.

3. 고정 장치 및 클램프

레이저 용접은 주로 다음과 같은 용도로 사용됩니다.박판 용접박판 용접에서는 일반적으로 공작물의 앞면에서 용접을 수행하고, 뒷면에도 충분한 용융을 유도하여 양호한 후면 용접부를 형성합니다. 매개변수 선택 시, 열 입력이 낮으면 뒷면의 용융이 불완전해질 수 있고, 열 입력이 높으면 뒷면의 완전 용입은 보장되지만 용융 금속의 중력이나 공작물 두께에 비해 용융 폭이 불균형해져 관통이 발생할 수 있습니다. 관통을 방지하기 위해, 공작물에 클램핑이 가능하다면 박판 용접 시 지그를 사용하여 공작물을 고정해야 합니다. 앞면을 압착하고 뒷면에 ​​구리 또는 스테인리스강 지지판을 얹어 고정합니다. 이렇게 하면 용접 변형으로 인한 조립 간격 변화나 정렬 불량을 방지하고 열 붕괴를 막을 수 있습니다. 공작물의 구조적 문제로 인해 열 방출이 불균일한 경우에도 지그를 사용하여 열 방출 균형을 맞추는 것이 효과적이며, 이를 통해 앞면과 뒷면의 치수가 균일한 용접부를 형성할 수 있습니다.

용접 매개변수 선택

일반적으로 레이저 용접 매개변수에는 레이저 출력, 레이저 펄스 폭, 초점 이탈량, 용접 속도 및 보호 가스가 포함됩니다.

1. 레이저 출력

레이저 용접에는 임계 레이저 출력 밀도가 존재합니다. 이 임계값 미만에서는 용접 침투 깊이가 얕고, 임계값에 도달하거나 초과하면 침투 깊이가 크게 증가합니다. 플라즈마는 공작물에 작용하는 레이저 출력 밀도가 임계값을 초과할 때만 발생하며, 이는 안정적인 심층 용접을 의미합니다. 임계값 미만에서는 표면 용융만 발생합니다(안정적인 열전도 용접). 키홀 형성 임계 조건 근처에서는 심층 용접과 열전도 용접이 번갈아 발생하여 침투 깊이가 크게 변동하는 불안정한 공정이 됩니다. 레이저 출력은 레이저 가공에서 가장 중요한 매개변수 중 하나이며 용접 침투 깊이를 결정하는 핵심 요소입니다. 고정된 초점 직경에서 레이저 출력 밀도는 레이저 출력에 비례합니다. 즉, 출력이 높을수록 침투 깊이와 용접 속도가 증가합니다. 그러나 과도한 출력은 용융 풀의 심각한 과열을 유발하고, 용접 폭과 열영향부(HAZ)를 증가시키며, 스패터 발생량을 늘려 용접 렌즈를 오염시킬 수 있습니다. 높은 출력에서는 표면층이 끓는점까지 가열되어 수 마이크로초 내에 상당 부분 기화될 수 있으므로 드릴링, 절단, 조각과 같은 재료 제거 공정에 이상적입니다. 전력이 낮으면 표면이 끓는점에 도달하는 데 수 밀리초밖에 걸리지 않고, 표면이 증발하기 전에 아래쪽 층이 녹아 우수한 융합 용접이 가능해집니다.

2. 레이저 펄스 폭

레이저 펄스 폭은 펄스 레이저 용접에서 핵심적인 매개변수입니다. 이는 용입 깊이와 열영향부(HAZ)에 의해 결정되는데, 펄스 폭이 길어질수록 열영향부가 커지고 용입 깊이는 펄스 폭의 제곱근에 비례하여 증가합니다. 그러나 펄스 폭이 길어지면 최대 출력이 감소하므로, 일반적으로 열전도 용접에 사용되어 넓고 얕은 용접부를 형성하며, 특히 얇은 판재와 두꺼운 판재의 겹침 이음매에 적합합니다. 하지만 낮은 최대 출력은 과도한 열 입력을 초래하며, 각 재료마다 최대 용입 깊이를 위한 최적의 펄스 폭이 존재합니다.

3. 초점 흐림 정도 선택

초점 위치 선정은 매우 중요합니다.레이저 융합 용접초점이 공작물 표면 위에 있을 경우, 침투 깊이가 작아 심용접이 어렵습니다. 초점이 표면 아래에 있을 경우, 공작물 내부의 에너지 밀도가 표면보다 높아져 용융 및 기화가 더욱 활발해지고, 에너지가 공작물 내부로 더 깊숙이 전달되어 침투 깊이가 증가합니다. 디포커스 모드에는 양의 디포커스(초점면이 공작물 위에 있는 경우)와 음의 디포커스(초점면이 공작물 아래에 있는 경우) 두 가지가 있습니다. 실제로 깊은 침투가 필요한 두꺼운 판재의 경우, 레이저 초점을 공작물 표면 아래 1~2mm에 위치시키는 음의 디포커스를 사용합니다. 얇은 판재의 경우, 초점을 표면 위 1~1.5mm에 위치시키는 양의 디포커스가 선호됩니다.

4. 용접 속도

다른 매개변수를 고정했을 때, 용접 속도가 증가함에 따라 용입 깊이는 감소하는 반면 효율은 향상됩니다. 속도가 지나치게 높으면 용입 요구 조건을 충족하지 못하고, 지나치게 낮으면 과용융, 넓은 용접부, 열영향부 과열 및 고온 균열 발생 경향 증가를 초래합니다.펄스 레이저 용접속도는 최대 펄스 주파수와 필요한 스폿 중첩에 의해서도 결정됩니다. 각 연속적인 펄스 스폿은 일정 정도 중첩되어야 합니다. 따라서 주어진 레이저 출력과 재료 두께에 대해 최적의 속도 범위가 존재하며, 이 범위 내에서 특정 속도에서 최대 침투 깊이가 달성됩니다.

5. 보호 가스

레이저 용접 시 용융 풀을 보호하기 위해 불활성 가스가 흔히 사용됩니다. 일부 재료는 표면 산화 방지가 필요하지 않을 수 있지만, 대부분의 응용 분야에서는 필요합니다. 전통적으로 알루미늄 합금 레이저 용접에서는 산화 방지를 위해 Ar, N₂, He가 사용됩니다. 이론적으로 He는 가장 가볍고 이온화 에너지가 가장 높지만, 저출력 및 고속 용접 시에는 플라즈마가 약해져 가스 간의 차이가 미미합니다. 연구에 따르면 동일 조건에서 N₂는 Al과의 발열 반응으로 인해 키홀 형성을 더 쉽게 유도하며, 생성된 Al-NO₃ 삼원 화합물은 레이저 흡수율이 더 높습니다. 그러나 순수 N₂는 취성이 강한 Al-N 상을 형성하고 용접부에 기공을 발생시킵니다. 불활성 가스는 가볍기 때문에 기공을 발생시키지 않고 빠져나가므로 혼합 가스가 더 효과적입니다. 최근 Ar-O₂ 및 N₂-O₂ 혼합 가스를 이용한 알루미늄 레이저 용접 연구가 증가하고 있습니다.

6. 물질 흡수

레이저 에너지에 대한 물질의 흡수율은 흡수율, 반사율, 열전도율, 융점, 증발 온도와 같은 특성에 따라 달라지며, 그중 흡수율이 가장 중요합니다. 흡수율에 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다.

전기 저항률: 연마된 표면의 경우, 흡수율은 저항률의 제곱근에 비례하며, 저항률은 온도에 따라 변합니다.

표면 상태: 흡수율에 상당한 영향을 미치며, 따라서 용접 결과에도 영향을 미칩니다.

휴대용 파이버 레이저 용접 시 주의사항 및 금지사항

1. 아크 복사를 피하십시오

휴대용 파이버 레이저 용접기본 제품은 출력 1000W 이상(모델에 따라 다름)의 (1080±3)nm 파장을 방출하는 4등급 파이버 레이저를 사용합니다. 직간접적인 노출은 눈이나 피부에 손상을 줄 수 있습니다. 레이저 빔은 눈에 보이지 않지만 망막이나 각막에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있습니다. 레이저 작동 시에는 항상 인증된 레이저 안전 고글을 착용하십시오. 레이저가 작동 중일 때는 고글을 착용했더라도 출력 헤드를 직접 쳐다보지 마십시오.

2. 용접 매개변수 설정

터치스크린에서 레이저 출력을 낮게 설정하십시오(그림 8-2 참조). 용접 헤드의 구리 노즐을 공작물에 대고 토치 스위치를 눌러 레이저를 방출하여 용접하십시오. 일반적인 매개변수는 다음과 같습니다. 레이저 주파수 5000Hz, 검류계 속도 300~600, 가스 지연 시간 >100ms, 연속 방출 시 듀티 사이클 100%. 조립 간격에 따라 용접 폭을 조정하십시오. 출력은 0~1000W(최대 출력의 0~100%) 범위에서 조절 가능합니다. 매개변수를 입력한 후 "확인"을 클릭하고 설정을 저장하십시오.

4. 용접 속도를 과도하게 높이지 마십시오.

레이저 소스를 이동시켜 용접부를 형성합니다(그림 8-3 참조). 용접 깊이와 폭은 속도와 출력에 따라 달라지며, 일반적으로 1~3m/min의 속도로 작업하면 종횡비가 1 미만인 매끄럽고 스케일이 없는 표면을 얻을 수 있습니다. 전류와 전압이 고정된 경우, 속도를 변경하면 열 입력에 직접적인 영향을 미쳐 용접 깊이와 폭이 달라집니다. 속도가 지나치게 높으면 가열이 불충분해져 용접 깊이 감소, 폭 좁아짐, 언더컷, 기공 발생, 불완전 용접 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

기계적 세척: 스테인리스 스틸 브러시 또는 공압 휠을 사용하여 밝은 흰색 표면이 될 때까지 산화물을 제거하십시오. 연마 후 즉시 용접하십시오. 용접이 36시간 이상 지연될 경우 다시 연마하십시오.

화학적 세척: 화학 반응을 이용하여 산화물을 제거합니다(방법은 재질에 따라 다름). 표 8-3에는 알루미늄 합금에 대한 화학적 세척 방법이 나와 있습니다. 유기 용제(가솔린, 이소프로필 알코올)를 사용하여 담그고 닦고 건조시켜 기름/먼지를 제거합니다.

5. 다공성 최소화

알루미늄 합금 레이저 용접에서 수소 기공은 흔히 발생합니다. 표면의 수분, 오일 및 산화물을 제거하여 수소 기공을 줄이십시오. 용융 풀 냉각 시간을 연장하면(펄스 폭을 늘려) 가스가 빠져나가는 데 도움이 됩니다. 레이저 용접의 빠른 열 사이클로 인해 가스 방출이 제한되기 때문입니다. 용융 풀 반응과 합금 증발이 심해지는 초점 또는 음의 디포커스 위치는 피하십시오. 증발을 줄이려면 디포커스를 조정하여 에너지를 낮추십시오.

6. 손전등을 잡는 자세에 주의하세요

휴대용 레이저 토치(그림 8-4 참조)는 TIG 토치보다 무겁고 케이블이 두꺼워 작업자의 피로를 유발합니다. 장시간 용접 시에는 토치를 양손으로 잡고 노즐이 공작물에 닿도록 유지하며 용접선을 시각적으로 정렬한 후 토치를 천천히 몸쪽으로 당기십시오. 용접 자세에 따라 자세를 조정하여 피로와 용접 이음매 수를 최소화하십시오.

7. 레이저 부상 예방

부적절한 조작은 사고를 유발할 수 있습니다. 다음 규칙을 준수하십시오.

작동 중에는 레이저 출력 헤드를 절대로 응시하지 마십시오.

사용하지 마십시오파이버 레이저어둡거나 희미한 환경에서.

기기가 작동 중일 때는 절대로 손전등을 사람에게 향하지 마십시오.

용접 구역 3m 이내에는 금속 차단막을 설치하십시오.

용접 구역에는 작업자만 출입할 수 있도록 출입을 제한하십시오.

보호 장비(인증된 고글, 마스크, 장갑)를 착용하십시오. 레이저가 작동 중일 때는 고글을 착용했더라도 출력 헤드를 절대 응시하지 마십시오.

손전등과 케이블을 조심스럽게 다루십시오 (최소 굽힘 반경 >200mm).

사용하지 않을 때는 레이저 발사 키를 비활성화하십시오.

효과적인 가스 보호를 위해 노즐 품질을 확인하십시오.

레이저 조사 방향과 동심원을 이루는 매끄러운 내부 벽면.

토치의 안정적인 움직임을 유지하려면 변형된 노즐은 즉시 교체하십시오.

노즐 개구부 크기(그림 8-6 참조)는 용접 품질에 영향을 미칩니다. 개구부가 클수록 가스 흐름이 증가하여 응고가 가속화되고 기공/균열 위험이 높아집니다.

8. 균열에 민감한 합금은 고속 회전을 피하십시오.

휴대용 레이저 용접이 장비는 자가 용접 방식의 와이어리스 진동식 검류계 토치를 사용합니다. 고속 용접은 용입 깊이를 감소시키고, 용접 폭을 좁히며, 언더컷을 발생시키고, 보호 가스 도포를 방해하여 보호 성능을 저하시킵니다. 균열에 민감한 합금에는 저속 용접을 사용하십시오.

9. 접합부 품질 확보

온도 차이 및 와이어리스 용접은 용접부 관통, 크레이터 또는 크레이터 균열을 유발할 수 있습니다. 용접 중단을 최소화하기 위해 연속적으로 용접하십시오. 용접 중단이 불가피한 경우(예: 위치 변경, 분할 용접), 크레이터 발생을 방지하기 위해 중단하기 전에 속도를 약간(10mm) 줄이십시오. 겹침 용접 및 품질 향상을 위해 이전 크레이터에서 20mm 뒤쪽에서 다시 용접을 시작하십시오.

10. 올바른 손전등 움직임을 따르십시오

좌우로 흔들리지 않도록 토치를 자신 쪽으로 당기십시오(멀리서 가까이로). 일정한 속도를 유지하면서 용접 형상이 균일하게 형성되는지 확인하십시오. 수직 용접 시에는 빠른 응고를 유도하고 안정적인 움직임을 확보하기 위해 위쪽이 아닌 아래쪽으로 이동하십시오.

11. 겹침 용접 시 언더컷, 작은 필렛 및 붕괴를 방지하십시오.

겹침 용접의 경우, 검류계가 수직 판재의 2/3를 덮도록 레이저 입사각을 조정하십시오(그림 8-7 참조). 이렇게 하면 열전도에 의해 수직 판재(용접재)와 모재의 1/3이 녹아 냉각 후 충분한 크기의 용접부가 형성됩니다. 불량한 겹침 용접은 접합 강도를 약화시키고, 균열 저항성을 감소시키거나 구조적 결함을 유발할 수 있으므로 언더컷을 피해야 합니다.

12. 알루미늄 합금 용접 시 반사율 감소

알루미늄은 레이저 에너지의 60~98%를 반사합니다. 반사율은 융점에서 급격히 감소하고 용융 상태에서 안정화됩니다. 흡수율은 입사각이 증가함에 따라 감소하며, 수직 입사 시 최대 흡수율을 나타냅니다(렌즈 보호에 맞게 조정해야 함). 기계적/화학적 세척을 통해 산화물을 제거하면 반사율을 낮출 수 있습니다.

13. 적절한 차폐 가스 사용

보호 가스는 용접 형성, 침투 깊이 및 폭에 영향을 미칩니다. 대부분의 가스는 용접 품질을 향상시키지만 단점도 있을 수 있습니다.

아르곤(Ar): 이온화 에너지가 낮고 플라즈마 생성이 많아 레이저 효율을 저하시키지만, 불활성이고 저렴하며 밀도가 높아 용융 풀을 효과적으로 덮을 수 있어 일반적인 용도에 이상적입니다.

N₂: 이온화 에너지가 중간 정도(Ar보다 플라즈마 소멸 효과가 우수함), 하지만 알루미늄/탄소강과 반응하여 취성이 강한 질화물을 형성하여 인성을 저하시킴(이러한 재질에는 권장하지 않음). 스테인리스강에는 적합하며, 스테인리스강에서는 질화물이 강도를 향상시킴.

14. 차폐 가스 유량

가스는 특정 압력으로 노즐을 통해 분사됩니다. 노즐의 유체역학적 설계와 출구 직경은 매우 중요합니다. 용접 부위를 충분히 덮을 수 있을 만큼 커야 하지만, 난류(공기를 유입시켜 기공을 유발함)를 방지하기 위해 적절한 크기로 조정해야 합니다. 휴대용 레이저 용접의 일반적인 유량은 7L/min입니다. 유량이 과도하면 용융 풀에 오염 물질이 섞여 들어가 가스 순도가 저하되므로 적절한 유량을 선택해야 합니다.

15. 레이저 초점 위치

초점 위치: 가장 작은 지점, 가장 높은 에너지 - 다음과 같은 용도로 사용스폿 용접또는 저에너지, 최소 스팟 크기 요구 사항(그림 8-8 참조).

네거티브 디포커스: 더 큰 스폿(초점에서 멀어질수록 커짐) - 심층 연속 용접 및 심층 스폿 용접에 적합합니다.

양의 초점 이탈: 더 큰 스폿(초점에서 멀어질수록 커짐) - 표면 밀봉 또는 저침투 연속 용접에 적합합니다.

완전 용입 용접 관리: 뒷면의 색 변화가 미미하면 양호한 품질임을 나타냅니다. 눈에 띄는 자국이나 용입 흔적이 있으면 연속 용접 시 스패터가 발생하거나 깊은 홈이 생깁니다. 샘플을 기반으로 초점, 에너지 및 파형을 조정하십시오. 얇은 재료에는 용접 스폿 크기를 작게 하여 용접 부위가 타버리는 것을 방지하십시오.