이중빔 용접 방식은 주로 적응성 문제를 해결하기 위해 제안되었습니다.레이저 용접이중빔 레이저 용접은 조립 정확도를 높이고 용접 공정의 안정성을 개선하며 용접 품질을 향상시키는 데 탁월하며, 특히 박판 용접 및 알루미늄 합금 용접에 효과적입니다. 광학적 방법을 이용하여 동일한 레이저 빔을 두 개의 독립적인 빔으로 분리하여 용접할 수 있습니다. 또한 CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 고출력 반도체 레이저 등 서로 다른 종류의 레이저를 결합하여 사용할 수도 있습니다. 두 빔의 에너지, 빔 간격, 심지어 에너지 분포 패턴까지 조절하여 용접 온도 분포를 편리하고 유연하게 조정할 수 있으며, 용융 풀 내 기공 발생 패턴과 액체 금속의 유동 패턴을 변경하여 용접 공정에 최적의 솔루션을 제공합니다. 단일빔 레이저 용접에서는 찾아볼 수 없는 폭넓은 선택의 폭을 제공하며, 깊은 레이저 용접 침투 깊이, 빠른 속도, 높은 정밀도 등의 장점뿐만 아니라 기존 레이저 용접으로는 용접하기 어려운 재료 및 접합부에도 뛰어난 적응성을 자랑합니다.
이중빔 용접이란 용접 과정에서 두 개의 레이저 빔을 동시에 사용하는 것을 의미합니다. 빔 배열, 빔 간격, 두 빔 사이의 각도, 초점 위치 및 두 빔의 에너지 비율은 모두 이중빔 레이저 용접에서 중요한 설정 요소입니다. 일반적으로 용접 과정에서 이중빔을 배열하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다. 그림과 같이 용접 방향을 따라 직렬로 배열하는 방법이 있는데, 이 방법은 용융 풀의 냉각 속도를 줄여 용접부의 경화 경향과 기공 발생을 감소시킵니다. 다른 방법은 용접 틈새에 대한 적응성을 높이기 위해 용접부 양쪽에 빔을 나란히 또는 교차하여 배열하는 것입니다.
이중 빔 레이저 용접 원리
이중빔 용접이란 용접 과정에서 두 개의 레이저 빔을 동시에 사용하는 것을 의미합니다. 빔 배열, 빔 간격, 두 빔 사이의 각도, 초점 위치 및 두 빔의 에너지 비율은 모두 이중빔 레이저 용접에서 중요한 설정 요소입니다. 일반적으로 용접 과정에서 이중빔을 배열하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다. 그림과 같이 용접 방향을 따라 직렬로 배열하는 방법이 있는데, 이 방법은 용융 풀의 냉각 속도를 줄여 용접부의 경화 경향과 기공 발생을 감소시킵니다. 다른 방법은 용접 틈새에 대한 적응성을 높이기 위해 용접부 양쪽에 빔을 나란히 또는 교차하여 배열하는 것입니다.
아래 그림과 같이, 직렬로 배열된 이중 빔 레이저 용접 시스템에서는 전방 빔과 후방 빔 사이의 거리에 따라 세 가지 용접 메커니즘이 있습니다.
1. 첫 번째 용접 방식에서는 두 광선 사이의 거리가 비교적 멀다. 한쪽 광선은 에너지 밀도가 높아 용접부에 집중되어 키홀을 생성하고, 다른 쪽 광선은 에너지 밀도가 낮아 용접 전 또는 용접 후 열처리용으로만 사용된다. 이 용접 방식을 사용하면 용접 풀의 냉각 속도를 특정 범위 내에서 제어할 수 있어 고탄소강, 합금강 등 균열 민감도가 높은 재료의 용접에 유리하며 용접 인성을 향상시킬 수 있다.
2. 두 번째 용접 메커니즘에서는 두 광선 사이의 초점 거리가 비교적 짧습니다. 두 광선은 용접 풀에 두 개의 독립적인 키홀을 생성하여 용융 금속의 흐름 패턴을 변화시키고 고착을 방지합니다. 이를 통해 모서리 불량이나 용접 비드 돌출과 같은 결함 발생을 제거하고 용접 품질을 향상시킬 수 있습니다.
3. 세 번째 용접 메커니즘에서는 두 광선 사이의 거리가 매우 짧습니다. 이때 두 광선은 용접 풀에 동일한 키홀을 생성합니다. 단일 광선 레이저 용접과 비교했을 때, 키홀 크기가 더 커지고 쉽게 닫히지 않기 때문에 용접 공정이 더욱 안정적이며 가스 배출이 용이합니다. 이는 기공 및 스패터를 줄이고 연속적이고 균일하며 아름다운 용접부를 얻는 데 도움이 됩니다.
용접 과정에서 두 개의 레이저 빔을 특정 각도로 교차시킬 수 있습니다. 용접 메커니즘은 평행 이중 빔 용접 메커니즘과 유사합니다. 실험 결과, 30° 각도로 1~2mm 간격으로 배치된 두 개의 고출력 OO 레이저를 사용하면 깔때기 모양의 키홀을 얻을 수 있습니다. 키홀 크기가 더 크고 안정적이어서 용접 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 실제 적용에서는 용접 조건에 따라 두 광선의 상호 조합을 변경하여 다양한 용접 공정을 구현할 수 있습니다.
6. 이중빔 레이저 용접의 구현 방법
두 개의 서로 다른 레이저 빔을 결합하거나, 광학 분광 시스템을 이용하여 하나의 레이저 빔을 두 개의 레이저 빔으로 분할하여 용접에 사용할 수 있습니다. 빛을 출력이 다른 두 개의 평행 레이저 빔으로 분할하기 위해서는 분광기 또는 특수 광학 시스템을 사용할 수 있습니다. 그림은 집속 거울을 빔 분할기로 사용하는 빛 분할 원리의 두 가지 개략도를 보여줍니다.
또한, 반사경은 빔 분할기로도 사용될 수 있으며, 광경로의 마지막 반사경을 빔 분할기로 사용할 수 있습니다. 이러한 형태의 반사경을 지붕형 반사경이라고도 합니다. 이 반사경의 반사면은 평평한 표면이 아니라 두 개의 평면으로 이루어져 있습니다. 두 반사면의 교차선은 그림과 같이 지붕 마루처럼 거울 표면의 중앙에 위치합니다. 평행 광선이 분광기에 입사하면 두 평면에서 서로 다른 각도로 반사되어 두 개의 광선을 형성하고, 이 광선들은 집속 거울의 서로 다른 위치에 입사합니다. 집속 과정을 거치면 두 광선은 공작물 표면의 특정 거리에서 집속됩니다. 두 반사면 사이의 각도와 지붕의 위치를 변경함으로써 초점 거리와 배열이 다른 분할된 광선을 얻을 수 있습니다.
서로 다른 두 가지 유형을 사용할 때레이저 빔 t이중 빔을 형성하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 고품질 CO2 레이저를 가우시안 에너지 분포로 사용하여 주 용접 작업을 수행하고, 반도체 레이저를 직사각형 에너지 분포로 사용하여 열처리 작업을 보조할 수 있습니다. 이러한 조합은 경제적일 뿐만 아니라 두 광선의 출력을 독립적으로 조절할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 레이저와 반도체 레이저의 중첩 위치를 조정하여 다양한 접합 형상에 맞는 온도 분포를 얻을 수 있어 용접 공정 제어에 매우 적합합니다. 이 외에도 YAG 레이저와 CO2 레이저를 결합하여 이중 빔 용접을 수행하거나, 연속 레이저와 펄스 레이저를 결합하여 용접을 수행하거나, 집속 빔과 비집속 빔을 결합하여 용접을 수행할 수도 있습니다.
7. 이중빔 레이저 용접의 원리
3.1 아연 도금 강판의 이중 빔 레이저 용접
아연 도금 강판은 자동차 산업에서 가장 흔하게 사용되는 소재입니다. 강철의 융점은 약 1500°C인 반면, 아연의 비등점은 906°C에 불과합니다. 따라서 용융 용접 방식을 사용할 경우 다량의 아연 증기가 발생하여 용접 공정이 불안정해지고 용접부에 기공이 생기는 문제가 발생합니다. 겹침 이음매의 경우, 아연 도금층의 휘발은 상하면뿐만 아니라 접합면에서도 발생합니다. 용접 과정에서 일부 영역에서는 아연 증기가 용융 풀 표면에서 빠르게 배출되는 반면, 다른 영역에서는 아연 증기가 용융 풀에서 빠져나가기 어려워 용접 품질이 매우 불안정해집니다.
이중빔 레이저 용접은 아연 증기로 인한 용접 품질 문제를 해결할 수 있습니다. 한 가지 방법은 두 빔의 에너지를 적절히 조절하여 용융 풀의 존재 시간과 냉각 속도를 제어함으로써 아연 증기의 배출을 용이하게 하는 것이고, 다른 방법은 사전 천공 또는 홈 가공을 통해 아연 증기를 배출하는 것입니다. 그림 6-31에서와 같이 CO2 레이저를 용접에 사용하고, CO2 레이저 앞에 YAG 레이저를 배치하여 구멍을 뚫거나 홈을 가공합니다. 이렇게 사전 가공된 구멍이나 홈은 후속 용접 과정에서 발생하는 아연 증기가 빠져나갈 수 있는 통로를 제공하여 용융 풀에 아연 증기가 남아 결함을 형성하는 것을 방지합니다.
3.2 알루미늄 합금의 이중빔 레이저 용접
알루미늄 합금 재료의 특수한 성능 특성으로 인해 레이저 용접 사용 시 다음과 같은 어려움이 있습니다[39]: 알루미늄 합금은 레이저 흡수율이 낮고, CO2 레이저 빔 표면의 초기 반사율이 90%를 초과합니다. 알루미늄 합금 레이저 용접 이음매는 기공, 균열, 용접 중 합금 원소 연소 등이 발생하기 쉽습니다. 단일 빔 레이저 용접 시에는 키홀 형성 및 안정성 유지가 어렵습니다. 이중 빔 레이저 용접은 키홀 크기를 증가시켜 키홀이 닫히기 어렵게 만들어 가스 배출에 유리합니다. 또한 냉각 속도를 줄이고 기공 및 용접 균열 발생을 감소시킵니다. 용접 공정이 더욱 안정적이고 스패터 발생량이 감소하기 때문에 이중 빔 용접으로 얻은 알루미늄 합금 용접면 형상은 단일 빔 용접보다 훨씬 우수합니다. 그림 6-32는 CO2 단일 빔 레이저와 이중 빔 레이저 용접을 사용한 3mm 두께 알루미늄 합금 맞대기 용접의 용접 이음매 형상을 보여줍니다.
연구 결과에 따르면, 두께 2mm의 5000 시리즈 알루미늄 합금을 용접할 때 두 빔 사이의 거리가 0.6~1.0mm일 때 용접 공정이 비교적 안정적이며, 형성되는 키홀 개구부가 더 커서 용접 과정 중 마그네슘의 증발 및 배출에 유리합니다. 두 빔 사이의 거리가 너무 작으면 단일 빔 용접 공정이 불안정해지고, 너무 크면 용접 침투 깊이에 영향을 미칩니다(그림 6-33 참조). 또한, 두 빔의 에너지 비율도 용접 품질에 큰 영향을 미칩니다. 0.9mm 간격으로 두 빔을 직렬로 배치하여 용접할 경우, 이전 빔의 에너지를 적절히 증가시켜 이전 빔과 이후 빔의 에너지 비율이 1:1보다 커지도록 해야 합니다. 이렇게 하면 용접 속도가 높을 때에도 용접 이음매의 품질을 향상시키고 용융 면적을 넓히며 매끄럽고 아름다운 용접 이음매를 얻을 수 있습니다.
3.3 두께가 다른 판재의 이중 빔 용접
산업 생산에서는 두께와 형상이 다른 두 개 이상의 금속판을 용접하여 접합판을 만드는 경우가 흔히 있습니다. 특히 자동차 생산에서는 맞춤형 용접 블랭크의 적용이 점점 더 확대되고 있습니다. 서로 다른 사양, 표면 코팅 또는 특성을 가진 판재를 용접함으로써 강도를 높이고 소모품 사용량을 줄이며 품질을 향상시킬 수 있습니다. 두께가 다른 판재를 용접할 때는 일반적으로 레이저 용접이 사용됩니다. 하지만 용접할 판재의 모서리를 고정밀로 가공하고 고정밀 조립을 보장해야 한다는 점이 주요 과제입니다. 두께가 다른 판재를 이중 빔 용접하면 판재 간격, 맞대기 이음, 상대적 두께 및 판재 재질의 변화에 적응할 수 있습니다. 또한 모서리 및 간격 공차가 큰 판재를 용접할 수 있고 용접 속도와 용접 품질을 향상시킬 수 있습니다.
쌍광동(Shuangguangdong)의 이종 두께 판재 용접의 주요 공정 매개변수는 그림과 같이 용접 매개변수와 판재 매개변수로 나눌 수 있습니다. 용접 매개변수에는 두 레이저 빔의 출력, 용접 속도, 초점 위치, 용접 헤드 각도, 이중 빔 맞대기 용접의 빔 회전 각도, 용접 오프셋 등이 포함됩니다. 판재 매개변수에는 재료 크기, 성능, 트리밍 조건, 판재 간격 등이 포함됩니다. 두 레이저 빔의 출력은 용접 목적에 따라 개별적으로 조정할 수 있습니다. 초점 위치는 일반적으로 안정적이고 효율적인 용접 공정을 위해 얇은 판재의 표면에 위치합니다. 용접 헤드 각도는 일반적으로 약 6도로 선택됩니다. 두 판재의 두께가 비교적 큰 경우, 그림과 같이 레이저를 얇은 판재 쪽으로 기울이는 양의 용접 헤드 각도를 사용할 수 있습니다. 판재 두께가 비교적 작은 경우에는 음의 용접 헤드 각도를 사용할 수 있습니다. 용접 오프셋은 레이저 초점과 두꺼운 판재의 가장자리 사이의 거리로 정의됩니다. 용접 오프셋을 조정함으로써 용접 찌그러짐을 줄이고 양호한 용접 단면을 얻을 수 있습니다.
큰 틈이 있는 판재를 용접할 때, 이중 빔의 각도를 회전시켜 유효 빔 가열 직경을 넓히면 우수한 틈 충진 능력을 얻을 수 있습니다. 용접부 상단의 폭은 두 레이저 빔의 유효 빔 직경, 즉 빔 회전 각도에 의해 결정됩니다. 회전 각도가 클수록 이중 빔의 가열 범위가 넓어지고 용접부 상단의 폭도 커집니다. 두 레이저 빔은 용접 과정에서 서로 다른 역할을 합니다. 하나는 주로 이음매를 관통하는 데 사용되고, 다른 하나는 주로 두꺼운 판재를 녹여 틈을 메우는 데 사용됩니다. 그림 6-35에서와 같이, 양의 빔 회전 각도(전방 빔은 두꺼운 판에 작용하고 후방 빔은 용접부에 작용)일 때, 전방 빔은 두꺼운 판에 입사하여 재료를 가열하고 녹이며, 후방 레이저 빔은 관통 작용을 합니다. 앞쪽의 첫 번째 레이저 빔은 두꺼운 판재를 부분적으로만 녹일 수 있지만, 용접 과정에 크게 기여합니다. 두꺼운 판재 측면을 녹여 틈새를 더 잘 메울 뿐만 아니라, 접합 재료를 미리 접착시켜 뒤따라오는 빔들이 접합부를 더 쉽게 용접할 수 있도록 해주어 용접 속도를 높여줍니다. 음의 회전 각도를 사용하는 이중 빔 용접(앞쪽 빔은 용접부에, 뒤쪽 빔은 두꺼운 판재에 작용)에서는 두 빔의 작용이 완전히 반대입니다. 앞쪽 빔은 접합부를 녹이고, 뒤쪽 빔은 두꺼운 판재를 녹여 틈새를 메웁니다. 이 경우 앞쪽 빔은 차가운 판재를 통과하여 용접해야 하므로 용접 속도가 양의 빔 회전 각도를 사용하는 경우보다 느립니다. 또한 앞쪽 빔의 예열 효과로 인해 뒤쪽 빔은 동일한 출력에서 더 많은 두꺼운 판재를 녹일 수 있습니다. 따라서 뒤쪽 레이저 빔의 출력을 적절히 줄여야 합니다. 이와 비교하여 양의 빔 회전 각도를 사용하면 용접 속도를 적절히 높일 수 있고, 음의 빔 회전 각도를 사용하면 틈새를 더 잘 메울 수 있습니다. 그림 6-36은 다양한 빔 회전 각도가 용접부 단면에 미치는 영향을 보여줍니다.
3.4 대형 후판의 이중빔 레이저 용접 레이저 출력 및 빔 품질의 향상으로 대형 후판의 레이저 용접이 현실화되었습니다. 그러나 고출력 레이저는 가격이 비싸고 대형 후판 용접에는 일반적으로 용가재가 필요하기 때문에 실제 생산에는 몇 가지 제약이 있습니다. 이중빔 레이저 용접 기술을 사용하면 레이저 출력을 높일 뿐만 아니라 유효 빔 가열 직경을 확대하고 용가재 용융 능력을 향상시키며 레이저 키홀을 안정화하고 용접 안정성을 개선하여 용접 품질을 향상시킬 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 4월 29일
