용접 시 발생하는 스플래시 결함의 정의: 용접에서 스플래시란 용접 과정 중 용융 풀에서 튀어나오는 용융 금속 방울을 말합니다. 이러한 방울은 주변 작업 표면에 떨어져 표면의 거칠기와 불균일성을 유발할 뿐만 아니라, 용융 풀의 품질을 저하시켜 움푹 패인 곳, 폭발 지점, 기타 용접부 결함을 발생시켜 용접부의 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다.
용접 시 스플래시(Splash)란 용접 과정 중 용융 풀에서 튀어나오는 용융 금속 방울을 말합니다. 이러한 방울은 주변 작업 표면에 떨어져 표면의 거칠기와 불균일성을 유발할 뿐만 아니라, 용융 풀의 품질을 저하시켜 용접면에 움푹 패인 자국, 폭발 지점 등의 결함을 발생시켜 용접부의 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다.
물튀김 분류:
작은 비산: 용접 이음매 가장자리와 재료 표면에 존재하는 응고 방울로, 주로 외관에 영향을 미치며 성능에는 영향을 주지 않습니다. 일반적으로 구분 기준은 방울의 크기가 용접 이음매 융합 폭의 20% 미만인 경우입니다.
대량 스패터: 용접 이음매 표면에 움푹 패인 자국, 폭발 흔적, 언더컷 등이 나타나는 품질 저하 현상으로, 응력과 변형이 불균일하게 발생하여 용접 이음매의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 유형의 결함에 중점을 두어야 합니다.
물튀김 발생 과정:
스플래시는 높은 가속도로 인해 용융 금속이 용접액 표면에 거의 수직인 방향으로 용융 풀에 분출되는 현상입니다. 아래 그림에서 용접 용융액에서 액체 기둥이 솟아오르고 작은 물방울로 분해되어 스플래시를 형성하는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다.
물보라 발생 장면
레이저 용접은 열전도 용접과 심층 침투 용접으로 나뉩니다.
열전도 용접은 스패터 발생이 거의 없습니다. 열전도 용접은 주로 재료 표면에서 내부로 열을 전달하는 방식으로 이루어지며, 용접 과정에서 스패터가 거의 발생하지 않습니다. 또한, 이 공정은 심각한 금속 증발이나 물리적 야금 반응을 수반하지 않습니다.
심층 용접은 스플래싱이 발생하는 주요 시나리오입니다. 심층 용접은 레이저가 재료에 직접 침투하여 키홀을 통해 열을 전달하는 방식으로 진행되며, 이 과정에서 발생하는 반응이 매우 강렬하기 때문에 스플래싱이 가장 많이 발생하는 환경입니다.
위 그림에서 볼 수 있듯이, 일부 학자들은 고속 촬영과 고온 투명 유리를 결합하여 레이저 용접 중 키홀의 움직임 상태를 관찰합니다. 레이저가 기본적으로 키홀의 앞쪽 벽에 부딪히면서 액체를 아래로 밀어내어 키홀을 우회하고 용융 풀의 끝부분에 도달하는 것을 알 수 있습니다. 키홀 내부에서 레이저가 도달하는 위치는 고정되어 있지 않으며, 레이저는 키홀 내부에서 프레넬 흡수 상태를 유지합니다. 실제로 이는 다중 굴절 및 흡수 상태이며, 용융 풀 액체의 존재를 유지합니다. 각 공정에서 레이저 굴절 위치는 키홀 벽의 각도에 따라 변하며, 이로 인해 키홀은 회전 운동을 하게 됩니다. 레이저 조사 위치에서 용융, 증발, 힘, 변형이 발생하므로 연동 운동이 일어나 앞으로 이동합니다.
위에서 언급한 비교에서는 고온 투명 유리를 사용했는데, 이는 실제로는 용융 풀의 단면도와 같습니다. 하지만 용융 풀의 유동 상태는 실제 상황과 다릅니다. 따라서 일부 학자들은 급속 냉동 기술을 사용했습니다. 용접 과정에서 용융 풀을 급속 냉동하여 키홀 내부의 순간적인 상태를 얻었습니다. 레이저가 키홀의 전면 벽에 부딪혀 단차를 형성하는 것을 명확하게 볼 수 있습니다. 레이저는 이 단차 홈에 작용하여 용융 풀을 아래쪽으로 밀어내면서 레이저의 전진 이동 중에 키홀의 틈을 채웁니다. 이로써 실제 용융 풀의 키홀 내부 유동 방향을 대략적으로 나타낸 그림을 얻을 수 있습니다. 오른쪽 그림에서 볼 수 있듯이, 액체 금속의 레이저 어블레이션으로 발생하는 금속 반동 압력은 액체 용융 풀을 전면 벽을 우회하도록 밀어냅니다. 키홀은 용융 풀의 후미 쪽으로 이동하면서 마치 분수처럼 뒤쪽에서 솟구쳐 올라 용융 풀 후미 표면에 충돌합니다. 동시에, 표면 장력(표면 장력이 낮은 온도일수록 영향이 커짐)으로 인해 용융 풀 끝부분의 액체 금속은 표면 장력에 의해 용융 풀 가장자리 쪽으로 끌려가면서 지속적으로 응고됩니다. 앞으로 응고될 수 있는 액체 금속은 다시 키홀 끝부분으로 순환하며 이러한 과정이 반복됩니다.
레이저 키홀 심층 용접 개략도: A: 용접 방향; B: 레이저 빔; C: 키홀; D: 금속 증기, 플라즈마; E: 보호 가스; F: 키홀 전면 벽(사전 용융 연삭); G: 키홀 경로를 통한 용융 재료의 수평 흐름; H: 용융 풀 응고 계면; I: 용융 풀의 하강 흐름 경로.
레이저와 재료의 상호작용 과정: 레이저가 재료 표면에 작용하여 강렬한 어블레이션을 발생시킵니다. 재료는 먼저 가열되어 녹고 증발합니다. 강렬한 증발 과정에서 금속 증기가 위쪽으로 이동하여 용융된 금속 풀에 아래쪽으로 반동 압력을 가해 키홀(keyhole)을 형성합니다. 레이저는 키홀 내부로 들어가 여러 번의 방출 및 흡수 과정을 거치면서 금속 증기를 지속적으로 공급하여 키홀을 유지합니다. 레이저는 주로 키홀의 앞쪽 벽에 작용하고, 증발 또한 주로 키홀의 앞쪽 벽에서 발생합니다. 반동 압력은 키홀 앞쪽 벽의 액체 금속을 밀어내어 키홀을 따라 용융된 금속 풀의 끝쪽으로 이동하게 합니다. 키홀 주변을 고속으로 이동하는 액체 금속은 용융된 금속 풀에 위쪽으로 충돌하여 융기된 파동을 형성합니다. 그런 다음 표면 장력에 의해 가장자리로 이동하여 응고되는 과정이 반복됩니다. 비산 현상은 주로 키홀 개구부 가장자리에서 발생하며, 전면 벽의 액체 금속이 고속으로 키홀을 우회하여 후면 벽의 용융 풀 위치에 충돌합니다.
게시 시간: 2024년 3월 29일
