레이저 용접 설명 – 레이저 용접 기초 |

레이저 용접이란 무엇일까요? 레이저 용접에 대한 모든 것을 알아보세요! 핵심 원리와 주요 공정 매개변수를 포함한 레이저 용접에 대한 모든 것을 알려드립니다!

많은 고객들이 레이저 용접기의 기본 작동 원리를 이해하지 못할 뿐더러, 자신에게 맞는 레이저 용접기를 고르는 것은 더욱 어렵습니다. 하지만 미모워크 레이저는 고객 여러분이 올바른 선택을 할 수 있도록 돕고, 레이저 용접에 대한 이해를 높이기 위한 추가적인 지원을 제공합니다.

레이저 용접이란 무엇인가요?

레이저 용접은 레이저 빔을 용접 열원으로 사용하는 용융 용접의 일종입니다. 용접 원리는 특정한 방식으로 활성 매질을 자극하여 공진 공동을 형성하고 진동시킨 다음, 이를 유도 방사 빔으로 변환하는 것입니다. 이 빔과 공작물이 접촉하면 공작물이 에너지를 흡수하고, 온도가 재료의 용융점에 도달하면 용접이 가능해집니다.

레이저 용접은 용접 풀의 주요 메커니즘에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다. 열전도 용접과 심층 용접(키홀 용접)입니다. 열전도 용접은 열전달을 통해 발생한 열이 용접부에 전달되어 용접면이 용융되고 증발은 발생하지 않습니다. 이러한 용접 방식은 주로 저속으로 가공되는 얇은 부품 용접에 사용됩니다. 심층 용접은 재료를 증발시키고 다량의 플라즈마를 생성합니다. 높은 열로 인해 용융 풀 전면에 구멍이 생길 수 있습니다. 심층 용접은 가장 널리 사용되는 레이저 용접 방식으로, 용접부를 완벽하게 용접할 수 있으며 투입 에너지가 커서 용접 속도가 매우 빠릅니다.

레이저 용접의 공정 매개변수

레이저 용접 품질에 영향을 미치는 공정 변수에는 출력 밀도, 레이저 펄스 파형, 초점 흐림, 용접 속도 및 보조 보호 가스 선택 등 여러 가지가 있습니다.

레이저 출력 밀도

레이저 가공에서 출력 밀도는 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 출력 밀도가 높을수록 표면층이 수 마이크로초 내에 끓는점까지 가열되어 많은 양의 물질이 증발합니다. 따라서 고출력 밀도는 드릴링, 절단, 조각과 같은 재료 제거 공정에 유리합니다. 출력 밀도가 낮으면 표면 온도가 끓는점에 도달하는 데 수 밀리초가 걸리고, 표면이 증발하기 전에 바닥면이 녹는점에 도달하여 양호한 용융 용접이 형성되기 쉽습니다. 따라서 열전도 레이저 용접 방식에서는 출력 밀도 범위가 10⁴~10⁶W/cm²입니다.

레이저 펄스 파형

레이저 펄스 파형은 재료 제거와 재료 용융을 구분하는 중요한 매개변수일 뿐만 아니라, 가공 장비의 용량과 비용을 결정하는 핵심 요소이기도 합니다. 고강도 레이저 빔이 재료 표면에 조사될 때, 재료 표면에서는 레이저 에너지의 60~90%가 반사되어 손실되는데, 특히 금, 은, 구리, 알루미늄, 티타늄 등 반사율이 높고 열전달이 빠른 재료에서 이러한 손실이 두드러집니다. 금속의 반사율은 레이저 펄스 동안 시간에 따라 변화합니다. 재료 표면 온도가 융점에 도달하면 반사율이 급격히 감소하고, 표면이 용융 상태에 이르면 특정 값으로 안정화됩니다.

레이저 펄스 폭

펄스 폭은 펄스 레이저 용접에서 중요한 매개변수입니다. 펄스 폭은 용입 깊이와 열영향부에 영향을 미칩니다. 펄스 폭이 길수록 열영향부가 커지고, 용입 깊이는 펄스 폭의 1/2에 반비례하여 증가합니다. 그러나 펄스 폭이 증가하면 피크 출력이 감소하므로, 일반적으로 펄스 폭 증가는 열전도 용접에 사용되어 넓고 얕은 용접부를 얻을 수 있으며, 특히 얇은 판재와 두꺼운 판재의 겹침 용접에 적합합니다. 하지만 피크 출력이 낮아지면 열 입력이 과도해지며, 각 재료마다 용입 깊이를 최대화하는 최적의 펄스 폭이 존재합니다.

초점 흐림 양

레이저 용접은 일반적으로 일정량의 초점 흐림(defocusing)이 필요합니다. 레이저 초점의 중심부에서 출력 밀도가 너무 높아 용접 재료가 구멍 속으로 증발하기 쉽기 때문입니다. 초점에서 멀어질수록 출력 밀도 분포는 각 평면에서 비교적 균일해집니다.

초점 흐림 모드는 두 가지가 있습니다.
양의 초점 이탈과 음의 초점 이탈. 초점면이 공작물 위에 위치하면 양의 초점 이탈이고, 그렇지 않으면 음의 초점 이탈입니다. 기하 광학 이론에 따르면, 양의 초점 이탈면과 음의 초점 이탈면과 용접면 사이의 거리가 같을 때, 해당 평면에서의 출력 밀도는 거의 동일하지만, 실제로 얻어지는 용융 풀의 형상은 다릅니다. 음의 초점 이탈의 경우, 용융 풀 형성 과정과 관련하여 더 깊은 용입 깊이를 얻을 수 있습니다.

용접 속도

용접 속도는 용접면 품질, 용입 깊이, 열영향부 등에 영향을 미칩니다. 용접 속도는 단위 시간당 열 입력량에 영향을 주는데, 용접 속도가 너무 느리면 열 입력량이 과도해져 용접부가 타버릴 수 있습니다. 반대로 용접 속도가 너무 빠르면 열 입력량이 부족하여 용접이 부분적으로만 완료되거나 미완성될 수 있습니다. 일반적으로 용접 속도를 줄이는 것은 용입 깊이를 향상시키기 위해 사용됩니다.

보조 블로우 보호 가스

고출력 레이저 용접에서 보조 블로우 보호 가스는 필수적인 절차입니다. 이는 금속 재료의 스퍼터링 및 집속 거울 오염을 방지하는 한편, 용접 과정에서 생성된 플라즈마가 과도하게 집중되어 레이저가 재료 표면에 도달하는 것을 막는 역할을 합니다. 레이저 용접 과정에서 헬륨, 아르곤, 질소 등의 가스가 용융 풀을 보호하고 용접 공정 중 공작물의 산화를 방지하기 위해 사용됩니다. 보호 가스의 종류, 공기 유량, 블로우 각도 등의 요소는 용접 결과에 큰 영향을 미치며, 블로우 방식에 따라서도 용접 품질에 차이가 발생합니다.