레이저 용접 공정은 높은 에너지 밀도 열원 때문에 레이저 용접 분야에서 호평을 받고 있습니다，레이저 에너지의 높은 밝기, 좋은 방향성 및 좋은 단색성으로 인해 레이저 용접 분야에서 호평을 받고 있으며, 이는 금속을 녹일 수 있습니다. 다음으로 레이저 빔 용접 공정에 대해 함께 알아보겠습니다!
파이버 레이저 용접 공정이란 무엇인가
레이저 용접 기술은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 작은 영역의 재료를 국부적으로 가열합니다. 레이저 복사 에너지는 열 전도를 통해 재료 내부로 확산되어 재료를 녹여 특정 용융 풀을 형성합니다.
레이저 용접은 주로 얇은 벽의 재료와 정밀 부품을 용접하는 것을 목표로 합니다. 높은 종횡비, 작은 용접 폭, 작은 열 영향 구역, 작은 변형, 빠른 용접 속도, 매끄럽고 아름다운 용접, 용접 후 처리가 없거나 간단한 처리만 있습니다. 용접 이음매는 고품질이고 기공이 없으며 정밀하게 제어할 수 있으며 초점이 맞춰진 광점이 작고 위치 정확도가 높으며 자동화를 실현하기 쉽습니다.
레이저 용접기 용접 방법
레이저 용접기는 스팟 용접, 맞대기 용접, 스택 용접, 테일러 용접, 레이저 하이브리드 용접, 씰 용접 등을 실현할 수 있습니다. 그 중 레이저 테일러 용접과 레이저 하이브리드 용접 기술과 장비는 주로 기차와 자동차 판의 고강도 용접에 사용됩니다. 다른 분야에서도 수요가 많습니다.
강판 레이저 테일러 용접과 레이저 하이브리드 용접은 직선 및 지그재그 라인 테일러 용접 기능을 통합한 레이저 테일러 용접 기술입니다. 판의 직선, 곡선 및 폴드 라인 테일러 용접에 적합하며 다양한 재료, 두께, 코팅 및 모양의 판에 적합합니다.
레이저용접 공정 영상
레이저 용접은 어떻게 작동하나요
레이저 용접기 설정
레이저용접기 공정흐름
모든 위치 용접 달성
먼저 용접 대상과 용접 이음매를 수평으로 맞대어 모든 위치 용접을 달성할 수 있도록 합니다. 실제 현장 용접에서는 바닥에서 위로 용접하고 동시에 와이어를 채웁니다. 외부 용접은 오목한 내부 용접을 피하기 위해 수직 용접과 평면 용접으로 변경됩니다. 동시에 모든 위치 용접이 달성됩니다.
용접 재료와 용접 이음매 사이의 수평 맞대기 접합
용접 공정 동안 용접 와이어와 텅스텐 전극 사이의 접촉을 피하여 아크 용접의 품질에 영향을 미치지 않도록 합니다. 아크를 시작하기 전에 순수 아르곤 가스를 공급하여 원래 튜브의 공기를 대체한 다음 아크 용접을 진행합니다.
와이어 공급
아크가 점화된 후 금속 와이어를 먼저 기계적으로 또는 수동으로 공급합니다. 용융 풀의 고온을 사용하여 용접을 수행하기 전에 와이어를 녹입니다.
납땜 공정
용접 공정 중에는 기공 형성을 피하고 아르곤 가스 흐름을 방해하지 않도록 주의해야 합니다. 그렇지 않으면 용융 풀이 산화되기 쉽고 아르곤 가스는 보호 효과를 잃고 용접이 산화됩니다. 텅스텐 전극은 축에 수직이어야 합니다.
플레이트 롤링 머신은 용접 풀의 크기를 제어하여 용접 공정 중 노즐로 인해 발생하는 용융 풀의 산화 문제를 피할 수 있습니다. 용접 와이어가 용융 풀에 지속적으로 공급되는지 확인하기만 하면 됩니다. 속도가 너무 빠르거나 너무 느려서는 안 됩니다. 그냥 용접하면 됩니다.
아크 중지
용접이 관통되었는지 확인한 다음 용접 와이어를 빼낸 다음 불을 끄고 용접 와이어를 빼낸 후 용접을 중지합니다. 추출 속도는 용융 풀이 산화되는 것을 방지하기 위해 느려야 하며, 그런 다음 아르곤 보호 가스 흐름을 중지하여 전체 현장 용접 공정의 품질 관리를 달성해야 합니다.
기존 아크 용접 공정과 비교:
- 작은 영역에서의 선택적 에너지 적용: 열 응력과 열 영향 영역 감소, 매우 낮은 왜곡.
- 좁은 이음매와 매끄러운 표면: 재처리를 줄이거나 아예 없앱니다.
- 낮은 용접 볼륨과 결합된 높은 강도: 용접된 작업물은 굽힘 또는 하이드로포밍을 거칠 수 있습니다.
- 통합이 용이: 정렬 또는 굽힘과 같은 다른 생산 작업과 결합할 수 있습니다.
- 이음매의 한 면만 닫으면 됩니다.
- 높은 공정 속도는 처리 시간을 줄입니다.
- 특히 자동화 기술에 적합합니다.
- 우수한 공정 제어: 공작 기계 제어 및 센서 시스템은 공정 매개변수를 감지하고 품질을 보장합니다.
- 레이저 빔은 작업물 표면에 닿거나 작업물에 힘을 가하지 않고도 용접을 만들 수 있습니다.
레이저용접 공정 품질에 영향을 미치는 요인
레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 주요 요소는 용접 장비, 작업물 상태, 공정 매개변수의 세 가지 측면으로 나뉩니다.
용접 장비
레이저에 대한 가장 중요한 품질 요구 사항은 빔 패턴과 출력 전력, 그리고 안정성입니다.
빔 패턴 순서가 낮을수록 빔 초점 성능이 우수하고, 스팟이 작고, 동일한 레이저 전력에서 전력 밀도가 높고, 용접 깊이와 폭이 커집니다.
일반적으로 기본 모드(TEM00) 또는 저차 모드가 필요합니다. 그렇지 않으면 고품질 레이저 용접 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
광학 시스템의 용접 품질에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 초점 렌즈입니다. 사용되는 초점 거리는 일반적으로 127mm(5인치)에서 200mm(7.9인치) 사이입니다. 초점 거리가 작으면 초점 빔 허리 스팟 직경을 줄이는 데 도움이 되지만 너무 작으면 용접 공정 중에 쉽게 손상될 수 있습니다. 오염 및 튀김으로 인해 손상됩니다.
파장이 짧을수록 흡수율이 높아집니다.
일반적으로 전기 전도성이 좋은 재료는 반사율이 더 높습니다. YAG 레이저의 반사율은 은의 경우 96%, 알루미늄의 경우 92%, 구리의 경우 90%, 철의 경우 60%입니다. 온도가 높을수록 흡수율이 높아 선형 관계를 보입니다. 일반적으로 인산염, 카본블랙, 흑연 등으로 표면을 코팅하면 흡수율을 향상시킬 수 있습니다.
작업물 상태
레이저 용접은 가공 및 조립되는 작업물의 높은 모서리 정밀도, 용접 지점 및 용접 이음매의 엄격한 정렬, 용접 공정 중 작업물의 원래 조립 정확도 및 지점 정렬이 용접 열에 의해 왜곡되지 않아야 합니다.
이는 레이저 스팟이 작고, 용접이 좁으며, 일반적으로 필러 메탈이 추가되지 않기 때문입니다.
조립 갭이 너무 큰 경우 빔은 기본 소재를 녹이지 않고 갭을 통과하거나, 눈에 띄는 가벼운 펀칭 및 움푹 들어간 부분을 일으킬 수 있습니다. 포인트-솔기 편차가 약간 더 큰 경우 불완전한 융합 또는 불완전한 용접으로 이어질 수 있습니다.
일반적으로 보드 맞대기 접합부의 조립 갭 및 포인트 솔기 편차는 0.1mm를 초과해서는 안 되며, 오정렬은 0.2mm를 초과해서는 안 됩니다.
용접 매개변수
(1) 레이저용접방법 및 용접형상 안정성에 미치는 영향. 가장 중요한 용접 매개변수는 레이저 스팟의 전력 밀도입니다. 용접 방법과 용접 형성 안정성에 미치는 영향은 다음과 같습니다.
작은 것에서 큰 것까지의 레이저 스팟 전력 밀도는 안정적인 열전도 용접, 모드 불안정 용접 및 안정적인 심층 침투 용접입니다.
특정 빔 모드와 초점 거울 초점 거리에서 레이저 스팟 전력 밀도는 주로 레이저 전력과 빔 초점 위치에 의해 결정됩니다.
레이저 전력 밀도는 레이저 전력에 직접 비례합니다.
(2) 심관입용접의 경우 용접변수가 침투깊이에 미치는 영향은 다음과 같다.
안정적인 심관통 용접 범위 내에서 레이저 출력이 높을수록 침투 깊이가 약 0.7배 더 깊어집니다.
또한 용접 속도가 높을수록 침투 깊이가 얕아집니다.
레이저 출력과 용접 속도의 특정 조건에서 초점은 침투가 최대일 때 가장 좋은 위치에 있습니다.
이 위치에서 벗어나면 침투 깊이가 감소하고 불안정한 용접 또는 안정적인 열전도 용접 모드가 됩니다.
(3) 보호 가스의 역할
용접 중 작업물을 산화로부터 보호합니다. 초점 렌즈를 금속 증기 오염 및 액체 방울 스퍼터링으로부터 보호합니다. 고출력 레이저 용접으로 생성된 플라즈마를 분산합니다. 작업물을 냉각하고 열 영향 영역을 줄입니다.
보호 가스는 일반적으로 아르곤 또는 헬륨이거나 겉보기 질량이 높지 않으면 질소입니다.
(4) 각 매개변수의 모니터링 가능성 분석.
네 가지 용접 매개변수 중 용접 속도와 보호 가스 흐름은 모니터링하기 쉽고 안정적으로 유지되는 매개변수인 반면 레이저 출력과 초점 위치는 용접 공정 중에 변동될 수 있고 모니터링하기 어려운 매개변수입니다.
빔의 초점 위치는 용접 품질에 영향을 미치는 용접 매개변수 중에서 모니터링하고 제어하기 가장 어려운 요소 중 하나입니다.
현재 생산 중에는 필요한 용융 깊이를 얻기 위해 적절한 초점 위치를 결정하기 위해 수동 조정 및 반복적인 공정 테스트가 필요합니다.
레이저 용접 공정 매개변수에 영향
용접 품질에 영향을 미치는 용접 공정 매개변수에는 주로 레이저 출력 전력, 용접 속도, 레이저 파형, 펄스 폭, 디포커스 양 및 차폐 가스가 포함됩니다.
- 전력 밀도
전력 밀도는 레이저 가공에서 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 더 높은 전력 밀도를 사용하면 표면 층을 마이크로초 시간 범위 내에서 비등점까지 가열하여 많은 양의 증발을 일으킬 수 있습니다. 따라서 높은 전력 밀도는 드릴링, 절단 및 조각과 같은 재료 가공에 유익합니다.
전력 밀도가 낮은 경우 표면 온도가 비등점에 도달하는 데 몇 밀리초가 걸립니다. 표면 층이 증발하기 전에 바닥 층이 녹는점에 도달하여 양호한 용융 용접을 형성하기 쉽습니다. 따라서 전도성 레이저 용접에서 전력 밀도는 104~106 W/cm2 범위입니다.
- 레이저 펄스 파형
Laser pulse waveform is an important issue in laser welding, especially for thin sheet welding. When a 고강도 레이저 빔이 재료 표면에 부딪히면 레이저 에너지의 60~98%가 금속 표면에서 반사되어 손실되고 반사율은 표면 온도에 따라 변합니다. 레이저 펄스가 작용하는 동안 금속의 반사율은 크게 변합니다.
레이저 펄스 폭
펄스 폭은 펄스 레이저 용접의 중요한 매개변수 중 하나입니다. 재료 제거 및 재료 용융과 다른 중요한 매개변수일 뿐만 아니라 가공 장비의 비용과 양을 결정하는 핵심 매개변수이기도 합니다.
용접 품질에 대한 디포커스의 영향
레이저 용접은 일반적으로 레이저 초점의 스팟 중심에서 전력 밀도가 너무 높고 구멍으로 쉽게 증발할 수 있기 때문에 일정량의 디포커스가 필요합니다. 레이저 초점에서 떨어진 각 평면에서 전력 밀도 분포는 비교적 균일합니다.
레이저 용접 응용 분야
레이저 용접 기술은 외국 자동차 제조에 널리 사용됩니다. 동시에 레이저 용접 기계는 전자 산업, 분말 야금, 생물 의학 및 BT20 티타늄 합금, HEl30 합금, 리튬 이온 배터리 등의 레이저 용접과 같은 기타 산업에서 널리 사용됩니다. 독일은 평판 유리를 위한 새로운 레이저 용접 기술을 개발했습니다.
레이저 용접에서 특정 프로세스 에너지란 무엇인가
레이저 용접에서 특정 프로세스 에너지는 단일 고정 값이 아니라 여러 요인에 따라 달라집니다. 그 이유는 다음과 같습니다.
레이저 출력 및 빔 크기: 레이저 출력이 높을수록 더 많은 에너지를 전달하지만 빔 직경이 클수록 에너지가 분산되어 에너지 밀도가 감소합니다.
용접 속도: 용접 속도가 빠르면 에너지가 재료를 가열하는 데 걸리는 시간이 짧아져 동일한 용접 깊이를 달성하는 데 더 높은 전력이 필요합니다.
재료 특성: 재료마다 레이저 광에 대한 흡수율이 다르므로 금속을 녹이는 데 필요한 에너지 양에 영향을 미칩니다.
조인트 형상: 재료가 두껍거나 용접이 깊을수록 얇은 시트나 얕은 용접에 비해 더 많은 에너지가 필요합니다.
레이저용접장비 및 공정검증
레이저 용접은 집중된 광선을 사용하여 재료를 녹이고 융합하는 정밀하고 다재다능한 접합 기술입니다. 기존 용접 방법에 비해 다음과 같은 수많은 장점을 제공합니다.
- 더 강하고 더 정확한 용접: 레이저 용접은 다른 용접보다 더 깊고 좁기 때문에 강도가 더 높고 미적으로 더 만족스러운 마감이 가능합니다.
- 최소한의 열 변형: 레이저 빔의 집중된 특성은 주변 영역으로의 열 전달을 최소화하여 뒤틀림과 변형을 줄입니다.
- 얇은 소재에 적합: 레이저 용접은 번스루 위험 없이 얇은 금속판을 접합하는 데 이상적입니다.
- 광범위한 소재: 레이저 용접은 강철, 알루미늄, 티타늄, 니켈 합금을 포함한 다양한 금속을 용접할 수 있습니다.
레이저 용접 솔루션
용접 장비의 비용은 매우 높고 레이저의 에너지 이용률은 낮습니다. 레이저를 예로 들면 총 효율은 20%에 불과합니다. 게다가 고출력 레이저는 작동 시 막대한 양의 값비싼 He 가스를 소모하고 생산 비용도 크게 증가합니다.
그러나 레이저 용접의 침투 깊이는 레이저 출력에 정비례하여 증가하지 않습니다. 저탄소강 용접 보조제를 예로 들면 용접 침투 깊이는 약 0.6의 전력에 비례합니다. 20kw 레이저 전력 염색에서 최대 타워 깊이는 15-20mm이고 전력이 90KW에 도달하면 최대 침투 깊이는 45mm에 불과합니다.
주된 이유는 다음과 같습니다.
(1) 침투 깊이가 더욱 증가하면 용접 조인트 측벽의 용융 금속이 교량되어 레이저의 통과를 방해합니다.
(2) 고출력 레이저 용접은 많은 수의 윤곽 플라즈마를 생성하며 플라즈마를 제거하기가 점점 더 어려워지고 레이저의 차폐가 점점 더 심각해지고 있습니다.
자주 묻는 질문
레이저 용접은 융합 용접 공정인가요?
레이저 용접 기술은 레이저 빔을 에너지로 사용하여 용접 부품의 접합부에 충격을 가해 용접 목적을 달성하는 융합 용접 기술입니다.
레이저 빔 용접 공정에서 열의 양은 얼마입니까?
레이저 용접의 열 영향 구역은 매우 작아서 보통 몇 밀리미터에 불과하며 작업물에 과도한 열을 발생시키지 않습니다.
레이저 용접 공정으로 뚫을 수 있는 가장 작은 구멍은 얼마입니까?
레이저 용접 구멍 크기는 0.1~10밀리미터입니다.
