레이저용접이란?

레이저 용접은 레이저 소재 가공 기술의 중요한 측면이며 종종 레이저 용접기라고 합니다. 일반적으로 작업 모드에 따라 레이저 몰드 용접기(수동 용접기), 자동 레이저 용접기, 레이저 스팟 용접기, 파이버 레이저 용접기로 분류됩니다. 레이저 용접은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 소재의 작은 영역을 국부적으로 가열합니다. 레이저 복사의 에너지는 열 전도를 통해 소재로 확산되어 소재를 녹이고 특정 용융 풀을 형성하여 용접 목적을 달성합니다.

1970년대에 레이저 용접은 주로 얇은 벽의 재료와 저속 용접에 사용되었습니다. 이 공정은 열전도 유형으로, 레이저 복사가 작업물 표면을 가열한 다음 열이 전도를 통해 내부로 확산됩니다. 레이저 펄스 폭, 에너지, 피크 전력 및 반복 주파수와 같은 매개변수를 제어하여 작업물을 녹여 특정 용융 풀을 형성합니다. 고유한 장점으로 인해 레이저 용접은 미세 및 소형 부품의 정밀 용접에 성공적으로 적용되었습니다.

고출력 CO2 및 YAG 레이저의 출현으로 레이저 용접의 새로운 분야가 열렸고, 이는 소공 효과 이론을 기반으로 한 심관입 용접으로 이어졌습니다. 이는 기계, 자동차 및 철강과 같은 산업에서 점점 더 널리 적용되게 되었습니다.

다른 용접 기술과 비교했을 때 레이저 용접의 주요 장점은 다음과 같습니다.

1. 고속, 대심도, 최소 변형: 공정이 빠르고 최소한의 변형으로 깊은 용접이 가능합니다.

2.용접 조건의 다양성: 용접은 간단한 장비 설정으로 실온이나 특수 조건에서 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 레이저는 빔 편향 없이 전자기장을 통해 작동할 수 있습니다. 용접은 진공, 공기 또는 특정 가스 환경에서 발생할 수 있으며 유리와 같은 투명한 재료를 통해 발생할 수 있습니다.

3. 녹기 어려운 재료의 용접 능력: 레이저 용접은 티타늄, 석영과 같은 재료를 처리할 수 있으며, 서로 다른 재료에 대해서도 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.

4. 높은 전력 밀도: 초점이 맞춰진 후, 레이저는 높은 전력 밀도를 갖습니다. 고전력 용접 응용 분야에서 깊이 대 폭 비율은 최대 5:1, 어떤 경우에는 최대 10:1에 도달할 수 있습니다.

5. 마이크로 용접 기능: 레이저 빔을 집중시켜 매우 작은 지점과 정밀한 위치를 달성할 수 있어 대량 자동 생산에서 마이크로 및 소형 부품을 가공하는 데 적합합니다.

6. 접근하기 어려운 지역에 대한 접근성: 레이저 용접은 높은 유연성으로 비접촉, 원격 용접을 수행할 수 있습니다. 파이버 전송 기술과 같은 YAG 레이저 기술의 최근 개발은 레이저 용접의 적용을 더욱 확대했습니다.

7. 다중 빔 처리: 레이저 빔을 공간적, 시간적으로 분할할 수 있어 여러 빔과 여러 작업 스테이션으로 동시 처리가 가능하여 보다 정밀한 용접 조건을 제공합니다.

그러나 레이저 용접에도 다음과 같은 한계가 있습니다.

1. 높은 정밀도 요구 사항: 작업물은 높은 정밀도로 조립되어야 하며 레이저 빔은 작업물에 정확하게 위치해야 합니다. 초점 후 레이저 스팟이 매우 작고 용접 이음매가 좁기 때문에 용접 결함을 피하기 위해 작업물 조립 및 빔 위치가 정확해야 합니다.

2. 높은 비용: 레이저와 관련 시스템의 비용은 비교적 높아서 초기 투자 비용이 상당합니다.

1. 전력 밀도

전력 밀도는 레이저 가공에서 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 더 높은 전력 밀도는 마이크로초 이내에 표면을 비등점까지 가열하여 상당한 증발을 일으킬 수 있습니다. 따라서 높은 전력 밀도는 드릴링, 절단 및 조각과 같은 재료 제거 공정에 유익합니다. 전력 밀도가 낮은 경우 표면 온도가 비등점에 도달하는 데 몇 밀리초가 걸립니다. 표면이 증발하기 전에 기본 층이 녹는점에 도달하여 양호한 용융 용접을 용이하게 합니다. 전도형 레이저 용접에서 전력 밀도는 일반적으로 10410^4104~10610^6106 W/cm² 범위입니다.

2.레이저 펄스 파형

레이저 펄스의 파형은 레이저 용접, 특히 박판 용접에서 중요한 문제입니다. 고강도 레이저 빔이 재료 표면에 부딪히면 레이저 에너지의 60%~98%가 반사되고 반사율은 표면 온도에 따라 달라집니다. 단일 레이저 펄스 동안 금속의 반사율은 크게 변합니다.

3. 레이저 펄스 지속 시간

펄스 지속 시간은 펄스 레이저 용접에서 중요한 매개변수입니다. 이는 재료 제거와 재료 용융을 구별하며 가공 장비의 비용과 크기를 결정하는 핵심 요소이기도 합니다.

4. 초점거리가 용접품질에 미치는 영향

레이저 용접은 레이저 초점의 전력 밀도가 매우 높아 증발로 인해 구멍이 형성될 수 있기 때문에 종종 어느 정도의 초점 이탈이 필요합니다. 레이저 초점에서 떨어진 평면에서는 전력 밀도 분포가 비교적 균일합니다.

디포커싱에는 포지티브 디포커스와 네거티브 디포커스의 두 가지 유형이 있습니다. 포지티브 디포커스는 초점 평면이 작업물 위에 있을 때 발생하고, 네거티브 디포커스는 초점 평면이 작업물 아래에 있을 때 발생합니다. 기하 광학 이론에 따르면 포지티브 디포커스와 네거티브 디포커스가 같을 때 해당 평면의 전력 밀도는 거의 같습니다. 그러나 얻은 용융 풀의 모양은 다릅니다.

음의 디포커스는 용융 풀의 형성 과정과 관련된 더 깊은 용융을 초래할 수 있습니다. 실험 결과 레이저가 재료를 50~200마이크로초 동안 가열하면 재료가 녹기 시작하여 액체 금속과 증발을 형성하고 매우 빠른 속도로 분출되는 고압 증기를 생성하여 밝은 흰색 빛을 생성합니다. 동시에 고농도의 가스로 인해 액체 금속이 용융 풀의 가장자리로 이동하여 풀 중앙에 움푹 들어간 부분이 형성됩니다. 음의 디포커스 동안 재료 내부의 전력 밀도는 표면보다 높아 더 강한 용융 및 증발로 이어져 광 에너지가 재료에 더 깊이 침투할 수 있습니다. 따라서 실제 응용 분야에서 더 큰 용융 깊이가 필요할 때는 음의 디포커스를 사용하는 반면 얇은 재료를 용접할 때는 양의 디포커스를 선호합니다.

1. 시트 간 용접

여기에는 맞대기 용접, 모서리 용접, 중심 관통 용융 용접, 중심 천공 용융 용접의 4가지 공정 방법이 포함됩니다.

2. 와이어 사이의 용접

여기에는 와이어 대 와이어 맞대기 용접, 교차 용접, 평행 랩 용접 및 T-조인트 용접의 4가지 공정 방법이 포함됩니다.

3. 블록 구성 요소에 대한 금속 와이어 용접

레이저 용접은 블록 구성 요소의 크기가 유연하여 금속 와이어를 블록 구성 요소에 성공적으로 연결할 수 있습니다. 용접하는 동안 와이어 구성 요소의 기하학적 치수에 주의해야 합니다.

4. 다른 금속의 용접

다양한 유형의 금속을 용접하려면 용접성과 용접 매개변수 범위를 다루어야 합니다. 다양한 재료 간의 레이저 용접은 특정 재료 조합에만 가능합니다.

일부 구성 요소 간의 연결은 레이저 융합 용접에 적합하지 않지만 레이저를 소프트 솔더링 및 하드 솔더링의 열원으로 사용하면 레이저 융합 용접과 유사한 이점을 얻을 수 있습니다. 솔더링에는 다양한 방법이 있으며 레이저 소프트 솔더링은 주로 인쇄 회로 기판, 특히 시트형 구성 요소의 조립에 솔더링하는 데 사용됩니다. 다른 방법에 비해 레이저 소프트 솔더링은 다음과 같은 이점을 제공합니다.

1. 국소 난방: 가열이 국부화되어 부품이 열 손상을 입을 가능성이 적고 열 영향 구역이 작습니다. 이를 통해 열에 민감한 부품 근처에서 소프트 솔더링을 수행할 수 있습니다.

2. 비접촉 가열: 비접촉 가열과 넓은 용융 영역으로 추가 도구가 필요 없습니다. 이 방법은 양면 인쇄 회로 기판의 양쪽에 구성 요소를 장착한 후 가공할 수 있습니다.

3.안정적인 반복성: 반복 작업의 안정성이 높습니다. 플럭스는 용접 도구의 오염이 최소화되고 레이저 노출 시간과 출력 전력을 쉽게 제어하여 레이저 납땜 제품의 수율이 높습니다.

4. 쉬운 빔 분할: 반투명 거울, 반사경, 프리즘, 스캐닝 거울과 같은 광학 부품을 사용하여 레이저 빔을 쉽게 분리하여 여러 지점에서 동시에 대칭 용접이 가능합니다.

5.파장 유연성: 레이저 솔더링은 일반적으로 파장이 1.06µm인 레이저를 열원으로 사용하는데, 이는 광섬유를 통해 전달될 수 있습니다. 이를 통해 기존 방법으로는 용접하기 어려운 영역에서 가공이 가능하여 더 큰 유연성을 제공합니다.

6. 좋은 집중력: 초점 조절 능력이 뛰어나 다중 스테이션 장치로도 자동화를 쉽게 달성할 수 있습니다.

야금 공정 및 이론적 원리

레이저 심층 침투 용접의 야금학적 및 물리적 공정은 에너지 변환 메커니즘이 "작은 구멍" 구조를 통해 달성되는 전자 빔 용접과 매우 유사합니다. 충분히 높은 전력 밀도 빔의 조사 하에서 재료가 증발하여 작은 구멍을 형성합니다. 이 증기로 채워진 작은 구멍은 흑체처럼 작용하여 거의 모든 입사광 에너지를 흡수하고 캐비티 내부의 평형 온도는 약 25,000도 섭씨에 도달합니다. 고온 캐비티 벽에서 열이 전달되어 주변 금속이 녹습니다. 작은 구멍은 빔 아래의 벽 재료가 지속적으로 증발하여 생성된 고온 증기로 채워집니다. 작은 구멍의 벽은 용융 금속으로 둘러싸여 있으며 액체 금속은 고체 재료로 둘러싸여 있습니다. 구멍 외부의 액체 흐름과 벽 층의 표면 장력은 캐비티 내부의 지속적인 증기압을 균형 있게 유지하여 동적 평형을 유지합니다. 빔은 지속적으로 작은 구멍에 들어가고 구멍 외부의 재료는 지속적으로 흐릅니다. 빔이 이동함에 따라 작은 구멍은 안정적인 흐름 상태를 유지합니다. 즉, 작은 구멍과 주변 용융 금속은 선행 빔과 함께 앞으로 이동하고 용융 금속은 작은 구멍이 남긴 틈을 채우고 이어서 응고되어 용접을 형성합니다.

영향 요인

레이저 심층 침투 용접에 영향을 미치는 요인은 다음과 같습니다: 레이저 출력, 레이저 빔 직경, 재료 흡수성, 용접 속도, 보호 가스, 렌즈 초점 거리, 초점 위치, 레이저 빔 위치, 용접 시작 및 종료 지점에서 레이저 출력의 점진적인 증가 및 감소.

레이저 심층 침투 용접의 특성 및 장점

형질:

1.높은 깊이 대 너비 비율: 용융 금속은 원통형 고온 증기 공동 주위로 형성되고 확장되어 깊고 좁은 용접이 생성됩니다.

2.최소한의 열 입력: 소스 캐비티의 온도가 매우 높기 때문에 용융 과정이 매우 빠르게 진행되며 공작물에 대한 열 입력이 매우 낮아 열 변형과 열 영향 구역이 최소화됩니다.

3. 고밀도: 고온 증기로 채워진 작은 구멍은 용융 풀의 교반과 가스 배출을 용이하게 하여 기공 없는 용접을 가능하게 합니다. 용접 후 높은 냉각 속도는 용접 미세 구조를 정제하는 데에도 도움이 됩니다.

4.강력한 용접: 그 결과 용접은 견고하고 내구성이 뛰어납니다.

5.정밀한 제어: 이 공정을 통해 용접 매개변수를 정확하게 제어할 수 있습니다.

6. 비접촉, 대기 용접 공정: 용접 공정은 직접적인 접촉을 포함하지 않으며 대기 환경에서 진행됩니다.

장점:

1. 높은 용접 속도와 최소한의 변형: 초점 레이저 빔은 기존 방식에 비해 전력 밀도가 훨씬 높아 용접 속도가 빠르고 열 영향 구역이 작으며 왜곡이 적습니다. 또한 티타늄 및 석영과 같은 어려운 소재의 용접도 가능합니다.

2. 다운타임 감소 및 효율성 증가: 빔 전송 및 제어가 용이해지고 토치나 노즐을 자주 교체해야 할 필요성이 줄어들면서 보조 작업의 가동 중지 시간이 크게 줄어들어 효율성과 생산성이 향상됩니다.

3. 높은 전체 성능을 갖춘 강력한 용접: 정화 효과와 빠른 냉각 속도로 인해 전반적인 성능이 높고 견고한 용접이 가능합니다.

4. 높은 정밀도와 낮은 재작업 비용: 낮은 열 입력과 높은 가공 정밀도로 인해 재작업 필요성이 줄어들고 레이저 용접의 운영 비용이 비교적 낮아 생산 비용을 낮추는 데 도움이 됩니다.

5. 자동화의 용이성: 이 프로세스는 빔 강도와 정확한 위치를 효과적으로 제어하여 자동화를 촉진합니다.