레이저 용접 공정 - 파라미터
레이저 용접 시스템은 레이저, 전송용 광섬유, 콜리메이팅 집광 헤드 또는 갈바노미터 등으로 구성됩니다. 광섬유에서 나오는 빛은 발산되므로, 콜리메이팅 렌즈를 통해 평행광으로 콜리메이트된 후, 집광 렌즈(확대경 효과)에 의해 집광되어야 합니다. 레이저 공정 디버깅 시 주요 파라미터는 출력 전력, 이동 속도, 디포커싱량, 보호 가스입니다.
일반적으로 공작물의 파라미터를 결정하기 전에 가공 속도를 먼저 결정해야 합니다. 이는 고객과의 협의를 통해 고객의 요구 사항에 따라 속도를 정하는 과정을 필요로 합니다. 예를 들어, 생산 사이클 타임 및 산출량에 대한 요구 사항이 있는 경우, 이를 역산하여 대략적인 속도를 산정할 수 있습니다. 이후 이 속도를 기준으로 공정 조정을 수행할 수 있습니다.
일반적으로 과도한 속도는 이미지에 표시된 것처럼 V자형 특성을 유발합니다.
출력 전력: 이는 레이저 용접 전력을 의미하며, 일반적으로 파형을 통해 설정된다. 레이저 용접은 열 입력 및 흡수를 수반하는 에너지 변환 공정이다. 따라서 파형과 출력 전력을 제어하려면 풍부한 경험을 필요로 한다. 사용되는 재료, 두께, 용접 방식, 장비 등에 따라 조건이 모두 달라진다. 최적의 성능을 달성하기 위해서는 에너지에 주의 깊게 집중해야 하며, 파형 변화는 단위 에너지의 변화에 직접적인 영향을 미친다. 소프트웨어에는 일반적으로 이러한 설정이 포함되어 있으며, 이를 모니터링함으로써 다양한 재료가 에너지 변화에 미치는 영향에 대한 지식을 축적할 수 있다. 균열 제어는 일반적으로 더 많은 경험이 요구된다. 직선 이음부 용접에서 출력 전력에 대응하는 금속조직학적 특성은 용접 깊이와 용접 폭이다. 용접 깊이 및 폭이 너무 작으면 에너지를 증가시키고, 너무 크면 에너지를 감소시켜야 한다.
다른 출력 수준은 용융 깊이에 직접적인 영향을 미치며, 이는 그림에서 확인할 수 있다. 해당 그림은 서로 다른 에너지 수준에서의 용융 깊이를 보여주는 금속조직도이다.
에너지가 부족하면 부분 용접 또는 불완전 용접이 발생하기 쉬운데, 이는 이미지에서 확인할 수 있다. 표면층만 약간 용해되고, 침투 깊이가 매우 얕아 공정 요구 사항을 충족시키기 어렵다.
디포커싱(Defocusing): 첫째, 레이저 빔의 단위 에너지는 각 위치에서 균일하지 않다. 에너지는 초점 위치에서 가장 집중되어 최소 스팟 크기를 형성하며(레이저 작용 면적이 작고, 에너지가 더 집중됨), 따라서 모든 파라미터 조정은 초점이 결정된 후에야 의미를 갖는다. 따라서 초점을 찾는 작업은 매우 중요하며 기술적으로도 어려운 과정이다.
보호 가스: 보호 가스는 여러 종류가 있다. 산업용 생산 라인에서는 비용 절감을 위해 일반적으로 질소(N₂)가 사용되며, 실험실에서는 주로 아르곤(Ar)이 주요 보호 가스로 사용된다. 헬륨(He) 및 기타 불활성 가스도 사용되지만, 이 두 가스는 일반적으로 특수한 상황에서만 흔히 사용된다. 레이저 용접은 고온·격렬한 반응 과정이기 때문에 금속이 용융되고 기화된다. 금속은 고온에서 매우 활성화되어 산소와 접촉하면 격렬한 반응을 일으키며, 이로 인해 다량의 스패터(spatter)가 발생하고 용접 부위 표면이 거칠고 불균일해진다. 따라서 보호 가스는 용융 풀 근처의 소규모 영역 내에서 산소가 없는 환경을 조성하여, 용접 품질 저하 및 외부 표면 거칠기를 유발하는 격렬한 산화 반응을 방지한다.
보호 가스의 유량이 너무 크면 용융 풀을 날려버리고, 너무 작으면 용융 풀을 산소로부터 효과적으로 차단할 수 없습니다. 현장 작업 조건에 따라 유량을 유연하게 조정해야 합니다.
