레이저 기술

레이저 용접 속도, 출력 및 재료 두께 간의 관계는 용접 공정의 품질과 효율성을 결정하는 데 매우 중요합니다. 이 세 가지 요소(용접 속도, 레이저 출력, 재료 두께)는 서로 밀접하게 연관되어 있으며 강하고 결함 없는 용접을 얻기 위해 최적화되어야 합니다. 자동차, 항공우주, 제조업과 같이 정밀도와 재료의 무결성이 중요한 산업 분야에서는 이러한 요소들의 상호작용을 이해하는 것이 필수적입니다.

레이저 용접기의 기본 소개

레이저 용접기는 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 소량의 재료를 국부적으로 가열하고, 열전도를 통해 재료를 녹여 용접을 구현한다. 그 작동 원리는 주로 다음의 몇 가지 측면을 포함한다.

• 광학적 초점 조절: 레이저 용접기는 레이저에서 생성된 레이저 빔을 렌즈나 거울 등의 광학 부품을 통해 레이저 에너지를 용접 지점에 집중시킨다.

• 열 전도: 레이저 빔이 작업물의 표면에 조사되면, 레이저 에너지가 흡수되어 열 에너지로 전환된다. 이 열 에너지는 열전도를 통해 용접 부위의 금속 전도 부분을 따라 점차 전달되며 온도가 상승하게 된다.

• 융해 및 혼합: 금속 표면이 충분히 높은 온도에 노출되면 금속이 녹기 시작하여 용융 풀(molten pool)을 형성한다. 레이저 빔의 작용 하에 용융 풀이 빠르게 확산되고 혼합되면서 금속 접합부의 연결을 달성하게 된다.

• 냉각 및 응고: 레이저 빔이 정지한 후 용융 풀은 점차적으로 냉각되며 응고 과정에서 용접 접합부를 형성한다. 응고 과정 동안 금속 분자는 재배열되어 결정화되며 강력한 용접 연결을 형성한다.

레이저 용접기의 장점

• 고정밀도: 마이크론 수준의 용접 정확도를 달성할 수 있어 소형 및 복잡한 구조의 용접 요구에 특히 적합하다.

• 빠른 속도: 특히 심용해 용접 모드에서는 레이저 에너지가 집중되어 용융 풀이 작고 깊게 형성되므로 용접 속도가 빠르고 생산 효율이 높다.

• 작은 변형: 기존의 용접 방법과 비교하여 레이저 용접은 열 입력이 낮아 주변 재료에 미치는 영향이 적어 용접 후 변형을 줄이는 데 유리하다.

• 작은 열영향부: 주변 재료에 대한 열 손상을 줄여 용접 부위의 품질을 향상시킬 수 있다.

레이저 용접 출력, 속도 및 재료 두께

1. 레이저 용접 전원

레이저 출력은 용접 중 용입 깊이와 총 에너지 입력을 결정하는 결정적인 요소입니다. 이는 기본 재료를 녹여서 용접 풀을 형성하는 데 필요한 열량을 결정합니다. 두꺼운 판재의 경우 충분한 용입 깊이를 얻기 위해 일반적으로 더 높은 레이저 출력이 필요하지만, 얇은 재료의 경우에는 낮은 출력 설정으로 과도한 용해나 관통을 방지할 수 있습니다.

• 높은 출력: 더 깊은 용입을 달성할 수 있어 두꺼운 재료의 용접에 적합합니다. 그러나 얇은 판재에 출력이 지나치게 높을 경우 홀홀 안정성 저하, 스패터 발생, 심지어 관통 결함이 발생할 수 있습니다.

• 출력 감소: 얇은 판재에 더욱 적합하며, 재료의 변형이나 용해를 유발하는 과열을 방지하면서 보다 정밀한 제어가 가능합니다.

적절한 융합을 보장하고 결함을 방지하기 위해 레이저 출력은 재료 두께에 따라 신중하게 선택되어야 합니다.

2. 용접 속도

용접 속도는 레이저가 용접 부위를 따라 이동하는 속도를 의미합니다. 이는 단위 길이당 열입력에 영향을 미치며, 용접 품질을 결정하는 주요 요소입니다. 용접 속도와 레이저 출력 사이에는 직접적인 관계가 있으며, 하나를 증가시키면 원하는 용접 성능을 유지하기 위해 일반적으로 다른 하나를 조정해야 합니다.

• 높은 용접 속도: 용접 길이 단위당 열입력을 줄여 얇은 재료에 유리하며, 과열과 변형을 방지할 수 있습니다. 그러나 출력 대비 속도가 너무 높을 경우 용접부의 침투가 부족해져 약한 이음부나 불완전 융합이 발생할 수 있습니다.

• 용접 속도 감소: 더 많은 재료를 녹이고 기판 내 더 깊이 침투하기 위해 열입력을 증가시킵니다. 두꺼운 판재에는 유리하지만, 얇은 재료의 과열이나 용융 금속의 과도한 흐름을 유발할 수 있습니다.

최적의 용접 속도를 사용하는 것은 열입력을 균형 있게 유지하고 일반적인 용접 결함(기공, 균열 또는 변형 등)을 피하는 데 매우 중요합니다.

3. 재료 두께

용접 재료의 두께는 필요한 전력과 허용 가능한 용접 속도를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 두꺼운 판재는 완전한 관통을 위해 더 많은 열이 필요하므로 레이저가 더 높은 출력으로 작동해야 하며, 충분한 열 흡수 시간을 확보하기 위해 용접 속도를 낮출 필요가 있습니다. 반면에 얇은 판재는 과도한 열 입력으로 인한 녹거나 뚫리는 현상을 방지하기 위해 낮은 출력과 높은 속도가 요구됩니다.

• 두꺼운 판재: 완전 관통을 위해서는 더 많은 에너지가 필요합니다. 레이저는 더 높은 출력을 제공해야 하며, 충분한 에너지를 재료에 전달하기 위해 용접 속도를 느리게 해야 합니다.

• 얇은 판재: 필요한 에너지가 적으므로 레이저 출력을 줄이고 용접 속도를 높일 수 있습니다. 얇은 재료는 열로 인한 변형이 발생하기 쉬우므로 이러한 변수들을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.

힘, 속도 및 두께 간의 상호작용

레이저 용접 속도, 출력 및 판 두께 간의 관계는 균형 잡힌 조정이 필요하다. 각각의 재료 두께에 대해 고급 용접 품질, 적절한 관통 깊이 및 최소한의 결함을 보장하기 위한 최적의 레이저 출력과 용접 속도 조합이 존재한다.

예를 들어, 두꺼운 강판을 용접할 때 용접 속도를 조정하지 않고 레이저 출력만 증가시키면 과도한 열 입력으로 인해 휨 또는 지나치게 넓은 용접 봉합부와 같은 결함이 발생할 수 있다. 반대로 출력을 높이지 않고 용접 속도를 줄이면 용접 부위가 너무 깊어져 재료가 과열될 수 있다. 얇은 재료의 경우 과도한 출력과 느린 용접 속도가 조합되면 재료의 과도한 녹음 또는 관통 현상이 발생할 수 있다.

레이저 용접 속도와 판 두께 간의 관계

두꺼운 판은 더 느린 용접 속도가 필요하다

두꺼운 판재를 레이저 용접할 때는 완전한 관통을 달성하고 충분한 이음부 강도를 확보하기 위해 더 많은 열이 필요합니다. 따라서 레이저 빔이 재료 전체 두께에 걸쳐 충분한 시간 동안 열을 전달할 수 있도록 용접 속도를 낮추는 것이 중요합니다. 만약 용접 속도가 너무 빠르면 레이저 에너지가 완전히 관통하지 못해 관통 깊이가 부족하거나, 용접 부위가 불연속적이거나, 이음부 강도가 낮아질 수 있습니다.

• 두꺼운 판재 (>6mm): 레이저 에너지가 판재 전체 두께에 완전히 관통하여 안정적이고 고강도의 용접 부위를 형성할 수 있도록 하기 위해 용접 속도를 느리게 해야 합니다.

얇은 판재는 더 빠르게 용접할 수 있습니다

두꺼운 판재와 비교할 때, 얇은 시트 재료(2mm 미만)는 덜한 열을 필요로 하며, 레이저가 전체 두께를 보다 쉽게 관통할 수 있게 합니다. 이는 과열이나 과도한 용해를 효과적으로 방지하면서 더 빠른 용접 속도를 가능하게 하여 용접 변형이나 뚫림 현상을 피할 수 있습니다. 또한, 더 높은 용접 속도는 전반적인 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 양판(<2mm): 재료의 과열로 인한 변형, 뚫림 및 기타 용접 결함을 줄이기 위해 용접 속도를 빠르게 해야 합니다.

레이저 출력이 용접 속도 및 판 두께에 미치는 영향

레이저 출력은 용접 중 에너지 입력을 결정합니다. 고출력 레이저는 더 강력한 열을 제공하여 두꺼운 재료의 용접에 적합하며, 저출력 레이저는 얇은 판재에 더 적합합니다. 용접 속도를 선택할 때는 충분한 관통을 확보하면서도 재료의 과열을 유발하지 않도록 레이저 출력과 판 두께를 적절히 매칭하는 것이 중요합니다.

두꺼운 판재용 고출력 레이저 용접

두꺼운 판재를 용접할 때는 안정적인 용융 풀을 형성하기 위해 재료 내부로 충분한 열 전달이 필요하므로 더 높은 레이저 출력이 요구됩니다. 낮은 용접 속도와 병행하면 레이저 에너지가 더 긴 시간 동안 균일하게 재료를 가열하여 융합 깊이를 보장할 수 있습니다.

• 6kW 출력으로 두꺼운 판재(10mm) 용접: 일반적으로 용접 속도는 0.5-1.2m/분 사이입니다.

박판 저출력 레이저 용접

박판 용접의 경우, 낮은 출력과 빠른 속도는 과열 및 용접 변형을 방지하는 데 도움이 됩니다. 일반적으로 레이저 출력이 2-3kW 범위일 때, 두께 2mm 미만의 판재를 가공할 수 있습니다.

• 2kW 출력으로 박판(1mm) 용접: 일반적으로 용접 속도는 5-10m/분 사이입니다.

레이저 용접기 출력 및 속도 비교표

다음은 다양한 판 두께 조건에서 레이저 용접기의 출력과 용접 속도를 비교한 표입니다:

• 얇은 판재(1-2mm): 낮은 출력(2-3kW)과 높은 용접 속도(5-10m/분)의 조합은 이 유형의 용접에 적합하며, 과도한 열 발생 없이 신속한 작업을 보장합니다.

• 중간 및 두꺼운 판재(4-6mm): 중간 출력(4-6kW)과 중간 속도 용접(1-3m/분)을 함께 사용하면 융착 깊이를 확보하면서 과도한 열 영향부를 피할 수 있습니다.

• 두꺼운 판재(>6mm): 두꺼운 판재의 경우, 고출력(8-10kW)과 느린 용접 속도(0.5-1m/분)를 사용하여 충분한 열이 재료 내부까지 침투하도록 하고 강도 높은 이음 부위를 형성해야 합니다.

레이저 용접 출력, 두께 및 속도 차트

레이저 용접은 다양한 금속 두께에 대해 고속·고품질의 용접을 제공하는 정밀 접합 기술입니다. 레이저 출력, 재료 두께, 용접 속도 간의 관계는 최적의 결과를 얻기 위해 매우 중요합니다. 이는 일반적인 재료에 대한 이러한 파라미터들을 상세히 제시한 차트입니다.

연강

스테인리스강

알루미늄

구리

황동류 금속

Galvanized Sheet

결론

요약하면, 두꺼운 판재는 일반적으로 더 높은 출력과 느린 용접 속도를 필요로 하며, 얇은 재료는 낮은 출력과 빠른 용접 속도가 필요합니다. 이러한 섬세한 균형을 통해 에너지 사용 효율성과 우수한 용접 품질이 보장됩니다. 이러한 상호 관계를 이해함으로써 제조업체는 특정 용도, 재료 및 두께에 맞춰 공정을 최적화할 수 있으며, 이는 결함이 적고 더욱 강력하고 신뢰성 있는 용접 결과를 만들어냅니다.