레이저 용접에서 차폐 가스 선택
용접 후 과도한 스패터, 보기 좋지 않은 용접 형성, 그리고 다수의 기공과 같은 용접 결함을 경험해 보셨습니까? 이러한 결함이 레이저 용접 공정 파라미터 설정 오류 때문인 것 같다고 생각하실 수도 있지만, 적절한 보호 가스 사용 역시 용접 형성 및 성능에 중대한 영향을 미치는 핵심 요소임을 아시나요? 최적의 보호 가스를 선택하는 것은 용접 품질과 효율성을 향상시키는 실질적인 방법입니다.
보호 가스가 이처럼 중요하다면, 정확히 어떤 역할을 할까요? 보호 가스 종류는 어떻게 선택해야 할까요? 용접 시 보호 가스는 어떻게 공급해야 할까요?
보호 가스의 역할
레이저 용접에서 보호 가스는 용접 형성, 용접 품질, 용접 침투 깊이 및 용접 폭에 영향을 미칩니다. 대부분의 경우 보호 가스를 공급하면 용접에 긍정적인 영향을 주지만, 부정적인 영향을 줄 수도 있습니다.
긍정적인 효과
1) 적절히 공급된 보호 가스는 용접 용융풀을 효과적으로 보호하여 산화를 감소시키거나 심지어 방지합니다.
2) 적절히 공급된 보호 가스는 용접 중 스패터를 효과적으로 감소시킵니다.
3) 적절히 공급된 보호 가스는 응고 과정에서 용접 용융풀의 균일한 퍼짐을 촉진하여 균일하고 미관상 우수한 용접부를 형성합니다.
4) 적절히 공급된 보호 가스는 금속 증기 플룸 또는 플라즈마 구름이 레이저에 미치는 차폐 효과를 효과적으로 감소시켜 레이저의 유효 이용률을 높입니다.
5) 적절히 공급된 보호 가스는 용접부의 기공률을 효과적으로 감소시킵니다.
가스 종류, 가스 유량 및 공급 방법을 올바르게 선택한다면 이상적인 결과를 얻을 수 있습니다.
그러나 보호 가스를 부적절하게 사용하면 용접 품질에 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다.
1) 보호 가스 적용이 잘못되면 용접 품질이 악화될 수 있습니다:
① 부적절한 가스 종류를 선택하면 용접 균열이 발생하거나 용접부의 기계적 성질이 저하될 수 있습니다.
② 부적절한 가스 유량을 선택하면 용접부 산화가 더욱 심해질 수 있으며(유량이 과도하게 높거나 낮은 경우 모두 해당), 용접 풀에 심각한 간섭을 일으켜 용접 붕괴 또는 불균일한 형성으로 이어질 수 있습니다.
③ 부적절한 가스 공급 방식을 선택하면 보호 효과가 없거나 아예 무효화될 수 있으며, 용접 형성에도 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
2) 보호 가스 적용은 용접 침투 깊이에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 얇은 판재 용접 시 용접 침투 깊이가 감소할 수 있습니다.
보호 가스의 종류
일반적으로 레이저 용접에 사용되는 보호 가스로는 N₂, Ar, He가 있습니다. 이들 가스는 물리·화학적 특성이 서로 달라 용접에 미치는 영향도 각각 다릅니다.
질소 (N2)
가장 저렴하지만, 특정 스테인리스강 용접에는 부적합합니다. 질소(N2)는 중간 수준의 이온화 에너지를 가지며, 아르곤(Ar)보다는 높고 헬륨(He)보다는 낮습니다. 레이저 조사 하에서는 일반적으로 이온화 정도가 낮아 플라즈마 구름 형성을 효과적으로 억제함으로써 레이저의 유효 이용률을 높입니다. 그러나 질소는 특정 온도에서 알루미늄 합금 및 탄소강과 화학 반응을 일으켜 질화물을 생성할 수 있습니다. 이로 인해 용접부의 취성은 증가하고 인성은 감소하며, 용접 접합부의 기계적 성질에 심각한 부정적 영향을 미칩니다. 따라서 알루미늄 합금 및 탄소강 용접 시 보호 가스로서 질소 사용은 권장되지 않습니다.
반면, 질소가 스테인리스강과 화학 반응하여 생성하는 질화물은 용접부의 강도를 증가시켜 기계적 성질을 개선할 수 있습니다. 따라서 스테인리스강 용접 시 보호 가스로 질소를 사용할 수 있습니다.
아르곤 (Ar)
비교적 저렴하며 밀도가 높고 우수한 보호 성능을 제공합니다. 헬륨을 사용할 때보다 용접 표면이 더 매끄럽습니다. 그러나 고온 금속 플라스마에 의해 쉽게 이온화되어 레이저 빔의 일부가 작업물에 도달하지 못하게 차단함으로써 유효 용접 출력을 감소시키고, 용접 속도 및 침투 깊이를 저해할 수 있습니다. 아르곤(Ar)은 이온화 에너지가 가장 낮지만, 레이저 조사 하에서는 상대적으로 높은 이온화 정도를 보여 플라스마 구름 형성 제어에 부적합하며, 레이저의 유효 이용률에 일정한 영향을 미칩니다. 그러나 아르곤은 반응성이 매우 낮아 일반적인 금속과 화학적으로 반응하기 어렵습니다. 또한 아르곤은 가격이 저렴합니다. 더불어 아르곤은 밀도가 높아 용접 용융풀 상부에 안정적으로 정체되며, 용접 용융풀에 대한 보호 성능을 향상시킵니다. 따라서 아르곤은 일반적인 쉴딩 가스로 사용될 수 있습니다.
헬륨(He)
가격은 더 비싸지만, 가장 뛰어난 효과를 발휘하여 레이저가 작업물 표면까지 장애 없이 직접 투과할 수 있도록 한다. 헬륨(He)은 이온화 에너지가 가장 높지만, 레이저 조사 하에서는 이온화 정도가 매우 낮아 플라즈마 구름의 형성을 효과적으로 억제할 수 있다. 레이저는 금속에 대해 우수한 작용을 하며, 헬륨은 반응성이 매우 낮아 금속과 거의 화학 반응을 일으키지 않는다. 따라서 헬륨은 용접용으로 탁월한 보호 가스이다. 그러나 헬륨은 가격이 지나치게 비싸기 때문에 일반적으로 대량 생산에는 사용되지 않는다. 헬륨은 주로 과학 연구 또는 고부가가치 제품 제조에 사용된다.
보호 가스 주입 방식
현재 보호 가스를 도입하는 방법은 크게 두 가지이다. 첫 번째는 축에 대해 편심된 측면에서 보호 가스를 분사하는 방식… 즉, 평행 측면 분사 보호 가스 방식이다.
다른 하나는 동축(coaxial) 보호 가스 방식이다.
동축 보호 가스
이 두 가지 분사 방식 중 어느 것을 선택할지는 여러 요인을 종합적으로 고려해야 하지만, 일반적으로는 측면 분사 보호 가스 방식이 권장된다.
차폐 가스 공급 방법을 선택하는 원칙
우선, "용접 산화"라는 용어는 비공식적인 표현이다. 이론적으로는 용접부와 대기 중 유해 성분 간의 화학 반응을 의미하며, 이로 인해 용접 품질이 저하된다. 일반적인 예로는 용접 금속이 특정 온도에서 대기 중 산소, 질소, 수소와 반응하는 경우가 있다.
용접 산화를 방지하기 위해서는 이러한 유해 성분과 고온 상태의 용접 금속 사이의 접촉을 최소화하거나 완전히 차단해야 한다. 여기서 고온이란 용융 풀 금속뿐만 아니라, 용접 금속이 녹기 시작하여 응고될 때까지, 그리고 그 온도가 특정 수준 이하로 떨어질 때까지의 전 과정을 포함한다.
예를 들어, 티타늄 합금 용접 시에는 300 °°C 이상에서 수소가 급격히 흡수되며, 450 °°C 이상에서는 산소가, 600°C 이상에서는 질소가 흡수된다. °C. 따라서 티타늄 합금 용접부는 응고 후 및 온도가 300℃ 이하로 떨어지는 동안 효과적인 보호가 필요하다. °C; 그렇지 않으면 "산화"된다.
위 설명에서 명확히 드러나듯이, 분사식 쉴딩 가스는 용융풀을 적시에 보호할 뿐만 아니라 막 응고된 영역도 함께 보호해야 한다. 따라서 그림 1에 도시된 비동축 측면 분사식 쉴딩 가스 방식이 일반적으로 사용되는데, 이는 그림 2에 도시된 동축 보호 방식보다 더 넓은 보호 범위를 제공하며 특히 막 응고된 용접 부위에 대해 더 우수한 보호 성능을 발휘하기 때문이다.
공학적 응용 측면에서 비동축 측면 분사식 쉴딩 가스는 모든 제품에 적합하지 않다. 특정 제품의 경우, 오직 동축 쉴딩 가스만을 사용할 수 있다. 이러한 선택은 반드시 제품 구조 및 접합 형태에 따라 맞춤형으로 결정되어야 한다.
특정 쉴딩 가스 분사 방식 선정
1) 직선 용접
그림 3에 표시된 바와 같이, 제품의 용접 형상은 직선형이다. 접합 방식은 맞대기 이음, 겹치기 이음, 모서리 이음 또는 중복 용접이 될 수 있다. 본 유형의 제품의 경우, 아래에 도시된 편심 측면 불입 차폐 가스 방식이 선호된다. 선호된다.
2) 평면 폐쇄형 용접
제품의 용접 형상은 평면 원, 평면 다각형 또는 평면 다중 구간 선과 같은 폐쇄 형상이다. 접합 방식은 맞대기 이음, 겹치기 이음 또는 중복 용접 이음이 될 수 있다. 본 유형의 제품의 경우, 동축 차폐 가스 방식이 선호된다.
평면 폐쇄형 용접
차폐 가스의 선택은 용접 생산의 품질, 효율성 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 용접 재료의 다양성으로 인해 실제 용접 작업에서 용접 가스를 선택하는 과정은 상당히 복잡합니다. 용접 재료, 용접 방법, 용접 위치, 그리고 요구되는 용접 효과를 종합적으로 고려해야 합니다. 오직 용접 시험을 통해서만 보다 적합한 용접 가스를 선정하여 더욱 우수한 용접 결과를 얻을 수 있습니다.
