레이저 용접 기본
레이저 용접은 용접되는 부품의 한쪽에서 용접 영역에 접근해야 하는 비접촉 공정입니다.
• 용접은 강력한 레이저 광선이 재료를 빠르게 가열하면서 형성되며 일반적으로 밀리초 단위로 계산됩니다.
• 일반적으로 3가지 유형의 용접이 있습니다.
– 전도 모드.
– 전도/침투 모드.
– 관통 또는 키홀 모드.
• 전도 모드 용접은 낮은 에너지 밀도에서 수행되어 얕고 넓은 용접 너겟을 형성합니다.
• 전도/침투 모드는 중간 에너지 밀도에서 발생하며 전도 모드보다 침투성이 더 강합니다.
• 침투 또는 키홀 모드 용접은 깊고 좁은 용접이 특징입니다.
– 이 모드에서 레이저 빛은 "키홀"이라고 알려진 증발된 물질의 필라멘트를 형성하여 물질 내부로 확장되고 레이저 빛이 물질 내부로 효율적으로 전달될 수 있는 통로를 제공합니다.
– 재료에 에너지를 직접 전달하는 방식은 침투를 달성하기 위해 전도에 의존하지 않으므로 재료에 전달되는 열이 최소화되고 열 영향 구역이 줄어듭니다.
전도 용접
• 전도 접합은 레이저 빔이 초점이 맞춰지는 일련의 프로세스를 설명합니다.
– 10³ Wmm⁻² 정도의 전력 밀도를 제공합니다.
– 상당한 증발 없이 재료를 융합하여 조인트를 생성합니다.
• 전도 용접에는 2가지 모드가 있습니다.
– 직접 가열
– 에너지 전달.
직접 열
• 직접 가열하는 동안,
– 열 흐름은 표면 열원으로부터의 고전적인 열 전도에 의해 제어되고 용접은 기본 재료의 일부를 녹여서 만들어집니다.
• 1차 전도용접은 1960년대 초반에 저전력 펄스 루비를 사용하여 이루어졌습니다. CO2 와이어 커넥터용 레이저.
• 전도 용접은 다양한 구성의 와이어와 얇은 시트 형태로 광범위한 금속 및 합금으로 만들 수 있습니다.
- CO2 , Nd:YAG 및 다이오드 레이저는 수십 와트의 전력 레벨을 갖습니다.
– 직접 가열 방식 CO2 레이저 빔은 폴리머 시트의 겹치기 용접과 맞대기 용접에도 사용될 수 있습니다.
전달용접
• 투과 용접은 Nd:YAG 및 다이오드 레이저의 근적외선 복사를 투과하는 폴리머를 접합하는 효율적인 수단입니다.
• 에너지는 새로운 계면 흡수 방법을 통해 흡수됩니다.
• 복합재는 매트릭스와 보강재의 열적 특성이 유사할 경우 결합될 수 있습니다.
• 전도 용접의 에너지 전달 모드는 근적외선을 전달하는 재료, 특히 폴리머에 사용됩니다.
• 흡수성 잉크가 랩 조인트의 인터페이스에 놓입니다. 잉크는 레이저 빔 에너지를 흡수하고, 이 에너지는 주변 재료의 제한된 두께로 전도되어 용접 조인트로 응고되는 용융 계면 필름을 형성합니다.
• 두꺼운 단면의 겹침 접합은 접합부 바깥 표면을 녹이지 않고 만들 수 있습니다.
• 맞대기 용접은 에너지를 조인트의 한쪽 면을 통해 각도로 조인트 라인 쪽으로 향하게 하거나, 재료가 투과율이 높은 경우 한쪽 끝에서 향하게 하여 만들 수 있습니다.
레이저 납땜 및 브레이징
• 레이저 납땜 및 브레이징 공정에서는 빔을 사용하여 필러 첨가물을 녹이고 이를 통해 기본 소재를 녹이지 않고 조인트 가장자리를 적십니다.
• 레이저 솔더링은 1980년대 초반에 인쇄 회로 기판의 구멍을 통해 전자 부품의 리드를 결합하는 데 인기를 얻었습니다. 공정 매개변수는 재료 특성에 따라 결정됩니다.
침투 레이저 용접
• 높은 전력 밀도에서는 에너지를 흡수할 수 있다면 모든 재료가 증발합니다. 따라서 이런 방식으로 용접할 때 일반적으로 증발로 인해 구멍이 형성됩니다.
• 이 "구멍"은 용융된 벽이 뒤에서 닫히도록 재료를 통과합니다.
• 그 결과는 "키홀 용접"으로 알려져 있습니다. 이것은 평행한 측면 융합 영역과 좁은 폭이 특징입니다.
레이저 용접 효율성
• 이러한 효율성 개념을 정의하는 용어를 "결합 효율성"이라고 합니다.
• 접합 효율은 (결합된 mm2 / 공급된 kJ)의 단위를 사용하기 때문에 실제 효율이 아닙니다.
– 효율 = Vt/P(절단 시 비에너지의 역수) 여기서 V = 이동 속도, mm/s; t = 용접 두께, mm; P = 입사 전력, KW.
결합 효율성
• 접합 효율 값이 높을수록 불필요한 가열에 소모되는 에너지가 줄어듭니다.
– 하부 열영향부(HAZ)
– 왜곡이 낮음.
• 저항 용접은 용융 및 HAZ 에너지가 용접할 고저항 인터페이스에서만 생성되므로 이런 측면에서 가장 효율적입니다.
• 레이저와 전자빔도 효율이 좋고 전력 밀도가 높습니다.
프로세스 변화
• 아크 증강 레이저 용접.
– 레이저 빔 상호작용 지점 근처에 설치된 TIG 토치의 아크는 레이저로 생성된 핫스팟에 자동으로 잠깁니다.
– 이 현상에 필요한 온도는 주변 온도보다 약 300°C 정도 높습니다.
– 이 효과는 이동 속도로 인해 불안정한 아크를 안정화하거나 안정적인 아크의 저항을 줄이는 것입니다.
– 잠금은 전류가 낮고 따라서 음극 제트가 느린 아크에서만 발생합니다. 즉, 전류가 80A 미만인 경우입니다.
– 아크는 레이저와 동일한 작업물 쪽에 있으므로 자본 비용을 약간 늘리면서 용접 속도를 두 배로 높일 수 있습니다.
• 트윈 빔 레이저 용접
– 2개의 레이저 빔을 동시에 사용하면 용접 풀 형상과 용접 비드 모양을 제어할 수 있습니다.
– 2개의 전자빔을 사용하면 키홀을 안정화시켜 용접 풀에 발생하는 파동을 줄이고 더 나은 관통력과 비드 모양을 얻을 수 있습니다.
– 엑시머 및 CO2 레이저 빔을 조합하면 알루미늄이나 구리와 같은 높은 반사율 재료의 용접에 대한 결합이 향상되는 것을 알 수 있었습니다.
– 향상된 커플링은 주로 다음과 같은 이유로 고려되었습니다.
• 엑시머로 인한 표면 잔물결로 반사율을 변경합니다.
• 엑시머 생성 플라즈마를 통한 결합으로 인해 발생하는 2차 효과.
