소개 및 배경
생산 효율성에 대한 요구가 증가함에 따라 현대 제조업에서는 높은 효율성, 민첩성 및 환경 친화적인 처리 기술을 높이 평가합니다. 레이저 용접은 높은 품질, 정밀도, 최소 변형 및 탁월한 효율성으로 인해 항공우주, 자동차, 조선 및 기타 산업에서 널리 채택되었습니다. 용접 품질에 영향을 미치는 수많은 요소 중에서 보호 가스가 중요한 역할을 합니다.
고출력 광섬유 레이저의 출현으로 인해 특히 자동차 산업에서 레이저 용접의 대중화가 가속화되었습니다. 파이버 레이저는 1070nm의 파장에서 작동하며 이는 CO2 레이저의 10.6μm 파장보다 훨씬 짧습니다. 재료는 서로 다른 파장에서 서로 다른 흡수율을 나타내기 때문에 파이버 레이저의 용접 특성은 본질적으로 CO2 레이저의 용접 특성과 다릅니다. 그러나 파이버 레이저 용접용 보호 가스에 대한 포괄적인 연구는 여전히 제한적입니다. 이러한 격차를 해소하기 위해 본 연구에서는 스테인리스강에 대한 일련의 매개변수 테스트를 수행하여 파이버 레이저 용접에 대한 이해를 심화했습니다.
실험 설정
실험은 IPG YLR-6000 파이버 레이저(최대 출력 전력: 6kW, 빔 발산: 8mrad)를 사용하여 3mm 두께의 SUS304 스테인레스 강판에서 수행되었습니다. 레이저 시스템은 KUKA KR60HA 6-DOF 로봇과 통합되었습니다. 보호 가스 노즐은 내경이 4mm이고 공작물 위 4mm에 위치했습니다.
변수를 분리하기 위해 다음 용접 매개변수가 일정하게 유지되었습니다.
- 레이저 출력:1kW
- 용접 속도:1.5m/분
- 초점 거리:250mm
- 초점 흐림 정도:0mm
- 용접 방법:단면-비드-온-플레이트 용접
다음의 효과를 평가하기 위해 4가지 실험 세트가 수행되었습니다.
- 가스 유형:순수 Ar, He, N₂의 효과를 비교합니다.
- 가스 혼합 비율:다양한 Ar{0}}He 혼합 비율이 용접 표면 형태와 침투에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다.
- 부는 각도:용접 침투에 대한 측면-블로잉 각도의 영향을 평가합니다.
- 가스 정렬 위치:가스 전달 지점과 레이저 지점 사이의 오프셋이 용접 형성에 어떤 영향을 미치는지 분석합니다.
결과 및 토론
가스 유형 효과:단일 차폐 가스를 사용할 경우 용접 침투 깊이는 He > N2 > Ar 순으로 나타났는데, 이는 가스 이온화 에너지와 플라즈마 유지 임계값의 차이에 기인합니다.
혼합 비율 및 유량:Ar-He 혼합물의 He 농도가 높고 총 가스 유량이 높을수록 침투 깊이도 그에 따라 증가합니다.
부는 각도 효과:측면-블로잉 각도가 증가함에 따라 용접 침투가 감소했습니다. 이러한 감소는 작업물 표면을 가로지르는 가스 흐름 상태(층류와 난류 사이의 전환)의 변화로 인해 발생합니다.
정렬 위치 효과:용접 침투 경향은 가스 전달 지점과 레이저 지점 사이의 상대적 거리에 따라 달라졌습니다. 가스 전달 지점이 레이저 스폿에서 약 ±1.5mm 오프셋되었을 때 최대 침투 깊이가 달성되었으며, 가스가 레이저 스폿의 중심에 직접 정렬되었을 때 최소 깊이가 발생했습니다.