1.P원칙l의aser 용접
레이저 용접은 연속 또는 펄스 레이저 빔으로 달성 할 수 있습니다. 레이저 용접의 원리는 열전도 용접과 레이저 심 용입 용접으로 나눌 수 있습니다. 전력 밀도가 104 ~ 105W / cm2 미만일 때 열전도 용접입니다. 이때 용접 깊이가 얕고 용접 속도가 느립니다. 전력 밀도가 105 ~ 107W / cm2 이상이면 금속 표면이" cavity" 열의 작용으로 깊은 융착 용접을 형성합니다. 빠르고 넓은 종횡비.
열전도 레이저 용접의 원리는 레이저 방사가 가공 할 표면을 가열하고 표면 열이 열전도에 의해 내부로 확산된다는 것입니다. 레이저 펄스 폭, 에너지, 피크 전력 및 반복 주파수와 같은 레이저 매개 변수를 제어함으로써 공작물이 용융되어 특정 용융 풀을 형성합니다.
레이저 용접기기어 용접 및 야금 시트 용접의 경우 주로 레이저 깊은 침투 용접이 포함됩니다. 다음은 레이저 깊은 용입 용접의 원리에 중점을 둡니다.
레이저 깊은 침투 용접은 일반적으로 연속 레이저 빔을 사용하여 재료 연결을 완료합니다. 야금 학적 물리적 공정은 전자빔 용접과 매우 유사합니다. 즉, 에너지 변환 메커니즘은" key-hole" 구조. 충분히 높은 출력 밀도의 레이저 조사에서 재료는 증발하여 작은 구멍을 형성합니다. 이 증기로 채워진 구멍은 입사 광선의 거의 모든 에너지를 흡수하는 흑체와 같습니다. 캐비티의 평형 온도는 약 2500 ° C에 도달합니다. 고온 캐비티의 외벽에서 열이 전달되어 캐비티를 둘러싼 금속이 녹습니다. 작은 구멍은 빔 아래의 벽 재료가 지속적으로 증발하여 생성 된 고온 증기로 채워집니다. 작은 구멍의 네 벽은 용융 금속을 둘러싸고 액체 금속은 고체 재료를 둘러싸고 있습니다. (대부분의 기존 용접 공정 및 레이저 전도 용접에서는 에너지가 먼저 발생합니다 (작업 물 표면에 증착 된 다음 전달에 의해 내부로 전달됨). 기공 벽 외부의 액체 흐름과 벽 표면 장력은 증기와 일치합니다. 기공에서 지속적으로 압력이 발생하고 동적 평형을 유지합니다. 광선은 계속해서 작은 구멍에 들어가고 작은 구멍 외부의 물질은 계속 흐르고 있습니다. 광선이 움직일 때 작은 구멍은 항상 일정한 흐름 상태에 있습니다. 즉, 작은 구멍과 구멍 벽을 둘러싼 용탕은 리딩 빔의 전진 속도로 전진하고, 용탕은 작은 구멍이 제거 된 후 남은 틈을 메워 서 응축되어 용접이 형성됩니다. 용접 속도가 분당 수 미터에 쉽게 도달 할 수있을 정도로 빠르게 발생합니다.
2.레이저 심 용입 용접의 주요 공정 매개 변수
(1)레이저 파워. 레이저 용접에는 레이저 에너지 밀도 임계 값이 있습니다. 이 값 아래에서는 침투 깊이가 매우 얕습니다. 이 값에 도달하거나 초과하면 침투 깊이가 크게 증가합니다. 플라즈마는 공작물의 레이저 출력 밀도가 임계 값 (재료에 따라 다름)을 초과 할 때만 생성되며 이는 안정적인 심 용입 용접을 의미합니다. 레이저 출력이이 임계 값보다 낮 으면 작업 물의 표면 용융 만 발생합니다. 즉, 안정적인 열전도 유형으로 용접이 수행됩니다. 그러나 레이저 출력 밀도가 작은 구멍을 형성하기위한 임계 조건에 가까워지면 깊은 용입 용접과 전도성 용접이 번갈아 수행되어 용접 공정이 불안 정해져 관통 깊이의 변동이 커집니다. 레이저 딥 용접에서 레이저 출력은 침투 깊이와 용접 속도를 모두 제어합니다. 용접의 침투 깊이는 빔 파워 밀도와 직접적으로 관련이 있으며 입사 빔 파워와 빔 초점의 함수입니다. 일반적으로 특정 직경의 레이저 빔의 경우 빔 파워가 증가함에 따라 침투 깊이가 증가합니다.
(2)빔 초점. 빔 스폿 크기는 출력 밀도를 결정하기 때문에 레이저 용접에서 가장 중요한 변수 중 하나입니다. 그러나 고출력 레이저의 경우 이미 많은 간접 측정 기술이 있지만 측정이 어려운 문제입니다.
빔 스폿 회절 한계 스폿 크기는 광 회절 이론에 따라 계산할 수 있지만 포커싱 렌즈의 수차로 인해 실제 스폿 크기가 계산 된 값보다 큽니다. 가장 간단한 측정 방법은 등온 프로파일 링으로, 두꺼운 종이로 폴리 프로필렌 보드를 태우고 관통 한 후 초점과 천공 직경을 측정합니다. 이 방법은 측정 실습을 통해 레이저 파워와 빔의 시간을 측정하는 것입니다.
(3)재료 흡수 값. 재료에 의한 레이저의 흡수는 흡수율, 반사율, 열전도율, 용융 온도, 증발 온도 등과 같은 재료의 몇 가지 중요한 특성에 따라 달라집니다. 이들 중 가장 중요한 것은 흡수율입니다.
재료 별 레이저 빔의 흡수율에 영향을 미치는 요소에는 두 가지 측면이 있습니다. 첫째, 재료'의 저항률입니다. 재료의 연마 된 표면의 흡광도를 측정 한 후, 재료의 흡광도가 저항률의 제곱근에 비례하고 저항률은 온도 및 변화에 따라 달라집니다. 둘째, 재료의 표면 상태 (또는 평활도)는 빔 흡수율에 더 중요한 영향을 미치며 이는 용접 효과에 중요한 영향을 미칩니다.
CO2 레이저의 출력 파장은 일반적으로 10.6μm입니다. 세라믹, 유리, 고무, 플라스틱과 같은 비금속은 상온에서 흡수율이 높고, 금속 재료는 재료가 녹을 때까지 상온에서 잘 흡수되지 않고 심지어 가스까지 흡수가 급격히 증가합니다.
표면 코팅 방법 또는 표면에 산화막 형성 방법으로 광선의 흡수를 향상시키는 것은 매우 효과적입니다.
(4)용접 속도. 용접 속도는 관통 깊이에 더 큰 영향을 미칩니다. 속도를 높이면 침투 깊이가 더 얕아 지지만 속도가 너무 낮 으면 재료가 과도하게 용해되고 공작물이 용접됩니다. 따라서 특정 레이저 출력과 특정 두께를 가진 특정 재료에 적합한 용접 속도 범위가 있으며 해당 속도 값에서 최대 침투 깊이를 얻을 수 있습니다.
(5)보호 가스. 레이저 용접 공정은 종종 불활성 가스를 사용하여 용융 된 풀을 보호합니다. 일부 재료가 용접되면 표면 산화를 무시할 수 있지만 보호는 고려되지 않지만 대부분의 응용 분야에서 헬륨, 아르곤, 질소 및 기타 가스가 공작물을 보호하는 데 자주 사용됩니다. 용접 중 산화로부터 보호됩니다.
헬륨은 쉽게 이온화되지 않기 때문에 (높은 이온화 에너지) 레이저가 원활하게 통과하고 빔 에너지가 방해받지 않고 공작물 표면에 도달합니다. 이것은 레이저 용접에 사용되는 가장 효과적인 차폐 가스이지만 더 비쌉니다.
아르곤은 저렴하고 밀도가 높기 때문에 보호 효과가 더 좋습니다. 그러나 고온 금속 플라즈마 이온화에 취약합니다. 결과적으로 광선의 일부가 공작물로 방사되는 것을 차단하여 용접을위한 유효 레이저 출력을 줄이고 용접 속도와 침투력을 손상시킵니다. 아르곤으로 보호 된 용접물의 표면은 헬륨으로 보호 된 것보다 더 부드럽습니다.
질소는 차폐 가스로 가장 저렴한 가스이지만 주로 흡수와 같은 야금 문제로 인해 특정 유형의 스테인리스 강 용접에는 적합하지 않으며 때로는 중첩 영역에 기공이 생성됩니다.
보호 가스를 사용하는 두 번째 역할은 금속 증기 오염 및 액체 방울의 스퍼터링으로부터 포커싱 렌즈를 보호하는 것입니다. 특히 고출력 레이저 용접 중에는 토출이 매우 강력 해 지므로 이때 렌즈 보호가 더욱 필요합니다.
차폐 가스의 세 번째 기능은 고출력 레이저 용접으로 생성 된 플라즈마 차폐를 효과적으로 제거하는 것입니다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하여 플라즈마 구름으로 이온화됩니다. 금속 증기를 둘러싼 보호 가스도 가열에 의해 이온화됩니다. 플라즈마가 너무 많으면 레이저 빔이 플라즈마에 의해 어느 정도 소모됩니다. 플라즈마는 두 번째 에너지로 작업 표면에 존재하며, 이는 침투를 더 얕게 만들고 용접 풀의 표면을 더 넓게 만듭니다. 전자 재결합 속도는 전자와 이온 및 중성 원자의 충돌을 증가시켜 플라즈마의 전자 밀도를 줄임으로써 증가합니다. 중성 원자가 가벼울수록 충돌 빈도가 높아지고 재결합 률이 높아집니다. 반면에 높은 이온화 에너지를 가진 보호 가스 만이 가스 자체의 이온화로 인해 전자 밀도를 증가시키지 않습니다.
헬륨은 이온화가 가장 낮고 밀도가 가장 낮으며 용융 금속 풀에서 발생하는 상승 금속 증기를 빠르게 제거 할 수 있습니다. 따라서 헬륨을 보호 가스로 사용하면 플라즈마를 최대한 억제하여 침투 깊이와 용접 속도를 높일 수 있습니다. 가볍기 때문에 빠져 나갈 수 있고 모공이 생기기 쉽지 않습니다. 물론 실제 용접의 효과로 볼 때 아르곤으로 보호하는 효과는 나쁘지 않습니다.
플라즈마 구름이 침투에 미치는 영향은 용접 속도가 낮은 영역에서 가장 분명합니다. 용접 속도가 증가하면 그 효과가 감소합니다.
보호 가스는 특정 압력으로 노즐을 통해 공작물 표면으로 분출됩니다. 노즐의 유체 역학적 모양과 출구의 직경은 매우 중요합니다. 용접 표면을 덮기 위해 분무 된 보호 가스를 구동 할 수있을만큼 충분히 커야하지만 렌즈를 효과적으로 보호하고 금속 증기 오염이나 금속 스패 터가 렌즈를 손상시키는 것을 방지하려면 노즐 크기도 제한해야합니다. 유속도 제어되어야합니다. 그렇지 않으면 보호 가스의 층류가 난류가되고 대기가 용융 풀로 유입되어 결국 기공이 형성됩니다.
보호 효과를 높이기 위해 별도의 측면 블로 방법을 사용할 수도 있습니다. 즉, 보호 가스를 작은 직경의 노즐을 통해 특정 각도로 깊은 용입 용접의 작은 구멍에 직접 주입하는 것입니다. 차폐 가스는 공작물 표면의 플라즈마 구름을 억제 할뿐만 아니라 구멍 내부의 플라즈마 및 작은 구멍의 형성에 영향을 미치며, 깊이가있는 이상적인 용접을 얻기 위해 침투 깊이를 더욱 증가시킵니다. 너비 비교. 그러나이 방법은 가스 흐름의 크기와 방향을 정밀하게 제어해야합니다. 그렇지 않으면 난류가 발생하여 용융 풀이 손상되어 용접 공정을 안정화하기 어렵습니다.
(6)렌즈 초점 거리. 용접시 일반적으로 포커싱을 사용하여 레이저를 수렴합니다. 일반적으로 초점 거리가 63 ~ 254mm (2.5GG ~ 10GG) 인 렌즈가 사용됩니다. 초점 크기는 초점 거리에 정비례합니다. 초점 거리가 짧을수록 초점이 작아집니다. 그러나 초점 거리도 초점 깊이에 영향을 미칩니다. 즉 초점 거리가 초점 거리와 동시에 증가하므로 초점 거리가 짧으면 출력 밀도가 증가 할 수 있지만 초점 깊이가 작기 때문에 렌즈와 렌즈 사이의 거리가 공작물은 정확하게 유지되어야하며 침투 깊이는 크지 않습니다. 용접 중에 발생하는 스패 터 및 레이저 모드의 영향으로 인해 실제 용접에 사용되는 최단 초점 깊이는 대부분 126mm (5”)의 초점 거리입니다. 이음새가 크거나 스폿 크기를 늘려 용접을 늘려야하는 경우 초점 거리가 254mm (10”) 인 렌즈를 선택하십시오. 이 경우 딥 멜트 핀홀 효과를 얻으려면 더 높은 레이저 출력 전력 (전력 밀도)이 필요합니다.
레이저 출력이 2kW를 초과 할 때, 특히 10.6μm의 CO2 레이저 빔의 경우 특수 광학 재료를 사용하여 광학 시스템을 형성하기 때문에 초점 렌즈의 광학 손상 위험을 방지하기 위해 반사 초점 방법은 다음과 같습니다. 자주 사용되며 광택이 나는 구리 거울이 일반적으로 거울로 사용됩니다. 효과적인 냉각으로 인해 종종 고출력 레이저 빔 포커싱에 권장됩니다.
(7)초점 위치. 용접 중에 충분한 전력 밀도를 유지하려면 초점 위치가 중요합니다. 초점과 공작물 표면의 상대적 위치 변경은 용접의 폭과 깊이에 직접적인 영향을줍니다.
대부분의 레이저 용접 응용 분야에서 초점 위치는 일반적으로 공작물 표면 아래 필요한 침투 깊이의 약 1/4로 설정됩니다.
(8)레이저 빔 위치. 서로 다른 재료를 레이저 용접 할 때 레이저 빔의 위치는 용접의 최종 품질을 제어합니다. 특히 랩 조인트의 경우보다 더 민감한 맞대기 조인트의 경우 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 경화 된 강철 기어를 저탄소 강철 드럼에 용접 할 때 레이저 빔 위치를 올바르게 제어하면 균열 저항이 더 우수한 저탄소 부품으로 주로 구성된 용접을 생산하는 데 도움이됩니다. 일부 응용 분야에서 용접 된 공작물의 형상은 레이저 빔이 각도에 의해 굴절되어야합니다. 빔 축과 조인트 평면 사이의 편향 각도가 100도 이내이면 공작물'의 레이저 에너지 흡수에 영향을주지 않습니다.
(9)용접 시작과 끝의 레이저 출력은 점차적으로 제어됩니다. 레이저 딥 용접에서는 용접 깊이에 관계없이 핀홀이 항상 존재합니다. 용접 프로세스가 종료되고 전원 스위치가 꺼지면 용접 끝에 딤플이 나타납니다. 또한, 레이저 용접 층이 원래의 용접 이음새를 덮을 때 레이저 빔의 과도한 흡수가 발생하여 용접물의 과열 또는 다공성 발생이 발생할 수 있습니다.
To 위와 같은 현상이 발생하지 않도록 전원의 시작점과 끝점에 대한 프로그램을 작성하여 전원의 시작 및 종료 시간을 조정할 수 있습니다. 즉, 시작 전력을 0에서 전자 방식으로 단시간에 설정 전력 값을 설정하고 용접 시간을 조정하고 용접이 종료되면 최종적으로 전력이 설정 전력에서 0으로 점차 감소합니다.
3.레이저 딥 퓨전 용접의 특징, 장점 및 단점
(1)레이저 심 용입 용접의 특성
①높은 종횡비. 용융 금속은 원통형 고온 증기 캐비티 주변에 형성되고 공작물쪽으로 확장되기 때문에 용접 이음새가 깊고 좁아집니다.
②최소 열 입력. 작은 구멍의 온도가 매우 높기 때문에 용융 프로세스가 매우 빠르게 발생하고 공작물에 대한 열 입력이 매우 낮으며 열 왜곡 및 열 영향 영역이 작습니다.
③고밀도. 고온 증기로 채워진 작은 구멍은 용접 풀 교반 및 가스 배출에 도움이되므로 기공없는 관통 용접이 형성됩니다. 용접 후 냉각 속도가 높아 용접 구조의 소형화가 용이합니다.
④강한 용접. 뜨거운 열원과 비금속 성분의 충분한 흡수로 인해 불순물 함량이 감소하고 개재물의 크기와 용융 풀의 분포가 변경됩니다. 용접 공정에는 전극이나 필러 와이어가 필요하지 않으며 용융 영역이 덜 오염되어 용접 강도와 인성이 모 금속과 적어도 동등하거나 더 커집니다.
⑤정확한 제어. 초점이 작기 때문에 용접 위치를 고정밀 도로 지정할 수 있습니다. 레이저 출력에는" inertia" 고속으로 정지했다가 다시 시작할 수 있습니다. CNC 빔 이동 기술은 복잡한 공작물을 용접 할 수 있습니다.
⑥비접촉 분위기 용접 공정. 에너지는 광자 빔에서 나오고 공작물과 물리적 접촉이 없기 때문에 공작물에 외부 힘이 가해지지 않습니다. 또한 자기와 공기는 모두 레이저에 영향을 미치지 않습니다.
(2)A레이저 딥 용접의 장점
①집중 레이저는 기존 방법보다 훨씬 높은 출력 밀도를 가지므로 용접 속도가 빨라지고 열 영향 영역과 변형이 적으며 티타늄과 같이 용접하기 어려운 재료를 용접 할 수 있습니다.
②빔의 전송 및 제어가 용이하기 때문에 용접 토치 및 노즐을 자주 교체 할 필요가 없으며 전자빔 용접에 진공이 필요하지 않아 셧다운 보조 시간이 크게 단축되어 부하율 및 생산 효율이 향상됩니다. 높다.
③정화 효과와 높은 냉각 속도로 인해 용접은 높은 강도, 인성 및 포괄적 인 성능을 제공합니다.
④낮은 평균 열 투입량과 높은 가공 정확도로 인해 재 처리 비용을 줄일 수 있습니다. 또한 레이저 용접 작업 비용도 낮아 공작물 가공 비용을 줄일 수 있습니다.
⑤빔 강도와 미세 위치를 효과적으로 제어 할 수 있으며 자동 작동을 실현하기 쉽습니다.
(3)레이저 딥 용접의 단점
①W엘딩 깊이이다제한된.
②공작물 조립 요구 사항이 높습니다.
③O레이저 시스템에 대한 즉각적인 투자높다.