1. 레이저 용접 기술：
레이저 용접은 레이저 가공 기술 적용의 중요한 측면 중 하나입니다. 레이저 용접은 레이저의 복사 에너지를 이용하여 효과적인 용접을 달성하는 공정입니다. 레이저 용접의 작동 원리는 다음과 같습니다. 레이저 활성 매질(예: CO₂와 다른 가스의 혼합물, 야그, 이트륨, 알루미늄, 가넷 결정 등)을 특정 방식으로 여기시켜 공진기 내에서 앞뒤로 진동시켜 여기된 방사선 빔을 형성합니다. 빔이 공작물에 닿으면 에너지가 공작물에 흡수되고, 온도가 재료의 녹는점에 도달하면 용접이 완료됩니다.
2. 중요한 매개변수레이저 용접 기술：
2.1 전력 밀도：
출력 밀도는 레이저 가공에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 출력 밀도가 높을수록 표면층이 마이크로초 이내에 끓는점까지 가열되어 다량의 기화가 발생합니다. 따라서 높은 출력 밀도는 펀칭, 절단, 조각과 같은 재료 제거 가공에 매우 유용합니다. 출력 밀도가 낮을 경우, 표면 온도가 끓는점에 도달하는 데 수 밀리초가 걸립니다. 표면이 기화되기 전에 바닥층이 녹는점에 도달하여 양호한 용융 용접을 쉽게 형성할 수 있습니다.
2.2 레이저 펄스 파형：
고강도 레이저 빔이 재료 표면에 닿으면 금속 표면에서 레이저 에너지의 60~98%가 반사되어 손실됩니다. 특히 금, 은, 구리, 알루미늄, 티타늄 및 기타 재료는 강한 반사율과 빠른 열 전달을 보입니다. 레이저 펄스 신호가 발생하는 동안 금속의 반사율은 시간에 따라 변합니다. 재료 표면 온도가 녹는점까지 상승하면 반사율은 급격히 감소합니다. 표면이 용융 상태일 때는 반사율이 일정 값에서 안정적으로 유지됩니다.
2.3 레이저 펄스 폭:
펄스 폭은 펄스 레이저 용접의 중요한 매개변수입니다. 펄스 폭은 용융 깊이와 열영향부에 의해 결정됩니다. 펄스 폭이 길수록 열영향부가 커지고, 용융 깊이는 펄스 폭의 1/2승에 비례하여 증가합니다. 그러나 펄스 폭을 늘리면 피크 전력이 감소합니다. 따라서 열전도 용접에는 일반적으로 펄스 폭을 늘리는 것이 사용됩니다. 형성된 용접 크기는 넓고 얕으며, 특히 박판과 후판의 겹침 용접에 적합합니다.
그러나 피크 전력이 낮으면 과도한 열 입력이 발생하고, 각 재료에는 용융 깊이를 최대화할 수 있는 최적의 펄스 폭이 있습니다.
2.4 디포커스 양：
레이저 용접은 일반적으로 어느 정도의 초점 이탈이 필요한데, 레이저 초점 중심의 출력 밀도가 너무 높아 구멍으로 쉽게 증발할 수 있기 때문입니다. 레이저 초점을 벗어난 각 평면에서는 출력 밀도 분포가 비교적 균일합니다.
2.5 초점을 흐리게 하는 방법은 두 가지가 있습니다.
양의 디포커스와 음의 디포커스. 양의 디포커스에서는 초점면이 작업물 위에 위치하며, 음의 디포커스에서는 초점면이 작업물 위에 위치합니다. 기하 광학 이론에 따르면, 양의 디포커스와 음의 디포커스 평면과 용접 평면 사이의 거리가 같을 때, 해당 평면의 출력 밀도는 거의 동일하지만, 실제로 얻어지는 용융조의 모양은 다소 다릅니다. 음의 디포커스에서는 더 깊은 용융 깊이를 얻을 수 있으며, 이는 용융조의 형성 과정과 관련이 있습니다.
2.6 용접 속도：
용접 속도는 용융 깊이에 더 큰 영향을 미칩니다. 속도를 높이면 용융 깊이가 얕아지지만, 속도가 너무 낮으면 재료가 과도하게 용융되어 작업물이 관통하여 용접될 수 있습니다. 따라서 특정 레이저 출력과 특정 두께를 가진 특정 재료에는 적합한 용접 속도 범위가 있으며, 해당 속도 값에서 최대 용융 깊이를 얻을 수 있습니다.
2.7 보호가스：
레이저 용접 공정에서는 배스(욕조) 보호를 위해 불활성 가스가 자주 사용되며, 헬륨, 아르곤, 질소 및 기타 가스는 대부분의 응용 분야에서 보호 가스로 사용됩니다. 보호 가스의 두 번째 역할은 초점 렌즈를 금속 증기 오염 및 액체 방울의 스퍼터링으로부터 보호하는 것입니다. 고출력 레이저 용접 시에는 방출이 매우 강력하므로 렌즈 보호가 더욱 중요합니다. 보호 가스의 세 번째 효과는 고출력 레이저 용접에서 생성되는 플라즈마 차폐막을 효과적으로 분산시킬 수 있다는 것입니다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하여 플라즈마로 이온화합니다. 플라즈마가 너무 많으면 레이저 빔이 플라즈마에 의해 어느 정도 소모됩니다.
3. 레이저 용접 기술의 독특한 효과:
기존 용접 기술과 비교했을 때, 이 기술은 4가지 독특한 효과를 가지고 있습니다.
3.1 용접 정화 효과：
용접부에 레이저 빔을 조사하면 재료 내 산화물과 같은 불순물이 레이저에 흡수되는 속도가 금속보다 훨씬 높습니다. 따라서 용접부 내 산화물과 같은 불순물은 빠르게 가열되고 기화되어 빠져나가므로 용접부 내 불순물 함량이 크게 감소합니다. 따라서 레이저 용접은 작업물을 오염시키지 않을 뿐만 아니라 재료를 정화할 수 있습니다.
3.2 라이트 버스트 충격 효과：
레이저 출력 밀도가 매우 높으면 용접부 금속이 강력한 레이저 빔 조사에 의해 급격히 증발합니다. 고압 금속 증기의 작용으로, 용융조 내의 금속 용융물은 폭발적인 폭발음을 발생시키고, 그 강력한 충격파는 구멍 깊이 방향으로 전파되어 길고 깊은 구멍을 형성합니다. 레이저 용접 공정의 연속적인 이동 동안, 주변의 용융 금속은 구멍을 지속적으로 채우고 응축되어 단단한 심용융 용접부를 형성합니다.
3.3 심용융용접의 소공효과：
최대 107W/센티미터²의 출력 밀도를 가진 레이저 빔을 조사하면 용접부에 입력되는 에너지 속도가 열 전도, 대류, 복사 손실 속도보다 훨씬 빨라져 레이저 조사 영역의 금속이 빠르게 기화되고, 고압 증기의 작용으로 용탕에 작은 구멍이 형성됩니다. 이러한 구멍은 천문학에서 모든 빛 에너지를 흡수하는 블랙홀과 같습니다. 레이저 빔은 이 구멍을 통과하여 구멍 바닥에 직접 닿습니다. 구멍의 깊이가 용융 깊이를 결정합니다.
3.4 욕조 내 구멍 측벽의 레이저에 대한 초점 효과:
레이저 조사 하에 욕조에 구멍을 형성하는 과정에서, 구멍 측벽에 입사하는 레이저 빔의 입사각은 일반적으로 크므로, 입사된 레이저 빔이 구멍 측벽에서 반사되어 구멍 바닥으로 전달되어 구멍 내에서 빔 에너지가 중첩되는 현상이 발생하여 구멍 내 빔의 강도를 효과적으로 높일 수 있습니다. 이 현상을 구멍 측벽 집속 효과라고 합니다. 레이저를 용접에 사용할 수 있는 이유는 이러한 효과의 결과에 기인합니다.
4. 장점레이저 용접 기술：
레이저 용접의 독특한 효과로 인해 레이저 용접은 다음과 같은 장점을 갖습니다.
4.1 레이저 조사 시간이 짧고 용접 공정이 매우 빠르기 때문에 생산성 향상에 도움이 될 뿐만 아니라, 용접 소재의 산화가 어렵고 열영향부가 작아 열에 강한 트랜지스터 부품 용접에 적합합니다. 레이저 용접은 용접 슬래그가 발생하지 않으며, 작업물의 산화막을 제거할 필요도 없습니다. 유리를 관통하여 용접할 수도 있어 특히 소형 정밀 기기 용접에 적합합니다.
4.2 레이저는 동종 금속 재료뿐만 아니라 이종 금속 재료, 심지어 금속과 비금속 재료까지 용접할 수 있습니다. 예를 들어, 세라믹을 기판으로 사용하는 집적 회로의 경우, 세라믹의 높은 녹는점과 부적절한 압력 적용으로 인해 다른 용접 방법을 사용하기 어렵지만, 레이저 용접은 더욱 편리합니다. 물론 레이저 용접으로 모든 이종 재료를 용접할 수는 없습니다.
레이저 용접의 적용 분야 및 산업: 1. 열전도 용접은 주로 금속박, 모서리 가공, 의료 기술 등 정밀 가공에 사용됩니다. 2. 심용융 용접 및 브레이징은 주로 자동차 산업에 사용되며, 그중 심용융 용접은 차체, 변속기, 하우징 등에 사용됩니다. 브레이징은 주로 차체 용접에 사용됩니다. 3. 레이저 전도 용접은 비금속을 처리할 수 있으며 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 소비재, 자동차 산업, 전자 하우징, 의료 기술 등에 사용할 수 있습니다. 4. 복합재 용접은 주로 선박 갑판과 같은 특수 강 구조물에 적합합니다.