목차：
고정밀 레이저 용접 공정 매개변수
레이저 용접의 장점
고정밀 레이저 딥멜트 용접
수입강철 레이저용접
1. 레이저 용접 공정 매개변수:
1.1 전력 밀도：
전력 밀도는 레이저 가공에서 중요한 매개변수입니다. 높은 전력 밀도는 표면층을 수 마이크로초 안에 비등점까지 빠르게 가열하여 상당한 증발을 초래할 수 있습니다. 따라서 높은 전력 밀도는 절단, 조각, 드릴링과 같은 재료 제거 공정에 적합합니다. 반면, 낮은 전력 밀도는 표면 온도의 비등점에 도달하는 데 수 밀리초가 걸립니다. 이를 통해 표면층이 증발하기 전에 바닥층이 녹는점에 도달하여 견고한 용접을 형성하기 쉽습니다. 따라서 전도성 레이저 용접의 전력 밀도는 일반적으로 10^4 ~ 10^6 W/센티미터² 범위입니다.
1.2 레이저 펄스 폭:
펄스 폭은 펄스 레이저 용접에서 중요한 매개변수입니다. 이는 재료 제거 및 용융과 다를 뿐만 아니라, 가공 장비의 비용과 규모를 결정하는 핵심 요소입니다.
1.3 초점이 흐려짐이 용접 품질에 미치는 영향:
레이저 용접은 일반적으로 어느 정도의 초점 이탈이 필요한데, 레이저 초점 중심의 출력 밀도가 높아 증발과 기공이 쉽게 발생할 수 있기 때문입니다. 반면, 레이저 초점에서 멀어지는 평면에서는 출력 밀도 분포가 비교적 균일합니다.
선택할 수 있는 디포커스 모드에는 포지티브 디포커스와 네거티브 디포커스 두 가지가 있습니다. 포지티브 디포커스는 초점면이 작업물 위에 있을 때 발생하고, 네거티브 디포커스는 작업물 아래에 있을 때 발생합니다.
네거티브 디포커스는 용융 깊이를 증가시키는데, 이는 용액의 형성 과정과 관련이 있습니다. 실험 결과에 따르면, 레이저로 가열된 후 50~200μs 이내에 재료가 용융되기 시작하여 액상 금속을 형성하고, 증기와 상용 압력 증기를 기화시키며, 매우 빠른 속도로 눈부신 백색광을 방출합니다.
동시에 증기의 농도가 높아져 액체 금속이 욕조 가장자리로 이동하여 욕조 중앙에 움푹 들어간 부분이 형성됩니다.
네거티브 디포커스를 사용하면 재료의 내부 출력 밀도가 표면 출력 밀도보다 높아 더 강한 용융 및 기화를 일으킬 가능성이 높습니다. 이를 통해 빛 에너지가 재료의 더 깊은 부분으로 전달되어 더 큰 침투력을 얻을 수 있습니다. 따라서 더 깊은 용융 깊이에는 네거티브 디포커스를 사용해야 하며, 실제 적용 시 얇은 재료를 용접할 때는 포지티브 디포커스를 사용해야 합니다.
2.레이저 용접 기술：
1) 기판 간 용접 :
여기에는 맞대기 용접, 끝단 용접, 중앙 투과성 용접 및 중앙 관통 용접이 포함됩니다.
2) 와이어 대 와이어 용접 :
여기에는 와이어 대 와이어 맞대기 용접, 교차 용접, 평행 겹치기 용접 및 T 용접이 포함됩니다.
3) 와이어 및 블록 부품의 용접 :
레이저 용접은 와이어를 벌크 요소에 성공적으로 연결하는 데 사용할 수 있으며, 벌크 요소의 크기는 임의로 설정할 수 있습니다. 용접 시 라인 요소의 기하학적 구조에 주의를 기울여야 합니다.
4) 이종금속의 용접 :
다양한 유형의 금속을 용접하려면 금속의 용접성과 용접성 매개변수 범위를 결정하는 것이 필요합니다.
레이저 용접은 특정한 재료 조합 사이에서만 수행할 수 있다는 점에 유의하세요.
레이저 브레이징은 특정 부품을 연결하는 데 적합하지 않을 수 있지만, 레이저는 연성 브레이징 및 브레이징의 열원으로 사용될 수 있으며, 이는 레이저 용접의 장점도 가지고 있습니다.
다양한 용접 방법을 선택할 수 있습니다. 레이저 용접은 주로 인쇄 회로 기판(PCB) 용접, 특히 웨이퍼 조립 기술에 사용됩니다.
3. 레이저 용접의 장점:
국부 가열은 부품의 열 손상 위험을 줄이고 열에 의해 영향을 받는 작은 구역을 만들어 열 부품 근처에서 용접이 가능하도록 합니다.
비접촉 가열 방식은 보조 도구 없이 물을 녹일 수 있습니다. 이를 통해 양면 부품을 설치한 후 양면 인쇄 회로 기판을 가공할 수 있습니다.
반복 작업의 안정성과 용접 공구의 플럭스 오염 최소화 덕분에 레이저 브레이징은 최적의 선택입니다. 또한, 레이저 조사 시간과 출력 전력 제어가 용이하고 레이저 브레이징 수율이 높습니다.
세미 렌즈, 거울, 프리즘, 스캐닝 거울과 같은 광학 부품을 사용하면 레이저 빔을 쉽게 분리할 수 있습니다. 이를 통해 여러 지점을 동시에 대칭적으로 용접할 수 있습니다.
레이저 브레이징은 주로 1.06um 파장의 레이저를 열원으로 사용하며, 이 레이저는 광섬유를 통해 전달됩니다. 이를 통해 기존 방식으로는 용접이 어려웠던 부품의 가공이 가능해져 유연성이 더욱 향상됩니다.
레이저 빔은 초점 특성이 좋으며, 다중 스테이션 장비를 자동화하기 쉽습니다.
4. 레이저 딥멜트 용접:
4.1 야금기술 및 공정이론：
레이저 딥 멜트 용접의 야금학적 공정은 전자빔 용접과 유사하며, 전자빔 용접은 에너지 변환을 완료하기 위해 "작은 구멍" 구조를 사용합니다.
전력 밀도가 충분히 높아지면 재료가 증발하여 작은 구멍을 형성합니다. 이 구멍은 흑체처럼 증기로 가득 차 있어 입사광의 거의 모든 에너지를 흡수합니다. 구멍 공동의 평형 온도는 약 25,000도입니다.
고온 공동의 외벽에서 열이 전달되어 주변 금속을 녹입니다. 구멍은 광선 아래에서 벽 재료가 증발하면서 생성되는 고온 증기로 항상 채워집니다.
구멍의 네 벽은 녹은 금속으로 둘러싸여 있고, 녹은 금속은 다시 고체 물질로 둘러싸여 있습니다. 구멍 바깥쪽의 액체 금속은 흐르면서 구멍 공동 내의 지속적인 증기압과 동적 균형을 유지합니다.
광선이 움직일 때 구멍은 안정적으로 유지됩니다. 즉, 작은 구멍과 구멍 주변의 용융 금속은 유도된 광선의 속도로 앞으로 이동합니다. 용융 금속은 움직이는 구멍이 남긴 틈을 채우고 응축되어 용접부를 형성합니다.
4.2 영향 요인:
레이저 심융접에 영향을 미치는 요인으로는 레이저 출력, 레이저 빔 직경, 재료 흡수율, 용접 속도, 보호 가스, 렌즈 초점 거리, 초점 위치, 레이저 빔 위치, 레이저 출력 시작 및 중지 증가 또는 감소 제어, 용접 등이 있다.
4.3 레이저 심용융 용접의 특성：
1) 높은 종횡비: 용융 금속이 원통형 고온 증기 챔버 주위를 형성하고 작업물까지 확장됨에 따라 용접은 더 깊고 좁아집니다.
2) 최소 열 입력: 소스 캐비티의 온도가 높기 때문에 용융 과정이 빠르고, 공작물의 열 입력이 적으며, 열 변형과 열 영향 구역이 작습니다.
3) 높은 밀도: 고온 증기로 채워진 작은 구멍이 욕조의 교반과 가스의 방출에 도움이 되어 다공성이 없는 용융 용접을 형성합니다.
용접 후 냉각 속도가 빠르고 용접 조직을 미세화하기 쉽습니다.
4) 용접부를 강화하세요.
5) 정확한 제어.
6) 비접촉 대기용접 공정.
4.4 레이저 딥멜트 용접의 장점:
기존 방식에 비해 집속 레이저 빔의 출력 밀도가 높아 용접 속도가 빠릅니다. 또한, 티타늄이나 석영과 같은 내화성 재료의 열영향부와 변형이 더 작아 용접이 가능합니다.
레이저 빔은 전송과 제어가 쉽기 때문에 토치와 노즐을 자주 교체할 필요가 없어 가동 중지 시간이 줄어들고 부하율과 생산 효율성이 향상됩니다.
정화 및 높은 냉각 속도는 용접 강도와 전반적인 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다.
레이저 용접은 열 입력이 낮고 가공 정확도가 높아 재처리 비용이 절감되어 비용 효율적인 솔루션입니다.
레이저 용접은 쉽게 자동화할 수 있으며 빔 강도와 정밀한 위치를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
4.5 레이저 딥멜트 용접 장비：
일반적으로 탄소강 레이저 용접은 좋은 효과를 나타내며, 용접 품질은 주로 불순물 함량에 따라 달라집니다.
다른 용접 공정과 마찬가지로, 유황과 인은 용접 균열의 민감도에 영향을 미치는 요소입니다.
만족스러운 용접 품질을 달성하기 위해서는 탄소 함량이 0.25%를 초과할 때 예열이 필요합니다.
탄소 함량이 다른 강철을 용접할 때는 접합부의 품질을 보장하기 위해 탄소 함량이 낮은 소재 쪽으로 용접 토치를 약간 기울이는 것이 좋습니다.
저탄소 비등강은 유황과 인 함량이 높기 때문에 레이저 용접에 적합하지 않습니다.
저탄소 진정강은 불순물 함량이 낮아 용접효과가 우수합니다.
중탄소강, 고탄소강, 일반 합금강도 레이저 용접에 효과적으로 사용할 수 있습니다. 그러나 응력을 제거하고 균열 발생을 방지하기 위해 예열 및 용접 후처리가 필요합니다.
5. 강철의 레이저 용접:
5.1 탄소강 및 일반 합금강의 레이저 용접：
일반적으로 탄소강은 레이저 용접 성능이 좋으며, 용접 품질은 불순물 함량에 영향을 받습니다.
다른 용접 기술과 마찬가지로, 유황과 인은 용접 균열을 일으키는 주요 요인입니다.
탄소 함량이 0.25%를 초과하면 이상적인 용접 품질을 달성하기 위해 예열을 실시해야 합니다.
탄소 함량이 다른 강철을 용접할 때는 용접 토치를 탄소 함량이 낮은 쪽으로 기울여 접합부의 품질을 확보하세요.
유황과 인의 함량이 높기 때문에 저탄소 비등점 강에는 레이저 용접이 권장되지 않습니다.
저탄소 탄소강은 불순물 함량이 낮아 용접 효과가 우수합니다.
중탄소강과 고탄소강, 일반 합금강은 모두 레이저 용접으로 효과적으로 용접할 수 있지만, 응력을 제거하고 균열 형성을 방지하기 위해 예열 및 용접 후 처리가 필요합니다.
5.2 스테인리스 강의 레이저 용접:
일반적으로 스테인리스강 레이저 용접은 기존 용접보다 고품질 접합부를 얻기가 더 쉽습니다. 열영향부가 작고 용접 속도가 빠르기 때문에 감광 현상이 더 이상 발생하지 않기 때문입니다.
탄소강에 비해 스테인리스강은 열전도도가 낮고 깊은 용융 용접과 좁은 용접을 구현하기가 더 쉽습니다.
5.3 이종 금속 간 레이저 용접:
레이저 용접은 냉각 속도가 빠르고 열영향부가 작아 다양한 금속을 녹인 후 서로 다른 조직 재료의 호환성에 유리한 조건을 만들어냅니다.