01
머리말
높은 에너지 밀도, 낮은 열 입력 및 비접촉 특성으로 인해 레이저 용접 기술은 현대 정밀 제조의 핵심 공정 중 하나로 부상했습니다. 그러나 용접 공정 중 용접 풀과 대기 사이의 접촉으로 인해 발생하는 산화, 다공성, 원소 연소- 및 원소 연소-와 같은 문제는-용접 이음새의 기계적 특성과 사용 수명을 심각하게 제한합니다. 용접 환경을 제어하기 위한 중요한 매체로서 보호 가스 유형, 유량 및 전달 방법의 선택은 특정 재료 특성(예: 화학 반응성 및 열 전도성) 및 작업물의 두께와 신중하게 결합되어야 합니다.
레이저 및 전자빔 가공
02
보호가스의 종류
보호 가스의 주요 기능은 산소를 격리하고 용접 풀 동작을 조절하며 에너지 결합 효율성을 향상시키는 것입니다. 화학적 특성에 따라 차폐 가스는 크게 불활성 가스(아르곤, 헬륨 등)와 활성 가스(질소, 이산화탄소 등)로 분류할 수 있습니다. 불활성 가스는 화학적 안정성이 높아 용접 풀의 산화를 효과적으로 방지합니다. 그러나 열물리적 특성의 중요한 차이는 용접 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 아르곤(Ar)은 밀도가 높아(1.784kg/m3) 용접 풀 위에 안정적인 보호 담요를 형성할 수 있습니다. 반대로 열전도율이 낮으면(0.0177 W/m·K) 용접 풀 냉각 속도가 느려지고 침투 깊이가 얕아집니다. 대조적으로, 헬륨(He)은 아르곤(0.1513 W/m·K)보다 약 8배의 열 전도성을 나타내므로 용접 풀 냉각을 가속화하고 침투 깊이를 증가시킵니다. 그러나 밀도가 낮기 때문에(0.1785kg/m3) 빠르게 분산되기 쉬우므로 효과적인 차폐를 유지하려면 더 높은 유속이 필요합니다. 활성 가스-예: 질소(N2)-는 특정 응용 분야에서 고용체 강화를 통해 용접 이음매 강도를 향상시킬 수 있습니다.- 그러나 과도하게 사용하면 다공성 또는 부서지기 쉬운 상의 침전이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 이중 스테인리스강을 용접할 때 용접 풀에 질소가 용해되면 페라이트-오스테나이트 상 균형이 깨져 내식성이 저하될 수 있습니다.
공정 메커니즘의 관점에서 헬륨의 높은 이온화 에너지(24.6eV)는 플라즈마 차폐 효과를 억제하고 레이저 에너지 흡수를 향상시켜 침투 깊이를 증가시킵니다. 반대로, 아르곤의 낮은 이온화 에너지(15.8eV)는 플라즈마 기둥을 생성하는 경향이 있으므로 간섭을 완화하기 위해 디포커싱 또는 펄스 변조와 같은 기술을 사용해야 합니다. 또한 활성 차폐 가스와 용융 풀 사이의 화학 반응(예: 강철의 크롬과 질소의 반응을 통한 질화물 형성-)으로 인해 용접 구성이 변경될 수 있습니다. 따라서 특정 재료 특성을 고려하여 보호 가스를 신중하게 선택해야 합니다.
**재료 적용 예:**
• **강철:** 박판 용접(<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 mm) 그러나 침투 깊이를 늘리려면 헬륨(He)을 소량 첨가해야 합니다.
• **스테인리스강:** 아르곤 차폐는 크롬(Cr) 함량의 고갈을 방지합니다. 3mm 두께의 304 스테인리스강 용접에서 Cr 함량은 18.2%에 이릅니다(모재 금속의 18.5%에 거의 근접함). 반면, 듀플렉스 스테인리스강은 균형 잡힌 상 비율을 유지하기 위해 Ar{5}}N2 혼합물(N2 5% 이하)이 필요합니다. 연구에 따르면 Ar-2%N² 혼합물을 사용하여 8mm 두께의 2205 이중 스테인리스강을 용접할 때 페라이트-대-오스테나이트 상 비율이 48:52로 안정화되어 순수 아르곤 차폐(720MPa)로 달성한 것보다 780MPa 더 우수한 인장 강도를 생성하는 것으로 나타났습니다.
• **알루미늄 합금:** *박판(<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 mm):* 두꺼운 알루미늄 판을 용접하려면 높은 에너지 투입이 필요합니다. 헬륨-아르곤 혼합물(He:Ar=3:1)은 충분한 침투 깊이 달성과 비용 관리 간의 균형을 제공합니다. 예를 들어, 8mm 두께의 5083 플레이트를 용접할 때 이 혼합물로 차폐하면 6.2mm의 침투 깊이가 발생하며-순수 아르곤에 비해 35% 향상-되는 동시에 용접 비용이 20% 절감됩니다.
