레이저 용접 공정에 대한 차폐 가스 매개변수의 영향

레이저 용접 공정에 대한 보호 가스 매개변수의 영향

01 소개

레이저 용접 기술은 높은 에너지 밀도, 낮은 열 입력 및 비{0}}접촉 특성으로 인해 현대 정밀 제조의 핵심 공정 중 하나가 되었습니다. 그러나 용접 중 용융 풀과 대기 사이의 접촉으로 인해 발생하는 산화, 다공성 및 원소 손실은 용접의 기계적 특성과 서비스 수명을 심각하게 제한합니다. 용접 환경을 제어하는 ​​핵심 매체인 쉴딩 가스는 종류, 유량, 분사 방법, 재료 특성(화학 반응성, 열전도율 등) 및 판 두께를 고려하여 선택해야 합니다.

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02 차폐가스의 종류

보호 가스의 주요 역할은 산소를 격리하고, 용융 풀 동작을 조절하고, 에너지 결합 효율을 향상시키는 것입니다. 화학적 특성에 따라 차폐 가스는 불활성 가스(아르곤, 헬륨)와 활성 가스(질소, 이산화탄소)로 분류됩니다. 불활성 가스는 화학적 안정성이 높고 용융 풀의 산화를 효과적으로 방지하지만 열물리적 차이가 용접 결과에 큰 영향을 미칩니다.

예를 들어, 아르곤(Ar)은 밀도가 높아(1.784kg/m3) 안정적인 피복층을 형성하지만 열전도율이 낮아(0.0177W/m·K) 냉각 속도가 느려지고 침투가 얕아집니다. 이에 반해 헬륨(He)은 열전도율이 8배(0.1513W/m·K) 높아 냉각 속도가 빨라지고 침투 깊이도 커지지만, 밀도가 낮아(0.1785kg/m3) 탈출이 쉬워 보호를 유지하려면 더 높은 유량이 필요하다.

질소(N2)와 같은 활성 가스는 경우에 따라 고용 강화를 통해 용접 강도를 향상시킬 수 있지만, 과도하게 사용하면 다공성 또는 취성 상 석출이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 이중 스테인리스강 용접 중 용융 풀에 질소가 침투하면 페라이트/오스테나이트 상 균형이 깨져 내식성이 저하될 수 있습니다.

[이미지: 그림 1. 레이저 용접 304L 스테인레스 스틸, (상단) Ar 보호; (하)N2 보호]

프로세스 메커니즘 관점에서 헬륨의 높은 이온화 에너지(24.6eV)는 플라즈마 차폐를 억제하여 레이저 에너지 흡수 및 침투를 향상시킵니다. 이온화 에너지(15.8eV)가 낮은 아르곤은 플라즈마 구름을 쉽게 생성하므로 간섭을 줄이기 위해 디포커싱 또는 펄스 변조가 필요합니다. 또한 활성 가스는 용융 풀과 화학적으로 반응할 수 있으므로(예: 강철에서 Cr과 ​​함께 질화물을 형성하는 N2) 용접 구성을 변경하고 신중한 선택이 필요합니다.

재료 적용 예:
- 강철: 얇은 시트용(<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10mm), 헬륨을 첨가하면 침투력이 향상됩니다.
- 스테인레스강: 아르곤 보호로 Cr 손실을 방지합니다. 3mm 두께의 304 스테인리스강에서 용접부의 Cr 함량은 18.2%에 이릅니다(모재 금속에서는 18.5%에 가깝습니다). 듀플렉스 스테인리스강에는 상균형을 위해 Ar-N² 혼합물(N² 5% 이하)이 필요합니다. 연구에 따르면 8mm 두께의 2205 듀플렉스 스테인리스강을 사용하는 Ar-2%N2는 48:52의 페라이트/오스테나이트 비율과 780MPa의 인장 강도를 유지하며 이는 순수 Ar(720MPa)보다 우수합니다.
- 알루미늄 합금: 얇은 시트용(<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 mm), He{1}}Ar 혼합물(3:1)은 침투력과 비용의 균형을 맞춥니다. 예를 들어, 8mm 두께의 5083 플레이트를 혼합 가스로 용접하면 순수 Ar보다 35% 더 깊은 6.2mm의 관통력을 달성하는 동시에 비용을 20% 절감할 수 있습니다.

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03 차폐가스 유량의 영향

보호 가스 유량은 적용 범위 성능과 용융 풀 유체 역학에 직접적인 영향을 미칩니다. 불충분한 흐름은 공기를 완전히 격리하지 못하여 산화 및 다공성을 초래합니다. 과도한 흐름은 난류를 유발하여 용융 풀을 샅샅이 뒤져 함몰이나 튄 자국을 유발할 수 있습니다. 레이놀즈 수(Re=ρvD/μ)에 따르면 흐름이 높을수록 속도가 증가하고 Re > 2300일 때 층류 흐름이 난류로 전환되어 용융 풀이 불안정해집니다. 따라서 임계유량은 실험적으로 또는 CFD 시뮬레이션을 통해 결정되어야 합니다.

[이미지: 그림 2. 다양한 차폐 가스 유량이 용접부에 미치는 영향]

흐름을 최적화하려면 열전도율과 플레이트 두께를 고려해야 합니다.
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6mm), 산화를 억제하려면 18~22L/min이 필요합니다. 예를 들어, 6mm 두께의 316L 스테인리스강을 사용하면 20L/min으로 HAZ 경도 균일성이 30% 향상되었습니다.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10mm, 난류를 방지하려면 복합 분사가 필요합니다.

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04 실드가스 취입방식의 영향

송풍 방법은 기류 방향과 분포를 제어하여 용융 풀 흐름과 결함 억제에 직접적인 영향을 미칩니다. 이는 표면 장력 구배와 마랑고니 흐름을 변경하여 용융 풀 역학을 조절합니다. 측면- 블로잉은 방향성 흐름을 유도하여 다공성과 개재물을 줄이는 반면, 복합 블로잉은 에너지 분포의 균형을 맞추고 용접 균일성을 향상시킵니다.

[이미지: 그림 3. 다양한 분사 방법이 용접부에 미치는 영향]

주요 부는 방법:
- 동축 분사: 기류는 레이저 빔과 동축을 이루며 용융 풀을 대칭적으로 덮으며 고속 용접에 적합합니다.- 이는 높은 공정 안정성을 보장하지만 레이저 포커싱을 방해할 수 있습니다. 예를 들어, 1.2mm 아연 도금 자동차 강철의 경우 동축 블로잉을 통해 용접 속도가 스패터와 함께 40mm/s로 증가했습니다.<0.1.
- 측면-블로잉: 공기 흐름이 측면에서 유입되어 플라즈마 및 불순물을 효과적으로 제거하므로 심용입 용접에 적합합니다. 30도 측면-블로잉에서 12mm 두께의 Q345 강철의 경우 관통력은 18% 증가하고 다공성은 4%에서 0.8%로 감소했습니다.
- 복합 분사: 동축 분사와 측면{1}} 분사를 결합하여 산화 및 플라즈마 간섭을 동시에 억제합니다. 이중-노즐 디자인을 갖춘 3mm 두께의 6061 알루미늄 합금의 경우 다공성은 2.5%에서 0.4%로 감소했으며 인장 강도는 모재의 95%에 도달했습니다.

05 결론

용접 품질에 대한 보호 가스의 영향은 본질적으로 에너지 전달, 용융 풀 열역학 및 화학 반응의 규제에서 비롯됩니다.
1. 에너지 전달: 헬륨의 높은 열 전도성은 냉각을 가속화하여 HAZ 폭을 줄입니다. 아르곤의 낮은 전도성은 용융 풀 수명을 연장하여 얇은 시트 형성에 도움이 됩니다.
2. 용융 풀 안정성: 기류 전단은 용융 풀 흐름에 영향을 미칩니다. 적절한 흐름은 스패터를 억제하는 반면, 과도한 흐름은 소용돌이와 결함을 유발합니다.
3. 화학적 보호: 불활성 가스가 산소를 분리하여 합금 원소(예: Cr, Al)의 산화를 방지합니다. 활성 가스(예: N2)는 고용체 강화 또는 화합물 형성을 통해 용접 특성을 변경하지만 정밀한 제어가 필요합니다.

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출처: WeChat 공개 계정 '고에너지 빔 처리 기술 및 애플리케이션' 편집팀에서 수집함.