스테인리스강에 레이저 용접 적용 2

스테인리스강에 대한 레이저 용접의 적용

레이저 용접의 기초

스테인리스강에 있어 강하고 일관된 용접을 수행하기 위해서는 레이저 용접의 기초를 이해하는 것이 필수적입니다. 이 공정은 용입 깊이, 용접 너비 및 열영향부(HAZ) 크기를 결정하는 정밀하게 조절된 여러 파라미터에 의존합니다. 다음 개념들은 레이저가 스테인리스강과 상호작용하는 방식과 다양한 설정이 결과에 미치는 영향을 설명합니다.

전도 모드 대 키홀 모드

전도 모드: 레이저 에너지가 금속 표면을 용융시키고, 열이 주로 열전도에 의해 재료 내부로 전달됩니다. 이는 얇은 판재, 낮은 열입력, 외관상 중요한 용접에 적합한 증발이 거의 발생하지 않는 넓고 얕은 용접을 생성합니다.

키홀 모드: 높은 출력 밀도에서 레이저는 빔의 초점 위치에서 금속을 증발시켜 작은 공동(키홀)을 형성합니다. 빔이 깊게 침투함으로써 두꺼운 판재에 대해 좁고 깊은 용접이 가능해집니다. 이 모드는 최대 용입 깊이를 제공하지만, 기공 및 불안정 현상을 방지하기 위해 정밀한 제어가 필요합니다.

연속파(CW) 대 펄스파

연속파(CW): 일정하고 끊임없는 출력을 제공합니다. 속도와 침투 깊이의 일관성이 중요한 긴 연속 용접선에 적합하며, 자동 생산 라인에서 일반적으로 사용됩니다.

펄스파: 제어된 에너지 펄스 형태로 에너지를 전달합니다. 열에 민감한 부품, 섬세한 작업 또는 점 용접에 유용합니다. 펄스 용접은 변형과 열 변색을 줄여 정밀 조립체 및 얇은 스테인리스 부품에 적합합니다.

빔 품질, 스팟 크기 및 단위 길이당 에너지

빔 품질: 빔 품질(측정 단위 M²로 표시됨)이 높을수록 더 작고 집중된 스팟을 생성하여 낮은 출력에서도 더 섬세한 용접과 깊은 침투를 가능하게 합니다.

스팟 크기: 작은 스팟은 에너지 밀도를 증가시켜 침투 깊이를 향상시킵니다. 큰 스팟은 열을 분산시켜 얇은 소재에서 과열 파손의 위험을 줄입니다.

단위 길이당 에너지: 레이저 출력과 이송 속도의 균형이 총 에너지 입력을 결정합니다. 과도한 에너지는 변형과 과도한 열영향부(HAZ)를 유발하고, 에너지가 부족하면 융합이 약하거나 불완전해집니다.

와블(Wobble) 및 스캐닝 광학 장치

와블 용접: 조인트를 따라 이동하면서 레이저 빔을 미세한 패턴으로 진동시키는 방식입니다. 조인트 간극의 브리징 성능을 향상시키고 정렬 오차에 대한 민감도를 낮추며 더 넓고 관대한 용접 비드를 생성할 수 있습니다.

스캐닝 광학 장치: 거울 또는 갈바노미터를 사용하여 작업물 위를 고속으로 이동하는 레이저 빔을 제어합니다. 빠른 패턴 변경, 다중 용접 포인트 처리 및 자동화 시스템과의 통합이 가능합니다. 대량 생산 및 복잡한 형상의 작업에 특히 유용합니다.

레이저 용접의 성능은 빔과 소재 간 상호작용을 어떻게 제어하느냐에 달려 있습니다. 전도 용접 방식은 섬세하고 얕은 용접에 적합한 반면, 키홀 방식은 깊은 용입을 가능하게 합니다. 연속 발진(CW) 방식은 속도와 일관성을 제공하는 반면, 펄스 발진 방식은 민감한 부품에서 열을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 빔 품질과 스팟 크기는 에너지 밀도를 결정하며, 조인트에 맞는 단위 길이당 에너지를 적절히 설정하는 것은 변형 없이 강도를 확보하는 데 매우 중요합니다. 와블 용접 및 스캐닝 광학 기술과 같은 고급 기술은 유연성을 높여 레이저 용접을 산업 전반에서 스테인리스 강 제작에 활용도가 높은 도구로 만들어 줍니다.

조인트 설계 및 조립 규칙

레이저 용접에서 이음 형태와 조립 정확도는 용접 품질, 관통력, 외관에 직접적인 영향을 미칩니다. 아크 용접 일부 공정과 달리, 레이저 용접은 좁은 빔과 작은 용융 풀 때문에 큰 간격이나 이음 부위의 불일치에 대한 허용 한계가 작습니다. 적절한 이음 형식 선택, 엣지 가공의 정확한 준비, 정밀한 조립은 결함이 없는 강도 높은 스테인리스강 용접을 위해 필수적입니다.

버트 조인트

설명: 두 부품을 동일 평면상에 맞추어 가장자리를 따라 결합하는 방식입니다.

레이저 용접 고려사항: 얇은 판재의 경우 최소 또는 무간극(<0.1mm)에서 가장 효과적입니다. 불완전 용입을 방지하기 위해 엣지 가공이 정확해야 합니다. 두꺼운 판재에는 키홀 모드가 자주 사용됩니다.

적용 분야: 판금 패널, 압력 용기, 튜빙 등

오버랩 조인트(Lap Joints)

설명: 한 부품이 다른 부품 위에 겹쳐지며, 레이저가 윗면을 관통하여 아래층에 용접되는 방식입니다.

레이저 용접 고려사항: 서로 다른 두께의 재료를 용접하는 데 효과적입니다. 겹치는 부분은 일관되게 유지해야 하며, 오염물질이 남지 않도록 표면을 깨끗하게 관리해야 합니다. 약간의 초점 흐림 현상을 활용하면 용입 깊이의 일관성을 향상시킬 수 있습니다.

적용 분야: 자동차 차체 패널, 케이스, 얇은 구조 조립체.

필렛 조인트

설명: 일반적으로 90° 각도로 결합되는 부품에 용접 금속을 모서리에 채워 결합하는 방식입니다.

레이저 용접 고려사항: 자동화에 이상적이지만 정밀한 조인트 정렬이 필요합니다. 모서리가 좁은 경우 레이저 접근성을 향상시키기 위해 모서리 둥글게 처리가 도움이 됩니다. 와블 용접은 조인트를 균일하게 채우는 데 유리합니다.

적용 분야: 프레임, 브라켓, 박스 구조물.

모서리 및 코너

설명: 레이저가 경계에서 소재를 융합하는 코너 조인트 및 모서리 용접을 포함합니다.

레이저 용접 고려사항: 특히 정렬 오류에 민감함. 낮은 열입력으로 변형을 최소화하지만, 기하학적 형태를 유지하기 위한 신중한 클램핑이 필요함. 깨끗하고 가시적인 이음매 특성으로 인해 장식용 스테인리스강 부품에 자주 사용됨.

면취 및 이음부 가공

설명: 더 깊은 용입을 가능하게 하거나 충전재를 수용하기 위해 경사지거나 가공된 가장자리.

레이저 용접 고려사항: 단일 패스 용입이 필요한 두꺼운 스테인리스 부위에 일반적으로 사용됨. 면취 각도와 루트면은 일관되어야 하며, 과도한 경사는 이음 효율을 낮출 수 있음.

탭용접

설명: 최종 용접 전에 부품을 정렬된 상태로 고정하기 위한 소형의 일시적 용접.

레이저 용접 고려사항: 용접 중 부품 이동을 방지하고 틈새 변화를 최소화함. 레이저 탭용접은 속도가 빠르고 변형이 적으며 자동화가 용이함. 탭 간격은 재료 두께 및 이음부 강성과 일치해야 함.

레이저 용접은 용융 풀이 작기 때문에 조립 정밀도와 일관된 이음부 가공이 중요합니다. 이음부의 간격이나 어긋남에 거의 허용 범위가 없습니다. 대두 이음부는 거의 완벽한 엣지 접촉이 필요하며, 겹치기 이음부는 깨끗한 겹침면이 요구되고, 필릿 이음부는 정확한 모서리 접근이 필요합니다. 완전 용입을 위해서는 엣지, 모서리, 쉠퍼(chamfer)가 일관되어야 하며, 고속 용접 중 부품이 어긋나지 않도록 점용접(tack welding)이 필요합니다. 이러한 이음부 설계 및 조립 규칙을 따르면 스테인리스강 용접부는 강도와 정확도, 시각적 깨끗함을 모두 확보할 수 있습니다.