레이저 용접에서 보호 가스의 영향
적절한 보호 가스를 사용하면 어떤 이점을 얻을 수 있을까요?
I레이저 용접에서 보호 가스의 선택은 용접 이음매의 형성, 품질, 깊이 및 폭에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
대부분의 경우 보호 가스를 주입하면 용접 이음매에 긍정적인 영향을 미치지만, 보호 가스를 부적절하게 사용하면 용접에 악영향을 미칠 수 있습니다.
보호 가스를 적절하게 사용했을 때와 부적절하게 사용했을 때의 효과는 다음과 같습니다.
올바른 사용법
부적절한 사용
1. 용접 풀의 효과적인 보호
보호 가스를 적절히 주입하면 용접 풀의 산화를 효과적으로 방지하거나 산화를 완전히 막을 수도 있습니다.
1. 용접 이음매의 열화
보호 가스 주입이 부적절하면 용접 이음매 품질이 저하될 수 있습니다.
2. 비산 감소
보호 가스를 적절하게 주입하면 용접 과정에서 발생하는 비산 현상을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
2. 균열 발생 및 기계적 특성 저하
잘못된 가스 종류를 선택하면 용접 이음매에 균열이 생기고 기계적 성능이 저하될 수 있습니다.
3. 용접 이음매의 균일한 형성
적절한 보호 가스 주입은 응고 과정에서 용접 풀이 고르게 퍼지도록 하여 균일하고 미적으로 보기 좋은 용접 이음매를 만들어냅니다.
3. 산화 증가 또는 간섭
가스 유량을 너무 높거나 낮게 설정하면 용접부의 산화가 증가할 수 있습니다. 또한 용융 금속에 심각한 교란을 일으켜 용접부가 무너지거나 불균일하게 형성될 수 있습니다.
4. 레이저 활용도 증가
보호 가스를 적절하게 주입하면 금속 증기 기둥이나 플라즈마 구름이 레이저에 미치는 차폐 효과를 효과적으로 줄여 레이저 효율을 높일 수 있습니다.
4. 불충분한 보호 또는 부정적인 영향
잘못된 가스 주입 방법을 선택하면 용접 이음매를 충분히 보호하지 못하거나 용접 이음매 형성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
5. 용접 기공 감소
보호 가스를 적절하게 주입하면 용접 이음매에 가스 기공이 생기는 것을 효과적으로 최소화할 수 있습니다. 적절한 가스 종류, 유량 및 주입 방법을 선택하면 이상적인 결과를 얻을 수 있습니다.
5. 용접 깊이에 미치는 영향
보호 가스 주입은 용접 깊이에 어느 정도 영향을 미칠 수 있으며, 특히 얇은 판재 용접의 경우 용접 깊이를 줄이는 경향이 있습니다.
다양한 종류의 보호 가스
레이저 용접에 일반적으로 사용되는 보호 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He)입니다. 이 가스들은 물리적, 화학적 특성이 서로 다르기 때문에 용접 이음매에 미치는 영향도 다양합니다.
1. 질소(N2)
질소(N2)는 아르곤(Ar)보다 높고 헬륨(He)보다 낮은 중간 정도의 이온화 에너지를 가지고 있습니다. 레이저 조사 시 적절한 정도로 이온화되어 플라즈마 구름 생성을 효과적으로 줄이고 레이저 활용도를 높입니다. 그러나 질소는 특정 온도에서 알루미늄 합금 및 탄소강과 화학 반응을 일으켜 질화물을 형성할 수 있습니다. 이는 용접부의 취성을 증가시키고 인성을 감소시켜 기계적 특성을 저하시킵니다. 따라서 알루미늄 합금 및 탄소강 용접 시 보호 가스로 질소를 사용하는 것은 권장되지 않습니다. 반면, 질소는 스테인리스강과는 반응하여 용접부의 강도를 향상시키는 질화물을 형성할 수 있습니다. 따라서 스테인리스강 용접 시에는 보호 가스로 질소를 사용할 수 있습니다.
2. 아르곤 가스(Ar)
아르곤 가스는 상대적으로 이온화 에너지가 낮아 레이저 조사 시 이온화 정도가 높습니다. 이는 플라즈마 구름 형성을 제어하는 데 불리하며 레이저의 효율적인 활용에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 아르곤은 반응성이 매우 낮아 일반적인 금속과 화학 반응을 일으킬 가능성이 낮습니다. 또한 아르곤은 비용 효율적입니다. 더 나아가, 높은 밀도로 인해 용접 풀 위로 가라앉아 용접 풀을 효과적으로 보호합니다. 따라서 아르곤은 일반적인 보호 가스로 사용될 수 있습니다.
3. 헬륨 가스 (He)
헬륨 가스는 이온화 에너지가 가장 높아 레이저 조사 시 이온화 정도가 매우 낮습니다. 따라서 플라즈마 구름 형성을 더욱 효과적으로 제어할 수 있으며, 레이저가 금속과 효율적으로 상호작용할 수 있습니다. 또한, 헬륨은 반응성이 매우 낮아 금속과 화학 반응을 쉽게 일으키지 않으므로 용접 보호 가스로 매우 적합합니다. 그러나 헬륨은 가격이 비싸기 때문에 일반적으로 대량 생산에는 사용되지 않고, 주로 과학 연구 분야나 고부가가치 제품 생산에 사용됩니다.
보호 가스를 사용하는 두 가지 방법
현재 차폐 가스를 주입하는 주요 방법에는 그림 1과 그림 2에 각각 나타낸 바와 같이 오프축 측면 분사 방식과 동축 차폐 가스 주입 방식 두 가지가 있습니다.
그림 1: 축외 측면 분사 차폐 가스
그림 2: 동축 차폐 가스
두 가지 송풍 방식 중 어느 것을 선택할지는 여러 가지 고려 사항에 따라 달라집니다.
일반적으로 차폐 가스 주입에는 축외 측면 분사 방식을 사용하는 것이 권장됩니다.
적절한 보호 가스를 선택하는 방법은 무엇일까요?
우선, 용접부의 "산화"라는 용어는 일상적인 표현이라는 점을 명확히 해야 합니다. 이론적으로는 용접 금속과 산소, 질소, 수소와 같은 공기 중의 유해 성분 간의 화학 반응으로 인해 용접 품질이 저하되는 현상을 의미합니다.
용접 산화를 방지하려면 이러한 유해 성분과 고온의 용접 금속 사이의 접촉을 줄이거나 피해야 합니다. 여기서 고온 상태란 용융된 용접 풀 금속뿐만 아니라 용접 금속이 녹는 순간부터 풀이 응고되어 온도가 특정 임계값 이하로 떨어질 때까지의 전체 기간을 포함합니다.
용접 공정
예를 들어, 티타늄 합금 용접 시 온도가 300°C 이상이면 수소 흡수가 급격히 일어나고, 450°C 이상이면 산소 흡수가 급격히 일어나며, 600°C 이상이면 질소 흡수가 급격히 일어납니다.
따라서 티타늄 합금 용접부는 산화를 방지하기 위해 응고 단계, 즉 온도가 300°C 이하로 떨어지는 동안 효과적인 보호가 필요합니다. 위에서 설명한 바와 같이, 주입되는 보호 가스는 적절한 시기에 용접 풀뿐만 아니라 용접부의 응고 직후 영역까지 보호해야 합니다. 따라서 그림 1에 나타낸 측면 비축 분사 방식은 그림 2에 나타낸 동축 분사 방식보다 특히 용접부의 응고 직후 영역에 대해 더 넓은 보호 범위를 제공하므로 일반적으로 선호됩니다.
하지만 특정 제품의 경우, 제품 구조 및 접합 구성에 따라 접합 방법을 선택해야 합니다.
보호가스 주입 방법의 구체적인 선택
1. 직선 용접
제품의 용접 형상이 그림 3과 같이 직선이고 접합 구성에 맞대기 이음, 겹침 이음, 필렛 용접 또는 적층 용접이 포함되는 경우, 이러한 유형의 제품에 대한 바람직한 방법은 그림 1에 나타낸 오프축 측면 블로잉 방법입니다.
그림 3: 직선 용접
2. 평면 밀폐형 형상 용접
그림 4에서 보는 바와 같이, 이러한 유형의 제품에서 용접부는 원형, 다각형 또는 다중 세그먼트 선 모양과 같은 닫힌 평면 형상을 갖습니다. 접합부 형상에는 맞대기 용접, 겹침 용접 또는 적층 용접이 포함될 수 있습니다. 이러한 유형의 제품에는 그림 2에 나타낸 것과 같은 동축 차폐 가스를 사용하는 것이 바람직한 방법입니다.
그림 4: 평면 밀폐형 형상 용접
평면 밀폐 형상 용접 시 보호 가스 선택은 용접 품질, 효율 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 용접 재료의 다양성으로 인해 실제 용접 공정에서 용접 가스 선택은 매우 복잡합니다. 용접 재료, 용접 방법, 용접 자세 및 원하는 용접 결과 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 최적의 용접 결과를 얻기 위해서는 용접 시험을 통해 가장 적합한 용접 가스를 선택할 수 있습니다.
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자주 묻는 질문
- 레이저 용접에서 보호 가스는 용접 부위를 대기 오염으로부터 보호하는 데 필수적인 요소입니다. 이 용접 방식에 사용되는 고강도 레이저 빔은 상당한 열을 발생시켜 금속 용융 풀을 생성합니다.
레이저 용접기에서 용접 과정 중 용융 풀을 보호하기 위해 불활성 가스가 자주 사용됩니다. 일부 재료를 용접할 때는 표면 산화를 고려하지 않을 수도 있지만, 대부분의 경우 헬륨, 아르곤, 질소 등의 가스가 보호용으로 사용됩니다. 이제 레이저 용접 시 보호 가스가 필요한 이유를 살펴보겠습니다.
레이저 용접에서 보호 가스는 용접 형상, 용접 품질, 용접 침투 깊이 및 용융 폭에 영향을 미칩니다. 대부분의 경우 보호 가스를 분사하면 용접 품질에 긍정적인 영향을 미칩니다.
- 아르곤-헬륨 혼합물아르곤-헬륨 혼합물: 레이저 출력 수준에 따라 대부분의 알루미늄 레이저 용접 작업에 일반적으로 권장됩니다. 아르곤-산소 혼합물: 높은 효율과 만족스러운 용접 품질을 제공할 수 있습니다.
- 가스 레이저의 설계 및 응용에 사용되는 가스는 이산화탄소(CO2), 헬륨-네온(H2 및 Ne), 질소(N2)입니다.
휴대용 레이저 용접에 대해 궁금한 점이 있으신가요?
게시 시간: 2023년 5월 19일