레이저 기술과 알루미늄 합금 개발 기술의 발전에 따라 알루미늄 합금 레이저 용접 응용 기술에 대한 기초 연구를 더욱 진행하고, 새로운 알루미늄 합금 레이저 용접 기술을 개발하고, 알루미늄 합금 레이저 용접 구조의 응용 잠재력을 보다 효과적으로 확장하여 알루미늄 합금 레이저 용접 기술의 응용 현황과 개발 추세를 이해하는 것이 특히 중요합니다.
고강도 알루미늄 합금은 높은 비강도, 비강성, 우수한 내식성, 가공 성능 및 기계적 특성을 가지고 있으며, 항공우주, 선박 및 기타 운송 분야에서 구조적 경량 제조에 없어서는 안 될 금속 재료가 되었으며, 그 중 항공기가 가장 많이 사용됩니다. 용접 기술은 구조 재료의 활용률을 높이고 구조물의 무게를 줄이며 복잡하고 이질적인 재료의 저비용 제조를 실현하는 데 고유한 장점이 있으며, 그 중 알루미늄 합금 레이저 용접 기술은 핫스팟입니다.
다른 용접 방법과 비교했을 때 레이저 용접은 중앙 가열, 작은 열 손상, 큰 용접 깊이 대 폭 비율, 작은 용접 변형의 장점이 있습니다. 용접 공정은 통합하기 쉽고 자동화되고 유연하며 고속 및 고정밀 용접을 실현할 수 있으며 특히 복잡한 구조물의 고정밀 용접에 적합합니다.
재료 기술의 발전에 따라 다양한 고강도, 고강도 알루미늄 합금이 계속 출시되고 있으며, 특히 3세대 알루미늄 리튬 합금과 새로운 고강도 알루미늄 합금의 등장으로 알루미늄 레이저 용접 기술에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 알루미늄 합금의 다양성은 다양한 새로운 레이저 용접 문제를 가져왔습니다. 따라서 이러한 문제를 심층적으로 연구하여 알루미늄 합금 레이저 용접 구조의 응용 잠재력을 보다 효과적으로 확장해야 합니다.
고출력 레이저
레이저 용접은 금속 표면에 고강도 레이저를 조사하여 금속을 녹인 후 냉각 및 결정화시켜 레이저와 금속 사이의 열 결합을 통해 용접을 형성하는 기술입니다. 레이저 용접의 열 작용 메커니즘에 따라 열전도 용접과 심층 침투 용접의 두 가지 종류로 나눌 수 있습니다. 전자는 주로 정밀 부품 패키지 용접 또는 마이크로 및 나노 용접에 사용됩니다. 후자는 종종 용접 공정에서 전자빔 용접과 유사한 작은 구멍 효과를 생성하여 깊고 넓은 용접을 형성합니다. 레이저 심층 침투 용접의 실현에는 높은 레이저 출력이 필요하며 현재 레이저 심층 침투 용접에 적용되는 고출력 레이저는 4가지 유형이 있습니다.
1, CO2가스 레이저
작동 매체는 CO2 가스이며, 출력 파장은 10.6μm 레이저이며, 레이저 여기 구조에 따라 횡류와 축류 두 종류로 나뉩니다. 교차 흐름 CO2 레이저의 출력 전력은 150kW에 도달했지만 빔 품질이 좋지 않아 용접에 적합하지 않습니다. 축류 CO2 레이저는 빔 품질이 더 좋으며 레이저 반사율이 높은 알루미늄 합금을 용접하는 데 사용할 수 있습니다.
2, YAG 솔리드 레이저
작업 매체는 루비, 네오디뮴 유리 및 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷 등입니다. 출력 파장은 1.06μm 레이저입니다. YAG 레이저는 CO2 레이저보다 금속에 더 쉽게 흡수되고 플라즈마의 영향을 덜 받아 섬유 전송, 유연한 용접 작업, 양호한 용접 위치 접근성을 위해 알루미늄 합금 구조를 용접하는 주요 레이저입니다.
3, YLR 파이버 레이저
2002년 이후에 개발된 신형 레이저로, 파이버를 매트릭스 재료로 사용하고, 다양한 희토류 이온을 도핑했으며, 출력 파장 범위는 약 1.08μm로 파이버 전송이기도 합니다. 파이버 레이저는 더블 클래드 파이버 구조를 혁신적으로 사용하여 펌프 길이를 늘리고 펌프 효율을 개선하여 파이버 레이저의 출력 전력을 크게 높였습니다. YAG 레이저에 비해 YLR 파이버 레이저는 나중에 등장했지만 소형, 낮은 작동 비용, 높은 빔 품질, 높은 레이저 전력이라는 장점이 있습니다.
알루미늄 합금의 레이저용접 구조에 관한 응용 연구
1990년대 이후 과학 기술의 발전과 함께 고출력 고휘도 레이저의 등장, 레이저 용접 기술 통합, 지능화, 유연화, 다각화 개발이 더욱 성숙해지고 있으며, 국내외에서 알루미늄 합금 구조 응용 분야의 다양한 분야에서 레이저 용접에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 현재 중국의 일부 자동차 제조업체는 일부 신형 모델에 레이저 용접 기술을 채택했으며, 알루미늄 합금 후판에 대한 레이저 용접 기술이 개발됨에 따라 레이저 용접은 미래에 장갑차 구조에 적용될 것입니다.
경량 제조를 실현하기 위해 선박 및 고속철도 구조물 제조에서 알루미늄 합금 샌드위치 구조의 레이저 용접의 응용 및 연구가 현재 연구 핫스팟입니다. 알루미늄 합금은 항공우주 구조물의 중요한 금속 구조 재료이므로 일본, 미국, 영국, 독일 및 기타 선진국에서는 알루미늄 합금 레이저 용접 기술 연구를 매우 중시합니다.
파이버 레이저 용접 기술의 발전으로 선진국의 항공 제조 분야에서는 파이버 레이저 용접과 레이저 아크 복합 용접 기술을 알루미늄 합금 용접 기술, 특히 후판 용접과 이종 금속 용접의 초점으로 삼았습니다. 예를 들어, 미국의 NALI 프로젝트는 민간 항공기의 연소실 구조와 JSF 항공기 엔진에 대한 파이버 레이저 용접과 레이저 아크 복합 용접 기술에 대한 연구를 수행하고 있습니다.
알루미늄 합금 레이저용접의 특성
기존의 용융용접과 비교했을 때 알루미늄 합금 레이저용접은 가열 농도, 용접 깊이 대 폭 비율이 크고 용접 구조 변형이 적지만 몇 가지 단점이 있습니다. 요약하면 다음과 같습니다.
(1) 레이저 초점 스팟의 직경이 작기 때문에 공작물 용접 및 조립 정확도에 대한 요구 사항이 높아지며, 일반적으로 조립 간격과 잘못된 모서리의 양은 판 두께의 0.1mm 또는 10% 미만이어야 하므로 복잡한 3차원 용접 구조 구현이 어렵습니다.
(2) 알루미늄 합금의 레이저 반사율은 실온에서 90%에 달하기 때문에 알루미늄 합금의 레이저 심관통 용접은 레이저의 출력이 높아야 합니다. 알루미늄 합금 판의 레이저 용접에 대한 연구에 따르면 알루미늄 합금의 레이저 심관통 용접은 레이저 출력 밀도와 선형 에너지의 이중 임계값에 따라 달라지며, 이는 용접 공정에서 용접 풀 동작을 공동으로 제한하고 최종적으로 용접의 성형 특성에 반영됩니다. 완전 침투 용접의 공정 최적화는 용접 이음매 성형 특성의 후면 폭 비율로 평가할 수 있습니다.
(3) 알루미늄 합금의 융점이 낮고, 액상 금속의 흐름이 양호하며, 고출력 레이저의 작용으로 금속의 기화가 강하고, 용접공정에서 작은 구멍이 생기는 금속증기/광유도 플라즈마 구름이 형성되어 알루미늄 합금의 레이저 에너지 흡수에 영향을 미쳐 심부용입 용접공정이 불안정해지고, 용접부에 기공, 표면 붕괴, 모서리 등의 결함이 발생하기 쉽다.
(4) 레이저 용접의 가열 및 냉각 속도는 빠르고 용접 경도는 아크보다 높지만 알루미늄 합금의 레이저 용접에서 합금 원소의 연소로 인해 합금의 강화에 영향을 미치고 알루미늄 합금 용접은 여전히 연화 문제가 있어 알루미늄 합금 용접 조인트의 강도가 감소합니다. 따라서 알루미늄 합금 레이저 용접의 주요 문제는 용접 결함을 제어하고 용접 조인트의 성능을 향상시키는 것입니다.
알루미늄 합금의 레이저용접 결함 제어 기술
고출력 레이저의 작용 하에서 알루미늄 합금 레이저 심층 침투 용접 조인트의 주요 결함은 기공, 표면 붕괴 및 가장자리 물림이며, 이는 레이저 와이어 충진 용접 또는 레이저 아크 복합 용접으로 개선할 수 있습니다. 용접의 기공 결함을 제어하는 것은 어렵습니다.
기존 연구 결과에 따르면 알루미늄 합금의 레이저 심층 침투 용접에는 두 가지 유형의 특징적인 기공이 있습니다. 하나는 야금학적 기공으로, 아크 용융 용접과 같은 용접 공정에서 재료 오염이나 공기 침입으로 인해 발생합니다. 다른 유형은 공정 기공으로, 레이저 심층 침투 용접 공정에 내재된 작은 구멍의 불안정한 변동으로 인해 발생합니다.
레이저 심관통 용접 공정에서 액체 금속의 점성 효과로 인해 구멍이 빔 이동보다 뒤떨어지는 경우가 많고, 플라즈마/금속 증기의 영향으로 직경과 깊이가 변동합니다. 빔의 이동과 용융 풀 금속의 흐름에 따라 비투과 심관통 용접에서는 용융 풀 금속의 흐름으로 인해 구멍 끝에 기포가 나타나고, 완전 침투 심관통 용접에서는 구멍 중앙의 좁은 허리에 기포가 나타납니다. 기포는 액체 금속 흐름과 함께 이동하여 굴러가거나 용융 풀 표면에서 빠져나오거나 작은 구멍으로 다시 밀려나는데, 기포가 용융 풀에 의해 응고되고 금속 전면에 포획되어 용접 기공이 됩니다.
분명히, 금속 기공률은 주로 용접 전 표면 처리 제어와 용접 중 합리적인 가스 보호에 의해 제어되며, 공정 기공률의 핵심은 레이저 심층 침투 용접 중 작은 구멍의 안정성을 보장하는 것입니다. 국내 레이저 용접 기술 연구에 따르면, 알루미늄 합금 레이저 심층 침투 용접 기공률 제어는 용접 전, 용접 공정, 다양한 링크의 용접 후처리를 고려해야 하며, 다음과 같은 새로운 공정과 새로운 기술로 요약됩니다.
1, 용접 전 처리 방법
용접 전 표면 처리가 알루미늄 합금 레이저 용접의 야금적 기공을 제어하는 효과적인 방법이며, 일반적으로 표면 처리 방법에는 물리적 세척, 기계적 세척, 화학적 세척이 있습니다. 최근에는 레이저 충격 세척이 있어 레이저 용접의 자동화 정도가 더욱 향상되었습니다.
2, 매개변수 안정성 최적화 제어
알루미늄 합금 레이저 용접 공정 매개변수는 일반적으로 주로 레이저 출력, 초점 흐림, 용접 속도, 가스 보호 구성 및 흐름입니다. 이러한 매개변수는 용접 영역의 보호 효과뿐만 아니라 레이저 심층 침투 용접 공정의 안정성에도 영향을 미쳐 용접의 기공에 영향을 미칩니다. 알루미늄 합금 시트의 레이저 심층 침투 용접을 통해 소공 침투의 안정성이 용접 풀의 안정성에 영향을 미치고 용접 형성에 영향을 미쳐 용접 기공 결함을 초래한다는 것을 알 수 있습니다. 또한 레이저 심층 침투 용접의 안정성은 레이저 출력 밀도 및 선형 수량 매칭과 관련이 있으므로 안정적인 용접 형성의 합리적인 공정 매개변수를 결정하는 것은 알루미늄 합금 레이저 용접의 기공을 효과적으로 제어하는 효과적인 조치입니다.
결과는 용접 표면 폭에 대한 용접 뒷면 폭의 비율(용접 뒷면 폭의 비율)이 알루미늄 합금 시트의 용접 형성 및 안정성을 평가하는 데 사용된다는 것을 보여줍니다. 레이저 출력 밀도와 라인 에너지가 합리적으로 일치하면 용접 뒷면 대 폭 비율을 보장할 수 있으며 용접 기공을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
3, 더블 스팟 레이저 용접
더블 스팟 레이저 용접은 두 개의 초점 레이저 빔이 동일한 용접 풀에 동시에 작용하는 용접 공정을 말합니다. 레이저 심층 침투 용접 공정에서 기공이 형성되는 주요 원인 중 하나는 작은 구멍의 가스가 순간 폐쇄에 의해 용접 풀에 둘러싸여 있기 때문입니다. 더블 스팟 레이저 용접을 사용할 때 두 개의 광원의 작용으로 인해 작은 구멍의 큰 개구부는 내부 금속 증기의 탈출에 도움이 되고 작은 구멍의 안정성에도 도움이 되어 용접의 기공을 줄입니다. A356, AA5083, 2024 및 5A90 알루미늄 합금의 레이저 용접에 대한 연구는 모두 듀얼 스팟 레이저 용접이 용접 기공을 크게 줄일 수 있음을 보여줍니다.
4, 레이저아크 복합용접
레이저 아크 복합 용접은 레이저와 아크가 동일한 용접 풀에 적용되는 용접 방법입니다. 일반적으로 레이저를 주요 열원으로 사용하면 레이저와 아크의 상호 작용으로 레이저 용접 깊이와 용접 속도가 향상되고 용접 조립 정확도가 낮아질 수 있습니다. 필러 와이어를 사용하여 용접 조인트의 미세 구조 특성을 제어하여 레이저 용접 구멍의 안정성을 개선할 수 있으며 아크의 보조 효과는 용접의 기공을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
레이저 아크 복합 용접 공정에서 아크는 레이저 공정에 의해 유도된 금속 증기/플라즈마 구름에 영향을 미치며, 이는 레이저 에너지의 흡수와 작은 구멍의 안정성에 도움이 됩니다. 알루미늄 합금의 레이저 아크 복합 용접 결과도 그 효과를 입증했습니다.
5, 파이버 레이저 용접
레이저 심층 침투 용접 공정의 소공 효과는 레이저 작용 하에서 금속의 강한 증발로 인한 것입니다. 금속 증발의 증기력은 레이저 전력 밀도 및 빔 품질과 밀접한 관련이 있으며, 이는 레이저 용접의 침투 깊이에 영향을 미칠 뿐만 아니라 소공의 안정성에도 영향을 미칩니다. Seiji. et al.의 SUS304 스테인리스강 고출력 파이버 레이저에 대한 연구에 따르면 고속 용접 중에 용접 풀이 길어져 스패터를 억제하고 소공 변동이 안정적이며 소공 팁에 기포가 없습니다. 파이버 레이저를 사용하여 티타늄 합금 및 알루미늄 합금의 고속 용접을 수행하면 기공 없는 용접을 얻을 수도 있습니다. Allen et al.의 티타늄 합금 파이버 레이저 용접에서 보호 가스 제어 기술에 대한 연구에 따르면 용접 보호 가스의 위치를 제어하면 가스 관여를 방지하고 소공의 폐쇄 시간을 줄이고 용접 소공을 안정화하고 용접 풀의 응고 거동을 변경하여 용접의 기공을 줄일 수 있습니다.
6, 펄스 레이저 용접
연속 레이저 용접과 비교하여 레이저 출력은 맥동 모드를 채택하여 용융 풀의 주기적이고 안정적인 흐름을 촉진할 수 있으며, 이는 용융 풀에서 기포가 빠져나가고 용접의 기공을 줄이는 데 도움이 됩니다.TY Kuo와 SL Jeng은 YAG 레이저 용접의 레이저 출력 모드가 SUS 304L 스테인리스 스틸과 인코넬 690 초합금 용접의 기공과 특성에 미치는 영향을 연구했습니다.결과는 다음과 같습니다.방형파 펄스 레이저 용접의 경우 기본 전력이 1700W일 때 펄스 진폭 ΔP가 증가함에 따라 용접의 기공이 감소하고 스테인리스 스틸의 기공은 2.1%에서 0.5%로 감소하고 초합금의 기공은 7.1%에서 0.5%로 감소합니다.
7, 용접 후 복합 가공 기술
실제 엔지니어링 응용 분야에서 용접 전 표면 처리가 엄격하고 용접 공정이 안정적이라 하더라도 알루미늄 합금의 레이저 용접은 필연적으로 용접 기공을 생성하므로 용접 후 처리를 사용하여 기공을 제거하는 것이 매우 중요합니다. 현재 이 방법은 주로 변형 용접입니다. 열간 등압 프레스 기술은 알루미늄 합금 주조물의 기공과 수축을 제거하는 방법 중 하나이며 레이저 용접 후 알루미늄 합금의 응력 열처리와 결합하여 열간 등압 프레스와 알루미늄 합금 레이저 용접 구성 요소의 열처리의 복합 공정을 형성하여 용접의 기공을 제거할 뿐만 아니라 조인트 성능도 향상시킵니다.
알루미늄 합금의 특성으로 인해 고출력 레이저 용접의 적용에는 여전히 많은 문제가 있으며, 주요 문제는 용접의 기공 결함을 제어하고 용접 품질을 개선하는 것입니다. 용접 공정의 안정성을 개선하기 위해 알루미늄 합금의 레이저 용접 기공에 대한 엔지니어링 제어는 용접 전, 용접 중 및 용접 후의 모든 측면을 고려해야 합니다. 따라서 용접 전 레이저 세척, 용접 공정 매개 변수 백 폭 비율 제어 최적화, 더블 빔 레이저 용접, 레이저 아크 복합 용접, 펄스 레이저 용접 및 파이버 레이저 용접과 같은 많은 새로운 기술과 공정이 도출되었습니다.
