가스 흐름을 조절하는 것만으로 레이저 용접 효율을 높일 수 있다면 어떨까요? 이 글에서는 레이저 용접에서 측면 분사 가스가 플라즈마에 어떤 영향을 미치는지 살펴보고 용접 안정성과 관통력에 미치는 영향을 밝힙니다. 가스 구성, 유량, 노즐 위치와 같은 변수를 살펴봄으로써 용접 조건을 최적화하고 에너지 손실을 줄이는 방법을 배웁니다. 용접 결과를 개선하고 비용을 절감할 수 있는 실질적인 인사이트를 얻을 수 있을 것으로 기대합니다.
고출력 레이저를 예로 들어 측면 분사 가스의 관련 파라미터를 연구합니다.
예를 들어, 측면 분사 가스와 플라즈마의 위치, 각도, 구성 및 흐름 사이의 관계는 용접 공정의 안정성과 침투에 대한 측면 분사 가스의 영향 법칙을 보여줍니다.
레이저 용접은 기존의 용융 용접에 비해 용접 관통력이 크고 용접 속도가 빠르며 공작물 변형이 적다는 장점이 있습니다.
그러나 용접 공정에서 고출력 밀도의 레이저 열원은 가공 된 공작물 표면에 플라즈마 구름을 생성하여 레이저를 흡수하고 굴절시켜 용접 에너지를 크게 감소시킵니다. 심관통 용접 로 설정합니다.
따라서 에너지 손실을 줄이기 위해 산업용 애플리케이션에서는 일반적으로 플라즈마를 억제하기 위해 사이드 블로잉 보조 가스 퍼징을 사용합니다.
레이저 용접 과정에서 플라즈마는 일반적으로 공작물 표면과 작은 구멍 내부에 분포하며 전체 용접 과정에서 주기적으로 모양과 크기가 변합니다.
측면 분사 가스를 사용하여 플라즈마 형성을 억제하는 방법에서 헬륨은 가장 일반적으로 사용되는 가스입니다.
일반적으로 사용되는 다른 가스에 비해 헬륨은 이온화 에너지가 가장 높기 때문에 분해 또는 이온화되기 전에 더 많은 에너지를 흡수할 수 있습니다.
그러나 헬륨은 희소하고 비싸기 때문에 관련 전문가들은 여러 측면에서 헬륨을 대체할 새로운 사이드 블로잉 가스 또는 혼합 가스를 연구하고 선택했습니다.
현재 외국 연구자들은 안정성과 가스 경제성을 고려하여 he : ar = 3 : 1의 혼합을 권장합니다. 레이저 용접 공정.
또한 레이저 용접 과정에서 사이드 블로잉 구성을 최적화하고 플라즈마를 효과적으로 억제하기 위해 국내외 연구진들도 많은 연구를 진행했습니다.
지금까지 작업의 일부는 측면 분사 도입 모드, 측면 분사 노즐의 모양, 크기 및 위치에 초점을 맞추었지만 일부 전문가는 측면 분사 각도가 침투에 미치는 영향도 연구했습니다.
그러나 다음과 같은 차이로 인해 레이저 파워 실제 용접 조건에 대한 연구 결과는 보편성이 부족합니다.
또한 추가 생산 및 응용에 대한 수요는이 연구 작업이 연구 메커니즘에서 레이저 용접 공정의 측면 분사 필수 법칙을 밝혀 실제 생산 및 응용을 효과적으로 안내 할 수 있도록 요구합니다;
반면에 레이저 하이브리드 용접 프로세스 는 연구자들과 실제 생산 현장에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.
CO2 레이저 하이브리드 용접에 사용되는 가스에는 레이저 용접에 필요한 측면 분사 가스 및 차폐 가스 기존 용접에 필요합니다.
복합 용접 공정에는 많은 매개 변수가 있기 때문에 사용자는 사용되는 가스의 작용 메커니즘을 명확하게 이해해야 합니다.
따라서 레이저 용접에서 측면 분사 가스 연구를 통해 얻은 경험과 지식은 레이저 하이브리드 용접 연구에도 도움이 됩니다.
15kw 고속 축류 CO2 레이저가 실험에 사용되었습니다.
그리고 레이저 초점 거리 는 357mm였습니다.
용접 테스트 플레이트는 20mm 두께의 해양용 고강도 강철 ah32였습니다.
필러 와이어가 없는 용접 테스트 플레이트에 레이저 표면 처리를 사용했습니다.
그리고 녹 방지 시험판 표면의 페인트는 용접 전에 기계적 연삭으로 제거하고, 기름 얼룩은 용접 전에 아세톤으로 제거해야 합니다.
달리 명시되지 않는 한, 측면 분사 가스는 순수 헬륨입니다.
구체적인 실험 장치는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1 실험 장치의 개략도
레이저 용접 과정에서 플라즈마는 매크로 고속 촬영 시스템으로 동시에 기록되며, 용접 후 2차원 방향의 플라즈마 크기와 면적을 계산합니다.
플라즈마 형성은 레이저 출력이 증가함에 따라 증가합니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 측면 분사 가스도 헬륨이고 용접 속도가 2m / 분이라는 조건에서 레이저 출력에 따라 플라즈마 형태와 크기가 매우 다릅니다.
고출력 레이저 용접으로 생성된 플라즈마 구름이 더 분명합니다.
따라서 측면 분사 가스에 의한 플라즈마 억제는 이때 특히 중요합니다.
레이저 출력: 7K
레이저 출력: 15K
그림 2 레이저 용접 중 레이저 출력 변화가 플라즈마에 미치는 영향
측면 분사 파이프의 위치에 따라 측면 분사 가스 흐름과 플라즈마 사이의 작용점이 결정됩니다.
관찰 결과 플라즈마의 억제 효과는 측면 분사 가스의 도입 위치에 따라 다르다는 것을 알 수 있습니다.
그림 3은 측면 분사 가스 도입점(DG)과 레이저 진입점(D1) 사이의 간격이 X 방향으로 변화할 때 플라즈마 영역의 변화 추세를 보여줍니다.
플라즈마는 측면 분사 가스의 도입 위치에 민감하다는 것을 알 수 있습니다.
X축 방향에서 측면 송풍 가스의 위치
그림 3 다양한 측면 분사 가스 유입 지점이 플라즈마 면적에 미치는 영향
측면 송풍을 사용하는 경우 측면 송풍 가스 도입 각도를 선택하면 플라즈마 억제 효과에도 영향을 미칩니다.
그림 4는 측면 송풍 파이프의 각도가 변할 때 해당 플라즈마 높이의 변화를 보여줍니다.
측면 블로우파이프 각도
그림 4 다양한 측면 분사 각도가 플라즈마 높이에 미치는 영향
다른 가스 유속을 사용하면 플라즈마 형태가 매우 달라집니다.
동일한 실험 조건(즉, 측면 분사 가스는 헬륨, 용접 속도는 2m/분, 레이저 출력은 12KW)에서 고유량 측면 분사 헬륨을 사용하면 플라즈마의 2차원 크기가 크게 줄어들고 높이와 폭이 매우 작은 범위 내에서 제어됩니다(그림 5 참조).
따라서 용접 관통력과 용접 폭도 그에 따라 변경됩니다.
측면 분사 가스 흐름이 증가함에 따라 용접 침투가 점차 증가합니다(그림 6 참조).
가스 유속이 60L/분에 도달하면 침투력이 크게 향상됩니다.
따라서 실제 적용시 측면 분사 가스 흐름을 조정하고 제어하여 플라즈마의 영향을 효과적으로 억제하여 침투를 효과적으로 개선 할 수 있습니다.
반면에 측면 분사 헬륨의 가격을 고려할 때 측면 분사 가스 유량이 높을수록 좋습니다. 대신 비용 대비 성능을 평가하여 최적의 가스 유량을 선택해야 합니다.
또한 연구 결과에 따르면 측면 분사 가스의 방향도 용접 공정의 안정성, 용접 표면 형성 및 전체 치수에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
따라서 실제 필요에 따라 적절한 측면 송풍 방향을 선택해야 합니다.
a) 가스 유량: 20L/AIN
b) 가스 흐름: 70L/AIN
그림 5 레이저 용접 중 다양한 측면 분사 흐름이 플라즈마에 미치는 영향
가스 유량(L/분)
그림 7은 다양한 가스 성분에 따른 플라즈마의 변화를 보여줍니다.
그림 7a는 측면 분사 가스가 헬륨일 때의 부분 플라즈마 형태를 보여주고, 그림 7b는 혼합 가스를 측면 분사 가스로 사용할 때의 부분 플라즈마 형태를 보여줍니다.
그림 7에서 그림 7a와 7b에서 사용된 측면 송풍은 다르지만 플라즈마의 크기와 모양은 비슷하다는 것을 알 수 있습니다. 그림 7C에서는 플라즈마가 다른 모양을 나타내며 크기와 모양이 변경됩니다.
그림 7d와 같이 혼합 구성이 더 변경되면 플라즈마가 크게 증가하여 공작물 위와 주변으로 확장됩니다.
플라즈마를 구성하는 금속 증기 내 자유 전자의 에너지가 증가하면 주변 기체는 눈사태 이온화를 겪습니다.
이때 플라즈마는 빠르게 팽창하고 심지어 두 개로 나뉘어 용접 공정의 안정성을 파괴합니다.
그림 7b, 7C, 7d에 표시된 다양한 플라즈마 형태는 플라즈마의 효과적인 억제를 보장하기 위해 적절한 혼합물을 사용해야 함을 보여줍니다.
측면 분사 가스 조성은 측면 분사 파이프의 위치와 같은 다른 가스 조성 파라미터가 최적화되어야만 최적화할 수 있습니다.
(A: 헬륨, B, C, D: 헬륨 아르곤 혼합물)
그림 7 다양한 측면 분사 가스 구성에 따른 플라즈마의 변화
측면 송풍 가스를 선택하여 플라즈마를 억제하는 경우 레이저 용접 공정측면 송풍 튜브의 3 차원 방향 위치, 측면 송풍 튜브의 위치, 측면 송풍 가스의 도입 각도, 측면 송풍 튜브의 기하학적 크기 및 모양과 같은 측면 송풍 가스 도입 시스템과 관련된 매개 변수는 모두 플라즈마 형성에 영향을 미칩니다.
따라서 레이저 용접의 과정과 결과에 영향을 미칩니다.
그림 3과 4를 예로 들면, 측면 송풍 파이프의 위치와 각도는 플라즈마의 면적과 높이에 영향을 미칩니다.
관련 전문가들은 플라즈마의 높이와 면적은 들어오는 레이저에 대한 플라즈마의 흡수와 굴절을 반영한다고 지적했습니다.
측면 분사 가스의 도입 위치가 변경되면 플라즈마 높이와 면적의 변화는 측면 분사 가스 파라미터가 레이저의 흡수 또는 산란에 영향을 미치는 정도를 반영할 수 있습니다.
따라서 실시간으로 플라즈마 거동을 관찰함으로써 측면 분사 가스 도입의 시스템 파라미터를 연구하고 최적화하여 플라즈마를 효과적으로 억제하고 용접용 레이저의 에너지를 개선할 수 있습니다.
측면 분사 가스 도입 시스템 최적화를 기반으로 측면 분사 가스 구성 및 유량도 실제 용접 작업에 맞게 최적화할 수 있습니다.
이를 통해 안정적인 용접 공정을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 경제성도 확보할 수 있습니다.
그림 7과 같이 적절한 혼합물을 선택하면 순수 헬륨과 동등한 역할을 할 수 있으며 음이온 가스의 경제성이 크게 향상됩니다.
그러나 측면 분사 가스 구성이 다르면(그림 7D 참조) 강한 플라즈마 폭발 거동이 발생할 수 있으므로 안정적인 용접 공정을 보장할 수 없습니다.
최근 실험실 연구에 따르면 측면 분사 가스 시스템을 최적화하면 측면 분사 가스 구성의 선택 범위를 넓힐 수 있는 것으로 나타났습니다.
적절한 가스 혼합물을 선택하면 용접 요구 사항과 품질 보장을 기반으로 경제성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
고출력 CO2 레이저 용접, 측면 분사 가스는 용접 공정에서 플라즈마를 억제하는 데 널리 사용됩니다.
측면 분사 가스의 관련 파라미터를 올바르게 선택하면 심관통 용접 공정에서 들어오는 레이저 에너지를 보다 효과적으로 사용할 수 있습니다.
첫째, 측면 블로우 파이프의 위치와 각도는 플라즈마의 크기와 모양에 직접적인 영향을 미치는 두 가지 중요한 매개 변수입니다.
따라서 용접하기 전에 측면 블로우파이프를 올바르게 배치해야 합니다.
둘째, 적절한 측면 송풍 가스 구성과 흐름을 선택하는 것을 고려해야 합니다.
측면 송풍 가스 흐름이 증가하면 플라즈마에 대한 억제 효과도 그에 따라 증가합니다.
적절한 가스 흐름은 실제 용접 요구 사항에 따라 결정되어야 합니다.
또한 공정 안정성 및 가격 등 여러 요소를 고려하여 혼합물을 사이드 블로잉으로도 사용할 수 있습니다.
이때 가스의 물리적 특성 변화로 인해 플라즈마 억제를 기반으로 가스와 용융 풀 간의 상호 작용을 고려해야 하며, 그에 따라 적절한 가스 흐름을 선택해야 합니다.