이종 재료 결합을 위한 레이저 펄스 성형

이종 재료의 레이저 용접은 역동적인 공정이며 이제 그 시대가 도래했습니다.

전자 제품, 의료 기기, 소비재, 자동차 및 항공우주 응용 분야 등 용접이 필요한 분야에서는 파이버 레이저 용접이 탁월한 공정입니다. 설계 유연성을 제공하면서 제조 비용을 절감합니다.

이론적으로 레이저는 기존 공정으로 접합할 수 있는 모든 재료를 용접할 수 있습니다. 그러나 녹는점과 끓는점, 열전도도, 밀도, 팽창계수 등 물리적, 화학적 특성의 차이로 인해 서로 다른 재료를 용접할 때 문제가 발생하여 결과 접합이 허용되지 않을 수 있습니다.

표 1에 표시된 것은 금속 쌍의 용접성입니다. 이종 금속을 용접할 때 건전한 용접 특성을 위해서는 우수한 고용도가 필수적입니다. 이는 호환 가능한 용융 온도 범위를 갖는 금속을 통해서만 달성됩니다. 한 재료의 용융 온도가 다른 재료의 기화 온도에 가까우면 용접성이 저하되고 취성 금속간 구조가 형성되는 경우가 많습니다.

과거에는 대부분의 서로 다른 용접 프로젝트가 펄스 램프 Nd:YAG 레이저를 사용하여 수행되었습니다. 램프 펌핑 레이저는 듀티 사이클이 충분히 낮다면 레이저의 정격 평균 전력보다 몇 배 더 높은 피크 전력으로 수 밀리초의 긴 펄스를 생성할 수 있습니다. 높은 피크 전력 펄스, 램프 펌프 Nd:YAG 레이저는 펄스 성형 기능과 결합되어 이 레이저를 이종 재료 용접에 이상적으로 만듭니다. 용접 깊이가 너무 깊으면(이는 결함이 있는 접합 및 불충분한 용접 깊이로 이어질 수 있음) 접합 형상 및 재료 특성에 대한 시작 출력과 올바른 종료 출력을 조정하여 방지할 수 있습니다(그림 1).

Prima Power Laserdyne의 용접 전문가들은 용접 균열 및 다공성을 줄여 용접 품질을 향상시키기 위해 다양한 펄스 형태를 개발했습니다. 그들의 초점은 균열, 다공성 또는 이 둘의 조합과 같은 용접 결함이 발생하기 쉬운 제품 응용 분야에서 이종 재료 용접 솔루션을 제공하는 것이었습니다. 가장 일반적으로 영향을 받는 산업에는 자동차, 의료, 전자 및 항공우주가 포함됩니다. 펄스 성형을 위해 설계된 하드웨어 및 소프트웨어 기능이 보완된 S94P 컨트롤러가 포함된 새로운 LASERDYNE 811 시스템을 사용하여 다양한 펄스 형태가 생성되었습니다. 이 프로젝트는 연속파(CW)와 준연속파(QCW) 광섬유 레이저를 모두 사용하여 수행되었습니다.

다음은 서로 다른 재료를 레이저 용접하는 동안 용접 품질을 향상시키기 위해 펄스 성형을 사용한 두 가지 예입니다.

회주철은 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 주요 제한 사항은 흑연 및 주조 공정의 연성이 부족하여 고온 균열 및 다공성 형성으로 인해 이종 재료를 주철에 용접할 수 있다는 것입니다. 첫 번째 예에서는 자동차 부품의 한 부품을 부분 중첩 용접 구성으로 304 스테인리스강과 회주철을 접합해야 했습니다. 이전 공정에서는 과도한 기공 형성을 줄이고 경계면 균열을 제거하기 위해 부품을 전자빔 용접(EBW)으로 용접했습니다. 최종 사용자는 용접당 비용과 용접 준비 비용을 줄이기 위해 EBW를 레이저 빔 용접(LBW)으로 교체하기를 원했습니다. 가장 큰 차이점은 EBW는 진공에서 수행되는 반면 레이저 용접은 대기압 환경에서 수행되므로 공정에서 X선의 위험이 제거된다는 점입니다. EBW와 비교하여 동일하거나 더 나은 품질의 용접을 생성할 수 있는, 즉 다공성이나 인터페이스 균열이 없는 레이저 매개변수를 설계하기 위한 개발 작업이 수행되었습니다. 펄스 형태를 포함한 레이저 파라미터 개발 작업은 CW 파이버 레이저를 사용하여 수행되었습니다.

표준 CW 레이저 출력으로 제작된 용접 금속을 현미경으로 검사한 결과 용접의 주철 부분에 심각한 기공이 있는 것으로 나타났습니다(그림 2). 조인트 인터페이스에는 미세균열의 징후가 없었습니다. LASERDYNE S94P 컨트롤러와 펄스 성형으로 만들어진 용접은 다공성이 없는 용접을 생성했습니다(그림 3).