스테인리스강 레이저 빔 용접에 대한 종합 기술 가이드

엔지니어, 제작자, 운영 관리자에게 끊임없는 과제는 기존 방식에서 발생하는 변형, 변색, 내식성 저하 없이 스테인리스강 부품을 접합하는 방법입니다. 그 해결책은 다음과 같습니다.레이저 용접 스테인리스강이는 기존 TIG 및 MIG 용접으로는 따라올 수 없는 탁월한 속도, 정밀도 및 품질을 제공하는 혁신적인 기술입니다.

레이저 용접은 고도로 집중된 광선을 사용하여 최소한의 정밀한 열 입력으로 스테인리스강을 녹이고 접합합니다. 이 정밀 공정은 열 변형 및 용접 부피와 관련된 핵심 문제를 직접적으로 해결합니다.

레이저 용접으로 스테인리스강을 용접할 때의 주요 이점:

• 탁월한 속도:TIG 용접보다 4~10배 빠른 속도로 작동하여 생산성과 처리량을 획기적으로 향상시킵니다.

• 최소한의 왜곡:집중된 열은 매우 작은 열영향부(HAZ)를 생성하여 뒤틀림을 획기적으로 줄이거나 없애고 부품의 치수 정확도를 유지합니다.

• 최고 품질:용접 후 연마나 마감 작업이 거의 필요 없는 깨끗하고 견고하며 미적으로도 만족스러운 용접 결과를 제공합니다.

• 보존된 재료 특성:낮은 열 입력은 스테인리스강 고유의 강도와 중요한 내식성을 유지하여 "용접부 부식"과 같은 문제를 방지합니다.

이 가이드는 기본적인 이해에서 자신감 있는 적용으로 나아가는 데 필요한 전문 지식을 제공하여 이 첨단 제조 기술의 잠재력을 최대한 활용할 수 있도록 도와줍니다.

레이저 용접기존 방식과의 직접적인 비교:

프로젝트 성공을 위해서는 적절한 용접 방식을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 스테인리스강 용접에 있어 레이저 용접과 TIG 및 MIG 용접의 장단점을 비교해 보겠습니다.

레이저 용접 vs. TIG 용접

텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접은 고품질의 수동 용접으로 알려져 있지만 생산 환경에서 속도를 따라잡는 데 어려움을 겪고 있습니다.

• 속도 및 생산성:레이저 용접은 속도가 훨씬 빠르기 때문에 자동화 및 대량 생산에 있어 확실한 선택입니다.

• 열과 변형:TIG 용접 아크는 비효율적이고 확산적인 열원으로, 넓은 열영향부(HAZ)를 생성하여 특히 얇은 판금에 상당한 변형을 초래합니다. 레이저의 집중된 빔은 이러한 광범위한 열 손상을 방지합니다.

• 오토메이션:레이저 시스템은 본질적으로 자동화가 더 용이하여 TIG 용접보다 필요한 수동 기술이 적으면서도 대량의 반복 생산이 가능합니다.

레이저 용접 vs. MIG 용접

금속 불활성 가스(MIG) 용접은 다용도이며 증착량이 많은 공정이지만 레이저 용접만큼 정밀하지는 않습니다.

• 정밀성 및 품질:레이저 용접은 비접촉식 공정으로, 깨끗하고 스패터가 없는 용접부를 생성합니다. MIG 용접은 스패터 발생이 잦아 용접 후 후처리 작업이 필요합니다.

• 간격 허용 오차:MIG 용접은 소모성 와이어가 필러 역할을 하기 때문에 접합면의 맞춤 상태가 좋지 않아도 비교적 잘 용접될 수 있습니다. 반면 레이저 용접은 정밀한 정렬과 엄격한 공차를 요구합니다.

• 재질 두께:고출력 레이저는 두꺼운 재료도 처리할 수 있지만, 매우 두꺼운 판재에는 MIG 용접이 더 실용적인 경우가 많습니다. 레이저 용접은 변형 제어가 중요한 얇은 재료부터 중간 두께의 재료까지 용접하는 데 탁월합니다.

한눈에 비교 가능한 표

용접의 과학: 핵심 원리 설명

레이저가 스테인리스강과 어떻게 상호작용하는지 이해하는 것이 이 공정을 완벽하게 익히는 데 핵심입니다. 레이저는 출력 밀도에 따라 크게 두 가지 모드로 작동합니다.

전도 모드 vs. 키홀 모드

• 전도 용접:낮은 출력 밀도에서는 레이저가 재료 표면을 가열하고, 이 열이 부품 내부로 전달됩니다. 이로 인해 얕고 넓으며 미적으로 매끄러운 용접부가 생성되므로, 얇은 재료(1~2mm 미만)나 외관이 중요한 눈에 띄는 이음매에 이상적입니다.

• 키홀(심층 침투) 용접:높은 출력 밀도(약 1.5 MW/cm²)에서 레이저는 금속을 즉시 기화시켜 "키홀"이라고 불리는 깊고 좁은 공동을 생성합니다. 이 키홀은 레이저 에너지를 가두어 재료 깊숙이 전달함으로써 두꺼운 부분에서도 강력하고 완전한 용접을 가능하게 합니다.

연속파(CW) 레이저와 펄스 레이저

• 연속파(CW):레이저는 지속적이고 끊김 없는 에너지 빔을 전달합니다. 이 모드는 자동화 생산에서 고속으로 길고 연속적인 이음매를 만드는 데 적합합니다.

• 펄스 레이저:레이저는 짧고 강력한 에너지 파동을 전달합니다. 이러한 방식은 열 입력에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여 열영향부(HAZ)를 최소화하고, 섬세하고 열에 민감한 부품 용접이나 완벽한 밀봉을 위한 겹침 점 용접에 이상적입니다.

완벽한 준비를 위한 단계별 가이드

레이저 용접에서 성공 여부는 빔이 작동되기 전에 결정됩니다. 이 공정의 정밀도를 위해서는 세심한 준비가 필수적입니다.

1단계: 접합부 설계 및 조립

아크 용접과는 달리 레이저 용접은 틈새나 정렬 불량에 대한 허용 오차가 매우 작습니다.

• 관절 유형:맞대기 이음은 가장 효율적이지만, 거의 틈이 없어야 합니다(얇은 부재의 경우 일반적으로 0.1mm 미만). 겹침 이음은 접합부의 오차에 더 관대합니다.

• 간격 제어:간격이 너무 넓으면 용융된 작은 용융물이 접합부를 제대로 연결하지 못하여 불완전한 융합과 약한 용접으로 이어집니다. 완벽한 정렬을 위해 고정밀 절단 방법과 견고한 클램핑을 사용하십시오.

2단계: 표면 세척 및 오염물질 제거

레이저의 강력한 에너지는 표면의 오염 물질을 기화시켜 용접 부위에 가두어 기공과 같은 결함을 유발합니다.

• 청결은 매우 중요합니다:표면에는 기름, 그리스, 먼지 및 접착제 잔여물이 전혀 없어야 합니다.

• 청소 방법:용접 직전에 아세톤이나 99% 이소프로필 알코올과 같은 휘발성 용제에 적신 보풀 없는 천으로 접합 부위를 닦아주십시오.

용접기 완벽 제어: 주요 용접 매개변수 최적화

완벽한 용접을 위해서는 여러 상호 연관된 변수들의 균형을 맞춰야 합니다.

파라미터 삼요소: 파워, 속도, 초점 위치

이 세 가지 설정이 종합적으로 에너지 투입량과 용접 프로파일을 결정합니다.

• 레이저 출력(와트):출력이 높을수록 더 깊은 침투력과 더 빠른 속도를 얻을 수 있습니다. 하지만 과도한 출력은 얇은 재료에 손상을 줄 수 있습니다.

• 용접 속도(mm/s):속도가 빠를수록 열 발생과 변형이 줄어듭니다. 하지만 출력 수준에 비해 속도가 너무 높으면 불완전한 관통이 발생할 수 있습니다.

• 초점 위치:이 기능은 레이저의 스팟 크기와 출력 밀도를 조절합니다. 표면에 초점을 맞추면 가장 깊고 좁은 용접부가 생성됩니다. 표면 위쪽에 초점을 맞추면(양의 초점 이탈) 더 넓고 얕은 외관 용접부가 생성됩니다. 표면 아래쪽에 초점을 맞추면(음의 초점 이탈) 두꺼운 재료의 침투력을 향상시킬 수 있습니다.

차폐 가스 선택: 아르곤 vs. 질소

보호 가스는 용융된 용접 풀을 대기 오염으로부터 보호하고 공정을 안정화합니다.

• 아르곤(Ar):가장 일반적인 선택으로, 탁월한 보호 기능을 제공하며 안정적이고 깨끗한 용접을 가능하게 합니다.

• 질소(N2):스테인리스강에 주로 사용되는데, 최종 접합부의 내식성을 향상시킬 수 있기 때문입니다.

• 유량:유량은 최적화되어야 합니다. 유량이 너무 적으면 용접부를 보호하지 못하고, 너무 많으면 난류가 발생하여 오염 물질이 유입될 수 있습니다. 일반적으로 분당 10~25리터(L/min)가 적정 시작 범위입니다.

매개변수 시작점: 참조표

다음은 304/316 오스테나이트 스테인리스강 용접의 일반적인 시작점입니다. 특정 용도에 맞게 미세 조정을 하려면 항상 자투리 재료에 대한 테스트를 수행하십시오.

품질 관리: 일반적인 결함에 대한 문제 해결 가이드

아무리 정확한 공정을 따르더라도 결함은 발생할 수 있습니다. 결함의 원인을 파악하는 것이 예방의 핵심입니다.

레이저 용접 시 흔히 발생하는 결함 식별

• 다공성:용접부에 갇힌 작은 기포는 종종 표면 오염이나 부적절한 보호 가스 흐름으로 인해 발생합니다.

• 고온 분쇄:용접부가 굳어지면서 발생하는 중심선 균열은 재료 구성이나 높은 열응력 때문에 발생할 수 있습니다.

• 불완전 침투:용접 시 전력 부족이나 과도한 속도로 인해 접합부 전체 깊이까지 용접이 제대로 되지 않는 경우가 종종 발생합니다.

• 언더컷:용접부 가장자리의 모재에 홈이 녹아 들어간 현상으로, 과도한 속도나 큰 간격으로 인해 발생하는 경우가 많습니다.

• 튐:용접 풀에서 튀어나온 용융된 물방울은 일반적으로 과도한 출력 밀도 또는 표면 오염으로 인해 발생합니다.

문제 해결 차트: 원인 및 해결 방법

최종 단계: 용접 후 세척 및 부동태화 처리

용접 과정은 스테인리스강을 "스테인리스"하게 만드는 바로 그 특성들을 손상시킵니다. 따라서 이러한 특성들을 복원하는 것은 필수적인 최종 단계입니다.

용접 후 처리를 건너뛸 수 없는 이유

용접 시 발생하는 열은 강철 표면의 눈에 보이지 않는 보호 크롬 산화물 층을 파괴합니다. 이로 인해 용접 부위와 주변 열영향부는 녹과 부식에 취약해집니다.

부동태화 방법 설명

부동태화는 표면 오염 물질을 제거하고 견고하고 균일한 크롬 산화물 층을 재형성하는 데 도움이 되는 화학적 처리입니다.

• 화학적 산세척:질산이나 불산과 같은 위험한 산을 사용하여 표면을 세척하고 부동태화하는 전통적인 방법입니다.

• 전기화학적 세척:현대적이고 안전하며 빠른 이 방법은 순한 전해액과 저전압 전류를 사용하여 용접부를 한 번에 세척하고 부동태화합니다.

안전 제일: 레이저 용접 시 필수 안전 수칙

레이저 용접은 높은 에너지를 발생시키기 때문에 엄격한 안전 수칙이 요구되는 심각한 직업적 위험을 수반합니다.

숨겨진 위험: 6가크롬(Cr(VI)) 증기

스테인리스강을 용접 온도까지 가열하면 합금의 크롬이 6가크롬(Cr(VI))을 형성할 수 있으며 이는 연기 속에 떠다니게 됩니다.

• 건강 위험:Cr(VI)는 폐암 위험 증가와 관련된 것으로 알려진 인체 발암 물질입니다. 또한 심각한 호흡기, 피부 및 눈 자극을 유발할 수 있습니다.

• 노출 한계:OSHA는 Cr(VI)에 대해 공기 1세제곱미터당 5마이크로그램(5µg/m³)의 엄격한 허용 노출 한계(PEL)를 설정합니다.

필수 안전 조치

• 공학적 제어:작업자를 보호하는 가장 효과적인 방법은 위험 요소를 발생원에서 포착하는 것입니다. 고효율연기 추출 시스템레이저 용접에서 발생하는 초미세 입자를 포착하려면 다단계 HEPA 필터가 필수적입니다.

• 개인 보호 장비(PPE):해당 구역의 모든 작업자는 레이저의 특정 파장에 적합한 레이저 안전 안경을 착용해야 합니다. 흄 추출 장치로 노출량을 허용노출한계(PEL) 이하로 줄일 수 없는 경우, 승인된 호흡기를 착용해야 합니다. 용접 작업은 또한 우발적인 빔 노출을 방지하기 위해 안전 잠금 장치가 설치된 차광 시설 내에서 수행해야 합니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

스테인리스강 용접에 가장 적합한 레이저는 무엇인가요?

파이버 레이저는 파장이 짧아 스테인리스강에 더 쉽게 흡수되고, 빔 품질이 우수하여 정밀한 제어가 가능하므로 일반적으로 최적의 선택입니다.

두께가 다른 스테인리스강을 레이저 용접으로 접합할 수 있나요?

네, 레이저 용접은 두께가 다른 재료를 접합하는 데 매우 효과적이며, 변형을 최소화하고 얇은 부분에 타들어가는 현상이 발생하지 않습니다. 이는 TIG 용접으로는 매우 어려운 작업입니다.

스테인리스강 레이저 용접 시 용접봉이 필요한가요?

대부분의 경우 그렇지 않습니다. 레이저 용접은 용접봉 없이도 (자가 용접 방식으로) 강력하고 완전 침투 용접을 생성할 수 있어 공정이 간소화됩니다. 용접봉은 접합부 간격이 크거나 특정 야금학적 특성이 요구되는 경우에 사용됩니다.

레이저 용접이 가능한 스테인리스강의 최대 두께는 얼마입니까?

고출력 시스템을 사용하면 최대 6mm(1/4인치) 또는 그 이상의 두께를 가진 스테인리스강을 한 번에 용접할 수 있습니다. 하이브리드 레이저-아크 용접 공정은 1인치(2.5cm) 이상의 두께를 가진 부분도 용접할 수 있습니다.

결론

레이저 용접은 속도, 정밀도 및 품질 면에서 여러 장점을 가지고 있어 현대 스테인리스강 가공에 최적의 선택입니다. 레이저 용접은 재료의 무결성과 외관을 보존하면서 변형이 거의 없는 더욱 강력하고 깨끗한 접합부를 만들어냅니다.

하지만 이러한 세계 최고 수준의 결과를 달성하려면 총체적인 접근 방식이 필수적입니다. 성공은 정밀한 접합부 준비와 체계적인 매개변수 제어부터 필수적인 용접 후 부동태 처리, 그리고 안전에 대한 확고한 의지에 이르기까지, 고정밀 제조 공정의 총체입니다. 이 공정을 완벽하게 숙달함으로써 운영 효율성과 품질을 한 차원 높일 수 있습니다.