레이저 용접에서 기공은 응고된 용접 금속 내에 가스로 채워진 공극으로 정의되는 심각한 결함입니다. 기공은 기계적 무결성, 용접 강도 및 피로 수명을 직접적으로 저해합니다. 본 가이드는 첨단 빔 성형 및 AI 기반 공정 제어 분야의 최신 연구 결과를 통합하여 가장 효과적인 완화 전략을 제시하는 직접적이고 솔루션 중심적인 접근 방식을 제공합니다.
다공성 분석: 원인과 결과
기공은 단일 메커니즘 결함이 아니라, 급속 용접 공정 중 발생하는 여러 가지 물리적, 화학적 현상에서 비롯됩니다. 효과적인 예방을 위해서는 이러한 근본 원인을 이해하는 것이 필수적입니다.
주요 원인
표면 오염:이것이 야금 기공의 가장 흔한 원인입니다. 습기, 오일, 그리스와 같은 오염 물질에는 수소가 풍부합니다. 레이저의 강력한 에너지 하에서 이러한 화합물은 분해되어 수소 원소를 용융 금속에 주입합니다. 용접 풀이 빠르게 냉각되고 응고됨에 따라 수소의 용해도가 급격히 감소하여 용액에서 빠져나와 미세한 구형 기공을 형성합니다.
키홀 불안정성:이것이 공정 기공의 주요 원인입니다. 안정적인 키홀은 건전한 용접을 위해 필수적입니다. 공정 변수가 최적화되지 않으면(예: 레이저 출력에 비해 용접 속도가 너무 높음), 키홀이 변동하고 불안정해지며 일시적으로 붕괴될 수 있습니다. 각 붕괴는 용융 풀 내에 고압 금속 증기와 보호 가스 주머니를 가두어 크고 불규칙한 모양의 기공을 생성합니다.
부적절한 가스 차폐:차폐 가스의 목적은 주변 대기를 대체하는 것입니다. 가스 흐름이 부족하거나 과도한 흐름으로 인해 공기가 유입되는 난류가 발생하면, 대기 가스(주로 질소와 산소)가 용접부를 오염시킵니다. 산소는 용융물 내에서 고체 산화물을 쉽게 형성하는 반면, 질소는 기공으로 갇히거나 취성 질화물 화합물을 형성할 수 있으며, 이 두 가지 모두 용접부의 무결성을 손상시킵니다.
해로운 영향
감소된 기계적 특성:기공은 용접부의 하중 지지 단면적을 감소시켜 극한 인장 강도를 직접적으로 저하시킵니다. 더 중요한 것은, 기공이 내부 공극 역할을 하여 하중을 받는 금속의 균일한 소성 변형을 방해한다는 것입니다. 이러한 재료 연속성 손실은 연성을 크게 감소시켜 용접부를 더욱 취성화하고 갑작스러운 파괴를 유발합니다.
손상된 피로 수명:이것이 종종 가장 중요한 결과입니다. 특히 모서리가 날카로운 기공은 강력한 응력 집중 장치입니다. 부품에 반복 하중이 가해지면 기공 가장자리의 응력이 부품 전체 응력보다 몇 배나 높아질 수 있습니다. 이러한 국부적인 높은 응력은 미세 균열을 유발하고, 이 균열은 매 사이클마다 커져 재료의 정격 정적 강도보다 훨씬 낮은 피로 파괴로 이어집니다.
부식 취약성 증가:기공이 표면을 뚫으면 틈새 부식이 발생할 수 있는 공간이 생깁니다. 기공 내부의 미세하고 정체된 환경은 주변 표면과 다른 화학적 구성을 가지고 있습니다. 이러한 차이로 인해 국부 부식을 공격적으로 가속화하는 전기화학적 셀이 형성됩니다.
누출 경로 생성:배터리 케이스나 진공 챔버처럼 밀폐가 필요한 부품의 경우, 기공은 즉각적인 고장 원인입니다. 내부에서 외부 표면까지 뻗어 있는 단일 기공은 액체나 기체가 누출될 수 있는 직접적인 경로를 만들어 부품을 사용할 수 없게 만듭니다.
다공성 제거를 위한 실행 가능한 완화 전략
1. 기초 프로세스 제어
꼼꼼한 표면 처리
이것이 기공의 주요 원인입니다. 모든 표면과 충전재는 용접 직전에 철저히 세척해야 합니다.
용제 세척:아세톤이나 이소프로필 알코올과 같은 용제를 사용하여 모든 용접 표면을 깨끗이 세척하십시오. 탄화수소 오염물(오일, 그리스, 절삭유)은 레이저의 강한 열에 의해 분해되어 용융된 용접 풀에 수소를 직접 분사하기 때문에 이 단계는 매우 중요합니다. 금속이 빠르게 응고됨에 따라, 이렇게 갇힌 가스는 미세한 기공을 생성하여 용접 강도를 저하시킵니다. 용제는 이러한 화합물을 용해시켜 용접 전에 완전히 닦아낼 수 있도록 합니다.
주의:염소계 용매는 사용하지 마십시오. 잔류물이 분해되어 위험한 가스가 되고 취성을 일으킬 수 있습니다.
기계 세척:두꺼운 산화물을 제거하려면 스테인리스강 전용 스테인리스강 와이어 브러시나 카바이드 버를 사용하십시오.헌신적인브러시는 교차 오염을 방지하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 스테인리스강에 탄소강 브러시를 사용하면 나중에 녹이 슬고 용접부를 손상시키는 철 입자가 묻을 수 있습니다. 두껍고 질긴 산화물에는 카바이드 버가 필수적입니다. 카바이드 버는 물리적으로 산화물 층을 제거하고 그 아래에 있는 깨끗하고 신선한 금속을 노출시킬 만큼 강력하기 때문입니다.
정밀 조인트 설계 및 고정
과도한 틈새가 있는 부적절한 접합부는 기공의 직접적인 원인입니다. 노즐에서 흘러나오는 보호 가스는 틈새 깊숙이 갇힌 대기를 제대로 배출하지 못하여 용접 풀로 유입될 수 있습니다.
지침:접합부 간극은 재료 두께의 10%를 초과해서는 안 됩니다. 이보다 크면 용접 풀이 불안정해지고 보호 가스가 용접부를 보호하기 어려워 가스가 갇힐 가능성이 커집니다. 이러한 조건을 유지하려면 정밀한 고정이 필수적입니다.
체계적인 매개변수 최적화
레이저 출력, 용접 속도, 그리고 초점 위치 사이의 관계는 공정 윈도우를 생성합니다. 이 윈도우가 안정적인 키홀을 생성하는지 확인하기 위해 반드시 검증되어야 합니다. 불안정한 키홀은 용접 중 간헐적으로 붕괴되어 기화된 금속과 보호 가스의 기포를 가두게 될 수 있습니다.
2. 전략적 차폐 가스 선택 및 제어
재료에 맞는 올바른 가스
아르곤(Ar):밀도가 높고 비용이 저렴하기 때문에 대부분의 재료에 사용되는 불활성 표준입니다.
질소(N2):용융 상태에서 높은 용해도를 가지고 있어 많은 강철에 매우 효과적이며, 질소 기공을 방지할 수 있습니다.
미묘한 차이:최근 연구에 따르면 질소 강화 합금의 경우, 보호 가스 내 과도한 N₂는 유해한 질화물 석출을 유발하여 인성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 세심한 균형 조절이 매우 중요합니다.
헬륨(He) 및 Ar/He 혼합물:구리 및 알루미늄 합금과 같이 열전도율이 높은 재료에 필수적입니다. 헬륨의 높은 열전도율은 더 뜨겁고 유동적인 용접 풀을 생성하여 가스 제거에 크게 도움이 되고 열 침투를 개선하여 기공 및 용융 불량을 방지합니다.
적절한 흐름과 범위
흐름이 부족하면 용접 풀을 대기로부터 보호할 수 없습니다. 반대로, 흐름이 과도하면 난류가 발생하여 주변 공기를 적극적으로 끌어들여 보호 가스와 혼합하여 용접부를 오염시킵니다.
일반적인 유량:동축 노즐의 경우 15-25리터/분이며 특정 용도에 맞게 조정됩니다.
3. 동적 빔 셰이핑을 통한 고급 완화
까다로운 응용 분야의 경우 동적 빔 성형은 최첨단 기술입니다.
기구:단순한 진동("워블")도 효과적이지만, 최근 연구는 고급 비원형 패턴(예: 무한 루프, 8자 모양)에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 복잡한 형태는 용융 풀의 유체 역학 및 온도 구배에 대한 탁월한 제어를 제공하여 키홀을 더욱 안정화하고 가스가 빠져나갈 시간을 더 늘려줍니다.
실제적 고려 사항:동적 빔 성형 시스템 구현은 상당한 자본 투자를 의미하며, 공정 설정의 복잡성을 가중시킵니다. 기공률 제어가 절대적으로 중요한 고부가가치 부품에 대한 적용을 정당화하기 위해서는 철저한 비용-편익 분석이 필수적입니다.
4. 재료별 완화 전략
알루미늄 합금:수화된 표면 산화물로 인해 수소 기공이 발생하기 쉽습니다. 적극적인 탈산소화와 저이슬점(<-50°C) 차폐 가스가 필요하며, 용융 풀 유동성을 높이기 위해 헬륨 함량이 높은 경우가 많습니다.
아연 도금 강판:아연의 폭발적인 기화(끓는점 907°C)가 주요 과제입니다. 0.1~0.2mm의 통풍구를 설계하는 것이 여전히 가장 효과적인 전략입니다. 강철의 녹는점(~1500°C)이 아연의 끓는점보다 훨씬 높기 때문입니다. 이 통풍구는 고압 아연 증기가 빠져나가는 중요한 통로를 제공합니다.
티타늄 합금:극한의 반응성으로 인해 항공우주 표준 AWS D17.1에 따라 절대적인 청결과 광범위한 불활성 가스 차폐(후방 및 후방 차폐)가 요구됩니다.
구리 합금:높은 열전도도와 적외선 레이저에 대한 높은 반사율로 인해 매우 까다롭습니다. 기공은 불완전한 융합과 갇힌 가스로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 이러한 문제를 완화하려면 높은 출력 밀도가 필요하며, 에너지 결합 및 용융 풀 유동성을 개선하기 위해 헬륨이 풍부한 차폐 가스를 사용하는 경우가 많습니다. 또한, 용융물을 예열하고 관리하기 위해 첨단 빔 형상을 사용합니다.
신기술과 미래 방향
이 분야는 정적 제어를 넘어 동적이고 지능적인 용접으로 빠르게 발전하고 있습니다.
AI 기반 현장 모니터링:최근 가장 중요한 트렌드는 머신러닝 모델이 동축 카메라, 포토다이오드, 음향 센서의 실시간 데이터를 분석한다는 것입니다. 이러한 시스템은 기공 발생을 예측하여 작업자에게 경고하거나, 고급 설정에서는 레이저 매개변수를 자동으로 조정하여 결함 발생을 방지할 수 있습니다.
구현 참고 사항:이러한 AI 기반 시스템은 강력하지만, 센서, 데이터 수집 하드웨어, 그리고 모델 개발에 상당한 초기 투자가 필요합니다. 투자 수익률은 대량 생산, 특히 고장 비용이 매우 큰 중요 부품 제조 분야에서 가장 높습니다.
결론
레이저 용접에서 기공은 관리 가능한 결함입니다. 청결 및 매개변수 제어의 기본 원칙을 동적 빔 성형 및 AI 기반 모니터링과 같은 최첨단 기술과 결합함으로써 제조업체는 결함 없는 용접을 안정적으로 생산할 수 있습니다. 용접 품질 보증의 미래는 실시간으로 품질을 모니터링하고, 조정하고, 보증하는 이러한 지능형 시스템에 달려 있습니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
Q1: 레이저 용접에서 기공이 생기는 주요 원인은 무엇입니까?
답변: 가장 흔한 원인은 표면 오염(오일, 습기)이 증발하여 용접 풀에 수소 가스가 유입되는 것입니다.
Q2: 어떻게to 알루미늄 용접 시 기공을 방지하는 방법은?
A: 가장 중요한 단계는 수화된 알루미늄 산화물 층을 제거하기 위한 공격적인 용접 전 세척이며, 종종 헬륨을 함유한 고순도, 저이슬점 보호 가스와 함께 사용됩니다.
Q3: 기공률과 슬래그 포함물의 차이점은 무엇입니까?
A: 기공은 가스 공동입니다. 슬래그 개재물은 갇힌 비금속 고체이며, 일반적으로 키홀 모드 레이저 용접과는 관련이 없지만, 특정 플럭스나 오염된 용가재를 사용하는 레이저 전도 용접에서는 발생할 수 있습니다.
Q4: 강철의 기공을 방지하는 데 가장 좋은 보호 가스는 무엇입니까?
A: 아르곤이 일반적이지만, 질소(N₂)는 높은 용해도로 인해 많은 강철에 더 적합합니다. 그러나 일부 첨단 고강도 강철의 경우, 질화물 형성 가능성을 평가해야 합니다.
게시 시간: 2025년 7월 25일
