레이저 용접에서 기공은 응고된 용접 금속 내부에 갇힌 가스로 채워진 공극으로 정의되는 심각한 결함입니다. 이는 기계적 강도, 용접 강도 및 피로 수명을 직접적으로 저하시킵니다. 이 가이드는 최첨단 빔 형상 및 AI 기반 공정 제어에 대한 최신 연구 결과를 통합하여 가장 효과적인 기공 완화 전략을 제시하는 직접적인 해결책 중심의 접근 방식을 제공합니다.
다공성 분석: 원인 및 영향
기공은 단일 원인에 의한 결함이 아니라, 급속 용접 공정 중 발생하는 여러 가지 물리적, 화학적 현상의 복합적인 결과입니다. 효과적인 예방을 위해서는 이러한 근본 원인을 파악하는 것이 필수적입니다.
주요 원인
표면 오염:이는 금속학적 기공 발생의 가장 흔한 원인입니다. 수분, 오일, 그리스와 같은 오염 물질은 수소를 풍부하게 함유하고 있습니다. 레이저의 강한 에너지 하에서 이러한 화합물은 분해되어 용융 금속에 원소 수소를 주입합니다. 용접 풀이 급속도로 냉각되고 응고됨에 따라 수소의 용해도가 급격히 감소하여 용액에서 석출되면서 미세한 구형 기공을 형성하게 됩니다.
열쇠구멍 불안정성:이것이 공정 기공의 주요 원인입니다. 안정적인 키홀은 건전한 용접에 필수적입니다. 공정 매개변수가 최적화되지 않으면(예: 레이저 출력에 비해 용접 속도가 너무 높으면) 키홀이 변동하고 불안정해지며 순간적으로 붕괴될 수 있습니다. 붕괴가 발생할 때마다 고압의 금속 증기와 보호 가스가 용융 풀 내부에 갇히게 되어 크고 불규칙한 모양의 기공이 발생합니다.
가스 차폐가 불충분함:보호 가스의 목적은 주변 대기를 제거하는 것입니다. 가스 흐름이 불충분하거나, 과도한 흐름으로 인해 난류가 발생하여 공기가 유입되면 대기 가스(주로 질소와 산소)가 용접부를 오염시킵니다. 산소는 용융물 내에서 쉽게 고체 산화물을 형성하고, 질소는 기공에 갇히거나 취성 질화물 화합물을 형성하여 용접부의 건전성을 저하시킵니다.
유해한 영향
기계적 특성 저하:기공은 용접부의 하중 지지 단면적을 감소시켜 극한 인장 강도를 직접적으로 저하시킵니다. 더욱 중요한 것은 기공이 하중을 받을 때 금속의 균일한 소성 변형을 방해하는 내부 공극 역할을 한다는 점입니다. 이러한 재료 연속성의 손실은 연성을 크게 감소시켜 용접부를 더욱 취성적으로 만들고 갑작스러운 파손에 취약하게 합니다.
피로로 인한 삶의 질 저하:이는 종종 가장 심각한 결과를 초래합니다. 특히 모서리가 날카로운 기공은 강력한 응력 집중점입니다. 부품에 반복적인 하중이 가해지면 기공 가장자리의 응력이 부품 전체의 응력보다 훨씬 높아질 수 있습니다. 이러한 국부적인 고응력은 미세 균열을 발생시키고, 이 균열은 각 하중 주기마다 성장하여 결국 재료의 정격 정적 강도보다 훨씬 낮은 강도에서 피로 파손으로 이어집니다.
부식 취약성 증가:표면에 미세한 구멍이 생기면 틈새 부식이 발생할 수 있습니다. 구멍 내부의 작고 정체된 환경은 주변 표면과는 화학적 구성이 다릅니다. 이러한 화학적 차이로 인해 전기화학적 전지가 형성되어 국부 부식을 급격하게 가속화합니다.
누출 경로 생성:배터리 케이스나 진공 챔버처럼 밀폐가 필수적인 부품의 경우, 기공은 즉각적인 고장 원인이 됩니다. 내부 표면에서 외부 표면까지 이어지는 단 하나의 기공이라도 액체나 기체가 누출될 수 있는 직접적인 경로를 만들어 부품을 사용할 수 없게 만듭니다.
다공성 제거를 위한 실행 가능한 완화 전략
1. 기본 공정 관리
꼼꼼한 표면 준비
이것이 기공 발생의 주요 원인입니다. 모든 표면과 충전재는 용접 직전에 철저히 세척해야 합니다.
용제 세척:아세톤이나 이소프로필 알코올과 같은 용제를 사용하여 용접면을 완전히 세척하십시오. 이 단계는 매우 중요합니다. 탄화수소 오염물질(오일, 그리스, 절삭유)은 레이저의 강한 열에 의해 분해되면서 용융된 용접 풀에 수소를 직접 주입하기 때문입니다. 금속이 급속하게 응고되면서 이 가스가 미세한 기공을 생성하여 용접 강도를 저하시킵니다. 용제는 이러한 화합물을 용해시켜 용접 전에 완전히 제거할 수 있도록 합니다.
주의:염소계 용제는 잔류물이 분해되어 유해한 가스를 발생시키고 취성을 유발할 수 있으므로 사용을 피하십시오.
기계적 청소:스테인리스강에는 전용 스테인리스강 와이어 브러시를 사용하고, 두꺼운 산화물을 제거할 때는 카바이드 버를 사용하십시오.헌신적인브러시는 교차 오염을 방지하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, 스테인리스강에 탄소강 브러시를 사용하면 철 입자가 박혀 나중에 녹이 슬고 용접이 손상될 수 있습니다. 두껍고 단단한 산화물에는 탄화물 버가 필수적입니다. 탄화물 버는 충분히 강력하여 산화물 층을 물리적으로 제거하고 아래에 있는 깨끗한 금속을 드러낼 수 있기 때문입니다.
정밀 접합부 설계 및 고정 장치
접합부가 제대로 맞지 않아 틈이 과도하게 생기면 기공이 발생하는 직접적인 원인이 됩니다. 노즐에서 나오는 보호 가스가 틈 깊숙이 갇힌 공기를 확실하게 밀어내지 못하기 때문에 용접 풀로 공기가 유입될 수 있습니다.
지침:용접 이음매 간격은 재료 두께의 10%를 초과해서는 안 됩니다. 이 간격을 초과하면 용접 풀이 불안정해지고 보호 가스가 제대로 작용하지 않아 가스 포집 가능성이 높아집니다. 이러한 조건을 유지하기 위해서는 정밀한 고정 장치가 필수적입니다.
체계적인 매개변수 최적화
레이저 출력, 용접 속도 및 초점 위치 간의 관계는 공정 조건을 결정짓는 최적의 조건을 만듭니다. 이 조건은 안정적인 키홀을 생성하는지 확인하기 위해 검증되어야 합니다. 불안정한 키홀은 용접 중에 간헐적으로 붕괴되어 증발된 금속 기포와 보호 가스가 갇힐 수 있습니다.
2. 전략적 차폐 가스 선정 및 관리
재료에 맞는 가스를 사용하십시오.
아르곤(Ar):밀도가 높고 가격이 저렴하기 때문에 대부분의 재료에 사용되는 불활성 표준 물질입니다.
질소(N2):용융 상태에서 용해도가 높아 질소 기공 발생을 방지할 수 있기 때문에 많은 강종에 매우 효과적입니다.
미묘한 차이:최근 연구에 따르면 질소 강화 합금의 경우 보호 가스에 질소가 과다하게 함유되면 유해한 질화물 석출이 발생하여 인성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 적절한 균형을 유지하는 것이 매우 중요합니다.
헬륨(He) 및 아르곤/헬륨 혼합물:구리 및 알루미늄 합금과 같이 열전도율이 높은 재료에 필수적입니다. 헬륨의 높은 열전도율은 더 뜨겁고 유동성이 좋은 용접 풀을 생성하여 가스 배출을 크게 돕고 열 침투를 개선하여 기공 및 용융 불량 결함을 방지합니다.
적절한 흐름과 적용 범위
유량이 부족하면 용접 풀을 대기로부터 보호하지 못합니다. 반대로 유량이 과도하면 난류가 발생하여 주변 공기를 적극적으로 끌어들여 보호 가스와 혼합시켜 용접부를 오염시킵니다.
일반적인 유량:동축 노즐의 경우 특정 용도에 맞게 조정하면 15~25리터/분입니다.
3. 동적 빔 형상화를 이용한 고급 완화 기술
까다로운 응용 분야에서 동적 빔 형상화는 최첨단 기술입니다.
기구:단순한 진동("흔들림")도 효과적이지만, 최근 연구는 더욱 정교한 비원형 패턴(예: 무한 루프, 8자형)에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 복잡한 형태는 용융 풀의 유체 역학과 온도 구배를 더욱 효과적으로 제어하여 키홀을 안정화하고 가스가 빠져나갈 시간을 더 확보해 줍니다.
실질적인 고려 사항:동적 빔 형상화 시스템의 도입은 상당한 자본 투자를 필요로 하며 공정 설정을 복잡하게 만듭니다. 기공률 제어가 절대적으로 중요한 고부가가치 부품에 이러한 시스템을 적용하기 위해서는 철저한 비용 편익 분석이 필수적입니다.
4. 재료별 완화 전략
알루미늄 합금:표면 산화물의 수화로 인한 수소 기공 발생 가능성이 높습니다. 따라서 강력한 탈산 처리와 낮은 이슬점(-50°C 미만)의 보호 가스가 필요하며, 용융 풀의 유동성을 높이기 위해 헬륨을 첨가하는 경우가 많습니다.
아연 도금 강판:끓는점이 907°C인 아연의 폭발적인 기화 현상이 주요 난제입니다. 0.1~0.2mm의 환기 틈을 확보하는 것이 가장 효과적인 전략으로 남아 있습니다. 이는 강철의 융점(약 1500°C)이 아연의 끓는점보다 훨씬 높기 때문입니다. 이 틈은 고압의 아연 증기가 빠져나갈 수 있는 중요한 통로를 제공합니다.
티타늄 합금:극도로 반응성이 높은 환경에서는 항공우주 표준 AWS D17.1에 따라 절대적인 청결도와 광범위한 불활성 가스 차폐(후행 및 후방 차폐)가 필수적입니다.
구리 합금:높은 열전도율과 적외선 레이저에 대한 높은 반사율로 인해 매우 까다로운 공정입니다. 다공성은 불완전한 용융과 갇힌 가스로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 이를 완화하기 위해서는 높은 출력 밀도가 필요하며, 에너지 결합 및 용융 풀의 유동성을 개선하기 위해 헬륨이 풍부한 차폐 가스를 사용하는 경우가 많고, 용융물을 예열하고 관리하기 위해 고급 빔 형상을 사용합니다.
신흥 기술과 미래 방향
용접 분야는 정적인 제어 방식을 넘어 동적이고 지능적인 용접으로 빠르게 발전하고 있습니다.
AI 기반 현장 모니터링:최근 가장 중요한 추세는 머신러닝 모델이 동축 카메라, 포토다이오드, 음향 센서에서 얻은 실시간 데이터를 분석하는 것입니다. 이러한 시스템은 기공 발생을 예측하여 작업자에게 경고하거나, 고급 시스템에서는 레이저 매개변수를 자동으로 조정하여 결함 발생을 방지할 수 있습니다.
구현 참고 사항:이러한 AI 기반 시스템은 강력하지만 센서, 데이터 수집 하드웨어 및 모델 개발에 상당한 초기 투자가 필요합니다. 투자 수익률은 실패 비용이 막대한 대량 생산 핵심 부품 제조 분야에서 가장 높습니다.
결론
레이저 용접에서 기공은 관리 가능한 결함입니다. 청결도 및 파라미터 제어와 같은 기본 원칙에 동적 빔 형상화 및 AI 기반 모니터링과 같은 최첨단 기술을 결합함으로써 제조업체는 결함 없는 용접을 안정적으로 생산할 수 있습니다. 용접 품질 보증의 미래는 실시간으로 품질을 모니터링하고, 적응하고, 보장하는 이러한 지능형 시스템에 달려 있습니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
Q1: 레이저 용접에서 기공이 발생하는 주요 원인은 무엇입니까?
A: 가장 흔한 원인은 표면 오염 물질(기름, 습기)이 증발하면서 용접 풀에 수소 가스를 유입시키는 것입니다.
Q2: 어떻게to 알루미늄 용접 시 기공 발생을 방지하는 방법은 무엇일까요?
A: 가장 중요한 단계는 용접 전 수화된 산화알루미늄 층을 제거하기 위한 강력한 세척과 함께, 헬륨을 함유하는 고순도 저결점 보호 가스를 사용하는 것입니다.
Q3: 다공성과 슬래그 혼입물의 차이점은 무엇입니까?
A: 기공은 가스 공동입니다. 슬래그 개재물은 갇힌 비금속 고체이며 일반적으로 키홀 모드 레이저 용접과는 관련이 없지만, 특정 플럭스나 오염된 용접봉을 사용한 레이저 전도 용접에서는 발생할 수 있습니다.
Q4: 강철의 기공 발생을 방지하는 데 가장 적합한 보호 가스는 무엇입니까?
A: 아르곤이 흔히 사용되지만, 질소(N2)는 용해도가 높아 많은 강종에 더 적합한 경우가 많습니다. 하지만 특정 고강도강의 경우 질화물 형성 가능성을 고려해야 합니다.
게시 시간: 2025년 7월 25일
