현대 레이저 용접 기술의 특별 주제 - 듀얼 빔 레이저 용접

적응성을 향상시키기 위해 주로 사용되는 이중빔 용접 방법이 제안되었습니다. 레이저 용접 조립 정확도를 높이고 용접 공정의 안정성을 높이며 용접 품질을 향상시킵니다. 특히 얇은 판과 알루미늄 합금의 용접에 적합합니다.듀얼 빔 레이저 용접은 광학적 방법을 사용하여 용접을 위해 동일한 유형의 레이저를 두 개의 개별 빔으로 분리하거나 두 가지 다른 유형의 레이저를 조합하여 사용할 수 있습니다. CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 고출력 반도체 레이저는 모두 서로 결합될 수 있습니다.빔의 에너지, 빔 사이의 거리, 심지어 두 빔의 에너지 분포 패턴을 변경함으로써 용접 온도 필드를 편리하고 유연하게 조정할 수 있습니다. 이는 용접 풀에서 구멍의 존재 모드와 액체 금속의 흐름 모드를 변경하여 단일 빔 레이저 용접과 비교할 수 없는 용접 공정을 위한 더 넓은 공간 선택을 제공합니다. 심융합의 장점을 보유할 뿐만 아니라 , 빠른 속도와 높은 정밀도의 레이저 용접, 기존 레이저 용접으로는 용접이 어려운 재료나 접합부에도 뛰어난 적응성을 갖고 있습니다..

1. 듀얼빔 레이저 용접 원리

듀얼 빔 용접은 용접 공정 중에 두 개의 레이저를 동시에 사용하는 것을 의미합니다. 빔 배열, 빔 간격, 두 빔에 의해 형성된 각도, 초점 위치 및 두 빔의 에너지 비율은 모두 듀얼 빔 레이저 용접의 관련 설정 매개변수입니다. 일반적으로 용접 공정 중에는 일반적으로 두 가지 배열 방법이 있습니다. 듀얼 빔. 그림과 같이 용접방향을 따라 직렬로 배열하는 것입니다. 이 레이아웃은 용접 풀의 냉각 속도를 줄이고 용접의 경화 경향과 다공성 생성을 감소시킬 수 있습니다. 다른 하나는 용접 이음매의 틈에 대한 적응성을 높이기 위해 용접 이음매의 양쪽에 빔을 나란히 배열하거나 교차시키는 것입니다.

직렬 배열을 갖는 듀얼빔 레이저 용접 시스템의 경우, 두 빔 사이의 간격에 따라 세 가지 용접 메커니즘이 있습니다.

1) 첫 번째 유형의 용접 메커니즘에서는 두 빔 사이의 간격이 상대적으로 큽니다. 하나의 빔은 에너지 밀도가 더 높고 작업물의 표면에 집중되어 용접 시 키홀을 생성합니다.; 다른 빔은 에너지 밀도가 낮고 용접 전 또는 용접 후 열처리를 위한 열원 역할만 합니다..이 용접 메커니즘을 통해 용접 풀의 냉각 속도를 특정 범위 내에서 제어할 수 있습니다. 이는 고탄소강 및 합금강과 같이 균열 민감도가 높은 재료의 용접에 도움이 되며 인성을 향상시킬 수도 있습니다. 용접 솔기.

2) 두 번째 유형의 용접 메커니즘에서는 두 빔의 초점 사이의 거리가 상대적으로 작습니다. 두 개의 빔은 단일 용접 풀에 두 개의 별도 열쇠 구멍을 생성합니다., 용탕의 흐름 패턴에 변화를 일으킵니다. 이는 결함을 방지하는 데 도움이 됩니다. 언더컷 및 용접 비드 돌출과 같은 용접 이음새 형성을 개선합니다.

3) 세 번째 유형의 용접 메커니즘에서는 두 빔 사이의 거리가 매우 작으며, 이때 두 개의 빔은 용접 풀에 동일한 열쇠 구멍을 생성합니다.. 단일 빔 레이저 용접에 비해 이 열쇠 구멍의 크기가 더 크고 닫힐 가능성이 적습니다., 용접 공정을보다 안정적으로 만들고 가스 배출이 더 쉽습니다. 이는 다공성, 스패터를 줄이고 연속적이고 균일하며 매력적인 용접 이음을 달성하는 데 도움이 됩니다.

용접 공정 중에 두 개의 레이저 빔을 서로 특정 각도로 설정할 수도 있으며 용접 메커니즘은 병렬 이중 빔 용접 메커니즘과 유사합니다. 실험 결과 두 개의 고출력 OO 레이저 빔을 서로 30° 각도로 1~2mm 간격으로 사용하면 깔때기 모양의 열쇠 구멍을 만들 수 있는 것으로 나타났습니다. 열쇠 구멍이 더 크고 안정적이므로 용접 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 실제 적용에서는 서로 다른 용접 조건에 따라 두 빔의 서로 다른 조합을 조정하여 서로 다른 용접 프로세스를 달성할 수 있습니다.

2.듀얼빔 레이저 용접의 구현방법

두 개의 다른 레이저 빔을 결합하거나 광학 빔 분할 시스템을 사용하여 용접을 위해 하나의 레이저 빔을 두 개로 분할함으로써 이중 빔을 얻을 수 있습니다. 빔을 두 개의 다른 출력, 평행 레이저, 빔 분할 거울 또는 빔 분할 거울로 분리하려면 일부 특수 광학 시스템을 사용할 수 있습니다. 그림은 포커싱 렌즈를 빔 분할기로 사용하는 두 가지 유형의 빔 분할 원리를 보여줍니다.

또한, 반사경을 빔 분할 거울로 사용할 수 있으며, 광 경로의 마지막 반사경은 빔 분할기 역할을 합니다. 이러한 유형의 반사경은 능선 반사경으로도 알려져 있으며 반사 표면은 단일 평면이 아니라 두 평면으로 구성됩니다. 두 개의 반사면의 교차선은 그림과 같이 능선과 유사한 거울 중앙에 위치합니다. 평행한 빛의 빔은 빔 스플리터에 투사되고 서로 다른 두 평면에 의해 두 개의 빔으로 반사됩니다. 각도. 이 빔은 초점 렌즈의 다양한 위치를 조명하고 초점을 맞춘 후 공작물 표면에 일정한 간격을 가진 두 개의 빔이 얻어집니다. 두 개의 반사면 사이의 각도와 능선의 위치를 ​​변경하면 초점 간격과 배열 방법이 다른 빔 분할 광선을 얻을 수 있습니다.

두 가지 다른 유형의 레이저 빔을 사용하여 이중 빔을 형성하는 경우 다양한 조합 방법이 있습니다. 가우스 에너지 분포를 갖는 고품질 CO2 레이저는 2차 용접 작업에 사용될 수 있으며, 열처리 작업을 위한 직사각형 에너지 분포를 갖는 반도체 레이저의 도움을 받을 수 있습니다. 이 조합 방법은 한편으로는 경제적이며 다른 한편으로는 두 빔의 출력은 독립적으로 조정될 수 있습니다. 다양한 접합 형태의 경우 레이저와 반도체 레이저의 중첩 위치를 조정하여 조정 가능한 온도 필드를 얻을 수 있으며 이는 용접 공정 제어에 매우 적합합니다. 또한 YAG 레이저와 COXNUMX 레이저를 듀얼빔으로 결합해 용접할 수 있고, 연속 레이저와 펄스 레이저를 결합해 용접할 수 있으며, 집속빔과 디포커싱 빔을 결합해 용접할 수도 있다.

3. 듀얼빔 레이저 용접 원리

3.1 아연도금판의 이중빔 레이저 용접

아연 도금 강판은 자동차 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 강철의 녹는점은 약 1500°C인 반면, 아연의 끓는점은 906°C에 불과합니다. 따라서 용접공법을 사용할 경우 일반적으로 다량의 아연증기가 발생하여 용접공정이 불안정해지고 용접심에 공기구멍이 형성되는 경우가 많다. 낮은 표면뿐만 아니라 조인트 인터페이스에서도 마찬가지입니다. 용접 공정 중 일부 영역에서는 용융 풀 표면에서 아연 증기가 빠르게 분사되는 반면, 다른 영역에서는 용융 풀 표면에서 아연 증기가 빠져 나오기 어려워 용접 품질이 매우 불안정해집니다.

듀얼빔 레이저 용접은 아연 증기로 인한 용접 품질 문제를 해결할 수 있습니다. 한 가지 방법은 두 빔의 에너지를 합리적으로 일치시켜 용융 풀의 존재 시간과 냉각 속도를 제어하는 ​​것인데, 이는 아연 증기의 탈출에 유리합니다. 또 다른 방법은 사전 드릴링 또는 홈 가공을 통해 아연 증기를 방출하는 것입니다. 아래 그림과 같이 용접에는 CO2 레이저가 사용되며 홈 드릴링 또는 절단에는 CO2 레이저 전면의 YAG 레이저가 사용됩니다. 전처리된 구멍이나 슬롯은 후속 용접 중에 생성된 아연 증기의 탈출 경로를 제공하여 용융 풀에 머물거나 결함이 발생하는 것을 방지합니다.

3.2 알루미늄 합금의 이중빔 레이저 용접

알루미늄 합금 재료의 고유한 특성으로 인해 레이저 용접에는 다음과 같은 어려움이 있습니다. 알루미늄 합금에 의한 레이저 흡수율은 낮고 CO2 레이저 빔 표면의 초기 반사율은 90%를 초과합니다. 용접하는 동안 알루미늄 합금 레이저 용접 이음새는 다공성과 균열이 발생하기 쉽습니다. 용접 과정에서 합금 원소가 손실됩니다. 단일 레이저 용접을 사용할 경우 키홀 설정이 어려우며 안정성 유지가 쉽지 않습니다. 듀얼 빔 레이저 용접을 사용할 경우 키홀의 크기가 커져 키홀이 닫히기 어렵고 가스 발생이 용이해집니다. 배기가스. 동시에 냉각 속도를 줄여 기공 및 용접 균열 발생을 줄일 수 있습니다. 용접 공정이 더 안정적이고 스패터의 양이 감소하기 때문에 알루미늄 합금의 이중 빔 용접으로 얻은 용접 표면 형성도 단일 빔보다 훨씬 좋습니다. 아래 그림은 단일 CO3 레이저 빔과 두 개의 레이저 빔으로 용접된 2mm 두께의 알루미늄 합금의 맞대기 접합의 모습을 보여줍니다.

연구에 따르면 2mm 두께의 5000 시리즈 알루미늄 합금을 용접할 때 두 빔 사이의 거리가 0.6~1.0mm일 때 공정이 비교적 안정적입니다. 그 결과 열쇠 구멍 구멍이 더 커져 용접 공정 중 마그네슘 요소의 증발 및 탈출이 촉진됩니다. 두 빔 사이의 거리가 너무 작으면 공정이 단일 빔 용접과 유사하며 쉽게 안정되지 않습니다. 거리가 너무 크면 아래 그림과 같이 용접 침투 깊이에 영향을 미칩니다. 또한 두 빔의 에너지 비율도 용접 품질에 중요한 영향을 미칩니다. 0.9mm 간격으로 용접을 위해 두 개의 빔을 직렬로 배열할 경우, 이전 빔의 에너지를 적절하게 증가시켜 두 빔의 에너지 비율을 1:1보다 크게 만드는 것이 유리합니다. 이는 용접 품질을 향상시키고, 용융 영역을 확대하며, 더 빠른 용접 속도에서도 부드럽고 미학적으로 만족스러운 용접을 달성하는 데 도움이 됩니다.

3.3 두께가 다른 판의 이중빔 용접

산업 생산에서는 접합 시트를 만들기 위해 서로 다른 두께와 모양의 두 개 이상의 금속 시트를 함께 용접해야 하는 경우가 많습니다. 특히 자동차 제조 분야에서는 접합 시트의 적용이 점점 더 광범위해지고 있습니다.
사양, 표면 코팅, 성능이 다른 시트를 함께 용접하면 강도를 높이고 소비를 줄이며 무게를 줄일 수 있습니다. 접합 판 용접에서는 일반적으로 두께가 다른 판의 레이저 용접이 사용됩니다. 가장 큰 문제는 고정밀 모서리로 용접할 공작물을 사전 제작하고 고정밀 조립을 보장해야 한다는 것입니다. 두께가 다른 플레이트에 이중 빔 용접을 사용하면 다양한 간격, 도킹 부품, 상대 두께 및 재료에 적응할 수 있습니다. 시트의 차이. 가장자리 및 간격 공차가 더 큰 시트를 용접할 수 있어 용접 속도와 용접 품질이 향상됩니다.

두께가 다른 플레이트에 대한 이중 빔 용접의 주요 공정 매개변수는 그림에 표시된 것처럼 용접 매개변수와 플레이트 매개변수로 나눌 수 있습니다. 용접 매개변수에는 두 레이저의 출력, 용접 속도, 초점 위치, 용접 헤드 각도, 맞대기 접합에 있는 이중 빔의 빔 회전 각도 및 용접 편차가 포함됩니다. 플레이트 매개변수에는 재료 치수, 성능, 가장자리 다듬기 및 플레이트 간격이 포함됩니다. 두 레이저의 출력은 서로 다른 용접 목적에 따라 별도로 조정될 수 있습니다.
일반적으로 초점이 박판 표면에 있을 때 안정적이고 효율적인 용접 공정이 가능합니다. 용접 헤드 각도는 일반적으로 약 6도로 선택됩니다. 두 판의 두께가 상당히 큰 경우 포지티브 용접 헤드 각도를 채택할 수 있습니다. 즉, 그림에 표시된 대로 레이저가 얇은 판 쪽으로 기울어집니다. 판 두께가 상대적으로 얇을 경우 네거티브 용접 헤드 각도를 사용할 수 있습니다. 용접 편차는 레이저 초점과 두꺼운 판 가장자리 사이의 거리로 정의됩니다. 용접 편차를 조정하면 용접 오목부가 줄어들어 용접 단면이 양호해집니다.

간격이 큰 판을 용접할 때 이중 빔 각도를 회전시켜 유효 빔 가열 직경을 늘려 간격 채우기 능력을 높일 수 있습니다. 용접 이음매 상단의 너비는 두 레이저의 유효 빔 직경, 즉 빔 회전 각도에 따라 결정됩니다. 회전 각도가 클수록 이중 빔 가열 범위가 넓어지고 용접 이음새의 상부 폭이 넓어집니다. 두 레이저는 용접 공정에서 서로 다른 역할을 합니다. 하나는 주로 조인트를 관통하는 데 사용되며 다른 하나는 주로 두꺼운 판재를 녹여 틈을 채우는 데 사용됩니다. 아래 그림과 같이 양의 빔 회전 각도(앞쪽 빔은 두꺼운 판에 작용하고 뒤쪽 빔은 이음새에 작용함)에서 앞쪽 빔이 두꺼운 판에 충돌하여 재료를 가열하여 녹이고 다음과 같은 현상이 발생합니다. 레이저 빔은 관통력을 발생시킵니다. 전면의 첫 번째 레이저 빔은 두꺼운 판을 부분적으로만 녹일 수 있지만, 더 나은 간격 채우기를 위해 두꺼운 판의 측면을 녹일 뿐만 아니라 사전에 두꺼운 판을 녹일 수 있기 때문에 용접 공정에 큰 기여를 합니다. 접합재를 연결하여 뒤따르는 빔이 접합부를 쉽게 관통하게 하여 용접속도를 향상시킵니다. 음의 회전각을 갖는 듀얼빔 용접에서는 (전면빔은 용접심에 작용하고, 후방빔은 두꺼운 부분에 작용합니다) 플레이트) 두 빔의 역할은 정반대입니다. 앞쪽 빔이 접합부를 관통하고, 뒤쪽 빔이 두꺼운 판을 녹여 틈을 메운다.

이 경우 전면 빔이 냉각판을 관통해야 하므로 용접 속도는 양의 빔 회전 각도보다 낮습니다. 그리고 전면 빔의 예열 효과로 인해 다음 빔은 동일한 출력으로 더 두꺼운 판재를 녹이게 됩니다. 이 경우 두 번째 레이저 빔의 출력을 적절하게 줄여야 합니다. 이에 비해 양의 빔 회전 각도를 채택하면 용접 속도가 적절하게 증가할 수 있고, 음의 빔 회전 각도를 채택하면 더 나은 간격 채우기를 달성할 수 있습니다. 다음 이미지는 용접 이음매의 단면에 대한 다양한 빔 회전 각도의 효과를 보여줍니다.

3.4 두꺼운 판의 이중 빔 레이저 용접

레이저 출력 수준과 빔 품질이 향상되면서 두꺼운 판에 레이저 용접을 사용하는 것이 현실화되었습니다. 그러나 고출력 레이저의 높은 비용과 두꺼운 판 용접에서 금속 충전의 일반적인 필요성으로 인해 실제 생산에는 일정한 제한이 있습니다. 듀얼 빔 레이저 용접 기술을 사용하면 레이저 출력이 향상될 뿐만 아니라 증가합니다. 유효 빔 가열 직경을 증가시켜 필러 와이어 용융 능력을 향상시키고 레이저 키홀을 안정화시켜 용접 안정성을 향상시켜 용접 품질을 향상시킵니다.