레이저 용접 이음부의 기공 발생 원인 및 제어 방법

I. 소개

레이저 용접은 높은 에너지 밀도, 좁은 열영향부, 우수한 용접 형성 및 낮은 변형과 같은 장점을 제공합니다. 이는 판금 가공, 소비자 전자기기, 배터리 제조, 의료 기기 및 자동차 산업 등에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 실질적인 용접 응용에서는 재료, 장비 및 공정 요인들의 복합적인 영향으로 인해 용접부 내부 또는 표면에 기공 결함이 자주 발생합니다. 이러한 결함은 용접 강도, 밀도 및 외관 품질에 부정적인 영향을 미칩니다. 따라서 기공 형성 메커니즘을 분석하고 용접 안정성과 제품 품질 향상을 위한 효과적인 대책을 제안할 필요가 있습니다.

II. 용접 기공의 주요 원인

용접 시 기공은 일반적으로 갇힌 가스, 용해된 가스의 석출 또는 재료의 기화로 인해 발생합니다. 주요 원인은 다음과 같습니다:

1. 재료의 표면 오염

용접면에 오일, 수분, 녹 또는 코팅이 존재하는 경우 고온에서 분해되어 용융 풀로 들어가는 가스를 발생시킵니다. 예를 들면:

오일 오염 → 탄화수소 가스 생성

수분 → H₂ 및 O₂ 생성

코팅 → 유기 또는 무기 가스로 분해

용융 풀이 빠르게 응고되면 이러한 가스들이 제때 배출되지 못하고 기공을 형성합니다.

2. 재료 내 높은 가스 함량

특정 재료들은 수소, 산소, 질소 또는 포함물의 함량이 높아 용융 중에 침전되거나 기포를 형성할 수 있습니다. 예를 들면:

알루미늄 합금은 수소에 민감함

강철은 산소에 민감함

구리 합금은 질소에 민감함

용융 풀의 유지 시간이 부족하거나 냉각이 너무 빠르면 가스가 포획되어 기공을 형성한다.

3. 레이저 에너지 입력이 부족하거나 불안정함

에너지 밀도가 부족하면 용융 풀이 얕아지고 유동성이 나빠져 가스 배출이 어려워진다. 에너지 변동은 또한 용융 풀의 밀봉 상태를 일관되게 하지 못하게 하여 기포 포획을 유발할 수 있다.

일반적인 현상은 다음과 같다.

레이저 출력 변동

초점 편차로 인한 출력 밀도 감소

너무 높은 용접 속도로 인한 완전 관통 불충분

4. 보호 가스 커버리지 불량

보호 가스가 부족하거나 방향이 잘못되면 공기가 용융 풀에 유입되어 가스 반응을 일으킨다. 과도한 가스 유량은 난류 또는 공기 혼입을 유발할 수 있다.

일반적인 문제는 다음과 같습니다:

과도한 아르곤 유량으로 인한 와류 형성

불완전한 가스 차폐를 초래하는 가스 정렬 불량

노즐 오염으로 인해 흐름장이 방해받음

5. 채움재와 모재 간의 불일치

채움 와이어 용접에서 채움 와이어 성분, 가스 함량 또는 청결도가 낮은 경우 추가적인 가스나 포함물이 유입될 수 있음

예시는 다음과 같습니다.

습기가 있거나 습기를 흡수하는 용접 와이어

부적절한 보관 조건

와이어 세척 부족

III. 용접 기공의 주요 위험 요소

기공 결함은 다음을 통해 제품 품질에 영향을 미침

용접 강도 및 피로 수명 감소

밀봉 성능 및 장벽 성능 저하

외관 품질 저하

중요 응용 분야에서의 신뢰성 감소

배터리 용기, 의료 기기 및 기밀 구조와 같은 산업에서는 기공 결함으로 인해 제품을 완전히 거부할 수 있습니다.

IV. 용접 기공 결함 제어 방법

레이저 용접 품질을 개선하기 위해 재료, 장비, 공정 및 환경 전반에 걸쳐 최적화를 수행해야 합니다.

1. 적절한 표면 전처리 시행

용접 표면 세척은 기공 발생 위험을 크게 줄입니다. 일반적인 방법에는 다음이 포함됩니다:

기계적 청소 (연마, 브러싱)

용제 세척 (알코올, 아세톤)

레이저 청소 (대량 생산에 적합)

건조 및 탈습 (특히 알루미늄 합금의 경우)

주요 적용 부위는 용접 구역과 랩 조인트의 내부 접촉 면이다.

2. 재료 품질 및 보관 조건 관리

재료의 가스 흡수 특성에 기반:

알루미늄 합금은 수분 흡수를 방지하기 위해 건조 상태로 보관해야 한다.

구리 부품은 가스 또는 코팅을 통해 산화로부터 보호해야 한다.

강철은 심한 녹과 오염물질을 피해야 한다.

필러 와이어 용접에서는 와이어가 건조하고 깨끗한 상태를 유지해야 한다.

3. 레이저 에너지 파라미터 최적화

가스 배출을 위해서는 적절한 공정 매칭이 중요하다. 최적화 방향은 다음과 같다:

전력 밀도 증가 → 침투성 및 유동성 향상

용접 속도 감소 → 용융 풀 개방 시간 증가

초점 위치 조정 → 용융 풀 안정성 향상

레이저 출력 안정화 → 에너지 변동 방지

깊은 침투 용접에서 음의 초점 이탈이 침투 깊이와 유동 거동을 향상시킬 수 있음

4. 보호 가스 시스템 개선

보호 가스 최적화에는 다음이 포함됨:

적절한 가스 선택 (예: 알루미늄 용접 시 아르곤 사용)

적정 유량 조절 (난류 방지)

노즐 각도 및 간격 거리 최적화

공기 혼입을 방지하기 위해 보호 범위를 확대

알루미늄 용접의 경우, 기공률을 줄이기 위해 종종 듀얼가스 또는 완전 차폐 방식이 사용됨

5. 이음부 설계 및 용접 구조 최적화

이음부 설계는 가스 배출 거동에 영향을 미침:

가능하면 겹침 이음보다 맞대기 이음을 선호

겹침 이음이 불가피한 경우, 가스 배출 경로를 제공

급속 냉각 중 가스가 갇히는 폐쇄 구조를 피함

적절한 구조 설계는 응력을 감소시키고 가스 배출 효율을 향상시킴

V. 결론

레이저 용접 기공은 재료, 공정, 환경 조건의 복합적인 영향으로 발생하는 전형적인 결함이다. 그 생성 메커니즘은 여러 요인들과 강하게 연관되어 있다. 재료의 청결도를 향상시키고, 레이저 및 차폐 가스 파라미터를 최적화하며, 적절한 이음매 설계를 채택함으로써 용접 형성 품질과 성능을 크게 개선할 수 있다. 생산 현장에서는 온라인 모니터링과 폐루프 품질 관리 시스템을 통합하여 용접 품질을 더욱 안정화하고, 레이저 용접 기술의 산업적 확대 적용을 지원할 수 있다.