1) 레이저 출력. 레이저 용접에는 레이저 에너지 밀도 임계값이 있는데, 그 미만에서는 용융 깊이가 얕아지며, 이 값에 도달하거나 초과하면 용융 깊이가 상당히 증가합니다. 공작물의 레이저 출력 밀도가 임계값(재료에 따라 다름)을 초과하는 경우에만 플라즈마가 생성되어 심융합 용접이 안정화됩니다. 레이저 출력이 이 임계값보다 낮으면 작업물은 표면 용융만 진행됩니다. 즉, 용접은 안정적인 열 전달 유형으로 진행됩니다. 레이저 출력 밀도가 작은 구멍 형성의 임계 조건에 가까워지면 심융합 용접과 전도 용접이 번갈아 용접 공정이 불안정해지고 용융 깊이의 변동이 커집니다. 레이저 심융합 용접에서 레이저 출력은 그림 1과 같이 침투 깊이와 용접 속도를 모두 제어합니다. 용융 용접 깊이는 빔 출력 밀도와 직접적인 관련이 있으며 입사 빔 출력과 빔 초점의 함수입니다. 일반적으로 레이저 빔의 특정 직경에 대해서는 빔 전력이 증가함에 따라 용융 깊이가 증가합니다.
2) 빔 초점. 빔 스폿 크기는 출력 밀도를 결정하므로 레이저 용접에서 가장 중요한 변수 중 하나입니다. 그러나 이미 많은 간접 측정 기술을 사용할 수 있지만 측정은 고출력 레이저의 경우 어려운 과제입니다.
빔 초점 회절 한계 스폿 크기는 광 회절 이론으로 계산할 수 있지만 초점 렌즈 수차가 존재하기 때문에 실제 스폿은 계산된 값보다 큽니다. 가장 간단한 실제 측정 방법은 등온 프로파일 방법으로, 두꺼운 종이로 폴리프로필렌 판을 태워서 관통시킨 후 초점과 천공 직경을 측정하는 것입니다. 이 방법은 레이저 출력의 크기와 빔 동작 시간을 숙지하면서 실습을 통해 측정해야 합니다.
3) 재료 흡수 값. 재료에 의한 레이저 흡수는 흡수율, 반사율, 열전도율, 용융 온도, 증발 온도 등과 같은 재료의 일부 중요한 특성에 따라 달라집니다. 가장 중요한 특성은 흡수율입니다.
레이저 빔에 대한 재료의 흡수율에 영향을 미치는 요소에는 두 가지 측면이 포함됩니다. 첫째, 재료의 저항력입니다. 재료의 연마된 표면의 흡수율을 측정한 후 재료 흡수율은 저항률 계수의 제곱근에 비례하며 온도에 따라 변한다는 것을 알 수 있습니다. 둘째, 재료의 표면 상태(또는 마감)가 빔의 흡수율에 더 중요한 영향을 미치므로 용접 효과에 큰 영향을 미칩니다.
CO2 레이저 출력 파장은 일반적으로 10.6μm이며, 세라믹, 유리, 고무, 플라스틱 및 기타 비금속은 실온에서 흡수율이 매우 높은 반면, 금속 재료는 실온에서 흡수율이 매우 낮습니다. 재료가 녹거나 기화될 때까지 흡수율이 급격히 증가합니다. 빔에 대한 재료의 흡수를 향상시키기 위해 표면 코팅 또는 산화막 표면 생성 방법을 사용하는 것은 매우 효과적입니다.
4) 용접 속도. 용접 속도는 용융 깊이에 큰 영향을 미치며, 속도를 높이면 용융 깊이가 얕아지지만, 속도가 너무 낮으면 재료가 과도하게 용융되어 공작물이 용접됩니다. 따라서 특정 재료의 특정 레이저 출력과 특정 두께는 적절한 용접 속도 범위를 가지며, 최대 용융 깊이에 해당하는 속도 값을 얻을 수 있습니다. 그림 2는 1018 강의 용접 속도와 용융 깊이 사이의 관계를 보여줍니다.
5) 보호가스. 레이저 용접 공정에서는 용융 풀을 보호하기 위해 불활성 가스를 사용하는 경우가 많습니다. 일부 재료가 표면 산화에 관계없이 용접되면 보호를 고려하지 않지만 대부분의 응용 분야에서는 보호를 위해 헬륨, 아르곤, 질소 및 기타 가스가 자주 사용되므로 용접 공정 중 공작물이 산화되지 않습니다.
헬륨은 쉽게 이온화되지 않으므로(이온화 에너지가 높음) 레이저가 통과하고 빔 에너지가 방해받지 않고 작업물의 표면에 도달할 수 있습니다. 레이저 용접에 사용되는 가장 효과적인 보호 가스이지만 가격이 더 비쌉니다.
아르곤은 더 저렴하고 밀도가 높기 때문에 더 잘 보호합니다. 그러나 이는 고온 금속 플라즈마 이온화에 취약하여 가공물에 대한 빔의 일부를 차폐하고 용접에 효과적인 레이저 출력을 감소시키며 용접 속도와 용융 깊이를 손상시킵니다. 용접 부품의 표면은 헬륨 보호보다 아르곤 보호로 더 매끄러워집니다.
질소는 가장 저렴한 차폐 가스이지만 랩 영역에 다공성을 생성하는 흡수와 같은 금속학적 문제로 인해 일부 유형의 스테인리스강 용접에는 적합하지 않습니다.
보호 가스를 사용하는 두 번째 역할은 금속 증기 오염과 액체 용융 방울의 스퍼터링으로부터 포커싱 렌즈를 보호하는 것입니다. 이는 분출물이 매우 강력해지는 고출력 레이저 용접에 특히 필요합니다.
차폐 가스의 세 번째 기능은 고출력 레이저 용접에 의해 생성된 플라즈마 차폐를 분산시키는 데 효과적이라는 것입니다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하여 플라즈마 구름으로 이온화되고, 금속 증기 주변의 차폐 가스도 열에 의해 이온화됩니다. 플라즈마가 너무 많으면 레이저 빔이 플라즈마에 의해 어느 정도 소모됩니다. 작업 표면에 두 번째 에너지로 플라즈마가 존재하면 용융 깊이가 더 얕아지고 용접 풀 표면이 넓어집니다. 전자-이온 및 중성원자 삼체 충돌의 횟수를 증가시켜 플라즈마 내 전자 밀도를 감소시킴으로써 전자 복합체 형성 속도가 증가됩니다. 중성 원자가 가벼울수록 충돌 빈도가 높을수록 복합 비율도 높아집니다. 반면에, 가스 자체의 이온화로 인해 전자 밀도가 증가하지 않도록 보호 가스의 이온화 에너지만 높습니다.
표에서 볼 수 있듯이 플라즈마 구름 크기는 사용되는 보호 가스에 따라 달라지는데, 헬륨이 가장 작고 그 다음이 질소이며, 아르곤을 사용할 때 가장 큽니다. 플라즈마 크기가 클수록 용융 깊이가 얕아집니다. 이러한 차이가 발생하는 이유는 첫째로 가스 분자의 이온화 정도가 다르고 보호 가스의 밀도가 다르기 때문에 발생하는 금속 증기 확산의 차이 때문입니다.
헬륨은 이온화가 가장 적고 밀도도 가장 낮으며, 용융 금속 풀에서 상승하는 금속 증기를 빠르게 제거합니다. 따라서 헬륨을 차폐 가스로 사용하면 플라즈마 억제를 극대화하여 용융 깊이를 증가시키고 용접 속도를 향상시킬 수 있습니다. 가벼운 무게와 탈출력으로 인해 다공성을 유발하기가 쉽지 않습니다. 물론 실제 용접결과로 볼 때 아르곤가스에 의한 보호효과는 나쁘지 않습니다.
낮은 용접 속도 영역에서 용융 깊이의 플라즈마 구름이 가장 뚜렷하게 나타납니다. 용접속도가 증가하면 그 영향력은 약해진다.
보호 가스는 일정한 압력으로 노즐 개구부를 통해 분출되어 공작물 표면에 도달합니다. 노즐의 유체역학적 형태와 출구 직경의 크기는 매우 중요합니다. 용접면을 덮을 수 있도록 분사된 쉴드가스를 구동할 수 있을 만큼 충분히 커야 하지만, 렌즈를 효과적으로 보호하고 렌즈에 금속 증기 오염이나 금속 스패터 손상을 방지하기 위해서는 노즐 크기도 제한되어야 합니다. 유량도 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 보호 가스의 층류가 난류가 되고 대기가 용융 풀에 포함되어 결국 다공성을 형성하게 됩니다.
보호 효과를 향상시키기 위해 추가 측면 분사 방식도 사용할 수 있습니다. 즉, 더 작은 직경의 노즐을 통해 보호 가스가 특정 각도로 깊은 용융 용접 구멍에 직접 들어가게 됩니다. 차폐 가스는 가공물 표면의 플라즈마 클라우드를 억제할 뿐만 아니라 홀 내 플라즈마와 작은 홀 형성에 영향을 주어 융착 깊이를 더욱 증가시키고 원하는 것보다 더 깊고 넓은 용접 이음을 얻습니다. 그러나 이 방법은 가스 흐름의 크기와 방향을 정밀하게 제어해야 하며, 그렇지 않으면 난류가 발생하기 쉽고 용융 풀이 손상되어 용접 공정이 안정화되기 어렵습니다.
6) 렌즈 초점 거리. 용접은 일반적으로 레이저 수렴 방식에 초점을 맞추는 데 사용되며 일반적으로 렌즈의 초점 거리는 63~254mm(2.5'~10')로 선택됩니다. 초점이 맞춰진 스폿 크기는 초점 거리에 비례하며, 초점 거리가 짧을수록 스폿은 작아집니다. 그러나 초점 거리는 초점 심도에도 영향을 미칩니다. 즉 초점 거리와 동시에 초점 심도가 증가하므로 초점 거리가 짧을수록 출력 밀도가 향상될 수 있지만 초점 심도가 작기 때문에 렌즈와 작업물 사이의 거리를 정확하게 유지해야 하며 녹는 깊이가 크지 않습니다. 용접 공정 및 레이저 모드 중에 발생하는 스패터의 영향으로 인해 실제 용접에서는 초점 거리가 126mm(5')보다 짧은 초점 심도를 사용합니다. 이음매가 크거나 스폿 크기를 늘려 용접 이음새를 늘려야 하는 경우 초점 거리가 254mm(10')인 렌즈를 선택할 수 있으며, 이 경우 깊은 용융 작은 구멍 효과를 달성하려면 더 높은 레이저 출력(출력 밀도)이 필요합니다.
레이저 전력이 2kW를 초과하는 경우, 특히 10.6μm CO2 레이저 빔의 경우 특수 광학 재료를 사용하여 광학 시스템을 형성하므로 포커싱 렌즈의 광학적 손상 위험을 피하기 위해 반사 포커싱 방법을 선택하는 경우가 많으며 일반적으로 반사경에 광택 구리 미러를 사용합니다. 효과적인 냉각으로 인해 고출력 레이저 빔 포커싱에 권장되는 경우가 많습니다.
7) 초점 위치. 용접에서는 충분한 출력 밀도를 유지하기 위해 초점 위치가 중요합니다. 공작물 표면을 기준으로 초점 위치의 변화는 용접 폭과 깊이에 직접적인 영향을 미칩니다. 그림 3은 1018 강철의 용융 깊이와 솔기 폭에 대한 초점 위치의 영향을 보여줍니다. 대부분의 레이저 용접 응용 분야에서 초점은 일반적으로 공작물 표면 아래 원하는 용융 깊이의 약 1/4에 위치합니다.
8) 레이저 빔 위치. 다양한 재료를 레이저 용접할 때 레이저 빔 위치는 용접의 최종 품질을 제어합니다. 특히 랩 조인트보다 이에 더 민감한 맞대기 조인트의 경우 더욱 그렇습니다. 예를 들어, 경화 강철 기어를 연강 드럼에 용접할 때 레이저 빔 위치를 적절하게 제어하면 주로 저탄소 구성 요소로 용접을 쉽게 생성할 수 있어 균열 저항성이 더 좋습니다. 일부 응용 분야에서는 용접할 공작물의 형상으로 인해 레이저 빔이 각도만큼 편향되어야 합니다. 빔 축과 접합면 사이의 편향 각도가 100도 이내이면 공작물에 의한 레이저 에너지 흡수에 영향을 미치지 않습니다.
9) 레이저 출력의 용접 시작 및 종료 지점은 점차적으로 상승하고 점진적인 감소를 제어합니다. 레이저 심융합 용접은 용접 깊이에 관계없이 항상 작은 구멍이 발생하는 현상이 존재합니다. 용접이 종료되고 전원 스위치를 끄면 용접 끝 부분에 크레이터가 나타납니다. 또한 레이저 용접층이 원래 용접부를 덮을 때 레이저 빔이 과도하게 흡수되어 용접부가 과열되거나 다공성이 발생합니다.
상기 현상을 방지하기 위해, 전원 시작 및 정지 시점을 프로그래밍하여 전원 시작 및 정지 시간을 조정할 수 있습니다. 즉, 짧은 시간 내에 시동 전원을 0에서 설정 전원 값까지 전자적으로 증가시켜 용접 시간을 조정하고 최종적으로 용접이 종료되면 전원이 설정 전원에서 0 값까지 점진적으로 감소되도록 할 수 있습니다.
