레이저 용접은 고에너지 밀도 용접 방법으로, 열 입력 집중, 좁은 용접 비드, 낮은 변형이 특징이며 금속 가공 산업에서 널리 사용됩니다. 용접 중 용접 부위가 산소 또는 산화성 가스에 노출되면 산화가 발생하여 검은색, 노란색, 파란색 또는 산화물 색상의 용접 표면이 나타날 수 있으며, 이는 기계적 성능과 외관 품질에 부정적인 영향을 미칩니다. 이 기사에서는 재료 특성, 환경 요인, 가스 차폐 및 공정 매개변수 관점에서 용접 산화의 주요 원인을 분석합니다.
1. 용접 산화의 기본 메커니즘
용접 산화는 고온 금속이 산소 또는 산화성 가스와 반응할 때 발생합니다. 레이저 용접 영역의 온도는 1000℃~3000℃에 달할 수 있으며, 용융 풀과 열영향부는 열적으로 활성화된 상태로 유지되어 산소 침투 및 산화층 형성을 증가시킵니다. 일반적인 산화 반응은 다음과 같습니다:
금속 + O₂ → 금속 산화물
합금 원소의 우선적 산화 (예: Cr, Mn, Ti, Al)
따라서 산화 정도는 온도, 재료 조성 및 산소 농도와 밀접한 관련이 있습니다.
2. 용접 산화의 주요 원인
(1) 불충분한 가스 차폐
이는 레이저 용접 중 산화의 가장 일반적인 원인이며 일반적으로 다음을 포함합니다:
불충분한 가스 흐름으로 인한 불완전한 산소 격리
부적절한 노즐 각도로 인한 불완전한 커버리지
부적절한 가스 유형 (예: 아르곤보다 덜 비활성인 질소)
가스 디퓨저 또는 차폐 구조의 부적절성
차폐 가스의 일반적인 산화 방지 효과는 다음과 같습니다:
아르곤 ＞ 헬륨 ＞ 질소 ＞ 차폐 없음
차폐가 불충분하면 용융 풀이 냉각 중에 공기에 노출되어 산화가 증가합니다.
(2) 용접 환경의 높은 산소 농도
용접 환경에 환기 불량 또는 낮은 가스 순도로 인해 과도한 산소가 포함된 경우 차폐 효과가 감소합니다. 일반적인 조건은 다음과 같습니다:
과도한 산소 함량을 가진 저순도 차폐 가스
주변 기류가 용접 영역에 산소를 유입
가스 라인 누출로 인한 공기 유입
예를 들어, 산업용 아르곤 순도가 99.99% 미만이면 용접 산화가 현저하게 증가할 수 있습니다.
(3) 높은 산화 경향을 가진 재료
다른 재료는 서로 다른 화학 반응성을 나타냅니다. 다음 원소를 포함하는 금속은 산화되기 쉽습니다:
Cr, Mn, Si, Al, Ti 및 기타 활성 원소
고망간강, 스테인리스강, 티타늄 합금 및 마그네슘 합금
예시:
스테인리스강은 600℃ 이상에서 산화크롬을 형성하는 크롬을 함유하여 변색을 유발합니다.
티타늄 합금은 400℃ 이상에서 산소와 반응하여 용접 변색 및 취성을 유발합니다.
따라서 재료 특성은 산화 거동에 중요한 역할을 합니다.
(4) 과도한 레이저 열 입력
열 입력은 용융 풀 온도와 지속 시간을 결정합니다. 과도한 열 입력은 다음을 유발합니다:
더 높은 용융 풀 온도와 강화된 산화
더 긴 냉각 시간, 산화 노출 창 증가
결과적인 용접 변색은 종종 다음과 같은 순서를 따릅니다:
금색 → 파란색 → 보라색 → 회색/검은색
더 어두운 색상은 일반적으로 더 높은 산화 수준을 나타냅니다.
(5) 낮은 용접 속도
용접 속도는 용융 풀 노출 시간과 반비례합니다:
느린 속도 → 더 긴 노출 → 산화 증가
빠른 속도 → 더 짧은 노출 → 산화 감소
산화 변색은 낮은 이동 속도에서 얇은 판 용접에서 특히 흔합니다.
(6) 용접 후 차폐 부족
일부 재료는 냉각 중에 용접 후 차폐가 필요합니다. 그렇지 않으면 재료가 뜨거운 상태로 유지되는 동안 산화가 발생할 수 있습니다. 일반적인 경우는 다음과 같습니다:
트레일링 가스 차폐가 필요한 티타늄 합금
내부 차폐 (아르곤 백 퍼징)가 필요한 스테인리스강 튜빙
불충분한 후 차폐는 눈에 보이는 열 변색 및 산화층을 초래합니다.
3. 용접 산화의 영향
용접 산화는 외관뿐만 아니라 다음을 유발할 수 있습니다:
내식성 감소 (크롬 산화는 스테인리스강의 부동태화를 감소시킴)
연성 및 인성 감소 (예: 티타늄 취성)
균열 민감도 증가
피로 성능 감소
후처리 요구 사항 증가 (산 세척 또는 기계적 제거)
따라서 높은 용접 품질 요구 사항을 가진 산업은 산화 수준을 제어해야 합니다.
레이저 용접 중 용접 산화는 주로 불충분한 차폐, 재료 산화 경향, 높은 환경 산소 수준, 높은 열 입력 및 부적절한 용접 속도로 인해 발생합니다. 산화를 줄이기 위해 가스 차폐 전략, 공정 매개변수, 장비 설계 및 환경 조건을 결합하여 최적화해야 합니다.