Mar 16,2026
구리와 알루미늄을 다루는 것은 일반적인 적외선 레이저 용접기에게 매우 어렵다 레이저 용접기 이러한 금속들이 수신하는 빛의 대부분을 반사하기 때문입니다. 일반적으로 1마이크로미터 파장에서는 95% 이상이 반사됩니다. 그다음에는 어떻게 될까요? 금속이 충분한 에너지를 흡수하지 못하므로 양질의 용융 풀(melt pool)을 형성하기 어렵습니다. 이로 인해 용접 부위에 미세한 기공이 생기거나, 공정 중에 비산 입자가 발생하거나, 궁극적으로 부품 간 접합 강도가 약화되는 등의 문제가 발생합니다. 특히 구리의 경우, 반사율이 매우 높아 특수 장비가 필수적입니다. 515나노미터 정도의 녹색 레이저 또는 더 짧은 파장의 청색 레이저를 사용하면 흡수율이 약 40~65% 향상되어 도움이 됩니다. 또한 레이저를 펄스 방식으로 조사하면 초기 반사 급증 현상에도 효과적으로 대응할 수 있습니다. 알루미늄 역시 고유한 문제를 동반합니다. 알루미늄은 견고한 산화 피막(기술적으로 말하면 Al₂O₃)을 형성하는데, 이 피막은 절연체 역할을 하여 열이 표면을 따라 전달되는 방식을 방해하고, 다양한 불순물을 함류시킵니다. 만약 연마, 화학 처리 또는 추가 레이저 처리 등과 같은 방법으로 사전에 표면을 청소하지 않으면 용접 품질이 급격히 저하됩니다. 이러한 모든 문제들로 인해 구리와 알루미늄은 레이저 용접 난이도 순위에서 상위권에 속하게 됩니다. 제조업체는 단순히 출력을 높이는 것 이상으로, 맞춤형 렌즈, 형상화된 빔, 그리고 정밀한 제어 시스템을 필요로 합니다.
저탄소강과 같은 철계 금속, 304 및 316 등 다양한 종류의 스테인리스강, 그리고 경화 공구강은 표준 근적외선 레이저 시스템과 매우 잘 호환됩니다. 이러한 재료들은 1마이크로미터 파장에서 약 50% 수준의 상대적으로 낮은 반사율을 가지므로 레이저 에너지를 효율적으로 흡수합니다. 이는 용접 중 깊은 침투를 가능하게 하면서도 재료에 과도한 열을 가하지 않도록 해줍니다. 그 결과, 열영향부 영역이 좁아지고 전체적인 변형이 줄어들며, 용접부 강도가 원재료 자체와 동등하거나 오히려 더 높아집니다. 예를 들어, 2~4킬로와트 출력의 파이버 레이저를 사용하면 두께 3~6밀리미터의 강판을 분당 2미터 이상의 속도로 접합할 수 있으며, 이 방식으로 생성된 용접부는 일관되게 완전 관통되며 자동차의 주요 부품에도 충분한 품질을 갖춥니다. 스테인리스강의 경우 전통적인 아크 용접 방식에 비해 크롬 산화가 현저히 감소하므로 내식성 저하 없이 그 특성을 유지할 수 있는 추가적인 이점도 있습니다. 공구강은 급속 냉각 시 융합부 근처에서 경도를 거의 그대로 유지하는데, 이는 다이 및 몰드 제작에 매우 중요한 요소입니다. 이러한 금속들은 예측 가능한 거동을 보이고 용접 전 준비 작업이나 후처리 작업이 거의 필요하지 않기 때문에, 레이저 용접 응용 분야에서 생산성과 품질 측면에서 ‘골드 스탠다드’로 자리 잡았습니다.
재료 호환성에 대해 논할 때, 우리는 먼저 재료가 광자를 얼마나 흡수하는지에서 출발합니다. 여기서 핵심 요소는 전자가 광자와 얼마나 잘 상호작용하는지이며, 재료가 허용 범위를 넘어서 빛을 더 많이 반사하기 시작하면 이러한 상호작용은 급격히 감소합니다. 예를 들어, 연마된 구리의 경우, 파장 1마이크로미터의 빛을 95% 이상 반사하면서 흡수율은 10% 미만에 불과합니다. 그러나 파장 약 515나노미터의 녹색 레이저로 전환하면, 지난해 『Journal of Laser Applications』 저널에 실린 연구에 따르면, 구리의 내부 구조와 이 파장이 더 잘 일치하기 때문에 에너지 흡수율이 갑자기 40~65% 수준으로 증가합니다. 표면에서 일어나는 현상 역시 매우 중요합니다. 미세한 거칠기, 산화층, 또는 오염물질 같은 작은 변화조차도 거울처럼 매끄러운 표면의 광 흡수율을 때때로 두 배까지 높일 수 있습니다. 다만 결과는 상당히 변동성이 크기 마련입니다. 일관된 용접 품질을 확보하려는 모든 엔지니어에게 적절한 레이저 파장을 선택하는 것만으로는 부족합니다. 반사율은 더 이상 순전한 광학적 특성에 그치지 않고 제조 공정 자체의 일부가 되었기 때문에, 정확한 표면 전처리가 필수적입니다.
구리 및 알루미늄과 같이 열전도율이 높은 재료는 가공 중에 이동식 열 싱크 역할을 하기 때문에 반사율 측면에서 문제를 야기합니다. 이로 인해 에너지가 옆으로 급격히 퍼져 레이저가 충분한 국부적 융합점을 지속적으로 생성하지 못하게 됩니다. 그 결과 용접 침투 깊이가 얕아지고 전반적으로 제대로 융합되지 않은 용접 부위가 형성됩니다. 또 다른 문제는 금속 표면에 시간이 지남에 따라 자연스럽게 형성되는 산화막입니다. 예를 들어 알루미늄의 경우 Al₂O₃가, 오래된 구리의 경우 Cu₂O 코팅이 생성됩니다. 이러한 산화막은 열 전달을 저해할 뿐만 아니라 강한 열에 노출될 때 재료가 분해되는 경로를 제공합니다. 이러한 표면에 열을 가하면 산화물이 불균일하게 기화되며, 이 과정에서 갇혀 있던 기체가 방출되어 냉각 후 기공(pore) 형태로 용접 내부에 잔류하게 됩니다. 특히 알루미늄 용접의 경우, 2022년 『Welding International』에 게재된 연구에 따르면 이러한 기공 현상으로 인해 인장 강도가 거의 절반 수준으로 감소할 수 있습니다. 반면 철계 금속의 경우 용접 공정 중 산화물이 쉽게 분해되므로 상황이 다릅니다. 그러나 알루미늄과 구리의 경우 우수한 용접 품질을 확보하려면 가해지는 에너지량과 그 유지 시간을 모두 정밀하게 제어해야 합니다. 따라서 제조사가 강하고 신뢰성 있는 접합부를 생산하려면 적절한 표면 전처리가 선택 사항이 아니라 필수 조건입니다.
레이저 용접은 전도 용접과 키홀 용접이라는 두 가지 주요 방식을 통해 이루어진다. 각 방식은 서로 다른 재료와 형상에 적합하다. 전도 용접은 비교적 낮은 에너지 강도(약 10^5 W/cm² 수준)를 사용하여 재료 표면을 기화시키지 않고 녹여서 얇고 넓은 용접부를 형성한다. 이 방식은 두께가 0.5mm 이하인 얇은 부품이나, 응력 손상을 유발하지 않고 정밀 부품을 밀봉할 때 적합하다. 반면 키홀 용접은 훨씬 높은 에너지 강도(10^6 W/cm² 이상)를 필요로 하며, 이로 인해 재료가 기화되어 깊고 좁은 채널(키홀)이 형성된다. 이를 통해 두꺼운 재료에 대한 완전 관통 용접이 가능하며, 고출력 시스템을 사용할 경우 일반 탄소강에서 최대 20mm까지의 용접 깊이를 달성할 수 있다. 그러나 키홀의 안정성은 작업 대상 재료에 따라 달라지기 때문에 여러 도전 과제가 존재한다. 예를 들어, 구리의 경우 안정적인 키홀을 생성하고 유지하기 위해 강철보다 약 3배 높은 출력이 필요하다. 알루미늄 역시 산화막과 높은 열전도성으로 인해 고유한 문제를 동반한다. 용접 작업자는 키홀 붕괴 및 용접부 내 기공 발생을 방지하기 위해 초점 위치와 이동 속도를 특히 신중하게 조절해야 한다. 이러한 두 용접 방식 중 하나를 선택하는 것은 단순한 작동 설정의 차원을 넘어서, 실제로 처리 가능한 재료 두께, 접합부의 강도, 그리고 실무에서 결함에 대한 공정의 허용 범위를 결정하는 핵심 요소이다.
재료 두께 한계는 레이저 출력 및 작동 모드에 따라 예측 가능하게 변화합니다. 1 kW 연속파(CW) 레이저는 일반적으로 다음을 달성합니다:
이러한 수치는 두께 처리 능력이 절대적인 값이 아니며, 단순한 출력 외에도 흡수율, 열전도율, 빔 품질 간의 상호작용에 의해 결정됨을 강조합니다.
레이저 용접은 금속뿐만 아니라 폴리카보네이트, ABS 플라스틱, 폴리프로필렌, 그리고 일부 의료용 등급 나일론과 같은 다양한 열가소성 수지에도 효과적으로 적용됩니다. 이 공정은 선택적 흡수와 국부적 융해를 통해 이루어집니다. 플라스틱을 다룰 때는 기존 방식에서 요구되는 것처럼 표면을 제거할 필요가 없습니다. 투과 용접(Transmission welding) 방식은 레이저를 투과시키는 층(투명층)과 레이저 에너지를 흡수하는 층(일반적으로 카본 블랙 또는 적외선 흡수제와 같은 첨가제를 포함)으로 구성된 두 개의 층을 활용합니다. 그 결과는? 완전히 밀봉된 접합부이며, 가시적인 이음새 없이 매끄럽고 깔끔한 외관을 갖습니다. 이러한 특성 덕분에 이 기술은 마이크로플루이딕 시스템, 센서용 하우징, 그리고 일반 접착제나 나사로는 사용이 불가능한 인체 내 이식용 부품 제작 등에 특히 유용하게 활용되고 있습니다.
강철과 알루미늄, 또는 구리와 스테인리스강처럼 서로 다른 재료를 접합할 때 레이저는 전통적인 아크 용접 또는 저항 용접 기술보다 실제로 더 우수한 성능을 발휘합니다. 그 주된 이유는 무엇일까요? 바로 레이저가 두 재료가 만나는 지점에 정확히 에너지를 집중시킬 수 있기 때문입니다. 이러한 집중형 방식은 금속 사이에 취성 화합물이 형성되는 것을 방지하는 데 도움을 줍니다. 다만, 우수한 결과를 얻기 위해서는 모든 공정 조건을 정확히 설정하는 것이 매우 중요합니다. 제조업체는 각 재료가 가열될 때 얼마나 팽창하는지 주의 깊게 관찰해야 하며, 접합 부위 전체에서 온도를 안정적으로 유지하고, 가열 과정에서 생성되는 표면 산화물도 적절히 처리해야 합니다. 물론 갈바니 부식이나 재료 강도 약화와 같은 문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있지만, 전반적으로 볼 때 레이저 용접은 서로 다른 금속 간에 강력한 접합부를 형성하는 데 가장 정밀한 방법으로 여겨집니다. 우리는 이 기술이 EV 배터리 팩 및 혼합 재료로 제작된 항공기 부품 등 다양한 분야에서 큰 차별화를 가져오고 있음을 확인할 수 있습니다.
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