레이저 용접은 어떻게 작동하나요?

핵심 물리학: 레이저 에너지가 용접을 생성하는 방식

에너지 흡수, 융해 임계점 및 재료의 열적 반응

레이저 용접이 시작되면 강력한 광자가 금속 표면에 충돌하여 그들의 에너지를 내부의 전자에게 전달한다. 처음에는 금속들이 근적외선 빛을 거의 흡수하지 못하고 실제로 50%에서 90%까지 반사한다. 그러나 강철 재료에서 약 1500도 섭씨에서 용융이 시작되면 상황이 크게 달라진다. 이 상전이 과정에서 에너지 흡수 능력은 약 10배 정도 증가한다. 이러한 모든 현상을 일으키는 요인은 주로 전력 밀도에 달려 있다. 대부분의 공학용 합금은 제곱센티미터당 100만 와트 이상의 조건에 노출될 때 안정적으로 용융되기 시작한다. 열전도율 역시 필요한 에너지 양을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어 구리의 열전도율은 401와트/미터 켈빈으로, 티타늄의 단지 22와트/미터 켈빈에 비해 훨씬 높다. 즉, 유사한 용입 깊이를 얻기 위해 구리는 약 3배 더 많은 에너지를 필요로 한다. 용접 품질을 유지하려면 정밀한 온도 제어가 필요하다. 최고 온도가 재료의 기화에 필요한 온도의 80%를 초과하면 과도한 기화로 인해 생성된 증기가 팽창하면서 최종 제품에 원치 않는 기공(porosity)이 발생하게 된다.

전도 모드 대 키홀 모드: 언제 그리고 왜 각각이 발생하는지

용접 모드 선택은 제어성과 관통 깊이 사이의 근본적인 타협을 반영합니다:

전도 용접 방식에서는 열이 재료를 통해 옆으로 퍼지기 때문에, 열 입력을 낮게 유지해야 하는 배터리 케이스 봉합에 적합합니다. 강도가 증가하면 키홀 모드로 전환됩니다. 이 경우 금속 내부에 증기 압력이 일시적인 구멍을 형성하여 레이저 빔이 작업물 내부 더 깊이 침투할 수 있게 합니다. 이 방식은 두께 약 15mm의 조선용 강판에도 단일 패스 용접이 가능하지만, 작업자는 용접 조건을 매우 주의 깊게 관리해야 합니다. 빔 위치는 물론 출력 수준과 토치 이동 속도가 매우 중요합니다. 공장 환경에서 의외로 자주 발생하는 키홀 붕괴는 최종 제품의 강도를 약화시키고 재작업을 요구하는 기포(pores)를 생성할 수 있습니다.

레이저 용접기의 주요 구성 요소

광섬유 레이저 소스: 펌핑, 이득 매질 및 빔 생성

반도체 다이오드를 사용하여 희토류 물질을 포함하는 특수 광섬유를 펌프할 때, 파이버 레이저는 밝고 집속된 빛을 생성한다. 이 과정은 이러한 증폭 매체 내부에서 자극 방출이 발생하여 약 1,060~1,080나노미터 범위의 안정적인 레이저 빔을 만들어낸다. 이 파장 범위는 대부분의 금속이 에너지를 가장 잘 흡수하는 영역과 일치하므로 산업용 응용 분야에 이상적이다. 빔의 품질이 얼마나 좋은지도 매우 중요하다. M 제곱 값이 1.1 미만일 경우 더 나은 빔 품질로 인해 레이저를 더 작은 지점에 집중시킬 수 있으며 절단 또는 용접 작업 중 더 깊은 재료 침투가 가능하다. 열 관리 또한 제조업체가 간과할 수 없는 요소이다. 온도가 너무 높아지면 출력 전력이 크게 감소하는데, 작년에 'Material Processing Journal'에 발표된 연구에 따르면 설계 기준을 초과하는 온도에서 섭씨 10도당 약 15%씩 감소한다.

빔 전달, 집광 광학 장치 및 출력 밀도 제어

레이저 빔은 유연한 광섬유를 통해 전달되어 보호 창, 콜리메이터, 갈바노 스캐너 및 빔을 20마이크로미터 크기의 점으로 형성하고 초점 맞추는 특수 F-세타 렌즈와 같은 다양한 출력 구성 요소에 도달합니다. 키홀 모드에서 작동할 때 이러한 레이저는 제곱센티미터당 100만 와트가 넘는 출력 밀도를 생성하며, 이는 곧 재료가 거의 즉시 기화된다는 것을 의미합니다. 레이저의 초점 거리를 조절하거나 원형 진동과 같은 기술을 사용하면 용융 풀의 안정성을 유지하고 용접 중 불필요한 스패터를 줄이는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 초점 거리 조정 시, 초점 거리를 짧게 하면 출력 밀도가 약 40퍼센트 증가하지만 초점 심도에 대한 허용 오차가 더 엄격해집니다. 이는 다양한 부품에서 일관된 용접 품질을 유지하기 위해 매우 정밀한 모션 컨트롤 시스템이 필요함을 의미합니다.

용접 형성 과정: 조사부터 견고한 접합까지

용융 풀 역학, 키홀 안정성 및 응고 미세구조

레이저 빔이 재료에 도달하면 해당 영역이 녹는 점 이상으로 급격히 가열되어 용접 방식에 따라 다르게 행동하는 용융 풀을 형성한다. 키홀 용접의 경우, 증기 압력으로 인해 깊고 좁은 구멍이 생성되며 때때로 최대 25mm 깊이까지 도달하기도 한다. 이 공동의 안정성은 결함 측면에서 매우 중요하며, 지난해 <Journal of Materials Processing>의 연구에 따르면 키홀이 붕괴될 경우 난류가 발생하여 생산 용접의 약 12%에서 기공(pores)이 생성될 수 있다. 전도 모드 용접은 비교적 얕은 용융 풀을 형성하며 유체의 움직임이 적어 안정적인 상태를 유지한다. 레이저가 이동함에 따라 초당 백만 도 이상의 속도로 냉각되기 때문에 금속은 거의 즉시 응고된다. 이러한 극도로 빠른 냉각은 결정립 구조를 개선하고 접합부를 약화시키는 취성 금속간 화합물을 줄이는 데 도움이 된다. 시험 결과에 따르면 이로 인해 레이저 용접 부품은 기존 아크 용접 방식으로 제작한 유사 제품보다 약 30% 더 연성이 좋아진다. 좋은 결과를 얻으려면 키홀의 형태와 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 하며, 따라서 올바르게 설정된 레이저 용접 시스템이 균일한 결정립 구조를 얻는지, 아니면 응력을 집중시키는 문제 있는 수지상 구조(dendritic structures)가 생기는지 여부에 큰 차이를 만든다.

레이저 용접이 정밀성과 성능을 제공하는 이유

레이저 용접은 일관성 있는 빛을 지름 0.1mm 미만의 매우 작은 지점에 집중시키고 빔 발산각을 0.1도 이하로 유지함으로써 정밀도가 매우 높아집니다. 이렇게 하면 1제곱센티미터당 1MW 이상의 전력 밀도를 생성하여 재료가 필요한 위치에서 신속하게 녹도록 하면서 열영향부위를 약 0.5mm 정도로 극도로 작게 유지할 수 있습니다. 이는 아크 용접 방식의 5~15mm와 비교되는 수치입니다. 최종 결과는 부품의 변형이 거의 없고 원래 금속 특성이 그대로 유지되며 알루미늄-리튬 합금이나 니티놀과 같은 까다로운 합금도 문제 없이 작업할 수 있다는 점입니다. 최신 시스템에는 용융 금속의 흐름과 응고 과정을 제어하는 빔 진동 및 펄스 성형 기능과 같은 유용한 기술이 탑재되어 있습니다. 로봇 암과 결합하면 레이저 용접기는 초당 100mm 이상의 놀라운 속도로 일관되고 강력한 용접 이음부를 생성할 수 있으며, TIG 또는 MIG 용접 기술보다 2배에서 10배까지 더 빠릅니다. 이러한 시스템은 구리와 알루미늄을 접합하면서 성가신 금속간 화합물층을 정밀하게 관리하는 것과 같은 다양한 어려운 위치 및 서로 다른 재료 조합도 처리할 수 있습니다. 항공우주 부품에서 의료기기, 전기차(EV)에 이르기까지 다양한 산업 분야의 제조업체들은 불량률 감소, 마감 작업 필요성 감소 및 전반적인 생산성 지표 향상을 경험하고 있습니다.