레이저 용접 기초: 비접촉 융합 기술 마스터하기

레이저 용접 기초

레이저 용접은 용접되는 부품의 한 쪽에서 용접 구역에 접근해야 하는 비접촉 공정입니다.

용접은 강렬한 레이저 빛이 물질을 급속히 가열하여 형성되며, 일반적으로 밀리초 단위로 계산됩니다.
일반적으로 세 가지 유형의 용접이 있습니다:
- 전도 모드
- 전도/관통 모드
- 관통 또는 키홀 모드
전도 모드 용접은 낮은 에너지 밀도에서 수행되어 얕고 넓은 용접 너겟을 형성합니다.
전도/관통 모드는 중간 에너지 밀도에서 발생하며, 전도 모드보다 더 깊은 관통을 보입니다.
관통 또는 키홀 모드 용접은 깊고 좁은 용접이 특징입니다.
- 이 모드에서 레이저 빛은 물질 내부로 연장되는 기화된 물질의 필라멘트인 "키홀"을 형성하여 레이저 빛이 물질 내부로 효율적으로 전달되도록 합니다.
- 에너지가 물질 내부로 직접 전달되어 관통을 위해 전도에 의존하지 않으므로, 물질로의 열 유입을 최소화하고 열영향부(HAZ)를 줄입니다.

전도 접합은 레이저 빔이 초점화되어 다음과 같은 조건에서 수행되는 공정군을 설명합니다:
- 약 10³ W/mm² 수준의 전력 밀도 제공
- 현저한 기화 없이 물질을 용융시켜 접합 생성
전도 용접에는 두 가지 모드가 있습니다:
- 직접 가열
- 에너지 전달

직접 가열 시:
- 열 흐름은 표면 열원으로부터의 고전적 열전도에 의해 지배되며, 용접은 기본 물질의 일부를 용융시켜 수행됩니다.
최초의 전도 용접은 1960년대 초 저출력 펄스 루비 및 CO2 레이저로 와이어 커넥터에 수행되었습니다.
전도 용접은 와이어 및 박판 형태의 다양한 금속과 합금에서 다양한 구성으로 수행될 수 있습니다.
- 수십 와트 수준의 CO2, Nd:YAG, 다이오드 레이저 사용
- CO2 레이저 빔의 직접 가열은 폴리머 시트의 랩 및 버트 용접에도 사용 가능

투과 용접은 Nd:YAG 및 다이오드 레이저의 근적외선 복사를 투과하는 폴리머를 접합하는 효율적인 수단입니다.
에너지는 새로운 계면 흡수 방법을 통해 흡수됩니다.
매트릭스와 보강재의 열적 특성이 유사하다면 복합재도 접합 가능합니다.
전도 용접의 에너지 전달 모드는 근적외선 복사를 투과하는 물질, 특히 폴리머에 사용됩니다.
랩 조인트 계면에 흡수 잉크를 배치합니다. 잉크가 레이저 빔 에너지를 흡수하여 주변 물질의 제한된 두께로 전도되어 용융 계면 필름을 형성하고, 이것이 고체화되어 용접 이음이 됩니다.
조인트 외부 표면을 용융시키지 않고 두꺼운 단면 랩 조인트 제작 가능.
버트 용접은 조인트 라인을 향해 한 쪽 재료를 통해 각도를 두고 에너지를 향하게 하거나, 물질이 높은 투과성을 가지면 한 끝에서 에너지를 향하게 하여 수행할 수 있습니다.

레이저 솔더링 및 브레이징 공정에서 빔은 필러 재료를 용융시키는 데 사용되며, 이는 기본 물질을 용융시키지 않고 조인트 가장자리를 적십니다.
레이저 솔더링은 1980년대 초 인쇄 회로 기판의 구멍을 통해 전자 부품 리드를 접합하는 데 인기를 얻기 시작했습니다. 공정 매개변수는 재료 특성에 의해 결정됩니다.

이 효율 개념을 정의하는 용어를 "접합 효율"이라고 합니다.
접합 효율은 단위가 (mm² 접합/kJ 공급)이므로 진정한 의미의 효율은 아닙니다.
- 효율 = V·t/P (절단에서의 비에너지의 역수) 여기서 V = 이송 속도, mm/s; t = 용접 두께, mm; P = 입사 전력, kW.

아크 증강 레이저 용접
- 레이저 빔 상호작용 지점 근처에 장착된 TIG 토치의 아크가 레이저 생성 열점에 자동으로 고정됩니다.
- 이 현상에 필요한 온도는 주변 온도보다 약 300°C 높습니다.
- 이동 속도로 인해 불안정한 아크를 안정화시키거나, 안정한 아크의 저항을 감소시키는 효과가 있습니다.
- 저전류 아크, 즉 80A 미만의 전류에서만 고정 현상이 발생합니다(느린 음극 제트).
- 아크는 레이저와 같은 쪽의 공작물에 위치하여, 자본 비용의 적당한 증가로 용접 속도를 2배로 높일 수 있습니다.
트윈 빔 레이저 용접
- 두 레이저 빔을 동시에 사용하면 용접 풀 형상과 용접 비드 모양을 제어할 수 있습니다.
- 두 전자빔을 사용하면 키홀을 안정화시켜 용접 풀의 파동을 줄이고 더 나은 관통과 비드 모양을 얻을 수 있습니다.
- 엑시머와 CO2 레이저 빔 조합으로 알루미늄이나 구리 같은 고반사율 재료의 용접에서 향상된 결합을 얻을 수 있습니다.
- 향상된 결합은 주로 다음에 기인한다고 여겨집니다:
  - 엑시머에 의한 표면 잔물결로 반사율 변경
  - 엑시머 생성 플라즈마를 통한 결합의 2차 효과

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