레이저 용접: 정밀도, 효율성, 혁신의 열쇠

보다 저렴하고 역량 있는 레이저 기술의 최근 발전이 고성능 산업용 로봇과 결합되어, 제조사에게 (전통적이지만 신뢰할 수 있는 로봇 용접 공정 대비) 더 높은 정밀도와 유연성을 제공하여 현장에서 훨씬 더 높은 생산성을 가능하게 합니다. 게다가 산업 부문에서 한때 용접 불가능하다고 여겨지던 소재들이 이제 쉽게 가공되어, 종종 독특한 제품을 만들면서 폐기물을 줄입니다.

항공우주, 자동차, 중장비 제조사의 스팟 용접 애플리케이션 대체를 위해 널리 사용되어온 원격 레이저 용접(RLW) – 비접촉 레이저 용접 기술 – 이 다양한 산업, 특히 대량 제조에서 더 복잡한 애플리케이션으로 활용이 증가하고 있습니다. 전통적인 로봇 용접이 여전히 광범위한 작업에 선호되는 방법이지만, 최고 수준의 정확도와 속도를 요구하는 애플리케이션에는 원격 레이저 용접 헤드를 장착한 산업용 로봇이 더 적합합니다. RLW를 이제 막 배우기 시작했든 로봇 구매에 가까워졌든, 다음 정보가 의사결정 과정에 도움이 될 수 있습니다.

왜 원격 레이저 용접인가?

원격 레이저 용접이 '원격(remote)'인 이유는 레이저 헤드가 100~150mm의 더 긴 스탠드오프(stand-off)를 사용하여 빔이 헤드에서 부품에 초점이 맞춰지는 지점까지 이동하기 때문입니다. 광섬유를 사용하여 레이저 빔을 레이저 헤드 엔드 이펙터로 전달하여 로봇 모션의 유연성을 크게 높이고, 간섭을 최소화하며, 충돌로 인한 값비싼 손상을 방지합니다. 원격 레이저 용접 헤드는 갈바노미터 모터(저관성, 프로그래머블 서보 모터)로 조향되는 미러로 레이저 빔을 빠르게 초점화하고 안내합니다.

이로 인해 로봇 정확도가 2차적 요소가 되어, 제조사가 SP165나 GP180 같은 기존 중량 페이로드 로봇을 헤드 포지셔닝에 구현할 수 있습니다. MC2000 II 같은 고정밀 로봇 대신 이러한 컨벤셔널 스타일 로봇을 사용하는 것이 종종 더 저렴하며 더 나은 목표 회수 기간에 부합합니다.

마찬가지로 원격 레이저 용접 헤드에는 특수 소프트웨어가 있어 로봇이 움직이는 동안 프로그램이 작동할 수 있습니다. 이는 흔히 '온더플라이(on-the-fly)' 용접으로 알려져 있습니다. 더 적은 수의 애플리케이션이 '온더플라이' 구성을 사용하지만, 야스카와는 로봇 위치 기반으로 출력을 발사하는 기능을 제공하여 로봇 모션과 레이저 헤드 모션을 매번 동일한 지점에서 동기화합니다.

RLW는 비용 효율적인가?

레이저 용접은 여전히 레이저, 헤드, 칠러에 대한 큰 자본 지출을 수반하지만 가격은 계속 하락하고 있습니다. 이러한 초기 자본 투자를 정당화하려면 충분한 물량으로 비용을 상쇄하는 것이 중요합니다. 대량 생산이 우려된다면, 평판 좋은 로봇 공급업체와 로봇 레이저 용접과 스팟 건과 타이머가 장착된 용접 로봇 설치의 장단점을 귀사 특정 애플리케이션 관점에서 상담하는 것이 유익할 수 있습니다.

마찬가지로 로봇 레이저 용접은 일반적으로 YAG 레이저(이트륨, 알루미늄, 가넷 결정의 조합)를 사용하며 유해광이 발생하여 차광 인클로저가 필요합니다. 이는 추가 비용을 더하고 자동차 차체 같은 대형 구조물에는 비현실적일 수 있습니다. 더 큰 부품의 레이저 용접을 해결하기 위해 일부 레이저 용접 헤드는 용접 영역을 둘러싸는 '부트(boot)'를 사용하여 차광 밀봉을 형성합니다. IPG의 Laser Seam Stepper(LSS)에서 볼 수 있듯 이는 차광 인클로저 요구사항을 국소화하지만 용접 길이와 범위를 제한하여 스팟 또는 스티치 스타일 용접의 이상적인 대체재가 됩니다.

RLW가 레이저 용접의 유일한 방법인가?

원격 레이저 용접 헤드는 빔을 넓은 영역으로 빠르게 이동하는 이점을 제공하며, 주어진 영역에서 여러 용접을 수행하는 동안 로봇 모션이 필요하지 않을 수 있습니다. 로봇이 부품을 고정 RLW 헤드에 제시하여 '레이저 온(laser on)' 시간 유지 부담을 분담할 수도 있습니다. RLW 헤드는 용접이 아닌 애플리케이션(예: 부품 세척용 아블레이션)에도 빔을 조작하는 데 사용될 수 있습니다.

고정 헤드를 로봇 끝에 장착하여 로봇 모션이 빔을 이동하게 할 수도 있습니다. 고정 헤드조차 빔을 흔들거나 진동시켜(wobble/oscillate) 더 넓은 용접을 만들고, 열을 분산시키며, 조인트 변형을 처리하고, 증기를 배출하는 빔 조작을 통합할 수 있습니다. 소형 페이로드, 아크 용접급 로봇을 웨블 헤드와 결합하여 소형 부품용으로 더 작고 저렴한 워크셀을 구성할 수 있습니다.

그 외 고려사항

소재
언급했듯 레이저 용접은 차세대 소재 용접의 문을 열고 있습니다. 자주 문의되는 소재 중 하나는 자동차에 사용되는 신형 초고강도 강철로, 레이저 용접이 저항 스팟 용접 대비 적합한지 여부입니다. 더 강한 강철의 야금학적 특성 때문에 레이저 용접의 급속 가열/냉각 사이클에 확실히 좋은 후보이며(저항 가열보다 느린 것보다 반응이 좋음).

더 가벼운 트럭 제작과 자동차 부품(전기차 배터리 트레이 등) 제조에 알루미늄 사용도 빠르게 증가하고 있습니다. 그 결과 후자의 레이저 용접 활용이 탄력을 받고 있습니다. 레이저 용접의 낮은 열 입력, 높은 용접 속도, 뛰어난 유연성이 자동차 배터리 부품 용접 공정의 엄격한 요건 충족을 돕기 때문입니다.

공법
저항 스팟 용접부터 마찰 교반 용접까지, 로봇 레이저 용접은 특정 공정을 대체하며 품질과 처리량을 높입니다. 다양한 로봇 용접 애플리케이션에 상당히 주목받는 특정 레이저 용접 공법으로는 핫 와이어와 하이브리드 레이저 용접이 있습니다. 마찬가지로 와이어와 파우더를 이용한 레이저 클래딩도 속도와 낮은 열 입력 덕분에 관심을 끌고 있습니다.



조인트 설계
밀착된 랩 조인트(lap joint)가 레이저 용접에 가장 적합합니다. 표면 간 미세한 간격이 레이저 용접을 레이저 커팅으로 빠르게 바꾸기 때문에 레이저 용접용 지그에는 고강도 클램핑이 사용됩니다. 레이저 용접은 스팟 용접과 달리 단면 접근만 필요하지만, 바닥은 클램핑 힘에 저항하기 위해 지지가 필요합니다.
 
표면
용접할 제품 표면도 고려해야 합니다. 이상적으로 제품에 레이저를 사용할 때는 클래스 A 표면(심미적 형상과 최적 표면 품질을 가진 자유곡면)을 사용해야 합니다. 작은 열 영향 구역이 꽤 깨끗하게 정리되기 때문입니다. 이 때문에 레이저 용접이 기존 저항 스팟 용접(RSW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 대신 가전 산업 등에서 확대되고 있습니다. 스테인리스 레인지 후드, 오븐, 냉장고가 제작되는 분야입니다.

숙련 인력
로봇을 프로그래밍할 때, 오퍼레이터가 로봇에 가르치는 공정을 이해하는 것이 중요합니다. 아크나 저항 용접 경험이 있는 숙련된 로보틱스 오퍼레이터라도 레이저 공정을 완전히 이해하지 못할 수 있습니다. 이 이유와 공정에서 최대한의 효과를 얻으면서 부품 무결성을 유지하기 위해, 기업은 레이저 용접 기술을 이해하는 인력을 고용하거나 교육하는 것을 고려해야 합니다. 볼트, 암페어, 와이어 피드 속도가 레이저 파워와 속도로 대체될 뿐만 아니라 차폐 가스와 필러 메탈의 잠재적 차이도 있습니다. 레이저 안전도 플랜트 인력이 책임져야 할 중요한 요소입니다.

조인트 지오메트리부터 부품 핏까지, 로봇 레이저 용접에는 고려할 많은 측면이 있습니다. 로봇 레이저 용접이 제공하는 견고한 품질과 처리량 증가가 귀사에 적합한지 궁금하다면, 선호하는 로봇 공급업체에 연락하여 특정 애플리케이션 질문에 대한 답을 구하는 것이 현명합니다.