레이저 빔과 전자빔 용접:응용 분야에 가장 적합한 공정 선택

레이저 빔 용접(LBW)과 전자 빔(EBW) 용접을 지지하는 사람들은 각각 자신이 선호하는 기술에 대해 칭찬을 아끼지 않지만 고객을 위한 최선의 솔루션은 두 기술을 함께 사용하는 것인 경우가 많습니다. 두 공정 모두 복잡한 형상의 부품을 결합하는 데 매우 적합하며 최종 조립품의 야금학적 특성에 대한 가장 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

그림 1. 고체 레이저 용접 시스템(사진 제공:TRUMPF Inc.)

단일 시설에서 레이저와 전자빔 기술을 모두 사용하면 구성 요소 설계에 하나의 공정 또는 다른 공정에 맞게 개별적으로 맞춤화된 여러 용접 접합이 통합되어 있는 경우 제조 공정을 간소화할 수 있습니다. 예를 들어 완성된 부품 내에 불활성 가스나 진공을 밀봉해야 하는 센서, 의료 기기 및 제품이 있습니다.

레이저 가공은 최종 조립품의 크기가 EB 용접 챔버에 비해 너무 크거나 조립품의 일부 구성 요소가 진공 가공(예:액체 또는 가스)과 호환되지 않거나 용접이 전자 빔 소스에 접근할 수 없는 경우에 필요합니다. 완성된 조립품을 진공 상태에서 내부 부품으로 밀봉해야 할 때, 용접 관통부가 1/2인치를 초과할 때, 재료가 레이저 커플링을 시작하기 어려울 때, 용접이 허용 가능한 온도로 냉각될 때까지 대기 조건에 노출되어서는 안 될 때 전자빔이 기본 선택이 됩니다. 티타늄과 그 합금, 그리고 텅스텐, 니오븀, 레늄, 탄탈륨과 같은 많은 내화 금속의 항공우주 용접이 그 예입니다.

LBW – 더 간단한 툴링 및 더 짧은 주기 시간

레이저 용접 에너지원은 연속파(CW) 또는 펄스 광자 출력을 활용합니다. CW 시스템을 사용하면 용접 프로세스 중에 레이저 빔이 항상 켜져 있습니다. 펄스 시스템은 해당 펄스 사이에 오프 시간을 두고 일련의 펄스를 출력하도록 변조됩니다. 두 방법 모두 레이저 빔은 용접할 작업물 표면에 광학적으로 초점을 맞춥니다. 이러한 레이저 빔은 기존의 하드 광학 장치를 통해 부품에 직접 전달되거나 레이저 에너지를 먼 작업장에 전달할 수 있는 매우 유연한 광섬유 케이블을 통해 전달될 수 있습니다.

레이저의 높은 에너지 밀도 덕분에 재료 표면이 빠르게 액상 온도에 도달할 수 있어 GTAW(TIG 용접) 및 유사한 프로세스와 같은 기존 용접 방법에 비해 빔 상호 작용 시간이 짧아집니다. 따라서 에너지가 공작물 내부로 소산되는 시간이 줄어듭니다. 그 결과 열 영향을 받는 부분이 좁아지고 부품의 피로도가 줄어듭니다.

빔 에너지 출력은 고도로 제어되고 변조되어 임의의 펄스 프로필을 생성할 수 있습니다. 용접 이음매는 개별 펄스를 겹쳐서 생성할 수 있으며, 이는 펄스 사이에 짧은 냉각 주기를 도입하여 열 입력을 줄여 열에 민감한 재료에 용접을 생성하는 데 유리합니다.

레이저 클래딩, 전자 빔 및 레이저 용접 응용 분야의 CT 기반 혁신 기업인 Joining Technologies의 재료 엔지니어인 Salay Stannard는 CW 레이저는 최대 0.5인치 이상의 관통력을 달성할 수 있는 반면 펄스 레이저는 일반적으로 0.030~0.045인치에 불과하다고 말합니다. 그녀는 "이러한 결과는 레이저 시스템마다 다를 수 있으며 가공 매개변수 선택 및 접합 설계에 따라 크게 달라집니다."라고 말합니다. 그림 1은 고체 레이저 용접 시스템의 구성을 보여줍니다.

Stannard는 “이러한 유형의 용접 공정에서 열원은 빛의 에너지이므로 용접 재료의 반사율을 고려해야 합니다. 예를 들어, 금, 은, 구리, 알루미늄은 더 강렬한 에너지 투입이 필요합니다. 일단 녹으면 반사율이 감소하고 공정의 열전도도가 진행되어 침투가 이루어집니다.”

언급한 바와 같이 레이저의 출력 밀도가 높기 때문에 열에 영향을 받는 부분이 작아지고 중요한 구성 요소가 손상되지 않도록 보장됩니다. 이는 수술 기구, 전자 부품, 센서 어셈블리 및 기타 여러 정밀 장치에 특히 유리합니다. EBW와 달리 LBW는 엑스레이를 생성하지 않으며 자동화 및 로봇 공학으로 쉽게 조작됩니다. 일반적으로 LBW는 툴링 요구 사항도 더 간단하며 진공 챔버의 물리적 제약이 없습니다. 사이클 시간이 짧을수록 품질 저하 없이 비용 이점을 누릴 수 있습니다. 표 1에는 연속파 및 펄스 LBW의 장점이 나열되어 있습니다.

EBW – 더 깊은 용접 침투 및 오염 방지

많은 산업 분야에서 널리 사용되는 EBW는 일반적으로 다른 방법에 적합하지 않은 내화성 및 이종 금속의 용접을 허용합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 가공물은 매우 빠른 속도로 이동하는 집중된 전자 흐름으로 충격을 받습니다. 전자의 운동에너지는 열에너지로 변환되고, 이는 핵융합의 원동력이 됩니다. 일반적으로 추가 충전재가 필요하거나 사용되지 않으며 용접 후 변형이 최소화됩니다. 초고에너지 밀도는 깊은 침투와 높은 종횡비를 가능하게 하며, 진공 환경은 티타늄, 니오븀, 내화성 금속, 니켈 기반 초합금과 같은 금속에 중요한 대기 가스 오염 없는 용접을 보장합니다.

그림 2. 전자빔 용접

그러나 진공에서 작동하는 데 가장 필요한 것은 전자빔을 정밀하게 제어하는 것입니다. 산란은 전자가 공기 분자와 상호 작용할 때 발생합니다. 주변 압력을 낮추면 전자를 더욱 엄격하게 제어할 수 있습니다.

현대식 진공 챔버에는 최첨단 씰, 진공 센서 및 신속한 대피를 가능하게 하는 고성능 펌핑 시스템이 장착되어 있습니다. 이러한 기능을 통해 전자빔을 0.3~0.8mm 직경으로 집중시킬 수 있습니다.

뛰어난 부품 조작을 위한 최신 마이크로프로세서 컴퓨터 수치 제어(CNC)와 시스템 모니터링을 통합함으로써 작은 부품을 과도하게 녹이지 않고 다양한 크기와 질량의 부품을 결합할 수 있습니다. 전자빔의 직경과 이동 속도를 정밀하게 제어하면 0.001인치에서 수 인치 두께의 재료를 융합할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 EBW는 매우 가치 있는 기술이 되었습니다.

이 공정은 가공물에 최소한의 열을 가해 왜곡을 최소화하고 마무리 가공된 부품을 추가 처리 없이 결합할 수 있도록 해줍니다. 표 2에는 EB 용접의 주요 장점이 나열되어 있습니다.

Enfield CT 기반 PTR-Precision Technologies, Inc.의 마케팅 및 일반 영업 관리자인 John Rugh에 따르면 EBW는 오랫동안 사용될 프로세스입니다. "대부분의 EB 용접은 진공 챔버 내부에서 수행되기 때문에 항공우주, 발전, 의료, 원자력과 같은 산업에서 사용되는 첨단 소재를 접합하는 데 매우 적합합니다. 이러한 소재는 야외 환경에서 발견되는 산소와 질소로부터 보호하기 위해 진공 환경에서 생산되어야 합니다."

그는 "용접 환경의 청결도는 걱정할 필요가 없는 변수 중 하나입니다. 새로운 EB 용접 제어 장치는 이상적인 용접 환경을 제공할 뿐만 아니라 빔의 빠른 전자기 편향을 허용하여 용접 및 주변 영역의 열 입력을 최적의 재료 특성에 맞게 맞춤화할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

연속 동축 분말 공급 노즐을 사용하면 높은 분말 효율이 필요한 다방향 레이저 클래딩이 가능합니다. 또한 티타늄과 같이 극심한 산화에 매우 민감한 재료에 대해 탁월한 대기 차폐 기능을 제공합니다.

예를 들어, 이러한 빠른 편향을 통해 빔 위치, 초점 및 전력 수준을 빠르게 이동함으로써 예열, 용접 및 사후 가열을 동시에 수행할 수 있습니다. 이는 어렵거나 "용접이 불가능한" 합금을 용접할 수 있는 능력을 제공합니다.

매사추세츠에 본사를 둔 Cambridge Vacuum Engineering의 총괄 관리자인 Geoffrey Young에 따르면, "EBW 부품에는 최소한의 용접 후 가공 및 열처리가 필요하며 다른 융합 용접 공정과 달리 EBW에는 보호 가스가 필요하지 않습니다." 그는 "용접 품질이 탁월하고 프로세스가 매우 효율적이며(일반적으로 95%) 모든 프로세스 매개변수가 신중하게 제어되고 프로세스가 완전히 자동화되었습니다"라고 덧붙입니다.

두 세계의 최고

John Rugh에 따르면 LBW는 강판 금속 부품과 1/3~1/2인치 두께 미만의 가공 부품을 용접하는 데 일반적으로 사용됩니다. 레이저 용접은 진공 챔버 내부 처리에 적합하지 않은 부품을 접합하는 데에도 유용합니다.

Rugh는 "일부 부품 및 관련 용접 설비는 너무 커서 사용 가능한 EB 용접 챔버에 맞지 않을 수 있습니다."라고 말했습니다. "크기 외에도 용접되는 부품에 진공 펌핑을 방해하는 액체가 포함되어 있는 경우 레이저 용접이 좋은 선택이 될 것입니다." EB 용접 챔버를 비우는 데 몇 분이 걸리며 덜 민감한 용접의 경우에는 그 시간이 가치가 없을 수도 있습니다.

티타늄 및 니켈 합금과 같이 진공 환경에서 이점을 얻을 수 있는 재료로 제작된 부품의 가치가 높거나 용접 깊이가 1/3~1/2인치보다 깊거나 알루미늄 합금과 같이 레이저 빔이 용접되는 재료와 결합하기 어려운 경우 레이저 용접 대신 EB 용접을 선택하는 경우가 많습니다.

각 기술에는 고유한 장점이 있지만 실제로는 많은 부품 설계에 EB 용접과 레이저 용접이 모두 포함되어 있습니다. 이러한 경우 동일한 시설에서 두 가지 용접 유형을 모두 수행하면 제조 공정이 확실히 간소화됩니다.

이 기사는 Joining Technologies(East Granby, CT)의 프로세스 개발 기술자인 John Lucas가 작성했습니다. 자세한 내용은 John에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 http://info.hotims.com/34454-200을 방문하세요.