레이저 용접 설명: 기술, 종류 및 산업 응용

레이저 용접이란?

레이저 빔 용접(LBW)은 레이저를 사용하여 금속 또는 열가소성 플라스틱 조각을 접합하는 용접 기술입니다. 빔은 집중된 열원을 제공하여 좁고 깊은 용입과 높은 용접 속도를 가능하게 합니다. 키홀 또는 관통 모드 용접을 기반으로 합니다.

레이저 용접은 전도 제한 용접과 키홀 용접이라는 두 가지 근본적으로 다른 모드로 작동합니다. 레이저 빔이 용접 중인 재료와 상호작용하는 모드는 공작물에 닿는 빔의 전력 밀도에 따라 달라집니다.

이 공정은 자동차 산업과 같이 자동화를 사용하는 대량 생산 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 레이저 용접의 주요 장점은 높은 에너지 밀도로 인해 조인트 에지 부분의 영역만 용해시켜 부품의 넓은 영역에 영향을 주지 않는다는 것입니다.

레이저 용접은 아크 용접 공정에 비해 상대적으로 낮은 열 입력으로 높은 종횡비 용접을 생성하는 고출력 밀도 융합 용접 공정입니다. 또한 레이저 용접은 "진공 외부에서" 수행할 수 있으며, 근적외선 고체 레이저 빔의 광섬유 전달은 다른 접합 기술에 비해 유연성을 높여줍니다.

레이저 빔 기계 장비

레이저 빔 용접의 주요 부품 또는 장비는 다음과 같습니다:

• 레이저 기계: 용접용 레이저를 생성하는 기계입니다. 레이저 기계의 주요 구성 요소는 아래와 같습니다.
• 전원: 레이저 기계에 고전압 전원을 가해 레이저 빔을 생성합니다.
• CAM: 레이저 기계가 컴퓨터와 통합되어 용접 공정을 수행하는 컴퓨터 지원 제조입니다. 레이저에 의한 용접 공정 중 모든 제어 동작은 CAM이 수행합니다. 용접 공정을 크게 가속화합니다.
• CAD: 컴퓨터 지원 설계라고 합니다. 용접할 작업을 설계하는 데 사용됩니다. 여기서 컴퓨터를 사용하여 공작물을 설계하고 용접이 어떻게 수행되는지 결정합니다.
• 쉴딩 가스: 용접 공정 중 공작물의 산화를 방지하기 위해 쉴딩 가스를 사용할 수 있습니다.

레이저 빔 용접 작동 원리

레이저 용접은 레이저 빔을 사용하여 금속 또는 열가소성 플라스틱을 접합하여 용접을 형성하는 공정입니다. 매우 집중된 열원이므로 얇은 재료에서는 분당 미터 단위의 높은 용접 속도로 수행할 수 있고, 두꺼운 재료에서는 각진 부품 사이에 좁고 깊은 용접을 생성할 수 있습니다.

레이저 빔 용접은 원자의 전자가 에너지를 받아 들뜨게 되면 일정 시간 후 바닥 상태로 돌아가면서 빛의 광자를 방출한다는 원리로 작동합니다.

이 방출된 광자의 농도는 복사 유도 방출에 의해 증가되어 고에너지 집중 레이저 빔을 얻습니다. 유도 방출에 의한 빛 증폭을 레이저라고 명명합니다.

초기에 용접 기계는 (접합할 두 금속 조각 사이) 원하는 위치에 설정됩니다. 설정 후 고전압 전원이 레이저 기계에 가해져 작업을 수행합니다.

렌즈는 용접이 필요한 영역에 레이저를 집중시키는 데 사용됩니다. CAM은 용접 공정 중 레이저 속도와 공작물 테이블을 제어하는 데 사용됩니다.

기계의 플래시 램프를 시작하여 빛 광자를 방출합니다. 빛 광자의 에너지는 루비 결정 원자에 흡수되어 전자가 더 높은 에너지 준위로 들뜹니다. 낮은 에너지 상태 또는 바닥 상태로 돌아가면 빛의 광자를 방출합니다.

이 빛 광자가 다시 원자의 전자를 자극하여 두 개의 광자를 생성합니다. 이 공정이 계속되어 원하는 위치에서 여러 조각을 함께 용접하는 데 사용되는 집중된 레이저 빔을 얻습니다.

사용되는 레이저 종류

1. 가스 레이저: 레이저 매질로 가스 혼합물을 사용하여 레이저를 생성합니다. 질소, 헬륨, CO2 같은 가스 혼합물이 레이저 매질로 사용됩니다.
2. 고체 레이저: 합성 루비 결정(산화알루미늄의 크로뮴), 유리 속 네오디뮴(Nd: 유리), 이트륨 알루미늄 가넷 속 네오디뮴(Nd-YAG, 가장 일반적으로 사용됨) 같은 여러 고체 매질을 사용합니다.
3. 파이버 레이저: 이 레이저 유형에서 레이저 매질은 광섬유 자체입니다.

레이저 빔 기계의 장점

레이저 빔의 정밀한 제어는 TIG, MIG, 스팟 용접보다 사용자에게 여러 이점을 제공합니다:

• 용접 강도: 레이저 용접은 좁고 우수한 깊이-폭 비율과 높은 강도를 가집니다.
• 열영향부: 열영향부가 제한되고, 급속 냉각으로 주변 재료가 어닐링되지 않습니다.
• 금속: 레이저는 탄소강, 고강도강, 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 귀금속뿐만 아니라 이종 재료도 성공적으로 용접합니다.
• 정밀 작업: 작고 엄격하게 제어된 레이저 빔으로 미니어처 부품의 정밀 미세 용접이 가능합니다.
• 변형: 부품의 변형이나 수축이 최소화됩니다.
• 비접촉: 재료와 레이저 헤드 사이에 물리적 접촉이 없습니다.
• 단면 용접: 레이저 용접은 한쪽 면만 접근하면 되는 스팟 용접을 대체할 수 있습니다.
• 스크랩: 레이저 용접은 제어 가능하며 낮은 양의 스크랩을 생성합니다.

레이저 빔 기계의 단점

• 용접 장비가 비싸서 공정 비용이 높습니다.
• 충전재가 필요하지만 이 공정에서는 충전재 사용으로 제한된 양만 생산되어 상대적으로 비쌉니다.
• 몇 가지 용접 후 작업도 있습니다.
• 조인트는 빔 아래에서 측면으로 정확하게 위치해야 합니다.
• 조인트의 최종 위치는 빔 조사점과 정확하게 정렬되어야 합니다.
• 레이저 빔으로 용접할 수 있는 최대 조인트 두께는 다소 제한됩니다.
• Al, Cu 합금처럼 열전도율과 반사율이 높은 재료는 레이저 용접성에 영향을 줄 수 있습니다.
• 중간~고출력 레이저 용접 시 용접 재현성을 보장하기 위해 적절한 플라즈마 제어 장치를 사용해야 합니다.
• 레이저는 에너지 변환 효율이 낮은 경향이 있어 10% 미만입니다.
• LBM의 급속 응고 특성 결과로 일부 용접 기공과 취성이 예상됩니다.

레이저 빔 기계의 응용

• 자동차 산업에서 두드러집니다. 대량 생산이 필요한 분야에서 사용됩니다.
• 고정밀 용접에 사용됩니다. 전극을 사용하지 않아 최종 용접이 가볍지만 강합니다.
• 레이저 용접은 보석 제작에도 자주 사용됩니다.
• 의료 산업에서 소규모로 금속을 접합하는 데 레이저 빔 용접이 사용됩니다.