레이저 용접 완벽 가이드: 원리, 레이저 종류, 장단점 및 산업 응용

레이저 용접(Laser Welding)이란?

레이저 빔 용접(Laser Beam Welding, LBW)은 레이저 사용해 금속 또는 열가소성 플라스틱 조각 접합하는 용접 기술. 빔이 집중된 열원 제공해 좁고 깊은 용입, 높은 용접 속도 가능. 키홀(Keyhole) 또는 관통 모드 용접 기반.

레이저 용접은 전도 제한 용접(Conduction Limited Welding)과 키홀 용접(Keyhole Welding) 두 근본적으로 다른 모드 작동. 공작물 타격 빔 파워 밀도에 따라 모드 결정.

자동화 활용 대량 생산 응용에 빈번 사용(자동차 산업 등). 레이저 용접 주장점: 높은 에너지 밀도로 접합부 모서리 영역만 용융, 부품 넓은 영역 영향 없음.

레이저 용접 = 고출력 밀도 융합 용접 공정. 아크 용접 대비 상대적으로 낮은 열입력으로 높은 종횡비 용접 생성. 또한 '진공 밖' 수행 가능, 근적외선 고체 레이저 빔 광섬유 전달로 타 접합 기술 대비 유연성 증대.

레이저 빔 머신 장비

레이저 빔 용접 주요 부품/장비:

• 레이저 머신(Laser Machine): 용접용 레이저 생산 기계. 주요 구성요소 아래 표시.
• 전원(Power Source): 고전압 전원 레이저 머신 인가→레이저 빔 생성.
• CAM: 컴퓨터 지원 제조. 레이저 머신 컴퓨터 통합→용접 공정 수행. 용접 중 모든 제어 동작 CAM 수행. 용접 공정 대폭 가속.
• CAD: 컴퓨터 지원 설계. 용접 작업 설계용. 컴퓨터로 공작물 설계·용접 수행 방식 설계.
• 차폐 가스(Shielding Gas): 용접 공정 중 공작물 산화 방지용 차폐 가스 사용 가능.

레이저 빔 용접 작동 원리

레이저 용접 = 레이저 빔으로 금속/열가소성 플라스틱 접합해 용접 형성 공정. 집중 열원이라 얇은 재료서 미터/분 고속 용접, 두꺼운 재료서 각진 부품 사이 좁고 깊은 용접 가능.

레이저 빔 용접 원리: 원자 전자 에너지 흡수→들뜬 상태→시간 후 바닥 상태 복귀하며 광자 방출. 이 방출 광자 농도 유도 방출로 증가→고에너지 집속 레이저 빔 획득. 유도 방출 복사 증폭 = 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

초기 용접기(접합할 두 금속 사이) 원하는 위치 셋업. 이후 고전압 전원 레이저 머신 인가→작동.

렌즈로 용접 필요 영역 레이저 집속. CAM으로 용접 중 레이저 속도·공작물 테이블 제어.

기계 플래시 램프 작동→광자 방출. 광자 에너지 루비 크리스탈 원자 흡수→전자 고에너지 준위 들뜸. 바닥 상태 복귀 시 광자 방출.

이 광자 다시 원자 전자 자극→두 광자 생성. 이 과정 계속→집속 레이저 빔 획득→여러 조각 원하는 위치 용접.

사용 레이저 종류

1. 가스 레이저(Gas Lasers): 기체 혼합물 레이징 매질로 레이저 생성. 질소, 헬륨, CO₂ 등 혼합 기체 레이징 매질 사용.
2. 고체 레이저(Solid-state Lasers): 합성 루비 크리스탈(알루미늄 산화물 크로뮴), 네오디뮴 유리(Nd:Glass), 이트륨 알루미늄 가넷 네오디뮴(Nd-YAG, 가장 흔히 사용) 등 고체 매질 사용.
3. 파이버 레이저(Fiber Lasers): 레이징 매질 = 광섬유 자체.

레이저 빔 머신 장점

레이저 빔 정밀 제어로 TIG, MIG, 스팟 용접 대비 여러 이점:

• 용접 강도: 레이저 용접 좁고 우수한 깊이-폭 비율, 높은 강도.
• 열영향부(HAZ): 열영향부 제한, 급속 냉각으로 주변 재료 어닐링 안 됨.
• 금속: 탄소강, 고강도강, 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 귀금속 및 이종 재료 용접 성공.
• 정밀 작업: 작고 엄격 제어된 레이저 빔으로 미니어처 부품 마이크로 용접 정밀 수행.
• 변형: 부품 최소 변형/수축.
• 비접촉: 재료-레이저 헤드 물리적 접촉 없음.
• 단면 용접: 한 쪽만 접근해 스팟 용접 대체 가능.
• 스크랩: 제어 가능, 저스크랩 발생.

레이저 빔 머신 단점

• 용접 장비 고가 → 공정 비용 높음
• 필러 재료 필요 시 이 공정 제한적 양만 생산 → 상대적 고비용
• 용접 후 작업 몇 가지 존재
• 조인트 빔 아래 측면 정밀 위치해야 함
• 조인트 최종 위치 빔 조사점과 정밀 정렬 필요
• 레이저 빔 용접 가능 최대 조인트 두께 제한적
• 알루미늄, 구리 합금 등 열전도율·반사율 높은 재료 레이저 용접성 영향
• 중~고출력 레이저 용접 시 용접 재현성 위해 적절한 플라즈마 제어 장치 필요
• 레이저 에너지 변환 효율 낮음(10% 미만)
• 급속 응고 특성 결과 용접 기공·취성 예상

레이저 빔 머신 응용

• 자동차 산업 두드러짐. 대량 생산 필요 영역 사용.
• 고정밀 용접용. 전극 안 써 최종 용접 가볍고 강함.
• 보석 제작에도 자주 사용.
• 의료 산업서 소규모 금속 접합에 레이저 빔 용접 사용.