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레이저 용접 원리 및 장점 소개

레이저 용접 개요

레이저 용접은 현대 용접 기술로서 깊은 침투, 빠른 속도, 작은 변형, 높은 출력 밀도, 자기장의 영향을 받지 않는다는 장점 등을 가지고 있습니다. 자동차, 선박, 항공우주 등 첨단 정밀 제조 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 본 글에서는 레이저 용접의 원리, 장점 및 단점을 소개하여 레이저 용접을 접해보지 못한 분들이 이 용접 기술을 기초적으로 이해할 수 있도록 돕습니다.

레이저 용접 원리

레이저 용접은 연속 또는 펄스 레이저 빔을 사용하여 수행할 수 있으며, 레이저 용접 원리는 열전도 용접과 레이저 심층 침투 용접으로 나눌 수 있습니다.

10⁴~10⁵ W/cm² 미만의 출력 밀도는 열전도 용접으로 간주되며, 이 경우 용융 깊이가 얕고 용접 속도가 느립니다. 레이저 용접의 원리는 레이저 복사열이 가공 표면을 가열하고, 표면의 열이 열전달을 통해 내부로 확산되는 것입니다. 레이저 펄스의 폭, 에너지, 출력, 주파수 등의 매개변수를 제어함으로써 공작물을 녹여 특정한 용융 풀을 형성할 수 있습니다.
레이저 심부 침투 용접은 일반적으로 연속적인 레이저 빔을 사용하여 재료를 접합하며, 그 야금학적 물리적 과정은 전자빔 용접과 매우 유사합니다. 에너지 변환 메커니즘은 미세한 구멍을 통해 이루어집니다. 고출력 밀도의 레이저가 조사되면 재료가 증발하여 미세한 구멍이 형성되고, 이 구멍은 마치 흑체처럼 증기로 채워져 입사광 에너지의 거의 전부를 흡수합니다. 고온 공동의 외벽에서 열이 전달되어 공동 주변의 금속이 녹습니다. 빛이 조사되면 벽면의 재료가 지속적으로 증발하여 고온의 증기를 생성합니다. 구멍 외부의 액체 흐름에 의해 형성된 벽면 층의 표면 장력은 구멍 내부에서 지속적으로 생성되는 증기압과 평형을 이룹니다. 빛은 항상 안정적인 유동 상태를 유지하는 미세한 구멍으로 지속적으로 유입됩니다. 구멍 주변의 용융 금속은 선행하는 빛과 함께 이동하여 미세한 구멍이 남긴 틈을 채우고 응축되어 용접 이음매를 형성합니다.

레이저 용접의 응용 분야

레이저 용접은 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

자동차 산업: 레이저 용접은 자동차 부품의 효율적이고 정밀한 접합을 가능하게 하여 생산성과 품질을 향상시키고 비용과 환경 오염을 줄일 수 있습니다. 레이저 용접은 차체, 섀시, 엔진, 변속기, 배기 파이프, 에어백, 계기판 등 다양한 자동차 부품 용접에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 레이저 용접을 통해 자동차 트렁크 도어의 일체형 설계를 구현하고, 부품 수와 무게를 줄이며, 강성과 강도를 향상시키고, 외관과 안전성을 높일 수 있습니다.
조선 분야: 레이저 용접은 선박 판재 접합에 사용되어 기존 용접 방식의 변형 및 뒤틀림 문제를 해결하고 용접 품질과 강도를 향상시키며 재료 소모량과 인건비를 절감할 수 있습니다. 레이저 용접은 선박 구조물, 갑판, 격벽, 선저, 파이프라인 및 기타 부품 용접에 적용 가능합니다. 예를 들어, 레이저 용접을 통해 대형 선박 구조물의 신속한 조립이 가능해지고, 건조 주기를 단축하며 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.
주택 분야: 레이저 용접은 알루미늄 주택 제조에 활용되어 알루미늄 합금 프로파일을 이음매 없이 연결함으로써 주택의 미관과 내구성을 향상시키고 환경 보호 및 건강에 대한 요구를 충족할 수 있습니다. 레이저 용접은 알루미늄 옷장, 알루미늄 책장, 알루미늄 신발장 등의 가구 생산에도 적용 가능합니다. 예를 들어, 레이저 용접을 통해 포름알데히드 무첨가, 오염 제로, 재활용 가치 실현이 가능한 알루미늄 주택을 제작할 수 있어 친환경적이면서도 세련된 새로운 주거 공간 개념을 제시합니다.

레이저 용접의 분류

레이저의 에너지 출력 모드에 따라 레이저 용접은 연속 레이저 용접과 펄스 레이저 용접으로 나눌 수 있습니다. 연속 레이저 용접은 용접 과정에서 연속적이고 끊김 없는 용접 형상을 형성하는 반면, 펄스 레이저 용접은 공작물 표면에 에너지가 불연속적으로 전달되어 용접된 공작물 표면에 원형 용접점을 형성합니다. 레이저 매개변수를 변경하면 다양한 용접 형상을 얻을 수 있습니다. 레이저 집속점의 출력 밀도에 따라 레이저 용접은 열전도 용접과 심부 침투 용접으로 구분됩니다.

1. 레이저 열전도 용접

레이저 열전도 용접 시 공작물 표면의 출력 밀도는 비교적 낮으며, 일반적으로 10⁵W/cm² 미만입니다. 레이저는 용접 대상 공작물 표면에 에너지를 전달하여 금속 표면을 녹는점과 끓는점 사이의 온도로 가열합니다. 금속 표면은 흡수한 빛 에너지를 열에너지로 변환하여 표면 온도를 지속적으로 상승시키고 용융시킵니다. 그런 다음, 열에너지는 열전도를 통해 금속 내부로 전달되어 용융 영역을 점차 확장시킵니다. 냉각 후 용접점 또는 용접부가 형성됩니다. 이러한 용접 원리는 텅스텐 불활성 가스 아크 용접(TIG)과 유사하며, 열전도 용접으로 알려져 있습니다.

2. 레이저 심층 침투 용접 (소형 구멍 용접)

금속 표면에 가해지는 레이저 출력 밀도가 105W/cm²를 초과하면, 고출력 레이저 빔이 금속 표면에 작용하여 국부적인 용융을 일으키고 "미세 구멍"을 형성합니다. 레이저 빔은 이 "미세 구멍"을 통해 용융된 금속 풀 내부로 침투하며, 금속은 미세 구멍 앞쪽에서 용융됩니다. 용융된 금속은 미세 구멍 주변으로 흘러 뒤쪽으로 이동하여 재응고되고 용접 이음매를 형성합니다.

레이저 용접의 장점과 단점

레이저 용접은 고에너지 밀도의 레이저 빔을 열원으로 사용하는 효율적이고 정밀한 용접 방식입니다. 레이저 용접은 레이저 재료 가공 기술의 중요한 응용 분야 중 하나로, 자동차, 항공우주, 전자, 의료 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 빠른 속도, 높은 품질, 뛰어난 유연성, 친환경성 등의 장점을 가지고 있습니다.

그렇다면 레이저 용접은 기존 용접 방식에 비해 어떤 장점이 있을까요? 레이저 용접 시 발생하는 어려움은 무엇이며, 어떻게 해결할 수 있을까요? 레이저 용접의 일반적인 적용 분야는 무엇일까요?

레이저 용접의 장점

기존 용접 방식과 비교했을 때 레이저 용접은 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

빠른 속도, 깊은 용접 깊이, 그리고 작은 변형. 레이저 용접은 높은 에너지 밀도, 빠른 가열 및 냉각 속도, 작은 열영향부, 그리고 낮은 용접 응력 및 변형률을 특징으로 합니다. 레이저 용접은 최대 10:1의 높은 종횡비 용접을 구현할 수 있습니다.
비접촉 공정으로 높은 유연성을 제공하는 레이저 용접은 공작물과의 접촉이 필요 없고, 전극이나 용가재도 필요하지 않아 오염과 손실을 줄일 수 있습니다. 레이저 용접은 광학 부품을 통해 전송 및 변환이 가능하여 로봇과의 연동이 용이하고 자동화 및 다중 스테이션 공정을 구현할 수 있습니다. 또한 상온 또는 특수 조건에서 용접이 가능하므로 접근이 어려운 부품이나 내화 재료 용접에 적합합니다.
고품질과 우수한 성능을 자랑합니다. 레이저 용접은 낮은 열 입력과 빠른 냉각 속도 덕분에 기공 및 균열과 같은 결함을 줄이고 용접부의 밀도와 강도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 레이저 용접은 서로 다른 금속이나 이종 재료를 접합하여 구조와 특성을 개선할 수 있습니다.
친환경적이고 안전하며 무공해인 레이저 용접은 유해 가스나 소음을 발생시키지 않고, 전기장이나 자기장의 영향을 받지 않아 인체 건강과 환경에 무해합니다.

레이저 용접의 어려움과 해결책

레이저 용접은 많은 장점이 있지만, 용접 과정에서 여전히 몇 가지 문제점이 있습니다.

용접 스패터: 용접 후 재료 표면에 금속 입자가 튀어나오는 현상을 말합니다. 이러한 금속 입자는 재료 표면에 달라붙어 용접 이음매의 표면 품질을 저하시킬 뿐만 아니라 렌즈를 오염시키고 손상시킬 수 있습니다. 스패터 발생 원인은 재료 표면이 깨끗하지 않거나, 기름때나 오염 물질이 묻어 있거나, 아연 도금층이 휘발된 경우 등이 있습니다.

해결책은 용접 전에 재료 표면을 청소하고, 용접 에너지를 적절히 줄이며, 스패터를 최소화하는 것입니다.

균열: 연속 레이저 용접으로 인해 발생하는 열 균열(예: 결정 균열, 액상화 균열 등)을 말합니다. 균열 발생의 주요 원인은 용접 부위가 완전히 응고되기 전에 발생하는 과도한 수축력입니다.

해결책은 와이어 충진 및 예열과 같은 조치를 사용하여 균열을 줄이거나 없애는 것입니다.

기공: 용접 이음매 표면에 나타나는 기공을 말합니다. 기공 형성의 원인은 레이저 용접 용융 풀이 깊고 좁으며 냉각 속도가 빨라 용융 풀에서 생성된 가스가 제때 빠져나가지 못하는 경우, 용접 이음매 표면이 충분히 세척되지 않은 경우, 또는 아연 도금 강판에서 아연 증기가 증발하는 경우 등이 있습니다.

해결책은 용접 이음매 표면을 청소하고, 가열 시 아연의 휘발성을 개선하며, 송풍 방향을 조정하는 것입니다.

모서리 절단(Edge biting): 용접부와 모재 사이의 접합 불량으로 인해 0.5mm 이상의 깊이, 용접 길이의 10% 이상의 총 길이, 또는 허용 기준치를 초과하는 길이의 홈이 발생하는 현상을 말합니다. 언더컷 발생 원인은 용접 속도가 너무 빨라 용융 금속이 작은 구멍 뒤쪽으로 충분히 재분배되지 못하거나, 접합부 사이의 간격이 너무 커서 충전 과정에서 용융 금속의 양이 부족하거나, 레이저 용접 말단의 에너지 감소 시간이 너무 빨라 작은 구멍이 붕괴되는 경우 등이 있습니다.

해결책은 매칭을 제어하는 것입니다. 레이저 용접기 모서리 물림을 방지하기 위한 처리 능력 및 속도; 검사 중 발견된 물림 모서리를 연마, 세척 및 수리합니다.

결론

레이저 용접은 광범위한 응용 가능성을 지닌 고정밀, 고효율 용접 기술입니다. 다양한 용접 방법과 적용 시나리오에 따라 최적의 용접 효과를 얻기 위해 각기 다른 레이저 용접 방식을 선택해야 합니다. 레이저 용접 기술은 끊임없이 발전하고 혁신하고 있으며, 앞으로 더욱 다양한 종류의 레이저와 공정이 등장하여 여러 산업 분야에 고품질, 고효율, 저비용의 용접 솔루션을 제공할 것입니다.

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