레이저 용접 기술의 진화

레이저 용접 기술은 놀라울 정도로 다양한 응용 분야로 인해 금속 가공업체와 제조업체가 선택하는 프로세스로 발전했습니다.

편집자 주: 다음은 2021년 9월 13~16일 시카고 FABTECH에서 Laser Mechanisms Inc.의 파이버 시스템 관리자인 Tom Kugler가 발표한 "산업용 레이저 용접 소개"를 기반으로 합니다.

레이저 용접은 고급 정밀 금속 제조에 스며들어 왔습니다. 이 기술은 자동차, 의료 기기 제조, 항공우주 및 정밀 전자 부품 전반에 걸쳐 중요한 역할을 합니다. 이제 최대 OEM부터 정밀 판금 작업장까지 그 어느 때보다 더 많은 장소에 나타나고 있습니다.

레이저 용접이 발전하면서 매우 유연해졌습니다. 레이저가 수행할 수 있는 엄청나게 다양한 용접은 정말 놀랍습니다. 레이저가 이 모든 것을 어떻게 수행하는지 이해하는 것은 기본 원리, 즉 광선이 두 금속을 융합하는 방법을 아는 것에서 시작됩니다.

일반적으로 금속은 빛을 매우 반사합니다. 레이저는 반사율을 극복하기 위해 빛을 집중시키고 집중시킵니다. 빔에서 충분한 에너지가 흡수되면 금속이 액화되기 시작합니다.

이 모든 것은 광학 장치(곡면 거울 또는 곡면 렌즈)가 직경이 수십에서 수백 미크론에 이르는 점 크기까지 빛의 초점을 맞출 때 시작됩니다. 이러한 초점은 극도의 전력 밀도를 생성합니다.

사용할 투명 광학 장치는 레이저와 파장에 따라 다릅니다. CO2 레이저는 10.6미크론 파장을 방출합니다. 표준 유리는 투명하지 않기 때문에 이러한 레이저는 셀렌화 아연(ZnSe)과 같은 대체 렌즈 재료를 사용합니다. 파이버, 디스크 및 YAG를 포함한 1미크론 레이저는 용융 실리카 또는 유리를 사용합니다.

CO2 레이저의 10.6미크론 빔에 초점을 맞춘 ZnSe 렌즈는 열 전도성이 뛰어나 광학 부품이 잔해에 좀 더 관대해집니다. 불행하게도 1미크론 레이저와 유사한 열 전도성을 나타내는 비용 효율적인 재료는 없습니다. 즉, 초점 환경을 깨끗하게 유지하고 고품질 유리 또는 용융 실리카 광학 장치를 사용해야 합니다.

높은 레이저 출력이 필요한 용접 응용 분야에서는 피할 수 없는 잔해가 발생할 수 있습니다. 이러한 경우 투명한 광학 장치 대신 거울을 사용하여 빔의 초점을 맞춥니다. 포커싱 미러는 5kW 이상의 레이저 출력을 사용하는 CO2 레이저 용접 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 파이버와 디스크를 포함한 1미크론 레이저도 더 높은 레이저 출력을 위해 거울을 사용합니다. 일반적인 설정에는 빔(작업 표면에 수평)이 빔을 아래쪽으로 반사하는 포물선형 거울에 부딪히는 것이 포함됩니다.

레이저 광학은 원시 빔 직경에 초점을 맞춰 초점 심도를 생성합니다. 여기서 빔은 재료를 처리하기에 충분한 강도를 갖습니다. 빔 웨이스트의 가장 좁은 지점이 스폿 크기입니다. 초점 거리는 렌즈와 초점 사이의 거리입니다(그림 1 참조).

이 모든 변수는 서로 연관되어 있습니다. 초점 거리가 짧을수록 초점 크기는 작아지고 초점 심도는 얕아집니다. 그리고 이러한 각 매개변수를 조정하여 용접 공정을 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 초점 거리를 연장하면 초점 위치가 변경되고 초점 심도가 높아져 용접 침투가 증가할 수 있습니다.

그림 1. 빔 직경, 초점 심도, 스폿 크기, 초점 길이 등의 변수는 모두 서로 연관되어 있습니다.

또 다른 요소는 빔 품질, 즉 레이저 빔의 본질적인 초점 가능성입니다. 이는 조정할 수 없으며 레이저 유형과 디자인에 따라 다릅니다. 그러나 매개변수는 전체 프로세스에 전화를 거는 방법에 영향을 미칩니다. 빔 품질이 가장 높은 레이저를 단일 모드 레이저라고 하며, 이는 중앙에서 매우 강하고 가장자리 근처에서 덜 강렬한 전력 밀도 프로파일을 갖는 순수 가우스 또는 TEM00 빔을 갖습니다. 높은 빔 품질은 더 큰 초점 심도를 달성하는 데 도움이 되며 결과적으로 다양한 처리 가능성이 열립니다.

모든 일반적인 레이저 유형에는 높은 빔 품질을 갖춘 단일 모드 버전이 있지만 높은 빔 품질의 영향은 레이저 파장에 따라 달라집니다. 10.6 마이크론의 CO2 단일 모드 레이저는 1 마이크론 파장의 파이버 레이저보다 10배 더 큰 스폿 크기를 갖습니다. 일반적으로 파장이 짧을수록 초점 크기도 작아집니다.