레이저 용접은 전통적인 방법보다 더 강한 이음매를 어떻게 생성하는가?

강력하고 내구성 있는 용접을 실현하기 위해 많은 기업들이 레이저 용접과 같은 첨단 기술을 도입하고 있다. 많은 기업들이 이음매의 강도와 정밀도를 중요시하게 여기며, 이러한 이유로 레이저 용접이 최적의 해결책이 되고 있다. MIG, TIG, 저항 용접은 여전히 산업 분야에서 사용되고 있지만, 레이저 용접이 더 유리한 장점을 지닌다.

자동차 및 항공우주 산업에서는 레이저 용접이 가장 널리 사용된다. 레이저 용접이 제공하는 정밀도는 공정의 물리적 특성과 재료에 미치는 변화에 기인한다. 본 기사에서는 용접 강도가 제작 방법에 따라 달라지는 이유를 설명할 것이다.

레이저 용접 소개

레이저를 사용하여 두 개 이상의 재료를 결합하는 용접 공정입니다. 레이저는 여러 가지 모드를 가지며, 열전도 용접과 심입 용접에 초점을 맞춥니다. 거의 또는 전혀 침투가 필요 없는 초박판 재료 또는 응용 분야에 사용되는 열전도 용접의 경우, 레이저 출력을 비교적 낮게 유지합니다(약 105-106W/cm ² ). 이 경우 작업물이 녹지만 기화되지는 않습니다.

표면의 열은 전도를 통해 재료 내부로 전달되어 용융 풀이 형성되고, 이 풀이 응고하면서 두 조각을 결합하게 됩니다. 용접 부위의 너비와 깊이는 구조적 목적보다 미적 목적에 더 적합합니다.

키홀드 용접(keynote welding)으로 알려진 레이저 용접 기술은 훨씬 더 높은 용접 전력 밀도(106 -107 와트/㎠)에서 작동하여 심입 용접(deep penetration welding, 키홀드 용접이라고도 함)의 이점을 극대화합니다. 레이저가 재료의 특정 지점에 도달하면 금속은 빠르게 끓는 점(기화 임계점)에 도달하고, 이후 금속이 가열되며 금속 증기는 외부의 다양한 방향으로 밀려나면서 키홀을 형성하게 됩니다. 생성된 금속 증기는 액체 상태의 금속을 옆으로 밀어내고 깊고 좁은 공동, 즉 키홀을 만들며, 이를 통해 레이저 에너지가 재료 표면의 전도만으로 가능한 깊이를 훨씬 초과하여 내부까지 전달될 수 있습니다. 키홀은 심입 용접의 특징입니다. 액체 금속은 키홀의 앞부분에서 가열되며, 레이저 빔이 용접 경로를 따라 이동함에 따라 양쪽 옆으로 흐르며 뒷부분에서 응고되어 매우 깊고 좁은 용접 부위를 형성합니다.

레이저 용접과 키홀(keyhole) 방식을 사용하면 전통적인 용접 방법으로는 거의 불가능한 10:1의 깊이 대 너비 비율(aspect ratios)을 달성할 수 있다. 비율의 중요성은 관통 깊이를 넘어서 용접 부위 전체에 걸쳐 응력이 더 유리하게 분포되는 기하학적 구조에서 나타난다. 표면에 응력이 집중될 수 있는 얕고 넓은 봉우리를 형성하는 전통 아크 용접과 달리, 레이저 용접은 '깊고 좁은 아크를 만들어 재료 두께 전반에 걸쳐 응력을 균등하게 분포시킨다. 이를 통해 용접 부위의 강도가 현저히 향상된다.

레이저 용접 이음부의 강도는 단순한 기하학적 요인만으로 결정되는 것이 아니라, 기본 재료의 주요 특성을 유지하는 금속학적 변화에서 비롯된다. 용접 공정 기술과 방법의 감소는 HAZ(열영향부)의 범위를 줄이며, 레이저 용접은 MIG 및 TIG 용접에 비해 훨씬 더 바람직하다.

짧은 몇 초간의 가열이 강도 향상에 기여하는 여러 효과를 낳습니다. 이 과정은 용접 부품 내 잔류 응력과 변형을 감소시킵니다. 다른 용접 방식의 경우, 열 입력으로 인해 용접 부품들이 균형되지 않은 열 팽창 및 수축을 겪게 되며, 그 결과 잔류 응력과 변형이 발생합니다. 이러한 잔류 응력 영역은 용접 조립체의 구조적 완전성을 심각하게 저하시킬 수 있습니다. '이러한 잔류 응력은 반복 하중으로 인해 피로 균열을 유발할 수도 있습니다. 반복 하중을 받는 부품은 변형으로 인해 많은 보정 가공이 필요합니다. 그러나 레이저 용접의 경우 이러한 변형이 훨씬 적기 때문에, 부품의 치수 정밀도보다는 강도 외의 다른 특성에 집중할 수 있습니다.

레이저 용접은 가열 및 냉각 사이클에도 도움을 주어 더 미세한 결정 구조의 형성을 가능하게 합니다. 미세한 결정립을 가진 금속은 일반적으로 강도와 인성이 더 높아 부품의 강도를 증가시킵니다. 한 연구에서는 스테인리스강에 대한 레이저 용접 시 용융 풀이 형성되고 그 안에서 응고가 일어난다는 것을 확인했습니다. 이 응고 과정은 이후 스테인리스강의 '미세구조 변화로 이어지며, 결과적으로 기계적 성질을 향상시킵니다. 이는 전통적인 용접 기술과 정반대입니다. 전통 기술에서는 느린 냉각 과정으로 인해 거친 결정 구조가 형성되며 약한 접합부를 만듭니다.

강도 우위의 가장 좋은 예 중 하나는 설계된 특성을 잃지 않고 최신 고강도 재료를 레이저 용접하는 것이다. 많은 첨단 고강도 합금은 고급 열처리 기술에서 비롯된 기계적 특성을 지닌다. 이러한 재료들은 기존의 용접 방식으로 열 사이클을 거치면서 미세조직이 설계되었고, 바람직한 특성을 가지는 미세조직을 형성했으나 그 구조가 변화되었다. 반면 레이저 용접에서는 모재의 물성은 그대로 유지되며 원래 재료의 강도가 보존되어 용접 조립체 내에서 그 성능이 그대로 유지된다.

생산 효율성 및 공정 유연성

용접부 강도의 명확한 기술적 이점 외에도 레이저 용접은 작업물 가장자리를 따라 용접선을 배치함으로써 생산 효율성 측면에서도 상당한 장점을 입증했으며, 이는 현대 제조 공정에서 이러한 기술 도입을 더욱 매력적으로 만들고 있다. 해당 공정은 기존의 용접 공정보다 훨씬 빠르게 진행된다. 레이저 용접은 분당 200인치 이상의 속도로 용접할 수 있는 반면, MIG 용접은 분당 20~40인치의 속도로 진행되므로, 전자는 후자보다 훨씬 빠른 속도를 낼 수 있다. 이러한 고속 공정은 대부분의 기존 공정보다 월등히 빠르며, 몇 시간이 소요되던 작업이 다른 공정에서는 몇 분 만에 완료될 정도이다. 한 사례에서는 게이트 용접에 약 10시간이 소요되던 작업이 레이저 용접 도입 이후 단 40분으로 단축된 것으로 나타났다.

후속 가공 작업의 필요성이나 양이 줄어든다는 점을 고려하면, 효율성 측면은 더욱 놀랍습니다. 일반적으로 용접 조립물은 왜곡 없는 표면을 얻기 위해 많은 싱킹(sinking) 공정이 필요합니다. 이러한 공정에는 연마, 기계 가공 및 교정 작업이 포함되며, 이들 가공 단계는 추가되는 가치에 비해 경제적 수익을 창출하지 못합니다. 레이저 빔 방식으로 제작된 적층 시트의 경우, 깨끗하고 날카로운 모서리와 표면을 유지하면서 동시에 용접된 적층 구조를 형성하는 장점이 있습니다. 특히 레이저 용접 구조물에 후속 도장 작업이 필요한 경우, 모서리 등 표면 특성이 왜곡 없이 유지되어야 하므로 이러한 점은 보통 매우 중요합니다. 이러한 요소와 함께 2차 가공 공정이 줄어들게 되면 상당한 시간 절약이 가능합니다.

레이저 용접은 자동화된 공장 설비와 매우 잘 어울리며, 이로 인해 효율성이 더욱 향상됩니다. 로봇 시스템은 작업물을 직접 접촉하지 않고도 쉽게 레이저 빔을 조준하고 이동시킬 수 있으며, 강조하건대 작업물과 물리적으로 접촉하지 않는다는 점이 큰 장점입니다. 많은 경우 하나의 레이저 소스가 빔 분할 구성을 통해 여러 작업장에 동시에 사용될 수 있으므로, 레이저 운영 시스템의 독립성을 높이는 데 기여합니다. 이러한 자율성 덕분에 제조업체는 생산 라인을 거의 변경하지 않은 채 유지할 수 있습니다. 마찬가지로 레이저 용접 공정의 비접촉 특성 덕분에 기존 용접 시스템에서 발생하는 도구 마모 문제가 없어 시스템이 장기간 더 나은 성능을 유지할 수 있습니다. 이는 광학 부품의 기본적인 유지보수를 제외하고는 시스템이 오랜 시간 동안 서비스 없이 가동될 수 있도록 해줍니다.

레이저 용접이 다양한 재료 유형과 두께에 적응할 수 있는 능력은 그 우수성을 더욱 강화한다. 이 공정은 1밀리미터의 일부 정도로 얇은 재료부터 25mm 두께의 강재까지 단일 패스로 처리할 수 있다. 이러한 기능 덕분에 두꺼운 재료의 경우 전통적인 용접 기술에서 필요로 하는 여러 차례의 패스를 사용할 필요가 없어진다. 또한, 티타늄, 알루미늄 및 다른 용접 시스템에서는 다루기 어려운 다양한 금속 조합과 같은 까다로운 재료에서도 레이저 용접이 작업할 수 있는 능력은 놀라울 정도이다.

레이저 용접의 또 다른 중요한 이점은 이음부 강도의 신뢰성과 직접적으로 연결되는 일관된 용접 품질이다. 이 공정은 정교한 센서를 통해 실시간으로 용접 과정의 주요 요소들을 지속적으로 추적함으로써 작업자에게 높은 수준의 제어 기능을 제공한다. 모니터링 중에 사용되는 시스템은 일반적으로 세 가지 범주로 나뉜다. 첫 번째 범주는 레이저 빔의 정확한 위치 결정을 가능하게 하기 위해 조인트 라인을 추적하는 사전 용접 시스템이다. 두 번째 범주는 용접 단계 중에 카메라가 장착된 모니터링 시스템이 용접 풀과 키홀을 추적하고 분석하는 것이다. 마지막 세 번째 범주는 사후 용접 시스템으로, 이음부를 평가하여 품질 기준을 충족하는지 확인한다.

이러한 수준의 제어를 전통적인 용접 방법으로 달성하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 왜냐하면 인간 작업자의 기술과 일관성이 훨씬 더 중요해지기 때문입니다. 인간 작업자는 전통적인 용접에 대해 더 많은 제어가 가능하지만, 레이저 용접의 경우 기계가 완전히 자동화되어 있습니다. 일단 기계가 용접 파라미터를 학습하면, 천 개나 백만 개의 부품을 생산하든 관계없이 정확하게 동일한 조건이 반복 적용됩니다. 모든 용접 이음부는 동일한 기계적 특성을 갖게 됩니다. 의료기기, 자동차 안전 부품 또는 항공우주 분야처럼 용접 결함이 허용되지 않는 산업에서는 용접된 부품 자체보다도 일관성이 더욱 중요하며, 더 높이 평가됩니다.

레이저 용접 중 제어된 응고 과정은 접합부를 약화시킬 수 있는 여러 가지 용접 결함의 발생을 최소화한다. 기공 및 합금 원소의 분리 현상은 이 공정의 급속 냉각 단계에서 억제되는 결함들이다. 또한 에너지 입력을 제어함으로써 특히 얇은 판재에서 언더컷과 용통을 방지할 수 있다. 맞다, 레이저 용접은 일부 기존의 용접 기술보다 더 정밀한 조인트 정렬을 요구한다. 그러나 최근 시스템들은 보다 넓은 조인트를 메울 수 있는 진동하는 레이저 빔 기술이나 레이저와 전통적인 와이어 피딩을 결합한 하이브리드 시스템을 사용하여 이를 보다 쉽게 만들고 있다.

산업 전문가들은 전통적인 용접 기술이 숙련된 실무자들 및 오랜 경험과 지식에 뒷받침되고 있음을 인정하지만, 레이저 용접은 더 나은 공정 제어로 인해 더욱 신뢰할 수 있고 예측 가능한 결과를 제공합니다. 시장에서 끊임없이 발전하고 점점 더 저렴해지는 레이저 기술은 고장 없음이 보장되어야 하는 공정들이 레이저 용접을 사용할 수 있게 하면서 이러한 사실을 점점 더 강화시키고 있습니다. '일관성은 주요 판매 포인트로 작용합니다.

결론

레이저 용접은 침투도, 금속학, 공정 제어 측면에서 다른 방법보다 우수하여 더 강한 이음매를 형성한다는 것이 입증되었습니다. 침투 용접과 키홀 효과는 응력 분포를 더욱 개선시킵니다. 낮은 열 왜곡과 최소한의 열 입력은 기본 재료의 특성을 유지하고 변형을 최소화하는 데도 도움이 됩니다. 레이저 기술의 효율성, 품질, 생산성과 결합된 장점은 높은 접합 강도가 요구되는 용접 응용 분야에서 매우 설득력 있는 주장이 됩니다.

물론 전통적인 방법들도 여전히 가치를 지니고 있습니다 —특히 장비 비용이 낮거나 소량 생산이면서 복잡한 조립의 경우 자동화가 비현실적이기 때문에 그렇습니다 —하지만 레이저 용접이 제공하는 강도 성능은 반박하기 어렵습니다. 제조 산업에서 현재 및 향후 진행되는 프로젝트와 제품들은 모두 더 가볍고, 더 강하며, 더욱 신뢰할 수 있어야 하는 요구조건을 가지고 있습니다. 이는 레이저 용접에 대한 필요성을 더욱 중요하게 만들 것입니다. 이러한 레이저 용접 프로젝트를 활용하고 새로운 제품을 개발하는 기업들은 각 산업 분야를 선도하게 될 것입니다. 이와 같은 잠재력은 최첨단 레이저 접합 기술 덕분에 그들의 제품을 모범적인 사례로 만들어 줄 것입니다.