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레이저 용접이란?

레이저 용접이란?

레이저 용접이란?

레이저 용접은 고정밀 레이저 빔을 사용하여 금속 또는 열가소성 수지를 결합하여 용접을 형성하는 프로세스입니다. 이러한 집중 열원으로서 레이저 용접은 얇은 재료를 높은 용접 속도로 용접할 수 있습니다. 그러나 더 두꺼운 재료에서는 각진 부품 사이에 좁고 깊은 용접이 생성될 수 있습니다.
목차
레이저 용접기

레이저 용접이란?

레이저 용접 또는 레이저 빔 용접(LBW)은 레이저 형태의 집중된 열원을 사용하여 냉각되면서 융합되는 재료를 녹이는 공정입니다. 레이저 용접은 두꺼운 재료에 좁고 깊은 용접을 형성하면서 얇은 재료를 빠르게 용접할 수 있기 때문에 다목적 공정입니다.
레이저 용접은 고정밀 레이저 빔을 사용하여 금속과 열가소성 수지를 녹이기 때문에 공정의 정확성과 정밀도로 인해 열 변형이 적어 민감한 재료를 용접하는 데 이상적입니다. 이 프로세스는 일반적으로 자동화되어 높은 납땜 속도를 허용합니다.
레이저 용접기는 기존의 용접 공정보다 비용이 더 많이 들지만 레이저 용접에는 추가 필러 재료와 후처리가 반드시 필요하지 않기 때문에 운영 비용이 더 낮습니다. 또한 용접 속도가 빨라 시간당 더 많은 부품을 생산할 수 있습니다. 레이저 용접 기술은 TIG, MIG 및 SMAW와 같은 기존의 아크 용접 공정과 크게 다릅니다. 최신 용접 응용 프로그램은 고급 광학 기능이 있는 프로그래밍 가능한 로봇을 사용하여 작업물의 영역을 정확히 찾아냅니다.
레이저 용접기

레이저 용접의 종류

레이저 용접은 열전도 용접과 심공 용접의 두 가지 모드로 작동합니다. 그들은 모두 특정 응용 분야에 적합한 고유한 작동 원리를 가지고 있으며 레이저 빔이 용접하는 재료와 상호 작용하는 모드는 빔이 공작물에 닿는 출력 밀도에 따라 달라집니다.

열전도 용접

이 방법에서는 초점을 맞춘 레이저 빔을 사용하여 기판 표면을 녹입니다. 이 공정은 일반적으로 500W 이하의 저출력 레이저로 이루어지며 높은 용접 강도가 필요하지 않은 용접을 만드는 데 주로 사용됩니다. 조인트가 냉각되고 응고되면 정확하고 매끄러운 용접이 이루어집니다. 열 전달 방법을 사용하여 생성된 용접은 일반적으로 추가 마감이 필요하지 않으며 바로 사용할 수 있습니다.
열전도 용접 방식은 열전도에 의해서만 에너지가 용접부로 유입되어 용접 깊이가 제한되므로 얇은 재료를 접합하는 데 적합한 공정입니다. 이러한 유형의 용접은 미관이 요구되는 눈에 보이는 용접에 자주 사용됩니다.
열전도 용접에는 두 가지 하위 범주가 있습니다.
  • 직접 가열 – 레이저 빔을 금속 표면에 직접 적용하는 기능입니다.
  • 에너지 전달 - 레이저 빔에 의해 가해지는 에너지를 흡수하기 위해 솔기에 흡수성 잉크가 도포됩니다.

깊은 구멍 용접

깊은 구멍 용접 모드에서 프로세스를 실행하면 균일한 구조로 깊고 좁은 용접이 생성됩니다. 이 과정에서 레이저 빔은 접촉면에서 증발하여 금속 깊숙이 침투하는 방식으로 금속을 가열합니다. 이것은 금속을 녹일 뿐만 아니라 증기화하여 키홀 공동 또는 증기 모세관이라고 하는 좁고 증기로 채워진 공동을 생성합니다. 레이저 빔이 공작물을 통과하면서 용융 금속으로 채워집니다. 키홀 용접은 고속 공정이므로 열 영향부의 변형 및 형성이 최소화됩니다.
레이저 용접기

레이저 용접 공정

레이저 용접은 고출력 밀도 레이저를 사용하여 두 금속 표면 사이의 접합부에 열을 가하는 방식으로 작동합니다. 재료는 이음새에서 녹고 응고되면서 금속 사이의 융합을 허용합니다.
레이저 용접은 일반적으로 유연한 광섬유의 안내를 받아 많은 양의 에너지를 고속으로 정밀하게 적용할 수 있는 용접 로봇에 의해 수행됩니다. 이로 인해 조인트에서 충분한 양의 금속을 녹여 왜곡을 최소화하면서 좁은 용접을 생성합니다. 휴대용 레이저 용접기는 부피가 큰 산업용 기계에 대한 훌륭한 대안이지만 레이저 용접기의 안전은 문제가 될 수 있으며 특수 보호 장비를 착용해야 합니다.
용접 프로세스는 대기 조건에서 수행할 수 있지만 반응성이 더 높은 재료의 경우 오염 위험을 제거하기 위해 불활성 가스 차폐가 권장됩니다. 전자 빔 용접과 유사하게 레이저 용접은 진공 상태에서 수행할 수 있지만 경제적으로 실행 가능한 것으로 간주되지 않았습니다. 따라서 레이저 용접기에는 용접 영역에 불활성 가스를 공급하는 가스 노즐이 장착되어 있습니다.
많은 레이저 용접 응용 분야에는 추가 충전재가 필요하지 않습니다. 그러나 일부 까다로운 재료 및 응용 분야에서는 만족스러운 용접을 생성하기 위해 충전재가 필요합니다. 충전재를 추가하면 용접 프로파일이 개선되고, 응고 균열이 줄어들며, 용접에 더 나은 기계적 특성이 부여되고, 더욱 정확한 조인트 맞춤이 가능해집니다. 충전재는 분말 형태 또는 충전재 와이어일 수 있습니다. 그러나 일반적으로 대부분의 재료에 대해 분말이 더 비싸기 때문에 와이어 스톡을 사용하는 것이 더 일반적입니다. 레이저 용접에 사용되는 가장 일반적인 네 가지 접합 유형은 맞대기 용접, 모서리 플랜지 용접, 필러 랩 용접 및 랩 용접입니다.
연강, 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄 등 다양한 금속 재료에 레이저 용접을 수행할 수 있습니다. 고탄소강의 레이저 용접은 빠른 냉각 속도와 균열 경향 때문에 일반적으로 권장되지 않습니다.
레이저 용접기

레이저 유형

레이저 용접기 용접 공정용은 크게 가스 레이저(CO2), 고체 레이저, 파이버 레이저의 3가지 유형으로 나뉩니다.

가스 레이저(CO2)

CO2 레이저 소스는 CO2가 주성분인 혼합 가스이며 그 외에 질소와 헬륨이 있습니다. 이 레이저는 낮은 전류와 높은 전압에서 연속 또는 펄스 모드로 작동하여 가스 분자를 여기시킬 수 있습니다. CO2 레이저는 두 개의 빔이 생성되어 직렬 또는 나란히 배열되는 이중 빔 레이저 용접과 같은 특수한 경우에도 사용됩니다.

고체 레이저

고체 레이저는 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 기술을 사용하여 루비, 유리 또는 이트륨, 알루미늄 및 석류석(YAG) 또는 이트륨 바나데이트 결정(YVO4)과 같은 광물을 레이저 다이오드를 통해 펌핑하여 레이저 빛을 생성합니다. 이 레이저는 연속파 또는 펄스 빔 모드에서 작동합니다. 펄스 모드는 스폿 용접과 유사하지만 완전히 용입되는 조인트를 생성합니다. 최신 파이버 레이저와 비교할 때 이러한 유형의 레이저에는 많은 단점이 있지만 고체 레이저가 여전히 우수한 빔 안정성과 품질 및 고효율을 가지고 있다는 사실을 부인할 수 없습니다.
반도체 기반 레이저도 고체 상태이지만 일반적으로 고체 레이저와는 다른 등급으로 간주됩니다. 이 레이저는 더 저렴한 소규모 프로젝트에만 적합합니다. 그러나 장비가 더 콤팩트해지기 때문에 접근하기 어려운 부위를 용접할 때 사용되는 경우도 있습니다. 빔 품질은 다른 유형의 레이저보다 훨씬 열악하므로 산업 환경에서는 일반적이지 않습니다.

파이버 레이저

파이버 레이저는 더 높은 레이저 출력, 더 나은 품질 및 더 안전한 작동을 제공하는 새로운 종류의 고체 레이저입니다. 파이버 레이저에서 레이저 빔은 파이버가 펌프 레이저 다이오드에서 원시 빛을 흡수할 때 생성됩니다. 이러한 전이를 달성하기 위해 섬유에 희토류 원소를 도핑합니다. 다양한 도핑 요소를 사용하여 광범위한 파장의 레이저 빔을 생성할 수 있으므로 파이버 레이저는 레이저 용접 및 레이저 절단을 비롯한 다양한 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 표준 레이저 절단 헤드는 용접에 사용할 수 없으며 레이저 용접 헤드는 대부분의 산업 응용 분야의 절단 속도 및 품질 요구 사항을 충족할 수 없습니다.
레이저 용접기

레이저 용접 사용에 대한 안전 지침은 무엇입니까?

휴대용 레이저 용접기는 사용하기 쉽고 안전 기능이 내장되어 있지만 강력한 산업용 장비라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 레이저 용접 기계에서 작업할 때 레이저 빔이 신체와 눈에 위험할 수 있음을 명심하십시오. 레이저 용접 빔은 눈에 보이지 않는 빛이므로 안전을 위해 시각적 신호에 의존할 수 없습니다.
레이저 용접기는 클래스 IV 레이저이고 안전 기능이 시스템에 통합되어 있지만 레이저 안전 프로그램을 수립할 때 기존의 용접 안전 요구 사항도 구현해야 합니다. 다음은 따라야 할 몇 가지 일반적인 규칙입니다.
  • 불연성 의류, 긴팔 또는 용접복을 착용하십시오. 레이저 제어 구역에 있는 모든 사람은 레이저 유형에 적합한 레이저 보안경과 기존 용접 헬멧을 포함한 개인 보호 장비를 사용해야 합니다.
  • 레이저 광선이 반사될 수 있음을 고려하여 작동 안전 절차를 따르십시오.
  • 제조업체에서 제공한 장비 설명서에 문서화된 안전 요구 사항 및 절차를 완전히 숙지할 때까지 휴대용 레이저 용접기를 작동하지 마십시오.
자동 와이어 피더

레이저 용접의 장점

  • 낮은 입열량과 정밀한 레이저 출력 제어로 용접 품질이 우수합니다.
  • 빠른 용접 속도와 저렴한 단가.
  • 더 큰 용접 깊이는 고강도 용접을 형성합니다.
  • 다른 방법으로는 결합할 수 없는 용접 재료 조합을 허용합니다.
  • 간단한 용접 장비로 특수한 조건에서 용접이 가능합니다.
레이저 용접기 자동 와이어 피더

레이저 용접의 단점

  • 초기 투자비가 높습니다.
  • 엄격한 공차에는 완벽한 공작물 맞춤과 레이저 정렬이 필요합니다.
  • 반사율과 전도성이 높은 재료(알루미늄 및 구리)는 복잡한 용접 결과를 생성할 수 있습니다(CO2 레이저의 경우).
  • 빠른 응고는 다공성과 취성을 유발할 수 있습니다.
  • 레이저 광학은 매우 약해서 쉽게 손상될 수 있습니다.
레이저 용접 샘플

레이저 하이브리드 용접

레이저 하이브리드 용접은 전기 아크와 레이저 빔의 용접 방법을 결합한 것입니다. 두 가지 용접 방식이 동시에 동일한 용접 부위에 작용하므로 용접 효과는 아크 용접과 레이저 빔 용접의 장점을 가지고 있어 독특한 용접 공정을 만듭니다. 레이저 용접은 거의 모든 아크 용접 프로세스와 함께 사용할 수 있지만 눈에 띄고 더 일반적으로 사용되는 몇 가지 프로세스가 있습니다.
레이저 하이브리드 용접에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.
  • MIG 적층 용접(종종 레이저 하이브리드 용접과 동의어)
  • TIG 적층 용접
  • 플라즈마 아크 용접
하이브리드 용접 공정은 레이저 용접의 깊은 침투와 아크 용접 공정에 필적하는 용접 캡 프로파일을 제공합니다. 실드 가스 및 기타 아크 용접 소모품을 사용하면 레이저 용접 자체보다 용접 특성을 더 잘 제어할 수 있습니다. 레이저 하이브리드 용접은 의심할 여지 없이 조선, 철도, 자동차 산업 및 향후 대형 파이프라인 용접 프로젝트에서 점점 더 많이 사용될 새로운 프로세스입니다.

자주 묻는 질문

레이저 용접에 가스가 필요합니까?
응용 분야와 용접되는 재료에 따라 가스를 사용하거나 사용하지 않고 레이저를 수행할 수 있습니다. 경우에 따라 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 차폐 가스를 사용하여 용접 영역 주변에 차폐 분위기를 조성할 수 있습니다. 이는 티타늄이나 알루미늄과 같이 산화에 민감한 재료를 용접할 때 특히 중요합니다. 사용되는 가스의 유형은 용접되는 재료, 용접 프로세스 및 사용되는 장비에 따라 다릅니다.
경우에 따라 가스 혼합물을 사용하여 특정 용접 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 헬륨과 아르곤의 혼합물은 스테인리스강을 용접하는 데 사용할 수 있는 반면 질소는 종종 알루미늄을 용접하는 데 사용됩니다. 가스 사용은 레이저 용접의 중요한 측면이며 용접의 품질과 신뢰성에 기여합니다.
그렇습니다. 레이저 용접은 강력하고 안정적인 용접 방법입니다. 레이저 용접은 고도로 집중된 레이저 빔을 사용하여 금속 표면을 녹이고 융합하여 강력한 고품질 결합을 형성합니다. 고출력 레이저 빔에서 발생하는 열은 고농축되어 변형이 최소화되고 열 영향 영역이 매우 좁습니다.
레이저 용접의 강도는 용접되는 금속의 유형과 사용되는 특정 용접 공정을 포함한 다양한 요인에 따라 달라집니다. 강력하고 신뢰할 수 있는 용접을 보장하려면 레이저 출력, 속도 및 펄스 지속 시간과 같은 적절한 준비 및 용접 매개변수를 신중하게 제어해야 합니다. 일반적으로 레이저 용접은 용접 과정에서 발생하는 열과 뒤틀림을 최소화하기 때문에 얇은 재료의 용접에 특히 효과적입니다.
레이저 용접은 항공 우주, 자동차 및 의료 기기 제조와 같이 강도와 정밀도가 중요한 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 그러나 용접 강도는 적절한 용접 설계 및 실행에 따라 달라지므로 숙련된 용접공과 엔지니어를 프로세스에 참여시키는 것이 중요합니다.

레이저 용접은 다음을 포함하여 다양한 유형의 금속을 접합하는 데 사용할 수 있는 고정밀 용접 방법입니다.

  • 강철: 레이저 용접은 낮은 입열량으로 고품질 용접을 제공할 수 있기 때문에 연강, 스테인리스강 및 고장력강을 포함한 다양한 등급의 강철을 용접하는 데 일반적으로 사용됩니다.
  • 알루미늄: 레이저 용접은 반사율과 열전도율이 높기 때문에 알루미늄을 용접하는 데 효과적인 방법입니다.
  • 구리: 레이저 용접은 구리와 황동을 용접하는 데에도 효과적이지만 기존의 용접 기술은 구리를 용접하기 어려우며 전자 및 배관 응용 분야에 자주 사용됩니다.
  • 티타늄: 레이저 용접은 높은 융점과 반응성 때문에 티타늄을 용접하는 데 자주 사용됩니다.
  • 금과 은: 레이저 용접은 보석 제작 및 기타 고급 응용 분야에 자주 사용되는 금과 은과 같은 귀금속을 용접하는 데에도 사용할 수 있습니다.
  • 니켈 및 그 합금: 레이저 용접은 항공 우주 및 기타 고성능 응용 분야에서 자주 사용되는 인코넬과 같은 니켈 및 그 합금을 용접하는 데 사용할 수 있습니다.
  • 마그네슘: 마그네슘은 특히 자동차 및 항공우주 산업에서 레이저를 사용하여 용접할 수 있는 경금속입니다.

레이저 용접은 철 및 비철을 비롯한 다양한 금속을 결합하는 데 사용할 수 있는 다목적 용접 방법입니다. 그러나 특정 금속에 대한 레이저 용접의 정확한 적합성은 금속의 특정 속성과 용접 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 달라집니다.

일반적으로 레이저 용접은 용접 와이어를 사용하지 않습니다. MIG(금속 불활성 가스) 또는 TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접과 같은 다른 유형의 용접 프로세스와 달리 레이저 용접은 두 개의 금속 조각을 함께 결합하기 위해 용접 와이어와 같은 필러 재료가 필요하지 않습니다. 레이저 용접은 집중된 고강도 레이저 빔을 사용하여 두 개의 금속 조각을 녹이고 결합합니다. 레이저 빔에 의해 생성된 열은 일반적으로 추가 용접 재료 없이 금속을 녹이는 데 충분합니다.
그러나 경우에 따라 강도를 높이거나 결합되는 두 부품 사이의 간격을 채우는 데 도움이 되도록 소량의 필러 재료가 조인트에 추가될 수 있습니다. 이 충전재는 일반적으로 와이어 또는 분말 형태이며 수동 또는 자동 프로세스를 통해 접합부에 추가됩니다. 또한 하이브리드 레이저 용접과 같은 일부 레이저 용접 기술은 용접 와이어를 사용하여 보다 안정적인 아크를 생성하고 스패터를 줄일 수 있습니다.

레이저 용접은 자동차, 항공 우주 및 의료를 포함한 다양한 산업에서 널리 사용되는 프로세스입니다. 레이저 용접에는 높은 정밀도, 빠른 속도 및 작은 변형과 같은 많은 장점이 있지만 용접 공정에서 잠재적인 결함도 있습니다. 레이저 용접의 함정은 다음과 같습니다.

  • 다공성: 용접 공정 중에 갇힌 가스로 인해 용접 재료에 작은 보이드 또는 기공이 형성되어 용접 조인트를 약화시키고 강도를 감소시킬 수 있습니다.
  • 균열: 레이저 용접은 특히 재료의 열팽창 계수가 높거나 용접 속도가 너무 느린 경우 용접된 재료의 균열로 이어질 수 있는 고농축 열 영향 영역을 생성할 수 있습니다.
  • 불완전한 융합: 모재 또는 용가재를 완전히 녹이는 불충분한 레이저 출력으로 인해 용접이 불완전하게 융합되어 접합부가 약하거나 불완전해집니다.
  • 언더커팅: 모재가 과도하게 녹으면 용접 가장자리에 홈이나 흠집이 생겨 접합부의 강도가 약해질 수 있습니다.
  • 뒤틀림: 레이저 용접은 많은 열을 발생시켜 용접 재료를 팽창 및 수축시킵니다. 이로 인해 용접된 재료의 변형이나 뒤틀림이 발생할 수 있으며, 이는 특히 얇거나 깨지기 쉬운 재료의 경우 제품의 치수 정확도와 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 산화: 레이저 용접 중 산소에 노출되면 모재가 산화되어 접합부가 약해지고 내부식성이 감소할 수 있습니다.
  • 조인트 어셈블리에 대한 민감성: 레이저 용접은 용접되는 두 부품의 정확한 정렬이 필요합니다. 간격 치수의 오정렬 또는 변형은 용접 품질에 영향을 미칩니다.

이러한 결함을 최소화하려면 레이저 출력, 용접 속도, 빔 초점을 포함한 레이저 용접 공정 매개변수를 최적화하고 적합한 필러 재료와 차폐 가스를 사용해야 합니다. 또한 적절한 표면 처리, 조인트 설계 및 용접 후 열처리도 레이저 용접 결함 발생을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

요약하다

레이저 용접은 고정밀 용접에 사용되며 전극을 사용하지 않기 때문에 최종 용접 결과는 가벼우면서도 강합니다. 초기 투자비가 비싸지만 레이저 용접의 품질과 특성을 쉽게 복제할 수 없습니다. 레이저가 더욱 강력해지고 에너지 효율이 높아짐에 따라 레이저 용접의 미래는 밝아 보입니다!
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