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레이저 용접 기초: 기술과 공정
키홀 대 전도 용접 기법
레이저 용접에는 두 가지 유형이 있습니다: 키홀 용접과 전도 용접입니다. 키홀 용접은 높은 출력 밀도의 빔(≥1 MW/cm²)에 의해 작업물에 용융 및 기화 현상을 유발하며, 키홀 용접은 강철 기준으로 최대 25mm 깊이까지 관통할 수 있어 두꺼운 작업물에 적합합니다. 전도 용접은 낮은 출력 밀도(<0.5 MW/cm²)로 수행되며, 표면을 기화시키지 않고 고체 또는 액체 상태에서 용융되며, 맞지 않는 이음매, 얇은 단면, 또는 판 가장자리를 다른 표면에 용접할 때 유용합니다.
| 인자 | Keyhole welding | 전도 용접 |
|---|---|---|
| 전력 밀도 | 1-10 MW/cm² | 0.1-0.5 MW/cm² |
| 침투 깊이 | 5-25 mm | 0.1-2 mm |
| 응용 분야 | 자동차 프레임 | 전자기기, 얇은 포일 |
다양한 금속 합금과의 빔 상호작용
레이저 용접은 반사율 및 열 특성의 차이로 인해 금속 종류에 영향을 받습니다. 우수한 반사율(1µm 파장 기준 85~95%)로 인해 강철 대비 20~30% 높은 출력이 필요합니다. 스테인리스강은 열전도도가 낮아 크롬 탄화물 침전을 방지하기 위한 적절한 열 관리가 필요합니다. 펄스 빔을 사용하면 높은 열 충격을 받는 구리 대상물을 관리할 수 있으며, 티타늄의 경우 산소 취성 현상을 피하기 위해 불활성 가스 차폐(아르곤/헬륨)가 필요합니다.
필수 파라미터: 출력, 속도, 펄스 제어
용접 품질은 다음 요소들의 균형에 달려 있습니다:
- 전력 출력: 2~6kW는 깊은 용입을 가능하게 하지만, 언더컷 발생 위험이 있습니다.
- 속도 속도: 10m/분 이상의 고속은 열을 줄이지만 보다 정밀한 빔 초점을 요구합니다.
- 펄스 제어 펄스: 50~500Hz 범위에서 펄스를 가하면 이종 금속 조인트의 열을 관리할 수 있으며, 항공우주 분야 알루미늄-리튬 합금에서는 특히 중요합니다.
레이저 용접 시스템의 정밀성 장점
마이크로 용접 기능 (0.1mm 허용오차)
레이저 용접은 의료용 임플란트 및 마이크로일렉트로닉스 분야에서 필수적인 0.1mm에 불과한 용접 이음부를 구현할 수 있습니다. 직경 <0.5mm의 레이저 빔은 용융을 국소적으로 제어하여, 심장 박동기 케이스와 같은 열에 민감한 조립품의 구조적 완전성을 유지합니다. 이는 TIG 용접 대비 후속 가공량을 60~80% 감소시킵니다.
광센서를 통한 실시간 모니터링
고속 카메라와 포토다이오드는 초당 20,000프레임의 속도로 용접 풀 역학을 추적하여 기공 또는 용입 불량을 즉시 감지합니다. 항공우주 분야에서는 이 기술을 통해 터빈 블레이드 씰의 결함률을 0.2% 미만으로 줄일 수 있었습니다. 고급 시스템에서는 플라즈마 플룸 특성을 기반으로 용접부 강도를 예측하기 위해 분광 분석과 머신러닝 기술을 활용합니다.
레이저 용접 대 기존 용융 용접 방식
열 입력 비교: 변형률 30-50% 감소
레이저 용접은 아크 용접 방식 대비 열 입력량을 60~80% 줄이며, 열영향부(HAZ)의 폭도 70% 좁습니다. 자동차 제조사에 따르면, 자동차 도어 패널 제작 시 후속 수정 작업이 30~50% 감소하는 것으로 나타났습니다. (American Welding Society, 2018)
사례 연구: 자동차 차체 용접 사이클 타임 분석
A 2025년 연구 레이저 시스템이 차대 사이클 시간을 45분에서 12분으로 단축시켰다는 것을 보여주었다. BMW는 차량당 2,400회의 용접을 0.02mm의 반복 정확도로 수행하였다.
| 인자 | 전통적인 용접 | 레이저 용접 | 개선 |
|---|---|---|---|
| 사이클 타임/차량 | 45 분 | 12분 | 73% 빠름 |
| 에너지 소비 | 12 Kw | 3.5 Kw | 71% 절약 |
| 후처리 | 필요 | 최소 | 85% 감소 |
좁은 용접 이음으로 인한 재료 절약
레이저 시스템은 아크 용접의 3mm에 비해 0.8mm의 이음새를 구현하여 충전재 사용량을 40% 줄였다. 전자 분야에서는 이로 인해 재료 활용률이 78%에서 92%로 증가한다.
레이저 용접 조인트 강도 최적화
10mm 이상 두께 금속을 위한 빔 초점 전략
두꺼운 재료에는 진동 빔을 사용하면 깊이 대비 너비 비율을 40% 개선할 수 있습니다. 다중 패스 전략을 활용하면 알루미늄 18mm 두께 용접에서도 조인트 효율을 95%까지 달성할 수 있습니다.
알루미늄 및 스테인리스강을 위한 보호 가스 선택
아르곤-헬륨 혼합 가스(70/30)는 알루미늄의 기공률을 60% 감소시킵니다. 스테인리스강에는 질소(2-4% N₂)를 첨가한 보호 가스를 사용하면 피팅 부식 저항성이 향상됩니다.
후용접 열처리 적합성
티타늄에서는 450-600°C에서 제어된 가열을 통해 내부 응력을 제거하면서도 기계적 피로 강도의 85%를 유지할 수 있습니다(ASTM E407-22 기준).
산업별 응용 프로그램 및 솔루션
항공우주 분야: 티타늄 연료 라인 용접
레이저 용접은 티타늄 두께 3mm에서 분당 8미터의 속도로 900MPa 인장 강도를 달성하여 TIG 용접 대비 후열처리를 70% 줄일 수 있습니다.
의료기기: 임플란트의 기밀 봉합
광섬유 레이저는 5μm의 반복성을 갖는 50μm 너비의 용접을 생성하여 심장 박동기 하우징에서 1×10⁻⁹ mbar·L/s 미만의 누설율을 달성합니다.
자동차: 전기자동차(EV)용 배터리 트레이 용접
스캐너 레이저는 알루미늄 트레이를 120mm/ms 속도로 용접하여 열 왜곡을 60% 줄이고, 차체당 18%의 재료를 절약합니다.
자주 묻는 질문 섹션
레이저 용접에 적합한 재료의 종류는 무엇입니까?
레이저 용접은 강철, 알루미늄, 티타늄, 구리 등 다양한 금속으로 수행할 수 있지만, 금속의 반사율 및 열 특성이 공정에 영향을 줄 수 있습니다.
레이저 용접은 기존의 방법과 어떻게 비교됩니까?
레이저 용접은 기존 용융 방식에 비해 가열 입력이 적고, 열 영향 부위가 더 좁으며, 사후 가공이 적게 들어 정밀도와 효율성을 향상시킵니다.
레이저 용접에서 실시간 모니터링 기능은 어떤 것들이 있습니까?
광학 센서가 장착된 고급 시스템은 고속 카메라와 포토다이오드를 사용하여 용접 풀 동작을 추적하고 즉시 결함을 감지합니다.
