레이저 용접 가이드 – 알아야 할 모든 것

레이저 용접은 많은 산업 분야에서 응용되는 첨단 현대적 재료 접합 방법입니다. 정밀성, 속도, 용접 품질의 우수성 덕분에 가장 효과적인 용접 방법 중 하나로 평가받고 있습니다. 이 기사에서는 레이저 용접이 무엇인지, 어떻게 작동하고 어떤 장점이 있는지, 그리고 이 기술이 현대 생산에서 대체 불가능한 응용 분야에 대해 알아볼 것입니다.

레이저 용접이란 무엇인가?

레이저 용접은 집중된 레이저 빔을 사용하여 재료를 녹이고 접합하는 과정입니다. 이 과정은 매우 정밀한데, 그 이유는 레이저 빔이 접합 지점에 정확하게 조준될 수 있기 때문입니다. 레이저 빔의 에너지는 재료의 가장자리를 녹이고, 이는 굳은 후에 내구성 있고 미적인 용접부를 만듭니다.

레이저 용접의 가장 흥미로운 측면 중 하나는 0.2mm에서 13mm 범위의 예외적으로 작은 폭의 용접부를 만들 수 있는 능력입니다. 게다가 극도로 높은 에너지 밀도 덕분에 이 과정은 재료의 다른 영역에 대한 열 영향을 최소화합니다. 그 결과는 단지 정밀도 향상뿐만 아니라 용접된 요소의 변형이 감소합니다.
이 기술은 중공업 및 자동차 산업에서의 요소 접합부터 가구 산업에서의 완벽하고 가장 미적인 용접까지 매크로 및 마이크로 규모 모두에서 완벽하게 작동합니다.

레이저 용접의 유형

응용 분야와 특성이 다른 많은 레이저 용접 방법이 있습니다. 다음은 가장 중요한 것들에 대한 개요입니다:

열전도 용접

이 방법은 증발 온도에 도달하지 않고 재료를 용융 온도로 가열하는 것을 포함합니다. 에너지가 재료 표면으로 전달된 다음 열전도에 의해 내부로 분산됩니다. 이 과정은 깊은 침투 없이 용접 풀을 만들 수 있습니다. 이는 1.5mm 두께까지의 강철 및 알루미늄 시트와 같은 얇은 재료를 용접하는 데 이상적인 솔루션입니다. CO₂와 같은 가스 레이저 및 고체 레이저(예: Nd:YAG)는 재료 변형을 최소화하고 높은 정밀도를 보장하기 때문에 이 기술에서 자주 사용됩니다.

깊은 침투 용접

이 방법에서는 레이저 에너지가 재료 깊숙히 침투하여 용융 및 증발 온도를 초과합니다. 특징적인 증기-플라즈마 채널이 형성되어 높은 깊이 대 너비 비율(최대 10:1)의 용접이 가능합니다. 이 기술은 두꺼운 강철 요소와 금속 합금을 용접하는 데 특히 유용합니다. 파이버 레이저와 같은 고출력 레이저가 공정에 사용되며, 이는 알루미늄과 같은 반사 계수가 높은 재료에서도 효율적입니다.

하이브리드 용접

하이브리드 레이저 용접은 레이저 기술과 아크 용접(MIG/MAG)과 같은 다른 방법을 결합합니다. 레이저 빔은 증기 채널을 만들고, 추가 에너지 소스는 충전 재료를 제공합니다. 이 방법은 높은 용접 속도, 정밀하게 맞지 않는 요소를 접합하는 능력, 그리고 변형 감소가 특징입니다. 조선, 자동차, 건설 산업에서 널리 사용됩니다.

레이저 마이크로용접

이것은 특별한 정밀도로 매우 작은 요소를 용접하기 위해 설계된 과정입니다. 재료의 인접 영역에 대한 열 영향을 최소화할 수 있는 펄스 레이저(예: Nd:YAG)가 사용됩니다. 마이크로용접은 정밀성이 중요한 전자 제품, 보석 제작, 의학 분야에서 사용됩니다.

여기서 펄스 용접에 대해 추가하는 것이 가치가 있는데, 이는 MIG/MAG 방법에서 사용되는 기술로, 용접 전류 강도를 주기적으로 증가시키고 감소시키는 것을 포함합니다. 이는 재료에 도입되는 열의 양을 정밀하게 제어할 수 있게 하며, 이는 특히 얇은 시트와 열 변형에 취약한 재료를 용접할 때 유익합니다.

열가소성 플라스틱의 레이저 접합

레이저 용접은 플라스틱에서도 사용됩니다. 레이저 에너지는 재료에 의해 흡수되어 국부적으로 녹여 영구적인 연결을 만듭니다. 이 기술은 의료 및 전자 부품 생산 등에서 사용됩니다.

레이저 용접의 가장 중요한 특징

레이저 용접 과정은 산업에서 가장 첨단이자 효율적인 기술 중 하나로 만드는 많은 장점을 제공합니다. 레이저 광 펄스 에너지, 레이저 빔 초점 위치 또는 보호 가스 유량과 같은 매개변수를 조정함으로써 공정을 다양한 재료 및 생산 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.

다음은 이 기술의 가장 중요한 장점입니다:

• 정밀한 에너지 전달 - 고밀도 전력을 가진 레이저 빔 덕분에 용접 과정은 열영향부의 작은 폭이 특징입니다. 에너지를 조절하는 능력은 1.5mm 두께의 알루미늄 시트와 같은 얇은 재료와 강철 구조 요소와 같은 더 두꺼운 요소 모두를 용접할 수 있게 합니다.

• 높은 용접 속도 - 레이저 용접은 전통적인 용접보다 훨씬 높은 용접 속도를 달성할 수 있습니다. 이는 공정을 더 효율적으로 만들어 특히 연속 생산에서 중요합니다. 높은 속도는 용접의 품질에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.

• 응용 분야의 다양성 - 레이저 용접은 금속이나 유리와 같은 다양한 재료를 접합할 수 있습니다. 이 방법으로 저탄소강을 용접하는 것도 가능합니다. 매개변수(예: 속도 또는 용접 시간)를 조정할 수 있어 높은 용접 품질을 유지하면서 다양한 유형의 재료를 접합할 수 있습니다.

• 재료에 대한 열 영향 최소화 - 레이저 빔 초점의 정밀한 설정 덕분에 에너지가 엄격하게 정의된 장소에 집중되어 주변 영역에 대한 열 영향을 제한합니다(소위 매우 좁은 HAZ - 열영향부). 그 결과, 용접부는 내구성이 있고, 재료의 변형이나 열 손상 위험이 최소화됩니다.

• 공정의 청결함과 미적 품질 - 레이저 용접 과정에서는 추가 충전 재료를 사용할 필요가 없어 경제적 측면에 영향을 미칩니다. 또한 제한된 열영향부 덕분에 미적이고 부드러운 용접부를 얻을 수 있으며, 이는 종종 추가 가공이 필요하지 않습니다. 레이저 용접의 또 다른 장점은 스패터가 없다는 것으로, 이는 실행의 미적 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 작업 안전성을 증가시키고 요소 청소의 필요성을 줄입니다.

• 자동화 용이성 - 레이저 용접은 자동 시스템(로봇 용접)과 쉽게 통합되어 현대 생산 라인에서 이상적인 솔루션이 됩니다. 레이저 에너지와 용접 속도를 제어하면 효율성과 반복성을 높이면서 공정을 완전히 제어할 수 있습니다.

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또한 레이저 용접은 용접 와이어 형태의 재료 추가로 지원될 수 있다는 점을 강조할 가치가 있습니다. 이 경우, 여전히 견고한 연결을 달성하면서 작은 간격으로 용접하는 것이 가능합니다. 더 큰 간격의 경우, 2W 헤드가 장착된 장치가 권장되며, 이는 효율적인 작업과 우수한 결과를 보장합니다.

레이저 용접의 한계는 무엇인가?

이 기술은 현대적이고 효과적이지만 한계도 있습니다. 주어진 응용 분야에 적합한지 결정하기 위해 레이저 용접의 장단점을 철저히 분석하는 것이 가치가 있습니다. 가장 중요한 단점 중 하나는 높은 구매 비용입니다. 그럼에도 불구하고, 현재 예산 장치를 포함한 다양한 시리즈의 장치가 시장에 제공되어 작은 회사도 이 기술을 사용할 수 있습니다.

레이저 용접에서의 도전은 구리와 같은 반사 계수가 높은(고반사성) 일부 금속과 같은 일부 재료를 용접하는 능력이 제한되어 있다고 말합니다. 그러나 이것이 신화라는 것을 기억할 가치가 있습니다. 레이저 용접은 완전히 가능하지만, 이러한 재료(예: 스테인리스 또는 검은 강철)에 중요한 것은 적절한 용접 매개변수(예: 레이저 파워)의 적용과 코팅 두께의 고려입니다.

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레이저 용접에서의 보호 가스

레이저 용접에서 보호 가스는 용접의 품질과 특성에 영향을 미치는 핵심적인 역할을 합니다. 아르곤은 가용성과 낮은 반응성으로 인해 가장 일반적으로 사용되며, 녹은 금속 풀을 효과적으로 보호할 수 있습니다. 헬륨은 더 비싸지만 높은 이온화 에너지로 인해 더 나은 플라즈마 제어를 제공하여 고정밀이 중요한 프로젝트에서 없어서는 안 될 요소입니다. 질소는 주로 스테인리스 강 용접에 사용되며, 용접을 강화할 수 있지만 알루미늄이나 탄소강과의 상호작용은 연결 품질을 저하시키는 질화물 형성으로 이어질 수 있습니다. 반면 이산화탄소는 저탄소강 용접에 경제적인 선택으로, 부드러운 용접을 제공하지만 강철 산화를 방지하지는 않습니다.

레이저 용접의 응용

레이저 용접은 다재다능성과 비교할 수 없는 정밀도 덕분에 많은 산업에서 응용을 찾습니다. 다음은 가장 중요한 예시입니다:

1. 열쇠 제작, 난간, 게이트 - 레이저 용접은 내구성 있고 정밀한 연결을 만들 수 있게 하며, 이는 강도와 정밀도가 필요한 요소에 매우 중요합니다.

2. 강철 구조물 - 레이저 용접 기술은 높은 품질과 구조적 요구 사항 준수를 보장하면서 대형 강철 요소를 효과적으로 접합할 수 있습니다.

3. 요식업 - 요식업에서는 내구성과 위생적인 표면 실행이 우선순위인 스테인리스 스틸 그릇과 액세서리를 생산하기 위해 레이저 용접이 사용됩니다.

4. 가구 산업 - 이 기술은 정밀하고 미적으로 아름다운 용접이 필요한 부품 및 로프트 가구 생산에서 특히 높이 평가됩니다.

5. 자동차 산업 - 레이저 용접은 차체 요소, 섀시, 엔진 부품을 접합하는 데 사용됩니다. 빠른 접합은 현대 자동차 생산에서 중요한 내구성과 미적 품질을 보장합니다.

6. 항공기 장비 - 항공에서는 모든 그램의 질량이 중요합니다. 레이저 용접은 가장 높은 안전 기준을 충족하는 가볍고 내구성 있는 구조물을 만들 수 있게 합니다.

7. 의료 산업 - 레이저 용접은 수술 기구 및 임플란트 생산에 사용됩니다. 공정의 청결함과 이 방법의 높은 정밀도는 복잡한 형태의 요소를 만들 수 있게 합니다.

8. 전자제품 - 전자 장치의 소형화는 정밀한 용접을 필요로 합니다. 레이저 용접기는 손상 위험 없이 작은 부품을 접합하는 데 이상적입니다.

9. 플라스틱 - 공정 매개변수를 조정할 수 있는 능력 덕분에 레이저 용접은 열가소성 재료를 접합하는 데도 사용됩니다. 레이저 에너지는 재료에 의해 흡수되어 전자 또는 의료 제품에서 내구성 있는 연결을 만듭니다.

어떤 재료가 레이저 용접될 수 있나요?

가장 일반적으로 용접되는 재료 중 하나는 중공업과 자동차에서 사용되는 탄소강으로, 용접 내구성과 깊은 침투가 중요합니다. 레이저 덕분에 높은 기계적 부하를 견디는 강하고 빽빽한 연결을 얻을 수 있습니다.

이 기술과 완벽하게 작동하는 또 다른 재료는 알루미늄입니다. 알루미늄의 레이저 용접은 주변 영역에 대한 열 영향을 최소화하면서 어떤 형태의 가볍고 내구성 있는 요소를 접합할 수 있게 합니다.

레이저는 티타늄, 구리, 심지어 니켈 합금이나 일부 플라스틱과 같은 용접하기 어려운 재료도 용접할 수 있습니다.

레이저 용접에 사용되는 레이저 유형

레이저 용접은 빔 증폭 매체의 유형, 방출된 파장 및 작동 모드에 따라 다른 다양한 레이저 기술을 사용합니다. 가장 일반적으로 사용되는 레이저 유형 중에서 다음과 같은 것들을 구별할 수 있습니다:

• 파이버 레이저 - 활성 매체로 이터븀(Yb) 섬유를 사용합니다. 980에서 1100 nm 범위의 파장을 방출하며, 연속 방출 또는 Q-Switch 기술의 초고속 펄스를 제공합니다. 컴팩트한 디자인과 높은 효율성이 특징입니다.

• 분자 CO₂ 레이저 - 10.6 μm 길이의 파를 방출하며, 연속 및 펄스 모드로 제공됩니다. 다재다능성과 다양한 재료를 정밀하게 절단하고 용접할 수 있는 능력으로 인해 산업에서 널리 사용됩니다.

• 고체 레이저 - Nd:YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 및 YVO₄(이트륨 오소바나데이트)와 같은 결정 레이저를 포함합니다. 연속 또는 펄스 모드로 10.6 μm 범위의 방사선을 방출합니다. 구조로 인해 고밀도 및 경도를 가진 재료를 용접하는 데 완벽합니다.

• 루비 레이저 - 694.3 nm 길이의 파를 생성합니다. 플래시 램프를 사용한 광학 펌핑을 통해 높은 전력을 달성할 수 있는 능력이 있습니다. 높은 정밀도가 필요한 공정에 사용됩니다.

• 반도체 레이저 - 1070 nm 길이의 파를 방출하는 레이저 다이오드를 기반으로 합니다. 연속 또는 펄스 모드로 작동할 수 있으며, 펌핑은 전기적으로 이루어집니다. 효율적이고 컴팩트하며 가시광선에서 적외선까지 넓은 스펙트럼 범위에서 빛을 방출할 수 있습니다.

언급된 각 유형의 레이저는 다양한 산업 요구 사항에 맞게 조정된 특정 이점을 제공합니다. 예를 들어, 파이버 기술을 사용하는 금속용 레이저 용접기는 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 고밀도 재료의 정밀한 접합을 가능하게 하며, 최소한의 열 영향으로 높은 품질의 용접을 보장합니다. 반면에 CO₂ 레이저는 플라스틱을 효과적으로 절단하고 용접할 수 있는 능력 덕분에 비금속 재료에서 잘 작동합니다.

올바른 레이저 용접기를 선택하는 방법?

올바른 레이저 용접기의 선택은 재료, 연결 유형 및 생산 요구 사항에 따라 달라집니다. 레이저 유형 - 파이버, CO₂ 또는 Nd:YAG - 은 각각 특정 이점을 제공하므로 중요합니다. 빔 파워는 침투 깊이에 영향을 미치며, 이를 통해 얇은 요소와 더 두꺼운 요소 모두 용접할 수 있습니다. 속도나 보호 가스 강도와 같은 용접 매개변수를 조정하는 것은 결과 용접의 품질에 영향을 미칩니다. 현대 레이저 용접기는 자동화 가능성을 제공하여 운영 비용을 최소화하면서 공정의 효율성과 반복성을 증가시킵니다(반복 용접은 주로 대량 생산에서 발견됩니다).

더 알아보기: 레이저 용접기에 대한 종합 가이드

레이저 용접은 안전한가요?

용접에 관한 주제에서 레이저 용접기 작동에는 훈련과 건강 및 안전 규칙에 대한 지식이 필요하기 때문에 안전 문제를 다루는 것이 가치가 있습니다. 부적절한 사용은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 용접에서의 건강 및 안전 규칙 준수는 운영자의 건강을 보호할 뿐만 아니라 공정의 효율성과 신뢰성을 보장합니다. 레이저 용접은 안전한가요? 예, 하지만 확립된 절차를 따르는 조건에서만 그렇습니다.

레이저 용접 - 산업의 미래를 바꾸는 기술

레이저 용접에 투자하는 것은 생산 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 그 효율성을 증가시키는 혁신을 향한 한 걸음입니다. 이는 오늘날 용접의 모습을 바꾸고 있으며 이를 구현하는 기업에 경쟁 우위를 제공하는 미래의 기술입니다.

신뢰할 수 있고 현대적인 솔루션을 찾고 있다면, Fanuci 장치를 사용한 레이저 용접은 가장 까다로운 기대도 충족시킬 선택입니다.

참고문헌:

1. Dominik Wyszyński, 레이저 용접 - 선택된 방법, "용접 기술 리뷰", Vol. 88 12/2016, https://distantreader.org/stacks/journals/pspaw/pspaw-717.pdf, 온라인 접속 [15.01.2025]

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