광섬유 레이저 용접 품질과 수율을 개선하는 방법
Coherent
광섬유 레이저가 10년 이상 용접에 쓰였으나, 많은 최종 사용자는 부품 품질을 향상하고 생산 처리량을 높이며 공정 비용을 낮추려고 한다. 제조업체들은 레이저 또는 레이저 시스템 공급업체가 이러한 노력을 이끌어 갈 것으로 기대한다. 이를 위해 종종 특정 애플리케이션에 특정한 ‘공정 방법’으로 완전히 최적화된 해결책을 제공하는 경우가 많다.
Coherent(지금은 Rofin-Sinar 산업용 레이저 그룹 포함) 내에서, 이는 CleanWeld™ initiative에서 구체화됐다. 즉, 최대 80%의 스패터(Spatter, 튐) 감소뿐만 아니라 균열과 다공성을 최소화하는 광섬유 레이저 용접에 대한 통합된 접근 방식이다. 향상된 공정 일관성 외에도 40% 적은 레이저 출력으로 일부 용접 공정을 수행할 수 있다. 이 방법론의 구체적인 이점은 도표에 요약됐다.
CleanWeld는 광섬유 레이저, 전달 섬유, 포커스 광학 혹은 프로세스 헤드에 대한 Coherent의 전문 지식과 광범위한 용접 공정 지식 또는, 자체 애플리케이션 개발 기능을 결합해 향상된 결과를 제공한다.
용접 과정에 영향을 미치는 레이저 외에도 수많은 요소가 있기 때문에 이 모든 것이 필요하다. 진정한 목표는 용접 공정 중에 에너지/재료 결합 효율, 그리고 Keyhole과 welding pool(용융 풀)의 안정성을 제어하고 최대화하는 것이다. 이것이 우수한 결과를 만들어낸다. 그러나 실제로 이를 수행하려면 집중된 레이저 스폿의 강도 분포를 변경하는 것부터 빔 모션(wobble) 도입, 보조 가스 전달, 증기 배출의 정확한 동력과 같은 다른 요인에 이르는 다양한 기술이 필요하다. CleanWeld 통합 접근법은 모든 영역을 다룬다.
기술 배경
Keyhole 또는 깊은 용입 용접(deep penetration welding)에서 레이저는 금속이 실제로 기화되도록 매우 높은 출력 밀도를 얻기 위해 초점을 맞춘다. 이 기화된 금속 체적이 물질로 뻗어 용융 웅덩이로 둘러싸인 Keyhole을 만든다. 레이저 빔 흡수로 인한 Keyhole 내의 증기압은 welding pool을 못 막게 한다. 초점을 맞춘 레이저 빔과 Keyhole은 용접 경로를 따라 계속 이동한다.
용접 품질은 용접 공정 중 Keyhole의 안정성이 결정한다. Keyhole 전체 깊이를 통해 안정된 에너지 균형을 달성하여 Keyhole 주위로 균일한 흡수 혹은 무절제 용해 흐름(non-perturbed molten flow)을 보장하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 용접 깊이가 일정하게 유지되며, 더 중요한 것은 스패터와 다공성이 최소화된다는 점이다.
지금까지 광섬유 레이저 기술을 써서 용접 품질 또는 신뢰성에 대해 수용할 수 있는, 그러나 이상과는 거리가 먼 수준이 가능했다. 이는 레이저의 중요한 요소 중 하나가 단순 원형 빔 프로파일이기 때문에 절단에 적합하지만 침투 용접에는 이상적이지 않기 때문이다.
Keyhole 역학을 제어하고 특정 용접 공정을 최적화하는 데 쓸 수 있는 몇 가지 도구가 있으며, 이는 CleanWeld 방식의 핵심이다. 아마도 가장 분명한 것은 레이저 파워와 집중된 레이저 스폿 크기뿐 아니라 그 지점의 공간 강도 분포일 것이다. 실제로 이 세 가지 요소를 함께 고려하는 것은 굉장히 유용하다. 용접 결과에 영향을 미치는 것은 전체 전력이 아니라 공작물의 전력 밀도(그리고 어떻게 분배되는지)이기 때문이다. 상단 재료 표면에 대한 초점 위치(최소 스폿 크기의 위치)도 중요하다.
정확한 레이저 강도 분포(수평과 깊이)를 제어하면 증기 팽창 특성이 welding pool 흐름과 균형을 이루므로 레이저 에너지가 Keyhole(그리고 Keyhole의 후속 모양과 시간 안정성)에 흡수되는 방법을 결정한다. 레이저 강도 분포가 공작물과 Keyhole의 온도 구배를 직접 결정하기 때문이다.
기존 섬유 레이저(fiber lasers)는 단일 모드 또는 다중 모드 원형 지점을 기본으로 제공하는 단일 원형 코어 섬유를 사용한다. 오늘날 더 복잡한 강도 분포를 제공하는 몇 가지 접근법이 있다. 이러한 방법은 정사각형(또는 다른 모양의) 코어에서 멀티 코어 섬유(예 : 두 개의 동심 코어로 구성된 섬유)까지 다양하다. 후자의 경우 Coherent의 조절식 링 모드(ARM, Adjustable Ring Mode) 레이저는 낮은 밝기의 경쟁 제품과 달리 스캐너와 함께 쓸 수 있는, 시장에서 가장 높은 밝기의 링 빔을 제공한다.
다음으로 집중된 스폿 크기, 모양, 위치를 추가로 조작하거나 변경하기 위해 다양한 공정(포커싱) 광학을 쓸 수 있다. 그뿐만 아니라 공작물 표면의 주어진 위치에서 전달되는 유효 전력과 전달 속도는 빔 이동과 같은 파워 램핑(power ramping), 레이저 변조, 빔 모션 기술을 써서 변경할 수 있다.
초점 광학 외에도 레이저 용접 공정 헤드는 공정 가스를 전달하고 팽창하는 레이저 증기를 제거하기 위한 노즐을 포함할 수 있다. 특히 특정 재료의 가열과 평형 welding pool 역학을 안정시키는 데 보조 가스를 쓸 수 있다. 또한 가스 흐름은 깃털을 제거하고 이물질한테서 광학을 보호하는 데 쓸 수 있다.
애플리케이션 테스트에서 이러한 모든 요소를 최적화함으로써, Coherent는 주어진 출력 전력을 가진 레이저가 아니라 특정 용접 품질과 처리 속도를 제공하는 완전한 CleanWeld 해결책을 고객에게 제공할 수 있다.
알루미늄 배터리 뚜껑 용접
전기차에 쓰이는 리튬 이온 배터리 생산의 주요 단계 중 하나는 배터리 케이스를 용접하는 것이다. 이 용접은 구성 요소의 수명 동안 지속되는 밀봉씰을 만드는 것이 중요하다. 특히 물이 리튬과 강하게 반응해 가스와 압력을 발생시켜 장치를 파괴할 수 있기 때문에 씰은 습기 침투를 방지해야 한다.
또한 금속 입자(습기뿐만 아니라)가 내부 누설 전류를 만들어 배터리를 단락시킬 수 있으므로 용접 과정 자체에서 스패터가 발생하지 않아야 한다. 마지막으로, 용접은 기계적으로 충분히 강해야 하며, 충돌의 충격까지도 견딜 수 있어야 한다.
배터리 벽이 얇기 때문에(1 mm 미만) 알루미늄 배터리 케이스를 밀봉하는 일은 레이저 전도 용접을 사용해 수행됐다. 그렇지만 전도 용접으로는 습기 침입를 방지하기 위해 충분히 낮은 다공성으로 충분한 강도의 용접을 할 수 있을 만큼의 침투력을 얻기가 어렵다. 그러나 더 깊은 침투(Keyhole)를 달성하기 위해 레이저 출력을 더 많이 쓰면 모공이 생성되고 용입 깊이가 불안정해질 위험이 있으므로, 용접 강도가 낮아질 수 있으며 대개 약간의 스패팅을 일으킬 수 있다.
Coherent에서 한 광범위한 개발 작업을 통해 고속, 프리 스패터, 깊은 금속 용접을 위한 해결책 중 하나가 레이저 광선의 다른 동심원 링으로 둘러싸인 중심점으로 구성된 빔 프로파일을 쓰는 것임을 입증했다. 집중 섬유 레이저 스폿(focused fiber laser spot)에서 이 특이한 구성을 달성하려면 Coherent의 가변 링 모드 섬유 레이저인 HighLight® FL-ARM를 써야 한다. 이 레이저의 전달섬유는 기존 원형코어를 다른 횡단면 섬유코어로 둘러싸서 보강한다.
Coherent는 2.5 kW ~ 10 kW의 출력을 가진 FL-ARM 레이저를 제공한다. 중심과 링의 전력은 공칭 최대 출력의 1% ~ 100% 범위에서 요구에 따라 개별적으로 조정할 수 있다. 코어와 링 빔은 최대 5 kHz의 반복 속도로 각각 변조될 수 있다. 링과 중앙을 독립적으로 올리거나 조절할 수 있는 능력은 용접 기하학과 Keyhole 역학을 제어하는 기능을 향상한다.
이 배열에선 내측에서 외측 빔에 대한 출력 비율 측면에서 가능한 조합의 수가 무한에 가깝다. 그러나 이 모든 것은 그림에 표시된 구성으로 크게 분류할 수 있다. 기본 패턴은 여러 애플리케이션 세트에 가장 알맞게 서비스하기 위해 광범위한 처리 특성을 제공하도록 변경할 수 있다.
알루미늄의 광섬유 레이저 용접에서 한 가지 어려운 점은, 이 물질이 근적외선에 대해 비교적 낮은 흡수율을 갖는다는 것이다. 흡수가 작고 예측 불가능한 변화 때문에 침투 깊이가 달라져 용접이 고르지 않게 된다.
FL-ARM 빔은 이 문제를 해결하고 알루미늄 배터리 케이스의 Keyhole 용접에 필요한 미세 제어를 제공하기 위해 중앙과 링 양쪽에 전원이 공급되도록 구성됐다. 특별한 파워 구성을 이용하면, 빔의 앞쪽 가장자리는 레이저 파장에서 흡수를 증가시킬 수 있을 정도로 알루미늄 온도를 높인다. 그러면 빔의 중심이 Keyhole을 만들게 된다. 이 구멍은 예열 때문에 매우 안정적이다. 링 빔의 뒤쪽 모서리는 가스가 빠져나갈 수 있을 정도로 welding pool을 오랫동안 열어둔다. Keyhole이 안정적이고 재질이 그만큼 빨리 굳지 않기 때문에 전체 공정이 더 일관되고 공정 창도 더 커지기 때문이다. 최종 결과는 일관된 재료 침투와 높은 품질, 스패터, 무공해 용접이다.
‘헤어 핀’ 용접
자동차용 전기모터 생산의 중요한 단계는 막대기에 감긴 구리 핀을 전기모터의 고정자에 용접하는 것이다. 이러한 뻣뻣한 핀(‘u 모양’ 때문에 ‘헤어핀’이라고 함)은 전기 모터에서 전통적으로 사용된 와이어 권선을 대체한다. 와이어보다 훨씬 강하기 때문에 모터의 방향을 더 정확하게 제어할 수 있으며, 결과적으로 열응력을 줄이고 모터 효율을 높일 수 있다.
조립 공정에서 개별 헤어핀은 먼저 고정자의 슬롯에 로드된다. 그러고 나서 인접한 헤어핀의 끝은 전기를 연결하기 위해 함께 용접된다. 전체 모터가 끝나면 모든 헤어핀은 기존의 전기 모터의 권선과 같이 길고 꼬인 단일 도체로 작동한다.
이 공정의 두 가지 핵심 필수 사항은 용접부가 핀의 기계 정렬을 적절히 유지하고 결함도 발생하지 않는다는 것이다. 정확한 ‘감기 모양’이 모터 효율에 직접 영향을 미치기 때문에 헤어핀 정렬이 중요하다. 결함은 최종 권선의 저항을 증가시켜 전기 효율을 떨어뜨리고 조립품의 기계적 강도를 낮출 수 있으므로 피해야 한다.
Coherent는 헤어핀 용접을 수행하는 광섬유 기반의 방법을 개발했다. 이로써 모든 목표를 달성할 수 있다. 표준 하이라이트 광섬유 레이저를 기반으로 하는 공정의 첫 번째 핵심 요소는 이른바 ‘빔 워블(beam wobble)’을 쓰는 것이다. 이 경우 작업 면에 집중된 빔의 크기는 용접될 전체 면적보다 더 작게 의도적으로 만들어진다. 그러나 지점의 위치는 그 지역 전체를 덮기 위해 빠르게 스캐닝된다.
FL-ARM 레이저와 마찬가지로 빔 흔들림의 장점은 welding fool의 온도 역학을 더 정확하게 제어할 수 있다는 것이다. 빔을 부품 위로 빠르고 반복적으로 이동시켜 어느 한 장소에 머물러 있게 하지 않으면, 모든 전력을 한꺼번에 쏟아 붓는 대신 제어된 방식으로 부품을 본질적으로 예열하고, 유효 출력을 줄이지 않고, 빔을 효과적으로 커지게 한다. 또한 이 모든 것이 기존의 레이저 용접 방법에 견주었을 때 welding fool을 안정화시켜 스패터, 결함, 용접 다공성을 줄인다.
이밖에도 Coherent는 생산 환경에서 레이저 헤어핀 용접의 결과를 개선하는 실용적인 공정 관련 도구를 제공한다. 예를 들어, 회사는 레이저 빔과 핀의 상대적 위치를 제어하는 시각 시스템을 포함한 레이저 용접 서브 시스템을 제공할 수 있다.
파워트레인 부품 용접
자동차 파워트레인 커플링 부품의 용접은 광섬유 레이저에 대한 어려움을 오랫동안 보여줬다. 레이저가 보통 약간의 스패터를 생성하기 때문이다. 이런 유형의 오염은 동력 전달 장치의 기어 또는 베어링 표면에서 특히 허용되지 않는다. 또한 스패터에는 용접 다공성이 수반되는 경우가 많으며(용접된 재료가 공극 또는 언더컷을 남길 수 있음) 용접 품질, 강도, 일관성에 영향을 미칠 수 있다.
CleanWeld 접근 방식을 채택한 Coherent의 애플리케이션 개발 작업은 광섬유 레이저를 써도 스패터가 거의 제거될 수 있음을 입증했다. 레이저 전력과 가스 공급 노즐을 포함한 여러 공정 요소의 최적화와 관련된 세부 사항이 있지만, 아마도 가장 큰 개선은 올바른 공급 섬유를 선택하는 데서 비롯됐을 것이다. 특히, 단순한 원형 지점에서 벗어나 집중 빔 프로파일을 변경하면 welding pool에서 난류가 상당히 감소돼 스패터가 줄어들게 된다. 샘플 용접은 최적화된 광섬유 레이저 용접 공정의 품질을 확인한다.
그림 4는 폭이 1 mm 미만인 좁은 용접 심을 보여주며 부품 치수가 정확할 때 유용하다(예 : 제로 갭). 이는 열 영향을 받는 구역과 왜곡을 최소화한다. 뿌리 너비는 CO2 레이저 용접과 비슷한 0.3 mm로 유지된다. 그러나 일부 파워트레인 용접 애플리케이션은 부품의 부정확성 때문에 간극을 메워야 한다. 광학 설정을 영리하게 조정하면 스패터나 다공성이 거의 없는 매우 매끄러운 용접을 써서 최대 0.3 mm의 간격을 필러 없이 브리지 할 수 있다(그림 4 참조).
이 경우에 사용된 섬유 레이저 용접 매개변수는 스패터 제거 외에도 더 빠른 처리를 가능하게 했다. 실제로 이 기술을 활용한 한 자동차 공급업체는 이전 섬유 레이저 공정보다 처리량이 20% 증가했다고 밝혔다.
자동차 걸쇠 부품 용접 (Automotive Hang-on Parts Welding)
알루미늄이 자주 들어가는 자동차 걸쇠 부품은 레이저 용접에 어려움을 줄 수 있다. 알루미늄은 보통 용접 중에 합금 원소가 없어서 ‘열간 균열’하는 경향이 있다. 이는 대개 필러 와이어의 형태로 welding pool에 재료를 추가해야 하는 필요를 만든다. 또한 조립품(보기 : 문)에 끼일 수 있는 오염을 유발하기 때문에 걸쇠 부품에 문제가 있는 경우가 있다. 이를테면, 한 제조업체는 문 배수구로 계속해서 이동하거나 차단하는 스패터 재료에 대한 문제를 보고했다.
이를 위한 CleanWeld 해결책은 다시 집중된 레이저 스폿에서 전용 강도 분포를 활용하는 것을 포함했다. 최적화된 빔 모양은 부품이 예열 혹은 후열할 수 있도록 해 급속 부품 냉각으로 인한 문제를 방지할 수 있다. 또한 스패터와 필러 와이어를 써야 할 필요를 없애준다. 레이저 파워 분포의 미묘한 변화의 효과는 그림 5에 나와 있다. 파트 A와 B는 빔 강도 프로파일을 조정함으로써 용접 폭을 일정하게 유지하면서 용접 깊이를 제어할 수 있음을 보여준다.
아연 도금 강철의 제로 갭 용접
아연 도금 강판은 차체뿐만 아니라 걸쇠 부품에 널리 쓰이는 또 다른 재료다. 레이저 에너지가 재료에 가해지면 휘발성 아연이 먼저 증발한다.
때문에 이 재료의 제로 갭 랩 용접은 레이저 용접에 대한 어려움을 느끼게 했다. 이는 용융된 강철을 불어낼 수 있는 가스 압력을 발생시켜 일정하지 않을 뿐만 아니라 나중에 씻어내야 하는 스패터를 만들어낸다. 이 문제는 재질을 딤플링(dimpling)하거나 금속판 사이에 스페이서를 추가하여, 기화된 아연이 키홀의 상단이 아닌 측면으로 제어된 방식으로 분출할 수 있는 충분한 공간(약 0.1 ~ 0.5 mm)을 확보함으로써 완화될 수 있다. 그러나 이러한 접근방식은 분명한 단점을 가지고 있다. 즉, 추가 단계가 있으면 제조 복잡성 또는 비용이 증가한다.
CleanWeld 접근 방식은 부품 사이에 틈새 없이 아연 도금된 강철에 대해 용접할 수 있는 능력을 입증했다. 다시 한 번, 레이저 출력의 대부분은 빔 중심에서 떨어져 가장자리로 분산된다. 알루미늄과 마찬가지로, 이 접근법은 재료를 예열하거나 후열하는 동시에 Keyhole 중앙의 압력을 낮춘다.
이렇게 하면 아연가스는 부품들이 제로 갭으로 함께 클램프로 고정돼 있을 때에도 어떤 스패터도 만들어내지 않고 중심을 통해 쉽게 배출할 수 있다.
그러나 이 배전은 대칭이므로 용접심의 방향을 따라 변경할 필요가 없으며, 윤곽 또는 형상 부품에 따라 크게 달라질 수 있다. 이는 구현을 크게 단순화하고 스캐너 헤드를 써서 할 수 있다.
스테인리스강 프로파일 용접
스테인리스강 튜브는 편평한 스트립을 형성해 프로파일이 원통형이 되도록 한 다음, 틈을 용접해 닫힌 튜브를 만든다. 용접 이음매의 정확한 형상, 치수 정확도, 재료 특성은 부품을 추가로 형성하는 능력(예 : 굴곡과 곡선 생성)에 영향을 미치며 용접 품질, 특히 자동차 애플리케이션에 대한 요구가 매우 엄격하다.
CO2 레이저는 프로파일 용접에 오랫동안 쓰였으며 여전히 표준으로 남아 있다. 용접 이음 품질이 뛰어나고 높은 공급량을 제공할 수 있기 때문이다. 비록 제조업체들이 본질적으로 더 나은 소유 비용 특성을 이용하기 위해 이 기술로 전환하기를 원하지만, 섬유 레이저는 이런 결과를 필요한 처리량으로 맞출 수 없었다.
기존 섬유 레이저 프로파일 용접의 문제는, 대량 손실과 측면 절삭을 만들어 용접 이음선의 기계적 강도를 낮추고 품질과 심의 일관성을 감소시키는 스패터다. 문제는 보통 스테인리스강이 긴 CO2 레이저 파장보다 근적외선 섬유 레이저 출력을 더 강하게 흡수하기 때문에 발생한다. 높은 흡수는 더 빠른 물질 가열을 유발하며, 또한 더 작은 영역으로 제한되고, 두 영역 모두 welding pool의 난류와 혼돈 역학(chaotic dynamic)으로 이어진다.
Coorent FL-ARM을 이용해 표준 광섬유 레이저 전력 분배를 수정하면 welding pool의 난류를 줄일 수 있다. 이를 통해 용접 공정의 역학은 전도 용접에서 접하는 안정된 조건과 유사하지만, Keyhole(깊은 침투) 용접의 종횡비가 높다. 광섬유 레이저를 통해 일반적으로 두께와 재료에 따라 8 m/min에서 24 - 30 m/min의 처리량을 가능케 하는 시장에서, 이와 같은 고품질 결과를 제공할 수 있다는 것이 가장 중요하다.
자료 제공 : Coherent(www.coherent.com)
