마이크로 및 소형 부품 용접 방법 레이저 용접은 고에너지 밀도의 레이저 빔을 열원으로 사용하는 효율적이고 정밀한 용접 방법으로, 레이저 재료 가공 기술의 중요한 응용 분야 중 하나입니다. 1970년대에는 주로 얇은 벽 재료 용접 및 저속 용접에 사용되었으며, 용접 공정은 열전도 방식에 속했습니다. 구체적으로, 레이저 복사열이 공작물 표면을 가열하고, 표면의 열이 열전도를 통해 내부로 확산됩니다. 레이저 펄스의 폭, 에너지, 최대 출력, 반복 주파수 등의 매개변수를 제어하여 공작물을 녹여 특정한 용융 풀을 형성합니다. 이러한 고유한 장점 덕분에 레이저 용접은 다양한 분야에 성공적으로 적용되어 왔습니다.초소형 부품의 정밀 용접.중국의 레이저 용접 기술은 세계 최고 수준에 속합니다. 중국은 레이저를 이용해 12제곱미터가 넘는 복잡한 티타늄 합금 부품을 성형할 수 있는 기술과 역량을 보유하고 있으며, 이를 바탕으로 여러 국내 항공 연구 프로젝트의 시제품 및 제품 생산에 적용해 왔습니다. 2013년 10월에는 중국의 한 용접 전문가가 용접 분야 최고 학술상인 브룩 상을 수상하며 중국의 세계적 수준의 레이저 용접 기술력을 입증했습니다.
## 개발 역사 세계 최초의 레이저 빔은 1960년 플래시 램프로 루비 결정을 여기시켜 생성되었습니다. 그러나 결정의 열용량 한계로 인해 매우 짧고 저주파의 펄스 빔만 생성할 수 있었습니다. 순간 펄스 피크 에너지는 최대 10^6 와트에 달했지만, 여전히 저에너지 출력에 속했습니다. 네오디뮴(Nd)을 여기 소자로 사용하는 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 결정봉은 1~8kW의 출력을 가진 연속적인 단일 파장 레이저 빔을 생성할 수 있습니다. 1.06μm의 파장을 가진 YAG 레이저는 유연한 광섬유를 통해 레이저 가공 헤드에 연결할 수 있어 장비 배치가 유연하고 0.5~6mm 두께의 공작물 용접에 적합합니다. 이산화탄소를 여기 에너지로 사용하는 CO₂ 레이저(파장 10.6μm)는 최대 25kW의 출력 에너지를 달성하여 2mm 두께의 판재를 한 번에 완전 용입 용접할 수 있습니다. 이러한 레이저는 산업 분야의 금속 가공에 널리 사용되어 왔습니다. 1980년대 중반, 레이저 용접은 새로운 기술로서 유럽, 미국, 일본에서 큰 주목을 받았습니다. 1985년에는 독일의 티센크루프(ThyssenKrupp Steel AG)와 폭스바겐(Volkswagen AG)이 협력하여 아우디 100 차체에 세계 최초로 레이저 용접 블랭크를 성공적으로 적용했습니다. 1990년대에 들어서면서 유럽, 북미, 일본의 주요 자동차 제조업체들은 자동차 차체 제조에 레이저 용접 블랭크 기술을 본격적으로 도입하기 시작했습니다. 연구소와 자동차 제조업체 모두의 실제 경험을 통해 레이저 용접 블랭크가 자동차 차체 생산에 성공적으로 적용될 수 있음이 입증되었습니다. 레이저 테일러 용접은 레이저 에너지를 이용하여 재질, 두께, 코팅이 서로 다른 여러 종류의 강재, 스테인리스강, 알루미늄 합금 등을 자동으로 접합 및 용접하여 일체형 판재, 프로파일 또는 샌드위치 패널을 제작하는 기술입니다. 이 기술은 부품의 다양한 재질 성능 요구 사항을 충족하고, 최적의 구조와 최고의 성능을 통해 장비의 경량화를 실현합니다. 유럽과 미국 등의 선진국에서는 이 기술이 널리 사용되고 있습니다.레이저 테일러 용접레이저 용접 기술은 운송 장비 제조 산업뿐만 아니라 건설, 교량, 가전제품 판재 용접 생산, 압연 라인의 강판 용접(연속 압연 시 판재 연결) 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 세계적으로 유명한 레이저 용접 기업으로는 Soudonic(스위스), ArcelorMittal Group(프랑스), ThyssenKrupp TWB(독일), Servo-Robot(캐나다), Precitec(독일) 등이 있습니다. 중국에서 레이저 용접 블랭크 기술의 적용은 이제 막 시작되었습니다. 2002년 10월 25일, 중국 최초의 레이저 용접 블랭크 전문 상용 생산 라인이 공식적으로 가동되었습니다. 이 라인은 독일 ThyssenKrupp TWB의 Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding에서 도입했습니다. 이후 Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. 등 여러 기업이 잇따라 생산에 참여했습니다. 2003년 해외에서 이중 빔 CO₂ 레이저 필러 와이어 용접이 실현되었습니다.YAG 레이저 용접봉 용접A318 알루미늄 합금 하부 벽 패널 구조에 적용된 이 기술은 기존의 리벳 접합 방식을 대체하여 항공기 동체 무게를 20% 줄이고 비용을 20% 절감했습니다. 공수이리는 레이저 용접 기술이 중국의 전통적인 항공기 제조 산업의 변혁과 고도화에 중요한 역할을 할 것이라고 확신했습니다. 그는 즉시 관련 사전 연구 프로젝트에 지원하고 연구팀을 구성하여 중국 연구 프로젝트에 "이중 빔 레이저 용접" 기술을 도입하는 데 앞장섰습니다. 처음부터 그는 이 기술을 항공기 제조에 적용할 계획이었습니다. 중국 전문가팀은 항공기 설계 연구소에 초기 기술을 보고하고 이중 빔 레이저 용접의 장점과 실현 가능성을 홍보했습니다. 여러 차례의 검증과 평가 끝에 설계 연구소는 특정 항공기의 리브 벽 패널 제조에 이 기술을 적용하기로 결정했고, 이로써 "이중 빔 레이저 용접" 기술을 항공기 제조에 적용하려는 초기 목표를 달성했습니다. 경량 합금용 레이저 용접 필러 와이어의 정밀 제어와 같은 핵심 기술을 혁신적으로 개발하여, 통합적이고 혁신적인 이중 빔 레이저 필러 와이어 하이브리드 용접 장치를 제작하고, 중국 최초의 고출력 이중 빔 레이저 필러 와이어 용접 플랫폼을 구축했습니다. 이를 통해 대형 박판 구조물의 T형 접합부에 대한 이중 빔 양면 동시 용접을 실현했으며, 항공기 리브형 벽 패널의 주요 구조 부품 용접 제조에 최초로 적용하여 중국 신형 항공기 개발에 중요한 역할을 했습니다. 2003년에는 HG 레이저가 제공한 국내 최초의 대규모 온라인 스트립 용접 완전 설비가 오프라인 인증을 통과했습니다. 이 설비는 레이저 절단, 용접 및 열처리를 통합하여 HG 레이저를 이러한 설비를 생산할 수 있는 세계 4대 기업으로 만들었습니다. 2004년, HG Laser Farley Laserlab의 "고출력 레이저 절단, 용접 및 복합 절단-용접 가공 기술 및 장비" 프로젝트는 국가 과학기술진보상 2등상을 수상하며, 해당 기술 및 장비에 대한 연구 개발 역량을 갖춘 중국 유일의 레이저 기업으로 자리매김했습니다. 산업용 레이저 산업의 급속한 발전과 함께 시장은 레이저 가공 기술에 대한 더욱 높은 요구를 제시하고 있습니다. 레이저 기술은 점차 단일 응용 분야에서 다양한 응용 분야로 확장되고 있으며, 레이저 가공은 더 이상 단일 절단이나 용접에만 국한되지 않습니다. 절단과 용접을 결합한 통합 레이저 가공 장비에 대한 시장 수요가 증가함에 따라 통합 레이저 절단-용접 장비가 등장하게 되었습니다. HG Laser Farley Laserlab은 초대형 포맷(9×3m)의 통합 레이저 절단-용접 장비인 Walc9030을 개발했는데, 이는 현재 세계 최대 포맷의 통합 레이저 절단-용접 장비입니다. Walc9030은 절단, 용접 및 용접 기능을 통합한 대형 장비입니다.레이저 절단 및 레이저 용접 기능이 장비는 전문 절단 헤드와 용접 헤드를 갖추고 있으며, 두 가공 헤드가 하나의 빔을 공유합니다. 수치 제어 기술을 통해 두 헤드 간의 간섭을 방지합니다. 절단과 용접이 필요한 두 가지 공정을 동시에 수행할 수 있으며, 절단 후 용접 또는 용접 후 절단 등 원하는 대로 자유롭게 전환하여 추가 장비 없이 하나의 장비로 레이저 절단과 용접 기능을 모두 구현할 수 있습니다. 이는 응용 분야 제조업체의 장비 비용을 절감하고 가공 효율과 가공 범위를 향상시킵니다. 또한 절단과 용접이 통합되어 가공 정밀도가 완벽하게 보장되며, 장비 성능이 효율적이고 안정적입니다. 뿐만 아니라 초대형 판재의 맞춤형 용접 시 발생하는 판재의 열 변형 문제를 해결하고 초장거리 비행 광경로를 안정적으로 구현했습니다. 길이 6m, 폭 1.5m의 평판 두 장을 한 번에 용접할 수 있으며, 용접면은 추가 후가공 없이 매끄럽고 평평합니다. 동시에, 이 장비는 2차 위치 조정 없이 한 번의 성형 공정으로 폭 3미터, 길이 6미터 이상, 두께 20mm 미만의 판재를 절단할 수 있습니다. 중국과학원 선양자동화연구소는 일본 IHI사와 국제 협력을 진행했으며, 국가 과학기술 발전 전략인 "도입, 소화, 흡수, 재혁신"에 따라 여러 핵심 기술을 확보했습니다.레이저 테일러 용접2006년 9월, 중국 최초의 레이저 테일러 용접 생산 라인을 완벽하게 구축했으며, 로봇 레이저 용접 시스템을 성공적으로 개발하여 평면 및 공간 곡선 레이저 용접을 구현했습니다. 2013년 10월에는 중국의 용접 전문가인 공수이리 교수가 용접 분야 최고 학술상인 브룩 상(Brook Award)을 수상했습니다. 영국 용접학회(TWI)는 매년 120여 개국 4,000여 개 회원사 중에서 후보자를 추천하고, 용접 또는 접합 과학 기술 및 산업 응용 분야에 탁월한 공헌을 한 전문가 한 명에게 이 상을 수여합니다. 이 상은 공수이리 교수와 그의 팀에 대한 인정일 뿐만 아니라, 재료 접합 기술 발전에 기여한 AVIC의 역할을 재확인하는 것이기도 합니다.
## 구조적 매개변수
### 작동 원리 레이저는 광 발진기와 발진기 공동 양 끝의 거울 사이에 놓인 매질로 구성됩니다. 매질이 고에너지 상태로 여기되면 동위상 광파를 생성하기 시작하고, 이 광파는 양 끝의 거울 사이에서 앞뒤로 반사되어 광전 효과를 발생시킵니다. 이 과정에서 광파가 증폭되고, 충분한 에너지가 얻어지면 레이저가 방출됩니다. 레이저는 전기 에너지, 화학 에너지, 열 에너지, 빛 에너지, 핵 에너지와 같은 1차 에너지원을 특정 광학 주파수(자외선, 가시광선, 적외선)의 전자기파로 변환하는 장치로 정의할 수도 있습니다. 이러한 변환은 특정 고체, 액체 또는 기체 매질에서 쉽게 이루어질 수 있습니다. 이러한 매질이 원자나 분자 형태로 여기되면 거의 동일한 위상과 거의 단일 파장을 가진 광선, 즉 레이저를 생성합니다. 동위상 특성과 단일 파장 덕분에 발산각이 매우 작아 장거리 전송 후에도 고집광 형태로 집중되어 용접, 절단, 열처리 등의 기능을 수행할 수 있습니다. ### 레이저 분류 용접에 사용되는 레이저는 크게 CO₂ 레이저와 Nd:YAG 레이저 두 종류가 있습니다. CO₂ 레이저와 Nd:YAG 레이저는 모두 육안으로 볼 수 없는 적외선입니다. Nd:YAG 레이저에서 발생하는 빔은 주로 파장 1.06μm의 근적외선입니다. 열전도체는 이 파장의 빛에 대해 비교적 높은 흡수율을 보이며, 대부분의 금속은 20~30%의 반사율을 나타냅니다. 근적외선 빔은 표준 광학 렌즈를 사용하여 직경 0.25mm까지 집광할 수 있습니다. CO₂ 레이저의 빔은 파장 10.6μm의 원적외선입니다. 대부분의 금속은 이러한 유형의 빛에 대해 80~90%의 반사율을 가지므로, 빔을 0.75~1.0mm 직경으로 집속하기 위해서는 특수 광학 렌즈가 필요합니다. Nd:YAG 레이저의 출력은 일반적으로 약 4,000~6,000W이며, 현재 최대 출력은 10,000W에 달합니다. 반면, CO₂ 레이저의 출력은 20,000W 이상에 쉽게 도달할 수 있습니다. 고출력 CO₂ 레이저는 키홀 효과를 통해 높은 반사율 문제를 해결합니다. 빛이 조사된 물질 표면이 녹으면 키홀이 형성됩니다. 증기로 채워진 이 키홀은 흑체처럼 작용하여 입사광의 에너지를 거의 모두 흡수합니다. 키홀 내부의 평형 온도는 약 25,000°C에 도달하며, 반사율은 수 마이크로초 내에 급격히 감소합니다. 이산화탄소 레이저 개발의 초점은 여전히 장비 개발 및 연구에 맞춰져 있지만, 더 이상 최대 출력 증대에만 국한되지 않고 빔 품질 및 집속 성능 향상에 집중되고 있습니다. 또한, 10kW 이상의 고출력 이산화탄소 레이저 용접 시 아르곤을 차폐 가스로 사용하면 강한 플라즈마가 발생하여 용접 깊이가 감소하는 문제가 있습니다. 따라서 플라즈마가 발생하지 않는 헬륨이 고출력 이산화탄소 레이저 용접의 차폐 가스로 널리 사용되고 있습니다. 고출력 Nd:YAG 결정 여기를 위한 다이오드 레이저 조합의 적용은 레이저 빔 품질을 크게 향상시키고 레이저 가공 효율을 높일 수 있는 중요한 연구 개발 주제입니다. 근적외선 영역에서 레이저를 여기 및 출력하는 데 직접 다이오드 어레이를 사용하는 방식은 평균 출력 1kW, 광전 변환 효율 약 50%를 달성했습니다. 또한 다이오드의 수명이 10,000시간으로 길어 레이저 장비의 유지 보수 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다. 다이오드 펌프형 고체 레이저(DPSSL) 장비 개발 또한 진전되고 있습니다.
게시 시간: 2025년 8월 27일
