자동차의 다른 부품들을 지탱하는 역할을 하는 차체 제조 기술은 자동차 전체의 제조 품질을 직접적으로 좌우합니다. 자동차 차체 제조 과정에서 용접은 중요한 생산 공정입니다. 현재 자동차 차체 용접에 사용되는 주요 용접 기술로는 저항 점 용접, 용융 불활성 가스 차폐 용접(MIG 용접), 용융 활성 가스 차폐 아크 용접(MAG 용접) 및 레이저 용접 등이 있습니다.
광학-기계적 통합을 갖춘 첨단 용접 기술인 레이저 용접 기술은 기존 자동차 차체 용접 기술에 비해 높은 에너지 밀도, 빠른 용접 속도, 낮은 용접 응력 및 변형, 우수한 유연성 등의 장점을 가지고 있습니다.
자동차 차체 구조는 복잡하며, 차체 부품은 주로 얇은 벽으로 이루어진 곡선형 부품들입니다. 자동차 차체 용접은 차체 재질의 변화, 차체 부품의 두께 변화, 다양한 용접 궤적 및 접합 형태와 같은 여러 가지 어려움에 직면합니다. 또한, 자동차 차체 용접은 용접 품질과 용접 효율에 대한 요구 조건이 매우 높습니다.
적절한 용접 공정 매개변수를 적용하면 레이저 용접은 자동차 차체 주요 부품의 용접 시 높은 피로 강도와 충격 인성을 확보하여 차체 용접의 품질과 수명을 보장할 수 있습니다. 레이저 용접 기술은 다양한 접합 형태, 두께 및 재질의 자동차 차체 부품 용접에 적용 가능하여 자동차 차체 제조의 유연성 요구를 충족합니다. 따라서 레이저 용접 기술은 자동차 산업의 고품질 발전을 위한 중요한 기술적 수단입니다.
자동차 차체용 레이저 용접 공정
레이저 심층 융합 용접 공정 원리: 레이저 출력 밀도가 일정 수준에 도달하면 재료 표면이 기화되어 키홀이 형성됩니다. 키홀 내부의 금속 증기압이 주변 액체의 정압 및 표면 장력과 동적 평형을 이루면 레이저가 키홀을 통해 바닥까지 조사될 수 있으며, 레이저 빔의 이동에 따라 연속적인 용접부가 형성됩니다. 레이저 심층 융합 용접 공정에서는 공작물 자체의 재료를 하나로 용접하기 위해 보조 플럭스나 용가재를 추가할 필요가 없습니다.
레이저 심층융착 용접으로 얻은 용접 이음매는 일반적으로 매끄럽고 직선이며 변형이 적어 자동차 차체 제조 정밀도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 용접부의 인장 강도가 높아 자동차 차체 용접 품질을 보장합니다. 또한 용접 속도가 빨라 용접 생산 효율을 높이는 데 유리합니다.
자동차 차체 용접 공정에서 레이저 심층 융합 용접 공정을 사용하면 부품, 금형 및 용접 툴링의 수를 크게 줄여 차체 중량과 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 레이저 심층 융합 용접 공정은 용접할 부품의 조립 간격에 민감하며, 이 간격은 0.05mm에서 2mm 사이로 제어해야 합니다. 조립 간격이 너무 크면 기공과 같은 용접 불량이 발생할 수 있습니다.
최근 연구에 따르면 동일 재질의 자동차 차체 용접에서 레이저 심층융합 용접의 공정 변수를 최적화하면 표면 조도가 양호하고 내부 결함이 적으며 기계적 특성이 우수한 용접부를 얻을 수 있습니다. 이러한 우수한 기계적 특성은 자동차 차체 용접 부품의 사용 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 자동차 차체 용접에서 이종 금속 레이저 심층융합 용접 공정의 대표적인 예인 알루미늄 합금강의 경우, 전이층을 추가하여 우수한 용접 성능을 얻을 수 있음에도 불구하고, 전이층 재질이 금속간화합물(IMC) 층에 미치는 영향 메커니즘과 용접부 미세구조에 미치는 영향에 대한 심층적인 연구가 필요합니다.
자동차 차체 레이저 와이어 충진 용접 공정
레이저 필러 용접 공정은 다음과 같은 원리에 기반합니다. 특정 용접 와이어를 용접 부위에 미리 채우거나 레이저 용접 공정 중에 와이어를 동시에 공급하여 용접 접합부를 형성합니다. 이는 레이저 심층 융합 용접 시 용접 풀에 거의 균일한 양의 와이어 재료를 공급하는 것과 유사합니다. 아래 그림은 레이저 필러 용접 공정을 보여줍니다.
레이저 심층융착 용접과 비교했을 때, 레이저 필러 용접은 자동차 차체 용접에서 두 가지 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 용접될 자동차 차체 부품 사이의 조립 간격 공차를 크게 개선하여 레이저 심층융착 용접에서 요구되는 높은 경사 간격 문제를 해결할 수 있습니다. 둘째, 구성 성분이 다른 용접 와이어를 사용하여 용접 부위의 조직 분포를 개선하고 용접 성능을 조절할 수 있습니다.
자동차 차체 제조 공정에서 레이저 필러 용접은 주로 차체의 알루미늄 합금 및 강철 부품 용접에 사용됩니다. 특히 자동차 차체의 알루미늄 합금 부품 용접 과정에서 용융 풀의 표면 장력이 작아 용융 풀 붕괴가 쉽게 발생할 수 있는데, 레이저 필러 용접은 레이저 용접 과정에서 와이어를 녹여 용융 풀 붕괴 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
자동차 차체 레이저 브레이징 공정
레이저 브레이징 공정은 다음과 같은 원리에 기반합니다. 레이저를 열원으로 사용하여 레이저 빔을 집속하고 와이어 표면에 조사하면 와이어가 녹습니다. 녹은 와이어는 흘러내려 용접할 공작물을 채우고, 브레이징 재료와 공작물 사이에서 용융 및 확산과 같은 야금학적 효과가 발생하여 공작물을 접합합니다. 레이저 필러 용접 공정과 달리 레이저 브레이징 공정은 용접할 공작물이 아닌 와이어만 녹입니다. 레이저 브레이징은 용접 안정성이 우수하지만, 용접부의 인장 강도는 낮습니다. 그림 3은 자동차 트렁크 커버 용접에 레이저 브레이징 공정을 적용한 사례를 보여줍니다.
자동차 차체 용접 공정에서 레이저 브레이징 공정은 주로 높은 접합 강도가 필요하지 않은 차체 부품, 예를 들어 탑 커버와 측면 테두리 사이의 용접, 트렁크 커버의 상하부 사이의 용접 등에 사용됩니다. 폭스바겐, 아우디 등 중고급 모델의 탑 커버는 모두 레이저 브레이징 공정을 사용하여 제작됩니다.
자동차 차체 레이저 브레이징 접합부의 주요 결함으로는 모서리 눌림, 기공, 용접 변형 등이 있으며, 이러한 결함은 공정 매개변수를 조절하고 다중 초점 레이저 브레이징 공정을 사용함으로써 크게 억제할 수 있습니다.
자동차 차체 레이저 아크 복합 용접 공정
레이저-아크 복합 용접 공정의 원리는 다음과 같습니다. 레이저와 아크라는 두 가지 열원을 용접 대상물의 표면에 동시에 작용시켜 용접 부위를 녹이고 응고시켜 용접 이음매를 형성합니다. 아래 그림은 레이저-아크 용접 공정을 보여줍니다.
레이저-아크 복합 용접은 레이저 용접과 아크 용접의 장점을 결합한 기술입니다. 첫째, 두 가지 열원의 작용으로 용접 속도를 높이고 열 입력량을 줄이며 용접 변형을 최소화하여 레이저 용접의 특성을 유지합니다. 둘째, 접합 능력이 뛰어나고 조립 틈새 허용 오차가 큽니다. 셋째, 용융 풀의 응고 속도가 느려 기공, 균열 등의 용접 결함을 제거하고 열영향부의 조직화 및 성능을 향상시킵니다. 넷째, 아크 특성 덕분에 반사율과 열전도율이 높은 재료도 용접할 수 있어 적용 재료의 범위가 넓습니다.
자동차 차체 제조 공정에서 레이저-아크 복합 용접 공정은 주로 차체 알루미늄 합금 부품 및 알루미늄 합금과 강철의 이종 금속 용접에 사용됩니다. 특히 자동차 도어 부분과 같이 조립 틈새가 큰 부품의 용접 부위에 레이저-아크 복합 용접을 적용하는 것은 조립 틈새가 레이저-아크 복합 용접의 접합 성능을 향상시키는 데 유리하기 때문입니다. 또한, 레이저-MIG 아크 복합 용접 기술은 아우디 차체의 측면 루프 빔 부위에도 적용됩니다.
자동차 차체 용접 공정에서 레이저-아크 복합 용접은 단일 레이저 용접에 비해 큰 틈새 허용 오차를 갖는다는 장점이 있지만, 레이저와 아크의 상대적 위치, 레이저 용접 매개변수, 아크 매개변수 등 여러 요소를 종합적으로 고려해야 합니다. 레이저-아크 용접 공정의 열 및 물질 전달 거동은 복잡하며, 특히 이종 재료 용접의 에너지 조절 및 금속간 화합물(IMC) 두께와 조직 조절 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않아 추가적인 연구가 필요합니다.
기타 자동차 차체 레이저 용접 공정
레이저 심층융착 용접, 레이저 필러 용접, 레이저 브레이징, 레이저 아크 복합 용접 등 다양한 용접 공정은 이론적으로 성숙되어 있으며 실제 적용 범위도 넓습니다. 자동차 산업에서 차체 용접 효율에 대한 요구가 증가하고 경량 제조 분야에서 이종 재료 용접 수요가 늘어남에 따라 레이저 점 용접, 레이저 진동 용접, 다중 레이저 빔 용접, 레이저 비행 용접 등이 주목받고 있습니다.
레이저 스폿 용접 공정
레이저 점 용접은 빠른 용접 속도와 높은 용접 정밀도라는 탁월한 장점을 지닌 첨단 레이저 용접 기술입니다. 레이저 점 용접의 기본 원리는 용접할 부품의 한 지점에 레이저 빔을 집중시켜 해당 지점의 금속을 순간적으로 녹이는 것입니다. 레이저 밀도를 조절하여 열전도 용접 또는 심층 융합 용접 효과를 얻을 수 있으며, 레이저 빔 조사가 중단되면 용융된 금속이 역류하여 응고되면서 접합부를 형성합니다.
레이저 점 용접에는 크게 펄스 레이저 점 용접과 연속 레이저 점 용접의 두 가지 유형이 있습니다. 펄스 레이저 점 용접은 레이저 빔의 최대 에너지가 높지만 작동 시간이 짧아 주로 마그네슘 합금이나 알루미늄 합금과 같은 경금속 용접에 사용됩니다. 연속 레이저 점 용접은 레이저 빔의 평균 출력이 높고 작동 시간이 길어 주로 강재 용접에 사용됩니다.
자동차 차체 용접에서 저항 점 용접과 비교했을 때, 레이저 점 용접은 비접촉식이며 자체 설계 점 용접 궤적을 사용할 수 있다는 장점이 있어 자동차 차체 재료의 다양한 겹침 간격에서도 고품질 용접 요구를 충족할 수 있습니다.
레이저 진동 용접 공정
레이저 진동 용접은 최근 제안되어 널리 주목받고 있는 새로운 레이저 용접 기술입니다. 이 기술의 원리는 레이저 용접 헤드에 진동 거울을 통합하여 레이저 빔의 빠르고 규칙적이며 작은 진동을 구현하는 것입니다. 이를 통해 레이저 용접 중 빔이 전진하면서 진동하는 효과를 얻을 수 있습니다.
레이저 진동 용접 공정의 주요 진동 궤적에는 횡진동, 종진동, 원형 진동 및 무한 진동이 있습니다. 레이저 진동 용접 공정은 자동차 차체 용접에 있어 상당한 이점을 제공합니다. 레이저 빔의 진동으로 용융 풀의 유동 상태가 크게 변화하기 때문에, 동일한 차체 재질을 용접할 경우 미융착 결함을 제거하고, 결정립 미세화를 달성하며, 기공 발생을 억제할 수 있습니다. 또한, 이종 차체 재질을 용접할 경우, 서로 다른 재질의 혼합 불량 및 용접부의 기계적 특성 저하 문제를 개선할 수 있습니다.
다중 레이저 빔 용접 공정
현재 파이버 레이저는 용접 헤드에 설치된 빔 분할 모듈을 사용하여 단일 레이저 빔을 여러 개의 레이저 빔으로 분할할 수 있습니다. 다중 레이저 빔 용접은 용접 공정에 여러 개의 열원을 적용하는 것과 같습니다. 빔의 에너지 분포를 조절함으로써 각 빔은 서로 다른 기능을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 밀도가 높은 빔은 주 빔으로 깊은 용융 용접을 담당하고, 에너지 밀도가 낮은 보조 빔은 재료 표면을 세척 및 예열하고 재료의 레이저 빔 에너지 흡수율을 높이는 역할을 합니다.
다중 레이저 빔 용접 공정은 아연 도금 강판 용접 시 아연 증기의 증발 특성과 용융 풀의 동적 거동을 개선하고, 스패터링 문제를 줄이며, 용접 이음매의 인장 강도를 향상시킬 수 있습니다.
레이저 비행 용접 공정
레이저 비행 용접 기술은 높은 용접 효율과 용접 궤적의 자율 설계 기능을 갖춘 새로운 레이저 용접 기술입니다. 레이저 비행 용접의 기본 원리는 레이저 빔이 스캐닝 미러의 X축 및 Y축 미러에 입사될 때, 자율 프로그래밍을 통해 미러의 각도를 제어하여 레이저 빔을 임의의 각도로 편향시키는 것입니다.
전통적으로 자동차 차체 레이저 용접은 주로 용접 로봇이 레이저 용접 헤드를 구동하여 동기식 운동을 통해 용접 효과를 얻는 방식에 의존해 왔습니다. 그러나 용접 로봇의 반복적인 왕복 운동은 용접 부위의 수가 많고 길이가 긴 경우 자동차 차체 용접 효율을 심각하게 제한합니다. 이와 대조적으로 레이저 비행 용접은 반사경의 각도 조절만으로 특정 범위 내에서 용접 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 레이저 비행 용접 기술은 용접 효율을 획기적으로 개선할 수 있으며, 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다.
요약
자동차 산업의 발전과 함께 차체 용접 기술의 미래는 용접 공정 및 지능형 기술 측면 모두에서 지속적으로 발전할 것입니다.
자동차 차체, 특히 신에너지 자동차 차체는 경량화 방향으로 발전하고 있습니다. 경량 합금, 복합 재료 및 이종 재료가 자동차 차체에 더욱 널리 사용될 것이며, 기존의 레이저 용접 공정으로는 이러한 재료의 용접 요구 사항을 충족하기 어려우므로 고품질의 효율적인 용접 공정이 미래 발전 추세가 될 것입니다.
최근 레이저 스윙 용접, 다중 레이저 빔 용접, 레이저 비행 용접 등과 같은 새로운 레이저 용접 공정은 용접 품질 및 용접 효율 측면에서 초기 이론 연구 및 공정 탐색 단계에 머물러 있습니다. 향후에는 이러한 새로운 레이저 용접 공정과 자동차 차체 경량 소재, 이종 소재 용접 등 다양한 시나리오를 긴밀하게 결합하여 레이저 빔 스윙 궤적 설계, 다중 레이저 빔 에너지 작용 메커니즘, 비행 용접 효율 향상 등 여러 측면을 심층적으로 연구하여 성숙한 경량 자동차 차체 용접 공정을 개발해야 합니다.
자동차 차체 레이저 용접 기술은 지능형 기술과 깊이 융합되고 있으며, 자동차 차체 레이저 용접 상태의 실시간 감지 및 공정 매개변수의 피드백 제어는 용접 품질에 결정적인 역할을 합니다. 현재의 지능형 레이저 용접 기술은 주로 용접 전 궤적 계획 및 추적, 그리고 용접 후 품질 검사에 사용되고 있습니다. 용접 결함 감지 및 매개변수 적응 조절에 대한 국내외 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 레이저 용접 공정 매개변수 적응 제어 기술은 자동차 차체 제조에 아직 적용되지 않았습니다.
따라서 자동차 차체 용접 공정의 특성상, 향후에는 첨단 다중 센서 코어 레이저 용접 지능형 감지 시스템과 고속 고정밀 용접 로봇 제어 시스템을 개발하여 레이저 용접 지능형 기술의 각 단계별 실시간 정확성을 보장해야 합니다. 이를 통해 "용접 전 궤적 계획 - 용접 매개변수 적응 제어 - 용접 후 품질 온라인 검사" 단계를 거쳐 고품질의 효율적인 가공을 보장할 수 있습니다.
메이븐 레이저 자동화 회사는 14년간 레이저 산업에 주력해 왔으며, 특히 레이저 용접 분야에 특화되어 있습니다. 로봇 팔 레이저 용접기, 테이블 자동 레이저 용접기, 휴대용 레이저 용접기 등을 비롯하여 레이저 용접기, 레이저 절단기, 레이저 마킹 및 조각기 등 다양한 레이저 용접 솔루션 사례를 보유하고 있습니다. 관심 있으시면 언제든지 문의해 주십시오.
게시 시간: 2022년 12월 9일
