점 용접은 고속 및 비용 효율적인 접합 방법입니다. 기밀성이 요구되지 않는 겹침 이음매를 사용하여 얇은 판재 부품을 연결하는 데 적합합니다. 점 용접에는 저항 점 용접, 아크 점 용접, 접착 점 용접 등 다양한 종류가 있습니다.복합재 스폿 용접저항 점용접과 레이저 점용접이 있습니다. 현재 저항 점용접은 생산 현장에서 널리 사용되고 있습니다. 자동차 산업을 예로 들면, 차체 패널 부품 조립 과정에서 3,000~4,000개의 용접점이 필요하며, 이를 위해서는 250~300대의 로봇과 제어 시스템, 기타 보조 장비가 필요합니다. 그러나 저항 점용접은 유연성이 떨어집니다. 급속한 경제 발전으로 자동차 부품의 형상 및 구조 변경 주기가 매우 짧아짐에 따라, 신제품 및 신모델 출시에는 효율적이고 유연한 새로운 유형의 점용접 기술이 요구됩니다. 따라서 레이저 점용접 기술이 점차 주목받고 있으며, 자동차 산업 생산에 널리 적용될 것으로 기대됩니다. 항공우주 분야에서도 레이저 점용접이 대체 기술로 연구되고 있습니다. 오랫동안 항공우주 제품의 겹침 이음매에는 주로 리벳 접합이 사용되었는데, 이는 여러 생산 공정과 높은 작업량을 수반합니다. 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 복합재료와 같은 신소재의 사용이 증가함에 따라, 기존 접합 방식을 대체할 새로운 용접 기술의 도입이 주류 추세가 되고 있습니다. 이는 생산 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 구조물의 무게를 줄이고 새로운 구조 설계 요구 사항을 충족시켜 항공우주 제품에 매우 중요한 의미를 갖습니다. 레이저 점 용접의 높은 정밀도와 유연성은 실제 생산, 특히 항공 산업에서 저항 점 용접 및 리벳팅과 같은 기존 공정을 대체할 수 있는 상당한 이점을 제공합니다.
I. 레이저 점용접의 정의 및 특징
정의
레이저 점 용접은 단일 레이저 펄스(t > 1ms) 또는 동일 위치에 일련의 레이저 펄스를 사용하여 공작물을 녹이고 접합하는 공정을 말합니다.
레이저 점 용접은 기본적으로 다른 레이저 용접 공정과 유사하지만, 점 용접 중 레이저 빔과 공작물 사이에 상대적인 변위가 없다는 점이 다릅니다. 레이저 점 용접은 열전도 용접과 키홀 용접의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 열전도 점 용접에서는 레이저가 금속을 기화시키지 않고 녹이기만 합니다. 이 방법은 전자 부품의 Nd:YAG 레이저 점 용접과 같이 두께가 0.5mm 미만인 금속 용접에 더 적합합니다. 키홀 레이저 점 용접에서는 레이저가 키홀을 통해 재료 내부로 직접 진입하여 레이저 에너지 이용률을 높이고 더 깊은 용접 깊이를 얻을 수 있습니다. 기존의 저항 점 용접은 전류에 의해 발생하는 저항열을 이용하여 공작물을 녹여 용접점을 형성하는 반면, 레이저 점 용접은 레이저 복사열을 열원으로 사용하기 때문에 용접점 형상이 크게 달라집니다.
레이저 점 용접의 조절 가능한 매개변수에는 일반적으로 레이저 출력, 점 용접 시간 및 초점 이탈량이 포함됩니다. 펄스 모드를 사용하는 점 용접의 경우, 매개변수에는 펄스 파형, 주파수 및 듀티 사이클도 포함됩니다. 이 중 레이저 출력은 주로 용접점의 침투 깊이에 영향을 미치고, 점 용접 시간은 용접점의 측면 크기에 더 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 레이저 조사 시간이 길수록 용접점의 상하면 크기와 용융면의 크기가 커집니다. 초점 이탈량의 변화는 주로 점 직경과 공작물 표면에 작용하는 에너지 밀도에 영향을 미치므로 용접점의 전체적인 형상에 상당한 영향을 미칩니다.
형질
- 레이저를 열원으로 사용하는 점 용접은 고속, 고정밀, 낮은 열 입력 및 최소한의 공작물 변형을 제공합니다.
- 점 용접 자세의 자유도가 크게 향상되어 모든 자세에서 점 용접이 가능하고 손쉽게 구현할 수 있습니다.단면 점 용접따라서 제품 디자인의 자유도가 크게 향상됩니다.
- 레이저 점 용접은 겹침 이음매 크기에 대한 요구 조건이 낮습니다. 이음매의 겹침량, 용접점 간 거리 등의 매개변수에 대한 제약이 최소화되어 있으며, 전류 단락의 영향을 고려할 필요가 없습니다.
- 두께가 다른 판재, 서로 다른 재질, 특수 재질(알루미늄 합금, 아연 도금 강판)을 용접할 때 레이저 점 용접은 기존 점 용접 방식보다 우수한 성능을 보입니다.
- 많은 보조 장비가 필요하지 않고, 제품 변화에 신속하게 적응하여 시장 수요를 충족할 수 있습니다.
II. 레이저 점용접의 결함 분석
레이저 점 용접에서 가장 흔한 결함은 균열, 기공 및 처짐이며, 이러한 결함들을 아래에서 하나씩 분석합니다.
1. 균열
균열은 표면 균열과 종방향 균열로 구분됩니다. 레이저 점 용접 시 가열 및 냉각 속도가 매우 빠르기 때문에 가열 영역과 주변 금속 사이에 큰 온도 구배가 발생하여 균열이 쉽게 생깁니다. 균열 발생은 재료와 밀접한 관련이 있는데, 예를 들어 알루미늄 합금은 스테인리스강보다 레이저 점 용접 시 균열이 발생할 가능성이 훨씬 높습니다. 균열 발생을 억제하는 효과적인 방법은 펄스 파형을 최적화하여 금속 응고 과정의 냉각 속도를 제어하고 내부 응력을 줄이는 것입니다.
2. 모공
레이저 점 용접에서 발생하는 기공 결함(기공)은 작은 기공과 큰 기공으로 나눌 수 있습니다. 작은 기공은 주로 금속 응고 과정에서 액체 금속 내 수소 용해도 감소, 키홀에서의 금속 급속 증발, 용융 풀의 교란 등으로 인해 발생합니다. 큰 기공은 주로 레이저 점 용접 시 냉각 속도가 너무 빨라 키홀 주변의 금속이 충분히 채워질 시간이 부족하기 때문에 발생합니다. 일반적으로 작은 기공은 장펄스 점 용접에서, 큰 기공은 단펄스 점 용접에서 발생하기 쉽습니다.
레이저 점 용접에서 기공이 가장 발생하기 쉬운 위치는 두 곳입니다. 하나는 용접부 중앙의 용융 영역 근처이고, 다른 하나는 용접 뿌리 부분입니다. X선으로 촬영한 용융 이미지를 분석해 보면, 용융 영역 근처의 기공은 주로 키홀이 닫힐 때 발생하는 네킹 현상으로 인해 발생하며, 용접 뿌리 부분의 기공은 키홀 형성 후 레이저가 급격히 사라지면서 키홀이 붕괴되어 형성되는 것이 주된 원인임을 알 수 있습니다.
3. 처짐
레이저 점 용접에서 처짐 현상은 흔히 나타나는 현상입니다. 용접부 표면의 중앙 처짐과 그 주변의 금속 축적은 금속 증발로 인한 반동력이 액체 금속을 용접부 표면으로 밀어 올리기 때문에 발생합니다. 냉각 과정에서 표면에 축적된 금속은 빠르게 응고되어 완전히 채워지지 않습니다. 또한, 급격한 금속 증발과 스패터링으로 인한 재료 손실도 중앙 처짐을 유발하는 요인입니다. 펄스 시간은 용접부 표면의 처짐과 기공 발생 모두에 상당한 영향을 미칩니다. 펄스 파형과 시간을 최적화하면 만족스러운 용접부를 얻을 수 있습니다.
4. 초점 흐림 정도가 용접점에 미치는 영향
디포커스 양의 변화는 스폿 직경과 에너지 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다. 디포커스 양이 음의 방향과 양의 방향 모두에서 증가하면 스폿 직경은 증가하고 에너지 밀도는 감소합니다. 레이저 스폿 용접 시, 스폿 직경과 시험편에 입사하는 레이저에 의해 형성되는 초기 키홀 크기 사이에는 일정한 상관관계가 있으며, 에너지 밀도는 용융 풀의 팽창 속도를 결정합니다. 디포커스 양의 절댓값이 작으면 레이저 스폿 직경은 작고 레이저 출력 밀도는 높아 용접 스폿 용융 풀의 팽창 속도가 빠르지만 초기 키홀 직경은 작습니다. 반대로 디포커스 양이 크면 초기 키홀 직경은 크지만 용융 풀의 팽창 속도가 느려져 최종 용접 스폿 크기가 크지 않을 수 있습니다. 따라서 디포커스 양이 변화함에 따라 용접 스폿의 크기는 스폿 직경과 표면 출력 밀도의 종합적인 영향에 의해 결정됩니다.
III. 레이저 점용접 기술의 응용
레이저 점 용접은 고속, 깊은 용입 깊이, 최소한의 변형 등의 특징을 가지며, 상온 또는 특수 조건에서 간단한 용접 장비로 수행할 수 있습니다. 또한, 초당 40펄스 이상의 고주파 펄스 레이저의 등장으로 대량 자동화 생산에서 마이크로 및 소형 부품의 조립 및 용접에 레이저 점 용접이 널리 적용되고 있습니다. 유리와 금속 접합, 열에 민감한 반도체 회로의 접합부, 전선의 서로 다른 금속 접합과 같이 열영향부가 작아야 하는 소형 전자 부품 용접 시, 레이저 점 용접은 기존의 점 용접 공정(예: 저항 점 용접)보다 오염 없는 용접부와 높은 용접 품질을 제공하는 데 유리합니다. 그림 6-60은 자동차 헤드라이트 생산에 레이저 점 용접을 적용한 예를 보여줍니다. 500W 고체 펄스 레이저가 매우 높은 펄스 주파수로 네 개의 유사한 용접점을 생성합니다.
높은 펄스 에너지를 이용하여 미세 구조물에 고정밀 점 용접을 수행할 때, 펄스형 Nd:YAG 레이저는 기술적, 경제적 이점을 제공합니다. 대부분의 산업용 점 용접 응용 분야에서는 평균 출력 50W, 펄스 출력 2kW 이상의 펄스형 고체 레이저가 기본적으로 사용됩니다. 레이저는 광섬유 또는 복합 집속 렌즈를 통해 공작물에 직접 조사될 수 있습니다.
레이저 점 용접은 다양한 재료에 적용 가능합니다. 예를 들어, 리튬 배터리를 점 용접할 때 Nd 레이저를 사용하면 다음과 같습니다.YAG 레이저 스폿 용접 기술서로 다른 금속을 접합하는 데 있어 TIG 용접이나 저항 점 용접보다 효율적입니다. 특히, 생산 과정에서 광섬유를 이용하여 레이저를 전송하기 때문에 다양한 작업대 사이를 빠르고 유연하게 이동할 수 있습니다.
요약하자면, 레이저 점 용접은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
- 레이저 출력이 증가함에 따라 용접점의 표면 직경은 위아래로 변동하는 반면, 용융면과 하부면의 직경은 서서히 증가합니다. 용접점의 단면 형상 변화는 뚜렷하지 않습니다. 용접 시간이 증가함에 따라 용접점의 크기는 급격히 증가하며, 용융면 직경의 변화율이 상부면과 하부면 직경의 변화율보다 큽니다. 초점 이탈량의 변화는 용접점 크기에 상당한 영향을 미칩니다. 초점 이탈량은 용접점 직경과 레이저 출력 밀도를 직접적으로 변화시키며, 이 두 요소의 종합적인 영향이 용접점 크기를 결정합니다.
- 완전 용입의 경우, 레이저 점 용접 표면에 뚜렷한 처짐 현상이 나타납니다. 레이저 출력과 용접 시간이 증가함에 따라 용접점 표면의 처짐 깊이도 증가합니다. 용접 시간이나 갭 크기가 클 경우, 아랫면에도 함몰이 발생할 수 있습니다.
- 간격이 커질수록 용접 부위의 전체적인 변형, 중앙부 처짐 및 함몰 현상이 뚜렷하게 나타납니다. 용융면이 수축하고 강도가 급격히 감소합니다. 현재 저항기, 배터리 및 전자 분야의 용접에서는 두 개의 레이저 광원을 사용하는 설계를 채택하여 두 지점을 동시에 용접하는 공정이 일반적으로 사용됩니다.
게시 시간: 2025년 10월 27일
