DaVinci에는 파이버 레이저 용접에 주로 사용되는 레이저 광원인 적외선(IR) 레이저의 근적외선(IR) 파장은 특정 금속, 특히 구리에 의해 강하게 반사되어 이러한 재료 가공에 효율성이 제한됩니다. 따라서 구리 용접의 잠재적 대안으로 고출력 고체 녹색 레이저가 등장했는데, 이는 녹색 파장이 구리에 더 쉽게 흡수되기 때문입니다. 그러나 이러한 녹색 레이저는 몇 가지 실질적인 한계를 가지고 있어 궁극적으로 운영 비용 증가로 이어집니다.

이 글에서는 새로운 유형의 구리 용접을 사용한 최근 시험 결과를 소개합니다. 파이버 레이저 고휘도 중앙 빔과 조절 가능한 링 모드(ARM)를 갖추고 있습니다. 시판되는 킬로와트급 녹색 레이저와 비교했을 때, 고휘도 ARM은 파이버 레이저 이 기술은 구리 용접 작업에서 우수한 용접 품질, 다양한 용접 속도에서의 더 나은 침투력, 그리고 비용 효율성 측면에서 이점을 제공합니다. 이러한 결과는 다음과 같은 원리를 보여줍니다. 파이버 레이저 저렴한 비용, 높은 신뢰성 및 실용성을 제공하여 까다로운 구리 용접 작업에 적합합니다.

전기 자동차 제조

급성장하는 전기 자동차(EV) 제조 산업은 구리 용접 솔루션에 대한 수요를 크게 증가시켰습니다. 구리는 다른 금속에 비해 전기적, 열적, 기계적 특성 및 비용 효율성이 뛰어나 고정자, 배터리, 전력 분배 시스템과 같은 전기 자동차 부품에 널리 사용됩니다. 이러한 부품 및 시스템의 상당 부분에는 구리 용접이 필요합니다.

하지만 구리의 높은 전도성과 열적 특성은 이러한 용도에 이상적인 소재이지만, 전통적인 방식을 사용할 때는 어려움도 수반합니다. 파이버 레이저 용접에 사용됩니다. 특히, 전자적 특성으로 인해 근적외선 파장에서 높은 반사율을 나타냅니다. 파이버 레이저게다가 구리의 뛰어난 열전도율 때문에 재료를 녹이고 용접 공정을 시작하려면 상당한 양의 레이저 에너지가 필요합니다.

따라서 전통적인 방식을 사용하면 파이버 레이저 재료를 녹이는 데 필요한 전력 밀도를 얻으려면 종종 매우 높은 출력이 필요합니다. 그러나 이러한 "강압적인" 방식은 용접 공정을 불안정하게 만들고 미세한 표면 변화에 매우 민감하게 반응하게 합니다. 특히, 국부적인 표면 산화나 작은 규모의 표면 불규칙성은 공정 불안정을 초래하여 용접 불량, 표면 품질 저하 및 기공 발생으로 이어질 수 있습니다. 또한, 스패터링은 흔히 발생하는 문제로, 시간이 많이 소요되는 후처리 작업을 필요로 하거나 수율 저하를 초래합니다.

고체 녹색 레이저

구리는 상온에서 근적외선보다 녹색광을 훨씬 효율적으로 흡수합니다. 녹색 레이저의 에너지는 가공물에 더욱 효과적으로 전달되어 기존 방식보다 안정적이고 민감도가 낮은 공정을 가능하게 합니다. 파이버 레이저따라서 일부 제조업체는 고출력 고체 녹색 레이저를 사용하고 있으며, 다른 제조업체는 그 잠재력을 평가하고 있습니다.

하지만 고출력 녹색 레이저를 전기 자동차 제조에 적용하는 데에는 상당한 실질적인 문제가 있습니다. 이러한 녹색 레이저의 고유한 특성과 구조에서 비롯되는 어려움들이 존재합니다.

녹색 레이저는 근적외선 레이저 광의 주파수를 두 배로 늘려 생성할 수 있으며, 이는 고체 상태의 녹색 발광체를 생성합니다. 파이버 레이저 또는 디스크 레이저. 이 기술은 저전력(킬로와트 미만) 응용 분야에서 널리 사용되지만, 킬로와트급 출력이 필요한 대부분의 산업용 구리 용접 작업에서는 어려움을 겪습니다. 특히, 주파수 배가 과정의 효율은 약 50%에 불과합니다. 따라서 2kW의 녹색광 출력을 내려면 4kW 단일 모드 적외선 레이저가 필요합니다. 사용되지 않은 에너지는 열로 변환되어 수냉식 시스템으로 방출해야 합니다. 이로 인해 이러한 레이저는 에너지 효율이 낮아 운영 비용이 증가하고 많은 양의 냉각수가 필요합니다. 또한, 고출력으로 인해 주파수 배가 결정은 시간이 지남에 따라 열화되어 지속적인 모니터링 없이는 신뢰성 문제와 가동 중단 사태가 발생할 수 있습니다.

HighLight™ ARM 파이버 레이저

파이버 레이저 고체형 녹색 레이저보다 에너지 효율이 훨씬 높습니다. 다시 말해, 동일한 정격 출력을 내는 데 필요한 전력이 적어 발생하는 폐열이 적습니다. 이는 운영 비용을 절감하고 냉각을 간소화합니다. 또한, 파이버 레이저 높은 신뢰성을 자랑하며 광섬유를 통해 적외선을 효율적으로 전송합니다. 하지만 이러한 이상적인 특성에도 불구하고, 파이버 레이저 앞서 언급한 문제점들 때문에 구리 용접에는 널리 사용되지 않았습니다.

고성능 파이버 레이저 자동차 생산에 오랫동안 성공적으로 사용되어 왔습니다. 그러나 전기차 생산, 특히 경량 소재 생산에서 가장 어려운 용접 작업은 기본적인 에너지와 높은 출력 이상의 것을 요구합니다. 실제로 많은 응용 분야는 다음과 같습니다.

매우 얇거나 열에 민감한 재료

알루미늄, 구리, 고강도강과 같이 용접하기 어려운 재료

서로 다른 재료가 사용되는 접합부

이러한 까다로운 작업들을 해결하기 위해 레이저는 두 가지 주요 기능을 제공해야 합니다. 첫째, 필요한 출력을 지원할 수 있는 충분한 에너지를 제공해야 합니다. 두꺼운 부품의 경우, 적절한 재료 침투를 위해서는 높은 출력 또한 필요합니다. 둘째, 레이저는 단위 면적당 에너지 밀도와 단위 시간당 에너지 밀도 측면 모두에서 작업 표면 전체에 걸쳐 출력을 정밀하게 제어해야 합니다.

Coherent는 조절 가능한 링 모드(ARM)를 갖춘 HighLight 시리즈를 출시했습니다. 파이버 레이저이러한 광원의 비용 효율성과 실질적인 이점을 기존 기술로는 완전히 해결할 수 없는 분야에 적용할 수 있게 해줍니다. 이러한 작업에서는 고품질 용접(스패터 감소, 균열 최소화, 기공 감소)을 위해 작업 표면의 전력 분포와 전력 밀도를 정밀하게 제어하는 ​​것이 매우 중요합니다. 대표적인 예로는 아연 도금 강판의 제로 갭 용접, 파워트레인 부품의 저스패터 용접, 필러 와이어 없이 알루미늄 서스펜션 부품을 균열 없이 용접하는 것 등이 있습니다.

ARM 레이저의 독특한 빔 출력은 중앙 스폿과 추가적인 동심원형 환형 빔으로 구성되어 있어 공간적 출력 분포를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 중앙 빔과 환형 빔의 출력은 독립적으로 조절 및 맞춤 설정이 가능하여 용융 풀의 동적 특성을 세밀하게 제어할 수 있습니다.

ARM 파이버 레이저를 이용한 구리 용접 결과

Coherent의 애플리케이션 엔지니어들은 ARM을 사용하여 일련의 구리 용접 테스트를 수행했습니다. 파이버 레이저 중심 빔은 22µm의 고휘도 빔이고, 환형 빔은 내경 100µm, 외경 170µm입니다. 용접 재료는 순수 구리였습니다. 모든 실험에서 레이저 출력은 4kW였으며, 중심 빔에는 1.5kW, 환형 빔에는 2.5kW를 사용했습니다. 실험 결과, 초점 위치를 재료 표면에서 1.5mm 위로 조정했을 때 최상의 용접 품질을 얻을 수 있었습니다. 이 위치는 용접 침투 깊이와 품질 사이에서 최적의 균형을 제공합니다.

용접 효율성

ARM의 용접 효율 파이버 레이저 본 연구에서는 ARM 레이저의 용접 성능을 측정하고 2kW 출력의 녹색 레이저를 사용한 기존 연구 결과와 비교했습니다. 두 용접 시험 모두 질소를 보호 가스로 사용했습니다. 녹색 레이저의 경우 용접 단면적이 0.5mm²로 일정하고 침투 깊이는 약 1mm인 것으로 보고되었습니다. ARM 레이저로 녹색 레이저와 유사한 결과를 얻으려면 3.5kW의 출력과 300mm/s의 용접 속도가 필요했는데, 이는 녹색 레이저의 200mm/s 용접 속도보다 높은 수치입니다.

표면 품질

또 다른 중요한 고려 사항은 표면 품질입니다. 전통적인 파이버 레이저 구리 용접이 가능하지만 표면 품질 변화에 매우 민감합니다. 고휘도 ARM 파이버 레이저 사포질 및 광택 처리된 구리 표면 모두에서 안정적인 용접 품질을 유지했습니다.

맺음말

이 테스트는 코히런트의 독자적인 고휘도 ARM 기술이 우수함을 입증합니다. 파이버 레이저 이 솔루션은 전기 자동차에 사용되는 까다로운 구리 용접 작업에 적합한 실용적인 솔루션입니다. 용접 침투 깊이와 처리 속도는 현재 생산 요구 사항을 충족하거나 능가합니다. 과거에는 표면 품질에 대한 민감도와 공정 불안정성으로 인해 사용이 제한적이었습니다. 파이버 레이저 구리 용접에는 기존 레이저가 적합하지만, ARM 레이저는 이러한 문제를 해결합니다. 비용 효율성, 신뢰성 및 실용적인 이점을 갖춘 이 새로운 ARM 레이저는 구리 용접 분야에서 중요한 위치를 차지하게 되었습니다. 파이버 레이저 이 기술은 많은 산업 분야에서 선호되는 선택으로 자리 잡았으며, 궁극적으로 이러한 모든 이점을 까다로운 구리 용접 작업에 제공합니다.