파이버 레이저: Coherent가 억지 기법이 아닌 기교를 바탕으로 E-모빌리티 용접을 수행하는 이유

난이도가 가장 높은 자동차 및 e-모빌리티 용접 작업을 성공적으로 수행하려면 레이저 출력이 공작물에 전달되는 방식을 정밀하게 제어해야 합니다.

2021년 10월 26일 Coherent

Fiber Lasers: The Future of Automotive and E-Mobility Welding

자동차 생산에서 파이버 레이저를 사용하는 것은 큰 성공 사례였으며, 이는 Body-in-White, 벽걸이형 부품, 동력전달장치 부품 등을 포함한 수많은 용접 및 절단 응용 분야에 채택되었습니다. 놀라운 일이 아닙니다. 파이버 레이저는 레이저와 비레이저 등 이전에 사용된 대부분의 기술에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다.

그러나 자동차 산업은 계속해서 혁신의 훌륭한 원천입니다. 고출력 파이버 레이저가 자동차 생산에서 얼마 동안 성공적으로 사용되어 왔지만 e-모빌리티와 경량화를 지원하기 위해 현재 온라인화되고 있는 가장 까다로운 용접 프로세스에는 단순한 힘과 무차별적인 힘 이상이 필요합니다. 실제로 매우 다양한 개별 응용 분야가 있지만 대부분은 일반적으로 다음을 포함합니다. 

  • 매우 얇거나 열에 민감한 재료
  • 알루미늄, 구리 및 고강도 강철과 같은 용접하기 "어려운" 재료
  • 이종 재료의 접합

러한 더 까다로운 유형의 작업을 완료하려면 레이저가 두 가지 기본 기능을 제공해야 합니다. 첫 번째는 필요한 생산 처리율을 지원하기에 충분한 전력입니다. 두꺼운 부품으로 작업할 때 적절한 재료 침투를 달성하기 위해서도 높은 전력이 필요합니다. 두 번째는 공간적으로나 시간이 지남에 따라 레이저 출력이 작업 표면에 분산되는 방식을 정확하게 제어하는 기능입니다.

정밀한 출력

Coherent가 개발한 가변 링 모드(ARM) 파이버 레이저는 구체적으로 출력과 정확성을 모두 제공합니다. 이를 달성하기 위해 ARM은 이중 빔 출력을 사용하여 레이저 광의 또 다른 동심원 링으로 둘러싸인 중앙 지점을 생성합니다. 센터와 링 스폿 모두의 전력은 독립적으로 제어되고 변조될 수도 있습니다.

 

Coherent HighLight FL-ARM 시리즈 파이버 레이저는 최대 10kW의 총 전력으로 사용할 수 있습니다. 이는 유용한 처리 속도로 거의 모든 중요 결합 작업을 수행하기에 충분합니다. 사실 가장 섬세하고 까다로운 제품의 대다수는 일반적으로 그 양의 절반 미만을 사용합니다. 따라서 Coherent ARM 레이저는 필요한 시간에 충분한 레이저 출력을 정확히 전달할 수 있는 기능을 제공합니다.

 

이것이 어떻게 작동하는지에 대한 한 가지 예는 구리 용접에서 볼 수 있습니다. 일부 제조업체들은 구리를 용접하기 위해 녹색 레이저를 사용했는데, 그 이유는 컬러 빛이 파이버 레이저의 적외선 출력보다 구리에 의해 더 잘 흡수되기 때문입니다. 하지만 그건 실온에서만 해당됩니다. 구리가 가열되면 IR 광선을 잘 흡수하고 키홀이 생기면 더욱 좋아집니다. 그리고 흡수율이 낮으면 레이저 광선을 더 깊이 침투시켜 두꺼운 기판을 더 쉽게 용접할 수 있기 때문에 실제로 이점이 됩니다.

 

따라서 구리를 ARM 레이저로 용접하는 시나리오는 소재가 녹을 때까지 가열하기 위해 링 빔에만 전원을 공급하고 다음으로 고출력 중앙 빔이 키홀을 만드는 것으로 시작됩니다. 그러나 이것이 키홀을 안정화시키기 때문에 용접 시 링에 일정량의 전력이 유지되어 난류 및 혼란이 적습니다. 이를 통해 스패터를 줄이고 보다 일관된 결과를 얻을 수 있으며, 빔이 용접부 끝에 도달하면 링 전원을 완전히 차단하고 코어 전원을 부드럽게 낮춰 깨끗하고 고른 끝단을 만들어 줍니다.  

 

키홀 안정성과 일관성을 극대화할 수 있도록 재료에 맞게 가열 프로필을 조정하고 용접 끝부분의 출력을 올리거나 낮출 수 있는 이 동일한 기능은 알루미늄 및 아연 도금 강철과 같은 까다로운 재료를 용접할 때도 비슷한 이점을 제공합니다. 또한 얇고 섬세하거나 열에 민감한 재료를 매우 정밀하게 용접할 수 있습니다.

 

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압도적인 논리

Coherent ARM과 유사한 파이버 레이저 제조업체 중 일부는 자사 제품이 전체 전력의 100%를 코어 또는 링 빔으로 전환하는 것이 이점인 것처럼 말했습니다. 하지만 그렇지 않습니다. 앞서 설명한 구리 용접 예제에서처럼 ARM 레이저의 놀라운 기술이 코어와 링 사이의 전력을 부품으로 분산시켜 단일 빔보다 더 나은 결과를 만들어 내기 때문입니다. 우선 표준 단일 빔과 보다 저렴한 파이버 레이저를 사용하는 것은 어떻습니까? 

또한 Coherent ARM 아키텍처가 "유연하지" 않다는 우려도 제기했습니다. 이 주장을 이해하려면 ARM 레이저가 실제로 두 개 이상의 파이버 레이저 모듈을 사용하여 구성된다는 것을 알아야 합니다. 각 모듈은 코어 또는 링에 결합되어 다양한 최대 전력 비율을 제공합니다(작동 시 각각의 전력은 이 최대값의 0%에서 100%까지 원활하게 변경될 수 있습니다). 

코어 및 링 파이버에 공급되는 모듈의 수는 시스템이 제조될 때 설정됩니다. 따라서 4개의 2kW 모듈을 사용하여 구성된 8kW ARM 레이저는 3가지 다른 최대 중심/링 출력 비율로 구성할 수 있습니다. 6kW/2kW, 4W/4kW 또는 2kW/6kW입니다. 그리고 이 총계는 이후에 변경할 수 없으므로 "비유연성"으로 간주됩니다. 

그러나 특정 고객의 레이저에 사용되는 구성은 레이저를 구매하기 훨씬 전에 수행된 공정 시험을 기반으로 합니다. 이것들은 생산에서 목표 작업을 성공적으로 수행하는 데 필요한 전력 수준과 전력 비율을 설정합니다. 그리고 공정 변동(예: 원재료의 배치 간 변경)을 수용하기 위해 필요한 모든 변경을 지원하기에 충분히 큰 공정 범위를 제공합니다. 또한 주어진 레이저는 일반적으로 프로세스 자체의 후속 변경에 대한 매우 넓은 범위를 허용합니다. 결론적으로 처음에 적절한 전력 및 전력 비율을 결정하면 나중에 레이저 출력을 크게 변경할 필요가 없습니다.

경쟁업체가 Coherent 제품이 "진짜" 8kW 파이버 레이저가 아니라고 주장할 수 있습니다. 맞는 말입니다. 8kW ARM 파이버 레이저입니다. 즉, 특정 작업에 대해 최상의 결과를 생성하는 방식으로 레이저 출력을 적용하는 데 있어 다른 어떤 것보다 더 나은 작업을 수행한다는 의미입니다. 또한 이 동일한 8kW 파이버 레이저는 요구 사항이 변경되거나 발전하더라도 계속해서 더 나은 결과를 산출할 것입니다.

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