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e-모빌리티 강화: 가변 링 모드
파이버 레이저 기술을 이용한 구리 용접

개요

파이버 레이저는 용접 시 가장 많이 사용되는 레이저 소스이지만 적외선 출력이 일부 금속, 특히 구리에 대해서는 반사율이 높아 이러한 재료에 대한 효과가 제한적입니다. 결과적으로 고출력 고체 녹색 레이저가 구리 용접의 가능한 대안으로 떠올랐습니다. 이러한 파장은 금속에 더 강력하게 흡수되기 때문입니다. 그러나 이러한 녹색 레이저에는 몇 가지 실질적인 제한이 있어 궁극적으로 소유 비용이 많이 듭니다. 이 문서에서는 고휘도 센터 빔을 가진 새로운 유형의 가변 링 모드(ARM) 파이버 레이저를 사용하여 성공적으로 수행한 최근 구리 용접 테스트의 결과를 제공합니다. 여기에서 고휘도 ARM 레이저는 우수한 용접 품질을 제공하고, 다양한 용접 속도에서 상용 kW 수준의 녹색 레이저보다 우수한 침투를 제공했습니다. 이러한 결과는 이 기술은 구리 용접의 까다로운 작업에 파이버 레이저의 모든 비용, 신뢰성 및 실용적인 이점을 제공할 수 있음을 나타냅니다.

E-모빌리티 제조

E-모빌리티 제조의 인기는 구리 용접 솔루션에 대한 수요를 크게 증가시키는 주요 요인입니다. 구리는 다른 금속에 비해 여러 가지 바람직한 전기, 열, 기계 및 비용적 특성을 가지고 있고, 이러한 이유로 전기 자동차 전체, 즉 전기 모터 자체의 스테이터, 배전 시스템(버스바 등) 및 배터리 내에 사용됩니다. 그리고 이러한 구성 요소와 시스템의 제조에는 구리 용접 작업이 포함됩니다.

그러나 구리를 이러한 응용 분야에 적합하게 만드는 동일한 높은 전기 및 열 전도성 특성으로 인해 기존 파이버 레이저로 용접하는 것도 어렵습니다. 특히 전자적 특성으로 인해 파이버 레이저의 근적외선 파장에서 반사율이 높습니다. 그리고 열전도율이 우수하여 재료를 녹이고 용접을 시작하려면 많은 양의 레이저 에너지가 필요합니다.

따라서 기존의 파이버 레이저를 사용하는 경우 재료를 초기에 녹이는 데 필요한 출력 밀도를 달성하려면 일반적으로 매우 높은 출력이 필요합니다. 그러나 이 "억지 기법" 접근 방식을 사용하면 용접 프로세스가 불안정하고 작업 표면의 사소한 변화에 대해 민감도가 매우 높아집니다. 특히 국부적인 표면 산화 또는 소규모의 표면 구조 불균일성이 있으면 공정이 불안정해질 수 있습니다. 최종 결과는 일관성 없는 용접, 표면 품질 저하 및 다공성일 수 있습니다.

 

고체 녹색 레이저

구리는 근적외선보다 녹색에서 흡수율이 거의 열 배 더 높습니다. 따라서 녹색 레이저의 에너지는 작업물에 더 효율적으로 결합되어 기존 파이버 레이저로 생성할 수 있는 것보다 더 안정적이고 덜 민감한 프로세스를 생성할 수 있습니다. 결과적으로 고출력 고체 녹색 레이저는 소수의 제조업체에서 활용되고 있으며 더 많은 업체에서 평가를 받고 있습니다.

그러나 e-모빌리티 제조 작업에서 고출력 녹색 레이저를 배치하는 데에는 몇 가지 중요한 실질적인 문제가 있습니다. 이러한 문제 중 일부는 이러한 녹색 레이저 자체의 고유한 속성과 구성에서 파생됩니다.

고체 녹색 파이버 또는 디스크 레이저에 사용되는 레이저 재료는 근적외선을 생성합니다. 주파수 배가는 적외선을 녹색 출력으로 변환하는 데 사용됩니다. 이 프로세스는 저출력(kW 미만)에 널리 사용되어 큰 성공을 거두었지만 대부분의 산업용 구리 용접 작업에 필요한 다중 kW 출력 수준에서 몇 가지 어려움에 부딪히기 시작합니다. 특히 주파수 변환 프로세스 자체의 효율성은 약 50%에 불과합니다. 따라서 2kW의 녹색 출력을 생성하려면 4kW의 싱글 모드 IR 레이저가 필요합니다. 변환되지 않은 에너지는 열이 되어 수냉식 방열판으로 제거해야 합니다. 따라서 이러한 레이저의 에너지 효율이 떨어지고(전력 소비 증가로 인해 운영 비용이 증가함) 많은 양의 냉각수가 필요합니다. 또한 이중 결정은 관련된 고출력으로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하되며 신중하게 관리하지 않으면 신뢰성 및 가동 중지 시간 문제가 발생할 수 있습니다. 일부 설계에서는 이를 보상하기 위해 복잡한 빔 시프터와 결정 온도 안정기를 사용합니다. 

"...2kW의 녹색 출력을 생성하려면 4kW의 싱글 모드 IR 레이저가 필요합니다."

녹색 레이저의 또 다른 실질적인 문제는 빔 전달에 사용되는 표준 파이버가 녹색광에 의해 더 쉽게 어두워져 유효 수명이 단축된다는 것입니다. 녹색광을 위한 특수 파이버는 이 문제를 극복할 수 있지만 더 비싸고 쉽게 구할 수 없습니다. 암색화 효과도 파이버의 길이에 따라 증가합니다. 이로 인해 현재 파이버 길이가 10m로 제한되어 생산 환경에서 레이저 배치의 유연성이 감소합니다. 또한 상업적으로 이용 가능한 녹색 고출력 CW 레이저는 현재 최대 출력이 2kW로 제한되어 있습니다.

대부분의 산업용 레이저는 근적외선에서 출력되므로 이를 지원하기 위한 전체 인프라는 이 파장을 기반으로 합니다. 예를 들어 녹색 레이저에 사용할 수 있는 프로세스 헤드는 제한되어 있으며 종종 사용자 지정해야 합니다. 마찬가지로 보조 렌즈, 보호 커버 안경 및 기타 광학 부품은 대부분 적외선 레이저용입니다. 따라서 이미 적외선 레이저를 사용하고 있는 제조업체는 서비스 지연 및 가동 중지 시간을 겪지 않고 작업에 녹색 레이저를 사용할 수 있도록 더 많은 예비 부품 및 소모품 재고를 유지해야 할 수 있습니다.  

 

HighLight™ ARM 파이버 레이저

파이버 레이저는 고체 녹색 레이저보다 전기적인 효율성이 훨씬 더 큽니다. 즉, 정해진 출력 전력을 전달하는 데 전력이 덜 필요하고 폐열이 적게 발생합니다. 따라서 소유 비용이 감소하고 냉각이 단순화됩니다. 또한 파이버 레이저는 매우 안정적입니다. 그리고 적외선 출력은 쉽게 파이버로 전달됩니다. 그러나 이러한 바람직한 기능에도 불구하고 앞서 확인한 문제로 인해 특히 구리 용접에 널리 사용되지 않았습니다.

Coherent는 몇 년 전 HighLight 시리즈 가변 링 모드(ARM) 파이버 레이저를 도입하여 기존 기술로 적절하게 처리되지 않는 응용 분야에 이러한 소스의 비용 및 실질적인 이점을 제공했습니다. 일반적으로 이러한 작업은 우수한 용접 품질(스패터 낮음, 균열 최소화 및 다공성 감소)을 얻기 위해 작업 표면에서 출력 및 출력 밀도의 공간 분배를 주의 깊게 제어해야 하는 작업입니다. 대표적인 예로는 아연도금강의 제로 갭 용접, 동력전달장치 부품의 스패터 없는 용접, 필러 와이어를 사용하지 않고 균열이 없는 벽걸이형 알루미늄 부품 용접이 있습니다.

공간 전력 분포에 대한 이러한 정밀한 제어는 레이저 광의 또 다른 동심원 링으로 둘러싸인 중앙 지점으로 구성된 ARM 레이저의 고유 출력 빔을 통해 달성됩니다. 중앙과 링의 전력은 필요에 따라 독립적으로 조정 및 변조될 수 있으며, 이를 통해 용융 풀 역학을 매우 신중하게 제어할 수 있습니다.

Coherent HighLight ARM 레이저는 특정 응용 분야에 맞춤화할 수 있는 다양한 중심 대 링 비율 및 출력 수준으로 사용할 수 있습니다. 중심의 직경은 22µm~100µm로 구성할 수 있으며 링 외경은 140µm~200µm로 변경할 수 있습니다.

구리 용접의 경우 고강도 고출력 센터 빔이 필요합니다. 이 빔은 흡수 계수가 상대적으로 낮은 상태에서도 재료를 쉽게 녹이는 데 필요한 에너지를 제공하는 반면 링 빔은 키홀을 안정화하는 데 도움이 됩니다. 그 결과 용접 프로세스는 공작물의 표면 변화에 관계없이 일관되게 시작되고 유지되므로 기존 파이버 레이저에서 경험한 한계를 극복할 수 있습니다.

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"구리 용접의 경우 고강도 고출력 센터 빔이 필요합니다."

그림 1: HighLight FL4000CSM-ARM 파이버 레이저.

구리 용접 결과

Coherent 애플리케이션 엔지니어들은 22µm 직경의 고휘도 센터 빔과 내경/외경이 100µm/170µm인 링 빔을 가진 ARM 레이저를 사용하여 일련의 구리 용접 테스트를 수행했습니다. 레이저는 1.4배율의 원격 가공 헤드로 초점을 맞추었으며, 질소를 차폐 가스 및 크로스 제트로 사용했습니다. 용접된 재료는 순수한 구리였습니다. 모든 테스트에서 레이저 출력은 4kW로, 중앙에 1.5kW, 링에 2.5kW였습니다. 사진(그림 2)은 실험 설정을 보여 줍니다.

초점 위치는 다양했고 재료 표면에서 1.5mm 위로 초점을 설정했을 때 최상의 용접 품질이 나타나는 것으로 확인되었습니다. 특히 이 위치는 용접 침투와 용접 품질을 가장 적절하게 절충한 위치였습니다. ARM 레이저는 재료 표면에 직접 초점을 맞추면 용접 침투 깊이가 더 깊어지지만 결과적으로 용접 표면 품질과 스패터는 일반적인 e-모빌리티 용도에 충분하지 않습니다. 최적의 빔 초점 위치(표면 위 1.5mm)를 사용하는 작업 표면의 빔 프로파일이 그래픽에 표시됩니다.

 

"2배의 용접 침투력을 제공하는 적외선 ARM 레이저"

그래프에는 방금 설명한 조건에서 속도 함수로 2mm 두께의 구리에 대한 용접 침투가 표시됩니다. 2kW 녹색 레이저도 비교를 위해 동일한 조건에서 테스트했습니다. 4kW 적외선 파이버 레이저는 2kW의 녹색 출력만 생성하기 때문에 더 낮은 녹색 출력이 사용되었습니다. 비교에 따르면 적외선 ARM 레이저는 광범위한 용접 속도에서 2배의 용접 침투력을 제공합니다.

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그림 2: 스캐너와 차폐 노즐이 장착된 고휘도 ARM 파이버 레이저 용접 스테이션.

그림 3: 레이저 초점을 작업 표면 위 1.5mm 높이로 맞춘 작업 표면(중앙 1.5kW 및 링 2.5kW)에 있는 ARM의 빔 프로파일.

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그림 4: 2kW 녹색 파이버 레이저와 비교한 4kW 고휘도 ARM의 용접 침투.

용접 효율

ARM 레이저의 용접 효율도 측정하여 이전에 발표된 2kW 녹색 레이저의 용접 결과와 비교했습니다. 질소는 두 용접 모두에 대한 차폐 가스로 사용되었습니다. 녹색 레이저에 대해 발표된 데이터는 0.5mm²의 (일정한) 용접 단면과 약 1mm의 침투 깊이를 보여 주었습니다. ARM 레이저는 이와 동일한 결과를 제공하도록 구성되었습니다. 특히 2kW 녹색 레이저의 용접 속도가 200mm/s인 것에 비해 이 레이저에서는 출력 전력 3.5kW와 용접 속도 300mm/s가 필요했습니다. 이러한 결과를 정규화하면 ARM 레이저의 선형 레이저 출력이 10J/mm인 반면 녹색 레이저의 경우 11.8J/mm가 됩니다. 따라서 녹색 레이저는 약간 더 높은 용접 효율을 제공합니다. 그러나 ARM 레이저에서 사용할 수 있는 더 높은 총 출력은 이러한 작은 효율 차이에도 불구하고 훨씬 더 높은 용접 속도에서 작동할 수 있습니다.

표면 품질

또 다른 중요한 고려 사항은 표면 품질입니다. 기존의 파이버 레이저는 구리를 용접할 수 있지만 표면 품질의 변화에 매우 민감합니다. 사진은 샌딩 및 광택 구리에서 고휘도 ARM 레이저 용접으로 생성된 용접 비드를 보여 줍니다. 공정은 용접 품질의 변화 없이 양면에서 안정적으로 유지됩니다.

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그림 5: 300mm/s의 용접 속도에서 출력 3.5kW의 고휘도 적외선 ARM 레이저로 생성된 구리 용접의 단면.

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그림 6: 그림 6: 다양한 속도(300~150mm/s, 위에서 아래순)에서 4kW ARM 레이저를 사용하여 매끄럽게 샌딩된 구리에 일관되게 생성된 용접 비드

결론

이러한 테스트는 Coherent 고유의 고휘도 ARM 레이저가 e-모빌리티의 까다로운 구리 용접 응용 분야를 위한 실용적인 솔루션임을 보여 줍니다. 용접 침투 및 공정 속도는 현재 생산 요구 사항과 일치하거나 초과합니다. ARM 레이저는 과거에 구리용 파이버 레이저 사용을 제한했던 표면 품질의 민감도 및 공정 불안정성 문제를 방지합니다. 따라서 이 새로운 ARM 레이저를 사용하면 다른 많은 산업 응용 분야에서 파이버 레이저를 선택하도록 한 모든 비용, 신뢰성 및 실용적인 이점을 구리 용접이라는 까다로운 작업에서 얻을 수 있습니다.

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