레이저 빔 용접

레이저 빔 용접(Laser beam welding, LBW)은 레이저를 사용하여 금속이나 열가소성 수지 조각을 접합하는 용접 기술이다. 레이저 빔은 집중된 열원을 제공하여 좁고 깊은 용접과 높은 용접 속도를 가능하게 한다. 이 공정은 자동차 및 항공 산업과 같이 자동화를 사용하는 고정밀 대량 생산 분야에서 자주 사용된다. 이는 키홀 또는 침투 모드 용접을 기반으로 한다.

작동
전자빔 용접(EBW)과 마찬가지로 레이저 빔 용접은 높은 전력 밀도(1 MW/cm2 정도)를 가지며, 이로 인해 작은 열영향부와 빠른 가열 및 냉각 속도가 발생한다. 레이저의 스팟 크기는 0.2 mm에서 13 mm 사이로 다양하지만, 용접에는 더 작은 크기만 사용된다. 침투 깊이는 공급되는 전력량에 비례하지만, 초점의 위치에도 의존한다. 초점이 가공물 표면 아래에 약간 있을 때 침투가 최대화된다.

용도에 따라 연속 또는 펄스 레이저 빔을 사용할 수 있다. 면도날과 같은 얇은 재료를 용접하는 데는 밀리초 길이의 펄스가 사용되는 반면, 깊은 용접에는 연속 레이저 시스템이 사용된다.

LBW는 탄소강, 고강도 저합금강, 스테인리스강, 알루미늄, 티타늄을 용접할 수 있는 다용도 공정이다. 높은 냉각 속도로 인해 고탄소강을 용접할 때 균열이 발생할 우려가 있다. 용접 품질은 전자빔 용접과 유사하게 높다. 용접 속도는 공급되는 전력량에 비례하지만, 가공물의 종류와 두께에도 따라 달라진다. 가스 레이저의 높은 출력 능력은 대량 생산 응용 분야에 특히 적합하게 만든다. LBW는 자동차 산업에서 특히 지배적이다.Cary and Helzer, p 210

EBW와 비교한 LBW의 몇 가지 장점은 다음과 같다.
레이저 빔은 진공을 필요로 하지 않고 공기를 통해 전송될 수 있다.
공정은 로봇 기계로 쉽게 자동화된다.
엑스레이가 생성되지 않는다.
LBW는 더 높은 품질의 용접을 만든다.

LBW의 파생 기술인 레이저 하이브리드 용접은 LBW의 레이저와 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은 아크 용접 방식을 결합한다. 이 조합은 GMAW가 용융 금속을 공급하여 조인트를 채우기 때문에 더 큰 위치 유연성을 허용하며, 레이저를 사용함으로써 GMAW만으로는 일반적으로 불가능한 용접 속도를 증가시킨다. 언더컷 가능성이 줄어들기 때문에 용접 품질 또한 더 높아지는 경향이 있다.Weman, p 98

장비
자동화 및 CAM
레이저 빔 용접은 수동으로도 수행할 수 있지만, 대부분의 시스템은 자동화되어 있으며 컴퓨터 지원 설계를 기반으로 하는 컴퓨터 지원 제조 시스템을 사용한다.Reinhart, G., Munzert, U. and Vogl, W., 2008. A programming system for robot-based remote-laser-welding with conventional optics. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 57(1), pp.37-40.Kim, P., Rhee, S. and Lee, C.H., 1999. Automatic teaching of welding robot for free-formed seam using laser vision sensor. Optics and Lasers in Engineering, 31(3), pp.173-182. 레이저 용접은 밀링과 결합하여 완성된 부품을 만들 수도 있다.

2016년에 역사적으로 용융 필라멘트 제작에 주력했던 렙랩 프로젝트는 오픈 소스 레이저 용접 시스템 개발로 확장되었다.John J. Laureto, Serguei V. Dessiatoun, Michael M. Ohadi and Joshua M. Pearce. Open Source Laser Polymer Welding System: Design and Characterization of Linear Low-Density Polyethylene Multilayer Welds. Machines 2016, 4(3), 14; doi: 10.3390/machines4030014 이러한 시스템은 완전히 특성화되어 있으며 기존 제조 비용을 절감하면서 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있다.

레이저
일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 레이저는 고체 레이저(특히 루비 레이저 및 네오디뮴 야그 레이저)와 가스 레이저이다.
첫 번째 유형은 합성 루비(크로뮴이 산화 알루미늄에 포함), 유리 속 네오디뮴(Nd:glass), 그리고 가장 일반적인 유형인 이트륨 알루미늄 석류석 속 네오디뮴(Nd:YAG)을 포함한 여러 고체 매체 중 하나를 사용한다.
가스 레이저는 헬륨, 질소, 이산화 탄소( 레이저)와 같은 가스 혼합물을 매질로 사용한다.
그러나 유형에 관계없이 매체가 여기되면 광자를 방출하고 레이저 빔을 형성한다.

고체
고체 레이저는 용접에 사용되는 가스 레이저보다 훨씬 짧은 약 1 마이크로미터 파장에서 작동하며, 그 결과 작업자는 망막 손상을 방지하기 위해 특수 안경을 착용하거나 특수 스크린을 사용해야 한다. Nd:YAG 레이저는 펄스 모드와 연속 모드 모두에서 작동할 수 있지만, 다른 유형은 펄스 모드로 제한된다.
원래이자 여전히 인기 있는 고체 설계는 직경 약 20mm, 길이 200mm의 막대 모양 단결정이며, 양쪽 끝은 평평하게 연마되어 있다. 이 막대는 제논 또는 크립톤을 포함하는 플래시 튜브로 둘러싸여 있다.
플래시될 때, 약 2밀리초 동안 지속되는 빛 펄스가 레이저에 의해 방출된다. 디스크 모양의 결정은 업계에서 인기가 높아지고 있으며, 플래시 램프는 높은 효율성으로 인해 다이오드로 대체되고 있다.
루비 레이저의 일반적인 출력은 10~20W인 반면, Nd:YAG 레이저는 0.04~6,000W 사이의 출력을 낸다. 레이저 빔을 용접 영역으로 전달하기 위해 일반적으로 광섬유가 사용된다.

가스
가스 레이저는 고전압, 저전류 전원을 사용하여 레이저 매질로 사용되는 가스 혼합물을 여기시키는 데 필요한 에너지를 공급한다.
이 레이저는 연속 모드와 펄스 모드 모두에서 작동할 수 있으며,  가스 레이저 빔의 파장은 10.6 μm로, 깊은 적외선, 즉 '열'이다.
광섬유 케이블은 이 파장에 의해 흡수되고 파괴되므로, 단단한 렌즈와 거울 전달 시스템이 사용된다.
가스 레이저의 출력은 고체 레이저보다 훨씬 높아 25 kW에 달할 수 있다.Cary and Helzer, p 209

파이버
파이버 레이저에서 주 매질은 광섬유 자체이다. 최대 50 kW의 출력을 낼 수 있으며 로봇 산업 용접에 점점 더 많이 사용되고 있다.

레이저 빔 전달
현대 레이저 빔 용접기는 두 가지 유형으로 분류할 수 있다. 전통적인 유형에서는 레이저 출력이 이음매를 따라 이동한다. 이는 일반적으로 로봇으로 달성된다. 많은 현대 응용 분야에서는 원격 레이저 빔 용접이 사용된다. 이 방법에서는 레이저 스캐너의 도움으로 레이저 빔이 이음매를 따라 이동하므로 로봇 팔이 더 이상 이음매를 따라갈 필요가 없다. 원격 레이저 용접의 장점은 용접 공정의 더 빠른 속도와 더 높은 정밀도이다.

 펄스 레이저 용접의 열 모델링 
펄스 레이저 용접은 연속파(CW) 레이저 용접에 비해 장점이 있다. 이러한 장점 중 일부는 낮은 기공률과 적은 스패터이다. 펄스 레이저 용접은 또한 알루미늄 합금에서 고온 균열을 유발하는 것과 같은 몇 가지 단점도 있다. 펄스 레이저 용접 공정의 열 분석은 용융 깊이, 냉각 속도, 잔류 응력과 같은 용접 매개변수를 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 펄스 레이저 공정의 복잡성으로 인해 개발 주기를 포함하는 절차를 사용해야 한다. 이 주기는 수학적 모델 구성, 유한요소법(FEM) 또는 유한요소법(FDM)과 같은 수치 모델링 기법 또는 단순화된 가정을 사용한 해석 모델을 사용하여 열 주기 계산, 실험 측정으로 모델 검증을 포함한다.

일부 공개된 모델을 결합한 방법론은 다음과 같다.
 전력 흡수 효율 결정.
 온도와 클라우시우스-클라페이롱 방정식을 기반으로 반동 압력 계산.
 유체 부피 방법(VOF)을 사용하여 유체 유동 속도 계산.
 온도 분포 계산.
 시간 증가 및 1-4단계 반복.
 결과 검증.

1단계

모든 복사 에너지가 흡수되어 용접을 위한 열로 전환되는 것은 아니다. 일부 복사 에너지는 기화되어 이온화된 가스에 의해 생성된 플라즈마에 흡수된다. 또한 흡수율은 빔의 파장, 용접되는 재료의 표면 구성, 입사각 및 재료의 온도에 의해 영향을 받는다.

로젠탈 점 소스 가정은 무한히 높은 온도 불연속성을 남기며, 이는 대신 가우시안 분포를 가정하여 해결된다. 복사 에너지는 빔 내에서 균일하게 분포되지도 않는다. 일부 장치는 가우시안 에너지 분포를 생성하는 반면, 다른 장치는 이중 모드일 수 있다. 가우시안 에너지 분포는 전력 밀도에 와 같은 함수를 곱하여 적용할 수 있는데, 여기서 r은 빔 중심으로부터의 방사형 거리이고, 는 빔 반경 또는 스팟 크기이다.

점 소스 가정 대신 온도 분포를 사용하면 흡수율과 같은 온도 의존적 재료 특성을 더 쉽게 계산할 수 있다. 조사된 표면에서 키홀이 형성될 때, 프레넬 반사(키홀 공동 내에서 다중 반사로 인한 빔 에너지의 거의 완전한 흡수)가 발생하며, 이는 로 모델링할 수 있다. 여기서 ε는 유전 상수, 전기 전도도, 레이저 주파수의 함수이고, θ는 입사각이다. 흡수 효율을 이해하는 것은 열 효과를 계산하는 데 핵심이다.

2단계

레이저는 전도 모드와 키홀 모드 중 하나로 용접할 수 있다. 어떤 모드로 작동하는지는 전력 밀도가 증발을 유발할 만큼 충분히 높은지에 따라 달라진다. 전도 모드는 기화점 미만에서 발생하고, 키홀 모드는 기화점 이상에서 발생한다. 키홀은 에어 포켓과 유사하다. 에어 포켓은 유동 상태에 있다. 증발된 금속의 반동 압력과 같은 힘은 키홀을 열고 중력(수력학적 힘)과 금속 표면 장력은 키홀을 붕괴시키는 경향이 있다. 훨씬 더 높은 전력 밀도에서는 증기가 이온화되어 플라즈마를 형성할 수 있다.

반동 압력은 클라우시우스-클라페이롱 방정식을 사용하여 결정된다., 여기서 P는 평형 증기압, T는 액체 표면 온도, HLV는 증발 잠열, TLV는 액체-기체 계면의 평형 온도이다. 증기 흐름이 음속으로 제한된다는 가정을 사용하면, 를 얻을 수 있는데, 여기서 Po는 대기압이고 Pr은 반동 압력이다.

3단계

이것은 키홀 프로필과 관련된다. 유체 흐름 속도는 다음으로 결정된다.

여기서 는 속도 벡터, P=압력, ρ=질량 밀도, =점성, β=열팽창 계수, g=중력, F는 시뮬레이션 격자 셀의 유체 부피 분율이다.

4단계

레이저 충돌 표면의 경계 온도를 결정하려면 다음과 같은 방정식을 적용한다. , 여기서 kn=레이저에 의해 충돌된 표면에 수직인 열전도율, h=공기의 대류 열전달 계수, σ는 복사를 위한 슈테판-볼츠만 상수, ε는 용접되는 재료의 방출률, q는 레이저 빔 열유속이다.

하나의 움직이는 열 순환을 포함하는 CW(연속파) 레이저 용접과 달리 펄스 레이저는 동일한 지점에 반복적으로 충돌하여 여러 겹의 열 순환을 생성한다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 빔이 켜져 있을 때 열유속에 1을 곱하고 빔이 꺼져 있을 때 열유속에 0을 곱하는 계단 함수를 추가하는 것이다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 q를 다음과 같이 수정하는 크로네커 델타를 사용하는 것이다. , 여기서 δ= 크로네커 델타, qe=실험적으로 결정된 열유속. 이 방법의 문제점은 펄스 지속 시간의 효과를 볼 수 없다는 것이다. 한 가지 방법은 다음과 같은 시간에 의존하는 함수를 사용하여 해결하는 것이다.

여기서 v=펄스 주파수, n=0,1,2,...,v-1), τ=펄스 지속 시간이다.

다음으로, 이 경계 조건을 적용하고 푸리에의 2법칙을 풀어 내부 온도 분포를 얻는다. 내부 열 발생이 없다고 가정하면 해는 이며, 여기서 k=열전도율, ρ=밀도, Cp=비열 용량, =유체 속도 벡터이다.

5단계

증가는 이전 단계에서 제시된 지배 방정식을 이산화하고 다음 시간 및 길이 단계를 적용하여 수행된다.

6단계

결과는 특정 실험 관찰이나 일반적인 실험의 경향으로 검증할 수 있다. 이러한 실험에는 용융 깊이의 금속학적 검증이 포함되었다.

단순화 가정의 결과

펄스 레이저의 물리학은 매우 복잡할 수 있으므로 계산 속도를 높이거나 재료 특성 부족을 보완하기 위해 일부 단순화 가정이 필요하다. 비열과 같은 재료 특성의 온도 의존성은 계산 시간을 최소화하기 위해 무시된다.

액체-금속 계면에서 증기가 떠나면서 발생하는 질량 손실로 인한 열 손실이 고려되지 않으면 액체 온도가 과대평가될 수 있다.

 같이 보기 
 레이저 금속 증착

 각주 

참고 문헌
Cary, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. .
Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York: CRC Press LLC. .
Kalpakjian, Serope and Schmid,Steven R.(2006). Manufacturing Engineering and Technology5th ed. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. 

 외부 링크 
 듀얼 빔 레이저 용접; 2002년 Welding Journal 연구 논문 
 듀얼 빔 레이저 용접의 용접 형상 및 열 모델링; 2002년 Welding Journal 연구 논문 
 Industrial Laser Solutions Magazine의 레이저 용접 기사

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