Welding : Blue + IR 하이브리드 레이저

가장 먼저, 키홀 용접이 무엇인지 알아보고면서 하이브리드 용접이 등장하게 된 배경을 말씀드리겠습니다.

레이저 키홀

레이저 빔의 irradiance가 10⁶w/㎠ 보다 클 때 레이저에 의해 금속 소재 표면이 녹고 증발하게 됩니다. 그리고 증발 속도가 빨라짐에 따라 생성되던 증기의 반동 압력이 액화된 금속의 표면 장력과 중력을 넘어서게 되면서 금속 일부의 위치가 바뀌고 용융풀이 가라앉으면서 구멍이 형성됩니다.

구멍을 따라 깊숙이 닿게 된 레이저 광에 의해 바닥의 액체 금속이 용융풀 주위로 배출되고 작은 구멍은 더욱 깊어지게 됩니다. 이 과정은 매우 빠른 속도로 반복되면서 결국 키홀(keyhole)을 형성합니다. 그리고 특정 시점에서 레이저 빔에 의해 생성된 금속 증기압과 액화 금속의 표면 장력 및 중력과 평형에 도달하면 구멍이 더이상 깊어지지 않고 안정된 깊이를 유지합니다. 이 과정을 레이저 키홀 효과 (Laser Keyhole Effect)라 부릅니다.

키홀 효과는 깊숙한 핀홀 형상을 만들기 때문에 레이저 에너지가 더욱 깊고 좁게 침투할 수 있습니다. 일반적으로 용접의 침투 깊이는 키홀 깊이와 같습니다.(정확히는 액화된 키홀 보다 60-100um 더 깊이 용접심이 형성됩니다) 고출력 레이저는 용접 깊이와 너비간의 비율을 12:1 까지 높일 수 있습니다.

키홀에 의한 레이저 에너지 흡수

키홀과 플라즈마가 형성되기 전에 레이저의 에너지는 열전도 형태로 가공물 내부로 전달되고, 이 단계에서 에너지 흡수율을 25-45% 사입니다. 홀이 형성 되기 시작하면 레이저는 키홀 효과로 인해 공작물 내부로 빠르게 흡수됩니다. 0.5mm 이상 심층 침투 중의 흡수율은 60-90% 이상까지 향상됩니다.

레이저가 홀 안으로 들어가고 나면 홀 내부 벽면에 반사될 때 마다 에너지가 흡수되기 때문에 키홀 효과는 용접, 절단, 드릴링 등 대부분의 레이저 공정에서 에너지 흡수율을 높이는 매우 중요한 메커니즘이라 할 수 있습니다.

일반적인 키홀 가공에서 에너지 흡수 매커니즘은 Inverse Bremsstrahlung 와 Fresnel 흡수 라는 두 가지 과정을 포함합니다.

프레넬, 역제동 반사 두 가지 흡수 메커니즘은 용접 형상에서 각기 다른 영향을 미칩니다. 예로 들어, 플라즈마에 의해 흡수된 에너지의 대부분은 키홀 상부로 방출되고 하부로는 방출이 적기 때문에 “와인잔” 모양의 키홀을 쉽게 형성하는 반면 키홀 깊이의 연장에는 효과가 크지 않습니다. 반면, 프레넬 흡수에 의해 방출되는 에너지는 깊이 방향으로 조금 더 균일하게 키홀을 늘리기 때문에 더 깊고 좁은 형상을 얻는데 도움이 됩니다. 용접 품질과 효율을 개선한다는 점에서, 출력 조정, 링 모드 조정, 복합 열원 등을 이용해 작은 구멍의 플라즈마를 제어한다면 키홀 가공의 효율을 향상시킬 것입니다.

키홀 용접시 유의 사항

​레이저 빔과 가공물 사이의 상대적인 움직임으로 인해 키홀은 앞에서 뒤로 기울어진 역삼각형 모양을 가지게 됩니다. 키홀의 앞쪽 가장자리는 레이저 에너지가 직접 작용하는 영역으로, 높은 온도와 증기압을 가지고 있는 반면, 뒤쪽으로 길게 이어진 가장자리는 온도가 낮고 증기압이 작습니다. 키홀의 앞뒤로 발생되는 압력과 온도차에 의해 용융풀은 키홀 앞쪽 주변부에서 뒤로 흐르고 유동하게 되는데, 키홀의 뒤쪽으로 와서는 와류를 형성하고, 가장자리에 도달해서는 응고하게 됩니다. 위 그림은 실제 용접의 레이저 시뮬레이션으로 얻은 키홀의 동적 상태, 다른 속도에서의 키홀의 모양, 그리고 주변 용융 액체의 흐름을 보여줍니다.

아래 시뮬레이션은 실제 키홀의 다이나믹한 모습을 보여줍니다. 속도에 따라 바뀌는 키홀의 형상과 주변 용융 액체의 플로우를 확인할 수 있습니다.

그러나 레이저로 키홀을 수행할 때 유의해야 할 사항이 있습니다. 바로 아래 그림에서 보듯이 레이저에 의해 소재가 불안정하게 반응할 때 발생되는 스패터의 비산과 기공 형성입니다. 이 두 가지 결함은 특히 구리 용접 공정에서 흔히 발생합니다.

스패터의 생성

구리 합금의 깊은 심 용접 중, 사방으로 튀는 스패터는 주로 액체의 표면 장력, 자체 중력 및 키홀 내 고압 금속 증기에 의해 주어지는 상승 전단력의 영향을 받습니다. 일반적으로 스패터는 키홀 개구부 가장자리에서 발생하여 비산합니다. 용융풀의 유동에 따라 키홀에서 빠져 나오면, 금속 증기의 격렬한 상향 분출의한 수직 방향의 전단력이 표면 장력과 자체 중력을 상쇄하면서 스패터로 비산합니다.

기공의 생성

기공은 주로 불안정한 키홀 형성에 의해 발생됩니다. 키홀은 안이 비어있는 구멍이기 때문에, 한번 붕괴되면 액체 용융 풀이 키홀을 막으면서 금속 증기를 용융 풀 안으로 끌어들입니다. 금속 증기가 제 시간에 구리 용융 풀 표면으로 빠져나오는 것이 어렵기 때문에 용융 풀 내부에서 응고되고 나면 넓은 직경의 큰 기공이 형성되는 것입니다.

다양한 솔루션

구리 합금과 같이 스패터와 기공이 쉽게 발생하는 금속 소재의 용접 결함을 해결하기 위해 이미 파이버 레이저 진동 용접(싱글 모드 14um, 멀티 모드 50um 이내), 환형 빔(50/150, 14/100), Blue Laser, Green Laser, IR-Blue 하이브리드 빔 등 여러 가지 솔루션이 등장하였습니다. 아래에서는 이들 솔루션의 장단점에 대해 간략하게 소개하겠습니다.

구리나 알루미늄과 같이 반사율이 높은 금속은 반사율이 최대 95%에 달하기 때문에 가공이 쉽지 않습니다. 순수 구리 소재의 높은 흡수 파장 의존성, 적외선 레이저의 흡수 온도 의존성, 높은 열전도로 인해, 1μm 적외선 레이저를 이용한 순수 구리 용접은 불안정한 용접 결과를 초래할 뿐만 아니라, 스패터, 기공 및 함몰 등 여러 품질 문제가 유발됩니다.

구리의 경우 적외선 및 근적외선 레이저에 대한 반사율이 높기 때문에 용접 수행 시, 낮은 흡수성에 의한 초기 저항을 극복하려면 레이저의 피크 전력이 매우 높아야 합니다. 그러나 피크 전력을 증가 시키다 보면 구리의 레이저 흡수율은 극복할 수 있을지라도 재료 증발 한계를 훨씬 초과하는 에너지 밀도에 의해 저융점 합금 원소가 증발하게 되고 이렇게 생긴 내부 압력으로 용융풀의 비산과 내부에 기공을 모두 초래시킵니다. 당연히 용접 표면과 내부의 결함에 의한 외관 품질과 접합 강도 모두 저하된다.

빔 오실레이션

링 코어빔

스캐너의 고속 오실레이션으로 수행되는 워블링은 가장 비용 효율적인 용접 방법으로 아려져 있습니다. 일반적으로 사용되는 레이저는 코어 직경이 14-50um 범위이며 주로 2KW-6KW입니다. 주로 용융 깊이가 1mm 미만인 접합에 사용되고 싱글 모드 빔을 사용할 때 가장 우수한 효과를 얻을 수 있습니다. 싱글 모드는 작은 코어 직경은 충분히 높은 레이저 에너지 밀도를 제공할 수 있어 구리 합금을 즉시 용융하고 초기 냉간 용접을 피할 수 있습니다. 워블 용접 헤드 및 갈바노미터 용접 헤드에 의해 다양한 스윙 궤적을 구현할 수 있으며, 이를 통해 용융 풀을 확장해 키홀을 안정화하는 것은 물론, 가스 오버플로우로 용접 공정을 보다 안정적으로 만들고 스패터 및 기공을 줄일 수 있습니다. 그러나 싱글 모드 레이저는 출력의 한계가 있고 워블을 하지 않으면 기공의 발생을 피할기가 어렵습니다. 특히 높은 에너지 인입 시켜 심도 깊은 용접이 되려면 저속 가공을 해야만 하지만 이 경우 키홀이 너무 작고 붕괴되기 쉬워집니다. 워블에 의한 직선 이동 속도와 침투 깊이는 일반적으로 0.5mm 이내로 제한되며, 0.5mm 이내의 스택 용접 및 맞대기 용접에서는 속도를 약 40mm/s 까지 높일 수 있습니다.

중앙의 Core Beam과 외곽의 Ring Beam이 결합된 링 코어빔은 트럼프, 코히런트, IPG 등 레이저 제조사가 출시한 빔 성형 솔루션 입니다. 제조업체 마다 이름은 다르지만 ARM (Adjustable Ring Mode, 조정 가능한 링 모드) 레이저 로서, 모두가 유사한 원리를 사용합니다. 중앙 코어와 링 코어를 가진 파이버에 레이저 빔 두 개로 구성되어 있고, 중앙의 고출력 코어 레이저가 키홀의 개구부를 확장하는 동안 주변의 링 레이저가 모재를 예열하는 역할을 합니다. 참고로 반도체 레이저는 적색광에 속하고 전력 밀도도 낮아 구리 현재 파이버 - 반도체 형태의 하이브리드 방식은 구리고 용접에 거의 사용되지 않습니다. 아래의 영상에서 볼 수 있듯이, 환형 빔이 키홀 개구부를 효과적으로 확장하고 동시에 용융풀의 면적을 확장시켜 안정적인 용접을 수행합니다. 워블을 복합 적용하면 용융 풀의 응고 속도를 낮추고 기공의 배출을 촉진시켜 접합부의 강성을 높일 수 있습니다.

위에서는 빔 오실레이션과 링 코어빔을 이용한 레이저 용접 기법을 소개하였습니다. 하지만 IR 레이저를 용접에 사용하면 구리 합금의 고체-액체 변형 과정 중에 열 입력이 불안정해 지는 것은 물론, 열전도도와 흡수율이 급격히 변하는 문제를 피할 수 없습니다. 이를 해결하고자 최근에는 그린, 블루와 같은 단파 레이저 다중 파장을 합성한 솔루션이 도입되고 있습니다.

단파 용접의 장점을 조금 더 자세히 말씀드리겠습니다. 6kW 적외선 레이저로 실온에서 순수 구리를 가열한다고 가정할 때, 구리는 적외선 파장에 대해 5% 흡수율을 가지고 이는 곧 300W의 가열 효과를 의미합니다. 반면, 흡수율이 65%인 450nm의 청색광을 가열에 사용할 경우 적외선과 동일한 가열 효과를 얻으려면 300W÷65%≈461W만 필요합니다.

그러나 재료가 "고체-액체" 녹는점에 도달하는 순간 흡수율이 상승하고 열전도도가 낮아지면서 20% 가량의 온도 상승 효과가 발생됩니다. (즉, 열 발산은 감소하고 흡수율은 증가). 20%의 추가 가열 효과는 6kW 적외선 레이저에 대해 1200W의 추가 출력과 같으며, 이렇게 갑작스러운 온도 상승은 가공 상태를 극도로 불안정하게 만듭니다.

특히 내부에 축적된 열에 의해 소재는 매우 빠른 속도로 그 다음 증발 비등점에 도달하여 구리 금속 증기를 매우 빠르게 생성하기 시작합니다. 이렇게 부글부글 끓게 되는 용율풀 주변부로 스패터가 비산합니다.

블루 레이저 용접

그린 레이저 용접

구리의 블루 레이저 흡수율은 47% 이상입니다. (구리는 적외선 레이저보다 12배 더 많이 청색광을 흡수하고 금은 적외선보다 60배 더 높은 청색광을 흡수함) 시장에서 블루 레이저의 최대 출력은 4-6KW 수준이고, 코어 직경은 약 4-600um에 달합니다. 일반적으로 블루 레이저는 스팟이 크기 때문에 주로 고반사 재료의 열 용접 또는 클래딩에 사용됩니다. 위의 그림은 서로 다른 파장에서 비철 금속의 흡수율 곡선을 비교한 것입니다. 흡수율이 높고 스팟 크기가 큰 블루 레이저는 헤어핀 모터의 플랫 와이어 처럼 큰 갭과 호환성을 달성할 수 있습니다. 동시에, 높은 소재 흡수율은 용접 공정을 매우 안정적으로 만들고, 기본적으로 열 입력 변동이 없습니다. 그러나 빔 품질이 비교적 낮은 직접 반도체 레이저기 때문에, 최소 코어 직경이 400um에 불과하고 그에 반해 그린 레이저는 약 50um, IR 레이저는 14um입니다. 블루 레이저는 주로 열전도 용접에 사용하는 것이 합리적이고 특히 1mm 이내의 구리 합금을 접합하는 데 적합할 것으로 생각됩니다. 반면 겹치기 용접 및 침투 용접 수행은 어렵습니다. 물론 블루 레이저는 코어 직경이 크기 때문에 일반적인 갈보 스캐너를 사용하기가 까다롭고, 열 영향부가 확장됨에 따라 발생되는 재료 변형에 유의해야 합니다.

그린 레이저는 소재 가공 분야에서 최근 몇 년 사이에 빠르게 확산되고 있는 기술 입니다. 현재 그린 레이저의 최대 전력은 3-5KW이며 고반사성 재료의 처리에 주로 사용됩니다. 구리 합금의 녹색 레이저에 대한 흡수율은 약 40%로, 구리 합금의 적색광에 대한 흡수율 3-5%보다 약 10배 높습니다. 반면 블루 레이저에 비해 그린 레이저의 파이버 코어 직경은 약 50um까지 훨씬 작아질 수 있으므로 레이저 에너지가 재료 표면에 더 집중될 수 있으며, 갈바노 스캐너와 함께 사용하여 원격 플라잉 용접을 할 수 있습니다.

IR-Blue Hybrid Laser Welding

많이 기다리셨습니다. 드디어 IR(Infrared, 적외선)과 블루 레이저를 합성한 하이브리드 시스템에 대해 말씀드리겠습니다. 블루 레이저는 스팟의 크기가 크기 때문에 깊은 용접 심도를 만드는데 한계가 있습니다. 하이브리드 시스템은 작은 스폿 크기의 적외선 레이저를 블루와 합성시켜 깊고 안정적인 키홀 용접을 수행할 수 있습니다. 구리와 알루미늄 등 반사율이 높은 고체 금속에 대해 흡수율이 높은 블루 레이저는 고속으로 소재를 용융시켜 합성되어 있는 적외선 레이저의 흡수를 돕습니다. 동시에 블루 레이저에 의해 융용풀이 안정적으로 확장된 덕분에 소재의 응고를 지연되면서, 결과적으로 낮은 스패터, 낮은 기공 생성 그리고 높은 에너지 효율을 달성할 수 있습니다.

다음의 영상에서 위(Top)는 청색 레이저(Blue Laser) 단일 열정도 용접이고 아래(Bottom)은 적외선-청색 복합 용접 모습입니다. 용융 풀 중앙의 키홀이 선명하게 보이는데, 적외선-청색 하이브리드 빔이 더욱 빠르고 안정적으로 키홀을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 열전도 (Conduction) 상태에서 키홀로 빨리 전환되면서 너비 대비 더욱 깊은 심도를 형성하면서 더 큰 용융 깊이와 연결 강도가 구현됩니다.

하이브리드 용접에서는 적외선(IR)의 강력한 침투력을 이용해 3mm 이내의 구리 합금을 안정적으로 가공할 수 있습니다. 가공 품질에 있어 고가의 Ring+Core 멀티빔과 유사할 수 있으나, 하이브리드 시스템은 적외선과 블루 레이저에 대한 개별 제어와 스캔닝이 가능하다는 점에서 더욱 우수한 공정 자율성과 프로세스 윈도우를 제공합니다. 특히, 이종 재료의 용접, 두께가 다른 재료의 용접, 열에 민감한 재료간 용접 수행 시 에너지 분산을 통한 균일한 품질 구현이 가능합니다.

기존 레이저 용접에 사용되는 레이저는 일반적으로 적외선 레이저입니다고체 상태에서 적외선 레이저에 대한 비철금속의 흡수율이 매우 낮기 때문에 액체 상태에서 흡수율이 상승하여 불안정한 용접, 용접 공정 중 용접에 많은 수의 기공 및 균열과 같은 문제가 발생하여 전체 제품의 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다. 동시에 높은 반사율은 금속 표면에 레이저 빔의 많은 후방 반사를 일으켜 용접 장비의 안정성과 수명에 영향을 미칩니다.

적외선 레이저는 많은 산업 응용 분야에서 탁월하지만 비철금속, 특히 구리 및 구리 합금의 가공에는 적합하지 않습니다. 주된 이유는 비철금속이 1000nm 파장 범위에서 적외선 레이저의 흡수율이 매우 낮기 때문입니다. 대조적으로, 비철금속은 약 455nm 파장의 청색광의 흡수율이 높습니다.

구리 용접에서 블루 레이저의 가공 효율은 기존 적외선 레이저보다 거의 15배 높으며, 동시에 블루 레이저 용접은 더 넓은 공정 범위, 스패터 및 다공성 없는 고품질 용접, 더 높은 기계적 강도 및 더 낮은 저항을 얻을 수 있어 수율을 크게 향상시키고 생산 중단 시간을 단축합니다. 블루 레이저의 장점은 구리 및 강철, 스테인리스강, 비자성강 및 기타 철 금속의 이종 금속 용접뿐만 아니라 구리 표면의 전통적인 철 금속 합금의 클래딩, 강철 표면의 구리 및 구리 합금 재료의 클래딩을 쉽게 실현할 수 있다는 사실에도 반영됩니다. 금, 은, 알루미늄 및 기타 반사율이 높은 금속의 경우 블루 레이저 용접은 적외선 레이저 용접에 비해 더 빠르고 품질이 우수합니다.

당사의 청색 적외선 복합 레이저 용접 솔루션은 용접 온도 필드를 개선하기 위해 적외선 스폿 외부에 청색광 스폿을 겹쳐줍니다. 기판은 저휘도, 고흡수성 청색광으로 가열되어 표면에 용융 풀을 형성합니다. 용접 풀의 안정성을 향상시키고 기본적으로 용접 공정에서 스패터와 공극을 제거하며 용접의 외관이 매끄럽고 평평합니다.