Simultaneous Welding 시스템
Simultaneous Welding(동시 용접)은 레이저 플라스틱 용접 기법 중 하나로, 다수의 레이저 빔 또는 광학 시스템을 이용하여 용접 부위를 동시에 가열하여 접합하는 방식입니다. 이를 통해 공정 시간을 단축하고 균일한 품질을 확보할 수 있습니다.
시스템 구성
Simultaneous Welding 시스템은 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어집니다.
(1) 레이저 소스 (Laser Source)
주로 다이오드 레이저(Diode Laser) 를 사용하며, 파장 범위는 808~980 nm 또는 1064 nm 대역이 일반적입니다.
출력 범위는 50 W ~ 500 W 이상으로, 부품 크기와 용접 요구사항에 따라 조절됩니다.
다중 레이저 다이오드를 배열하여 균일한 에너지를 공급할 수 있도록 설계됩니다.
(2) 광학 시스템 (Optical System)
광섬유(Fiber Optic) 및 미러 어레이(Mirror Array) 를 이용하여 다중 레이저 빔을 분배합니다.
Beam Shaping Optics 를 활용하여 용접 부위에 균일한 에너지 분포를 제공하여 국부적 과열을 방지합니다.
Galvo Scanner 와 같은 고속 스캐닝 시스템을 추가할 경우 특정 패턴 용접도 가능해집니다.
(3) 클램핑 시스템 (Clamping System)
Simultaneous Welding의 성공적인 용접을 위해서는 정밀한 클램핑 압력(Clamping Force) 이 필요합니다.
압력 범위는 0.1~1.5 MPa 수준에서 조절되며, 균일한 접합을 위해 용접 부위 전체에 일정한 힘을 가해야 합니다.
클램핑 시스템은 일반적으로 공압(Pneumatic) 또는 서보(Servo-Controlled) 방식 으로 동작합니다.
(4) 냉각 시스템 (Cooling System)
레이저 용접 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위해 수냉(Water Cooling) 또는 공냉(Air Cooling) 시스템이 사용됩니다.
일반적으로 냉각수 온도는 18~22°C 로 유지되며, 안정적인 용접 품질을 보장합니다.
품질 분석 및 객관적 수치
Simultaneous Welding의 품질은 다음과 같은 요소에 의해 결정됩니다.
(1) 용접 강도 (Weld Strength)
Simultaneous Welding은 빠르고 균일한 가열을 통해 강한 접합부 를 형성할 수 있습니다.
평균 인장 강도(Tensile Strength)는 25~40 MPa 수준으로, 이는 진동 용접(Vibration Welding)의 20~35 MPa 와 비교하여 높은 수준입니다.
(2) 용접 깊이 및 접합 품질 (Weld Depth & Quality)
용접 깊이(Depth)는 일반적으로 0.5~3.0 mm 범위에서 조절됩니다.
용접 선(Line)의 폭 균일성(Uniformity)은 ±10% 이하로 유지됩니다.
열 영향을 받는 영역(HAZ: Heat Affected Zone)이 100~300 μm 로 최소화되어, 주변 소재의 변형이 적습니다.
(3) 공정 속도 및 생산성 (Processing Speed & Throughput)
Simultaneous Welding의 공정 속도는 5~30 mm/s 로, Contour Welding(연속 궤적 용접) 대비 약 3~5배 빠름.
한 번의 공정으로 전체 용접 부위를 동시에 가열하기 때문에, 기존 스캐닝 방식보다 Cycle Time(공정 시간)이 50% 이상 단축됨.
(4) 품질 제어 및 검사 (Quality Control & Inspection)
용접 품질 관리를 위해 적외선(IR) 온도 센서 및 OCT(Optical Coherence Tomography) 를 활용한 비접촉 검사가 적용됨.
실시간 온도 모니터링을 통해 용접 온도는 250~350°C 범위에서 일정하게 유지되며, 과열로 인한 소재 변형을 방지.
다른 용접 방식 비교
Simultaneous Welding(동시 용접) 방식은 다른 레이저 플라스틱 용접 방식과 비교했을 때 용접 품질, 공정 속도, 설계 유연성에서 큰 장점을 가집니다. 이를 보다 객관적으로 평가하기 위해 주요 용접 방식과 비교하여 각 항목별 성능을 분석해 보겠습니다.
용접 방식 | 용접 속도 (mm/s) | 온도 균일성 (°C) | 용접 강도 (MPa) | 복잡한 형상 용접 가능 여부 | 열 영향 영역(HAZ) |
|---|---|---|---|---|---|
Simultaneous Welding | 50~200 | ±5 | >30 | 가능 | 작음 |
Contour Welding | 10~50 | ±10 | 20~30 | 제한적 | 중간 |
Quasi-Simultaneous | 20~100 | ±8 | 25~30 | 가능 | 중간 |
진동 용접 | 20~80 | ±15 | 15~25 | 제한적 | 큼 |
초음파 용접 | 30~120 | ±20 | 10~20 | 불가능 | 큼 |
위 표에서 알 수 있듯이 Simultaneous Welding은 가장 높은 용접 속도와 균일한 온도 분포를 보이며, 결과적으로 강한 접합력을 제공합니다. 또한, 복잡한 형상의 부품에도 용접이 가능하며, 열 영향 영역(HAZ)이 가장 작아 제품의 변형을 최소화할 수 있습니다.
