레이저 용접의 발전은 주로 고출력 파이버 레이저의 적용 가능성과 경제성으로 인해 많은 제조 환경에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 레이저 용접은 열 영향 최소화, 속도, 정밀도, 반복성 등의 장점으로 인해 매우 매력적입니다.
레이저 용접은 점점 더 보편화되고 있지만 문제가 없는 것은 아니며 용접 결함으로부터 자유롭지도 않습니다. 아크 용접, 저항 용접, 전자빔 용접 등 모든 형태의 산업용 용접과 마찬가지로 레이저 용접은 공정 불일치에 취약하여 용접 불량을 초래할 수 있습니다.
따라서 결함이 있는 레이저 용접을 감지하고 심지어 예방하기 위한 다양한 레이저 용접 품질 보증(QA) 기법과 기술이 등장한 것은 놀라운 일이 아닙니다.
이 글에서는 전통적인 접근 방식부터 최신 모니터링 및 직접 측정 기법까지 레이저 용접 QA에 대한 개요를 제공합니다.
"불량" 레이저 용접 정의하기
간단히 말해, 불량 또는 결함이 있는 레이저 용접은 최종 제품의 형태, 기능 또는 안전성을 손상시키는 용접입니다. 첫 번째는 레이저 용접에서 흔히 발생하는 문제는 아니며, 적어도 공정 파라미터를 설정한 후에는 발생하지 않습니다. 그러나 제조업체는 특히 미세 용접 애플리케이션에서 레이저 용접 결함이 전기 효율에 영향을 미치거나 장기적인 강도를 감소시키거나 민감한 부품에 손상을 입히지 않도록 세심한 주의를 기울여야 합니다.
용접 결함은 기껏해야 제조 공정이 완료되기 전에 제조 공정을 중단시켜 제조업체가 귀중한 제품을 재작업하거나 폐기해야 하므로 시간과 비용이 모두 소요됩니다. 최악의 경우 용접 결함은 제품 고장 및 리콜로 이어집니다.
레이저 용접 결함은 다양한 형태로 나타나기 때문에 이를 식별하고 이해하는 것이 중요합니다.
투과 부족: 레이저 빔이 대상 재료에 충분히 깊숙이 침투하지 못할 때 발생합니다. 투과가 부족하면 최종 제품의 강도 및 전도도 문제가 발생할 수 있습니다.
과관통: 레이저 빔이 대상 재료에 너무 깊숙이 침투할 때 발생합니다. 번스루라고도 하는 과관통은 배터리 용접과 같은 애플리케이션에서 민감한 부품을 손상시킬 수 있습니다.
스패터: 용융 용접 풀의 불안정성으로 인해 발생하는 스패터는 용융 금속으로, 종종 용접 주변 표면에 떨어지고 융합됩니다. 스패터는 배터리와 같은 부품의 단락을 유발하여 열 폭주 및 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다.
다공성: 다공성 레이저 용접은 냉각된 용접부에 가스 기포나 공동이 갇혀 있는 용접을 말합니다. 용접 강도를 감소시킬 수 있는 다공성은 과도한 교반과 용접 풀의 빠른 냉각으로 인해 발생할 수 있습니다.
균열: 급격한 냉각 및 기타 야금학적 응력으로 인해 레이저 용접은 눈에 보이거나 다른 방식으로 균열을 일으킬 수 있습니다. 균열이 항상 육안으로 보이는 것은 아닙니다.
융착 부족: 불완전 융착이라고도 하는 융착 부족은 용접 금속이 모재에 완전히 융착되지 않을 때 발생하며, 정렬 불량이나 표면 오염으로 인해 발생할 수 있습니다.
레이저 파라미터와 레이저 기술을 최적화하면 용접 결함을 상당 부분 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 듀얼 빔 레이저는 코어 빔과 링 빔을 사용하여 용접 풀을 안정화함으로써 스패터와 다공성을 거의 제거합니다.
그러나 용접 결함은 여전히 핏업 불량, 대상 재료 또는 광학장치의 오염, 레이저 부품의 성능 저하와 같은 문제로 인해 발생할 수 있습니다.
전통적인 레이저 용접 품질 보증
기존의 레이저 용접 QA는 파괴적 및 비파괴적 두 가지 기본 유형으로 나눌 수 있습니다.
파괴 테스트는 용접된 부품을 파괴하여 용접 품질을 육안으로 검사하고 측정합니다. 예를 들어 인장 테스트에서는 용접의 강도를 측정하기 위해 부품이 부러질 때까지 잡아당겨서 파손시킵니다. 물리적으로 덜 극적이지만 산 에칭은 용접의 침투, 융합 또는 다공성을 더 잘 이해하기 위해 사용되는 파괴적인 기술입니다.
파괴 테스트는 일반적으로 시간이 많이 걸리거나 비용이 많이 들거나 둘 다 해당됩니다. 또한 용접 품질을 측정하는 데는 매우 효과적이지만, 정의상 모든 부품이나 조립품에 파괴 테스트를 적용할 수는 없습니다. 즉, 전체 배치에 대한 결과를 바탕으로 결론을 내려야 하므로 피할 수 없는 위험과 불확실성이 존재합니다.
이에 비해 비파괴 레이저 용접 QA에는 용접이나 부품을 손상시키지 않는 초음파 또는 방사선 촬영 테스트와 같은 후처리 방법이 포함됩니다. 초음파 테스트는 이상 징후가 감지되지 않는 한 큰 신호 손실 없이 용접부를 통과하는 기계적 진동을 사용하며, 일반적으로 손실이 클수록 결함이 더 우려된다는 것을 나타냅니다. 방사선 촬영 테스트는 방사선을 사용하여 용접부를 투과하고 내부 구조의 이미지를 생성한 다음 이를 분석해야 합니다.
기술적으로 이러한 전통적인 비파괴 방법은 모든 용접에 적용할 수 있습니다. 하지만 비용과 시간이 너무 많이 소요되기 때문에 거의 불가능합니다. 파괴적 테스트와 마찬가지로 비파괴 테스트는 전체 부품 배치의 품질을 유추하는 데 사용해야 합니다.
레이저 용접 모니터링이란 무엇인가요?
레이저 용접 모니터링은 용접이 이루어질 때 용접에 대한 정보를 검사하거나 수집하는 데 사용되는 다양한 방법, 즉 '진행 중' 또는 '실시간'이라는 포괄적인 용어를 말합니다.
레이저 용접 모니터링은 공정 속도를 늦추지 않으면서도 모든 용접에 대한 데이터를 제공할 수 있고, 비용과 시간이 많이 소요되는 기존 QA 단계가 필요 없다는 점에서 매력적입니다. 공정 중 기술은 불확실성을 크게 줄일 수 있으며 놀라울 정도로 비용 효율적입니다.
레이저 용접 모니터링의 유형
다양한 장단점을 가진 다양한 레이저 용접 모니터링 방법이 있습니다.
음향 방출 모니터링: 용접 과정에서 발생하는 음파를 전기 신호로 변환하여 레이저 용접 품질을 평가하는 데 사용되는 방법입니다. 음향 방출 모니터링은 일반적으로 용접 부품 표면의 센서를 활용하지만 비접촉식 센서도 사용할 수 있습니다. 음향 데이터의 분석은 침투 및 균열과 같은 주요 용접 품질 지표와 상관관계가 있을 수 있습니다.
음향 방출 모니터링은 다소 다재다능하고 통합하기 쉽지만 환경 소음에 취약하고 실제 용접 특징과 형상에 대한 통찰력을 제한적으로 제공합니다.
공정 중 방사선 촬영: 기존 용접 방사선 촬영에 해당하는 '실시간' 공정 중 방사선 촬영은 최종 용접뿐만 아니라 용접 풀의 거동을 시각화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
공정 중 방사선 촬영은 주로 연구 목적으로 사용되며, 이 방법은 비용이 많이 들고 생산적인 제조 환경에서는 활용하기 어렵습니다.
이미지 처리: 가시광선 또는 열화상 카메라와 머신 비전을 사용하여 레이저 용접 공정의 이미지를 실시간으로 생성할 수 있습니다. 이 경우 용접부의 세부적인 이미지를 생성할 수 있지만 적절한 디테일을 캡처하려면 여러 대의 카메라가 필요할 수 있습니다. 이 경우에도 이미지 처리로는 내부 용접 형상을 자세히 볼 수 없습니다.
광학 감지: 일반적으로 분광법, 고온계 또는 포토다이오드에 의존하는 광학 감지 방법은 빛을 포착하여 레이저 용접 프로세스에 대한 데이터로 변환합니다. 이러한 방법은 일부 레이저 용접 모니터링 방법보다 더 많은 데이터를 생성하지만, 실제 용접 형상을 자세히 검사하기보다는 반사광, 온도, 용접 기둥과 같은 간접적인 용접 지표에 의존합니다.
광학 일관성 단층 촬영(OCT): 특허받은 레이저 용접 모니터링 기술로, IPG LDD 시스템에서 사용되는 OCT는 용접 빔과 함께 발사되는 저출력 레이저 빔을 사용하여 용접 깊이와 같은 중요한 용접 형상을 직접 측정합니다. 실시간으로 작동하지만 OCT는 모든 용접에 대해 매우 정확한(수 미크론 이내) 측정값을 제공합니다.
레이저 용접 측정과 모니터링의 이점 비교
레이저 용접 측정은 레이저 용접 모니터링의 한 유형입니다. 그러나 적어도 실제 용접 형상과 관련하여 모든 레이저 용접 모니터링을 측정으로 간주할 수 있는 것은 아닙니다.
궁극적으로 모든 용접의 형상을 직접 측정하지 않는 접근 방식은 제조업체가 처리량, 효율성 또는 위험 허용 범위에서 타협할 수밖에 없게 만듭니다.
예를 들어, 용접 기둥과 같은 지표에 의존하는 모니터링 기술은 용접 깊이를 반 정도 정확하게 추정할 수 있습니다. 하지만 이러한 추정치는 완벽하지 않기 때문에 안전 버퍼가 필요합니다. 모니터링 데이터에 따르면 용접이 양호한 것으로 나타나더라도 허용 가능한 가장자리에 충분히 가까우면 해당 부품을 재작업하거나 폐기하는 것이 더 안전합니다. 제조업체의 위험 허용 오차에 따라 하루에 수백 개의 부품이 불필요하게 손실될 수 있습니다.
레이저 용접 측정의 목표는 이러한 안전 버퍼를 획기적으로 줄이는 것입니다. 용접에 대한 미크론 수준의 직접 측정을 제공함으로써 모든 용접에 대한 안심할 수 있는 기록 데이터를 제공하면서 허용 범위가 크게 넓어질 수 있습니다.
실시간 레이저 용접 측정의 이점을 누릴 수 있는 산업 분야
배터리 용접, 전기 자동차, 의료 기기 제조와 같은 산업에서는 안전에 대한 영향이 크고 품질 보증이 매우 중요합니다. 위험도가 높은 애플리케이션의 경우 실시간 레이저 용접 측정은 낭비와 비용을 줄일 뿐만 아니라 안전성을 높이는 데도 큰 도움이 될 수 있습니다.
또한 정밀 인라인 검사가 필요한 스마트폰, 태블릿, 노트북과 같은 가전 제품도 레이저 용접 측정의 이점을 누릴 수 있습니다.
실시간 레이저 용접 측정 기술이 지속적으로 발전함에 따라 속도보다 강도를 중시하는 산업에서도 이점을 누릴 수 있습니다. 예를 들어, 조선과 같이 하중을 견디는 용접의 품질 요구 사항이 엄격한 산업에서는 심용입 레이저 용접의 깊이를 직접 측정할 수 있는 이점을 누릴 수 있습니다.
레이저 솔루션 시작하기
IPG 실시간 레이저 용접 측정은 제조업체가 용접 결함을 발견하고 제품 리콜을 방지하며 불필요한 스크랩과 재작업을 줄이는 데 도움이 됩니다.
시작 방법은 간단합니다. 샘플 부품을 보내거나 글로벌 애플리케이션 연구소를 방문하거나 애플리케이션에 대해 알려주시기만 하면 됩니다.
