성공적인 구리 용접을 위한 코히런트 파이버 레이저 기술

구리 용접이 어려웠던 파이버 레이저의 대안으로, 고출력 그린 레이저가 등장했다. 하지만 그린 레이저는 사용이 제한적이며, 비용도 많이 들어간다. 이제 그린 레이저와 비교하여 품질이 우수하고 다양한 용접 속도에서 우수한 투과율로 구리를 용접할 수 있는 새로운 형태의 ARM(Adjustable Ring Mode, 링 조절 모드) 파이버 레이저가 개발되었다.

클라우스클라이네(Klaus Kleine): 코히런트 레이저 어플리케이션 분야 부장 / 포크나겔(FalkNagel): 용접 엔지니어

구리 용접의 어려움

e-모빌리티 제품 제조가 확대되면서 구리 용접 솔루션에 대한 수요가 크게 늘었다. 구리는 전기적, 열적, 기계적, 비용적 특징이 우수하기 때문에 전기 모터 고정자, 배전 시스템 전반, 배터리 내부에 주로 사용된다. 이러한 구성품과 시스템을 제조하는 과정에서 용접이 필요하지만, 구리의 물성으로 인해, 위 적용 분야들에 기존의 파이버 레이저를 이용한 용접에 어려움을 겪었다. 구리는 근적외선 영역에서 반사율과 열전도율이 높아 재료를 융해하는데 큰 에너지가 소모되기 때문에, 구리를 용접하기 위해서는 높은 출력의 파이버 레이저가 필요했다. 하지만 고출력 파이버 레이저를 사용하면 표면 국부에 산화가 발생하거나 표면 구조의 작은 불균일성으로 공정이 불안정해지고, 결과적으로 불균일한 용접, 불량한 표면 품질, 다공성 문제가 발생할 수 있다.

그림 1. 간단한 ARM 파이버 구조도 및 레이저 초점에서 가능한 다섯 가지 기본 레이저 스폿 패턴

대안인 그린 레이저

구리는 적외선보다 녹색광을 훨씬 잘 흡수하기 때문에, 그린 레이저는 기존의 파이버 레이저 용접에 비해 훨씬 안정적인 공정으로 구리를 용접할 수 있다. 하지만 이 그린 레이저는 파이버 레이저보다 사용이 불편하고 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 그린 레이저의 운용 비용이 큰 이유는 적외선 고체 레이저 출력을 녹색광으로 전환하는데 사용되는 주파수 더블링 효율이 50% 정도에 불과하기 때문이다. 또한 수kW 녹색광 레이저로 인해 많은 폐열이 발생한다. 이는 수랭식 방열판으로 냉각시켜야 하며, 그에 다른 전력 소모도 크다. 또 다른 단점은 빔 전달이다. 특히 이에 사용되는 표준형 광섬유는 녹색광에 의해 검게 변하기 때문에 광섬유의 사용 수명도 줄어드는 단점이 있다.

그림 2: 레이저를 워크피스 표면으로부터 1.5mm 위에 집중시켰을 때 자재 표면에서 ARM 빔 프로필 (중심 빔 1.5kW, 고리 빔 2.5kW)

새로운 파이버 레이저 기술을 이용한 문제 해결

구리 용접을 위한 이상적인 산업용 레이저 광원은 파이버 레이저의 전기적 효율성과 높은 신뢰성, 긴 사용 수명, 단순한 빔 전달을 그린 레이저의 공정 효율성과 결합한 광원이다. 코히런트는 이 모두를 구현한 새로운 파이버 레이저 기술을 선보였다. 이는 바로 ARM(AdjustableRingMode) 파이버 레이저이다. ARM 레이저는 특수한 전달 파이버를 적용하여 중심에는 가우시안 분포를 나타내는 스폿이, 스폿 둘레에는 또 다른 레이저 동심원링이 있는 빔을 생성한다. 중심 빔과 고리 빔에서의 출력을 완전히 독립적으로 제어하고 변조할 수 있다. 이러한 방식으로 출력의 공간적 분포와 작업 표면에서 출력 밀도를 매우 정밀하게 제어할 수 있으며, 결과적으로 용접 공정 중에 자재의 온도를 올리고 유지하고 낮추는 모든 사이클을 세밀하게 관리할 수 있다.

코히런트는 구리 용접에 필요한 요건을 충족하기 위해 고강도 싱글 모드 중심 빔을 생성하는 ARM 레이저를 선보였다. 구리는 적외선 흡수율이 낮지만 높은 밝기로 재료를 융해하는데 필요한 에너지를 제공하고, 링 빔은 용접 공정 중에 키 홀을 안정화하는 역할을 한다. 따라서 워크피스의 표면 차이와는 무관하게 용접 공정이 일정하게 유지되기 때문에 기존의 파이버 레이저의 제한 사항을 극복할 수 있다.

구리 용접 테스트 결과

코히런트는 단일 모드 중심 빔 ARM 레이저(Coherent HighLight FL4000CSM-ARM)를 사용하여 일련의 구리 용접 공정을 테스트하고, 그 결과를 산업용 그린 레이저와 비교하였다. 테스트에 사용된 ARM 레이저의 중심 빔은 직경이 22µm이고 고리 빔은 내경과 외경이 각각 100µm/170µm였다. 질소 가스를 보호 가스와 크로스 제트로 사용하고 배율을 1.4로 하여 원격 프로세싱 헤드를 통해 레이저를 집중시켰다. 용접한 소재는 순수한 구리였다. 모든 테스트에서 레이저 출력은 4kW였으며, 중심 빔이 1.5kW, 고리 빔이 2.5kW였다. 자재 표면으로부터 1.5mm 위에 빔을 집중시켰을 때 최고의 결과(용접 투과율, 스패터, 표면 품질을 종합적으로 고려했음)에 도달할 수 있었다.

다음은 위에 설명된 조건에서 두께 2mm 구리의 용접 투과율 속도를 함수로 표현한 그래프이다. 비교를 위해 2kW 그린 레이저도 동일한 조건에서 테스트하였다(현존하는 최고 출력의 그린 레이저로 테스트). 적외선 ARM 레이저는 다양한 용접 속도에서 2배의 용접 투과율을 보였다.

그림 3: 두께 2mm 구리에 대한 4kW 고휘도 ARM 레이저의 용접 투과율 (2kW 그린 레이저와 비교

다음은 용접 단면 사진이다. 이 용접에는 공극이 없고 입자 형성과 재결정화가 균일하며 투과 깊이가 적절하다는 점에서 주목할 만하다.

그림 4: 출력 3.5kW, 용접 속도 300mm/s인 고휘도 적외선 ARM 레이저로 만든 구리 용접 단면

용접 결과 자재의 표면 품질에 미치는 영향을 조사하였다. 기존의 파이버 레이저로 구리를 용접할 수 있지만, 자재 표면의 차이가 아주 민감하여(텍스처, 산화 정도 등) 이러한 적용 분야에서 활용성이 매우 제한적이었다. 표면 상태에 대한 민감도는 표면의 폴리싱한 부분과 샌딩한 부분 전체를 연속 용접하여 평가하였다. 사진 결과를 보면 공정이 안정적이며 표면 마감이 달라져도 용접 품질에는 큰 변화가 없다는 것을 확인할 수 있다.

그림 5: 사진 위에서 아래로 300mm/s~150mm/s의 다양한 속도로 4kW ARM 레이저를 사용하여 용접한 매끄러운 구리와 샌딩한 구리의 일관된 용접 비드 모양

이 테스트를 통해, 그린 레이저와 마찬가지로 코히런트 싱글 모드 중심 빔 ARM 레이저로 구리를 용접할 수 있으며, 용접 깊이와 공정 속도가 현재의 생산 요건에 부합하거나 더욱 우수하다는 것을 알 수 있다. ARM 레이저는 과거에 파이버 레이저를 이용한 구리 용접에서 나타나는 문제를 해결하며 우수한 신뢰성, 편의성, 경제성으로 다른 자동차 용접 작업에서도 각광을 받고 있다.