레이저 용접은 전기 자동차, 항공 우주, 선박 및 철도 운송, 건설, 에너지 부문, 반도체, 가전 제품, 의료 기기 제조 등에서 활용됩니다. 기존 용접 기술로는 어려웠던 이종 재료의 융합도 레이저 용접의 유연성과 정밀도로 쉽게 해결할 수 있어 선호되는 솔루션이 되기도 했습니다. 종종 "비유사 용접"이라고 불리는 이 공정은 현대 엔지니어링 목표를 달성하는 데 중요한 부분입니다.
e-모빌리티 애플리케이션을 위한 배터리 및 전기 부품 생산으로 인해 구리 및 알루미늄과 같은 이종 재료의 레이저 용접에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
서로 다른 용접을 사용하면 전기 및 열 전도성, 연성, 상대 밀도, 융점 및 경도와 같은 우수한 특성을 가진 다양한 재료를 선택할 때 더 넓은 설계 자유가 허용되지만, 전통적으로 함께 접착하려면 접착제나 기계적 방법이 필요합니다.
이 기술은 기존 용접과 공통된 요소를 가지고 있지만 설계 자유도를 높이고 재료 조합을 다양하게 하여 제조 및 조립 비용을 절감하고 부품 또는 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.
그러나 다양한 재료를 용접하려면 레이저 파장, 평균 전력, 빔 프로파일, 펄스 폭 및 피크 전력을 신중하게 고려해야 합니다. 레이저 시스템 매개변수는 특정 재료 조합 및 응용 분야에 맞게 맞춤화되어야 합니다.
가장 중요하고 가장 빠르게 성장하는 응용 분야는 전기 자동차용 배터리 및 전기 부품 생산입니다. 전기 자동차(EV)에 대한 수요는 지난 2년 동안 급격히 증가했으며, 서로 다른 재료를 용접하는 것은 전기 자동차를 보다 효율적이고 환경 친화적으로 만드는 핵심입니다.
상이 용접은 기존 용접과 공통점이 많지만 용접 품질과 속도를 최적화하는 것은 더욱 어렵습니다. 레이저 용접 시스템의 유연성은 새로운 응용 분야와 기회를 확장할 수 있는 고유한 솔루션을 제공합니다. (토모익스프레스 제공)
고출력 및 고휘도 산업용 블루 레이저 기술 분야의 선도적 혁신 기업인 NUBURU의 최고 마케팅 및 영업 책임자인 Matthew Philpott는 "향후 5~10년 내에 전기 자동차가 시장의 20% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다"라고 말했습니다. 소비자 가전제품은 10~15%를 차지할 것입니다."
리튬 이온(Li-ion) 배터리를 제조하려면 호일-전극 또는 전극-전극 용접에서 알루미늄과 구리를 용접하는 능력이 필요합니다. 원통형 배터리에서는 구리 전극 러그를 강철 캔에 용접해야 합니다.
배터리 팩 제조에서 셀은 일반적으로 이미 조립되어 있으며 엔지니어는 최적의 에너지를 제공하기 위해 셀을 연결하는 설계를 구현해야 합니다. 현재 리튬 이온 배터리는 니켈 도금 냉간 압연 강철로 만들어집니다. 그러나 알루미늄이나 구리와 같이 저항이 덜한 금속을 리튬 이온 배터리의 표준 스테인리스 스틸 단자에 용접하면 저항이 감소하므로 열 손실로 낭비되는 에너지가 줄어듭니다.
AMADA WELD TECH의 제품 엔지니어링 및 응용 부문 수석 관리자인 Mark L. Boyle은 "향상된 전기 자동차 배터리 성능은 전기 자동차 판매의 꾸준한 성장에 중요한 요소입니다."라고 AMADA WELD TECH의 제품 엔지니어링 및 응용 부문 수석 관리자인 Mark L. Boyle은 말했습니다. 더 나은 성능은 부분적으로 최근 이종 금속 용접 기술의 발전에 기인합니다. 이는 에너지 저장을 늘리고 크기를 줄이며 신뢰성을 유지함으로써 효율성을 향상시킵니다."
또한 조선산업은 이종 용접이 독특한 가치를 제공하는 또 다른 사례를 제공합니다. 업계에서는 일반적으로 강철-알루미늄 용접 인터페이스를 사용하여 중량 분포를 최적화함으로써 CO2 배출량을 낮추고 안정성을 높입니다. 특히 강철 선체를 알루미늄 상부구조에 용접하면 중량을 줄일 수 있습니다.
Blue light laser welding of copper sheets. Green and blue lasers are often better suited for welding highly reflective metals such as copper and aluminum, providing lower heat input and improved process stability of >1μm. (사진 제공: NUBURU)
"CO2 배출과 에너지 소비를 줄이는 것 외에도 자재의 지능적인 배치를 통해 선박의 무게 중심을 낮출 수 있어 운송 안정성이 향상됩니다." 하노버 레이저 센터 금속 용접 및 절단 그룹 연구원인 Rabi Lahdo는 이렇게 말했습니다.
유사한 특성을 가진 재료는 일반적으로 더 안정적인 용접을 생성하지만 AMADA WELD TECH와 같은 주요 업체에서는 서로 다른 재료를 용접하라는 요청이 점점 늘어나고 있습니다.
"상업적으로 다른 재료를 선택하면 제조 비용이 절감되고 부품이나 장치의 성능이 향상될 수 있습니다." Mark L. Boyle은 "이런 일이 발생하면 더 낮은 가격에 더 나은 제품을 제공하기 위해 서로 다른 금속을 선택하는 것이 시장에서 경쟁 우위로 사용될 수 있습니다."라고 말했습니다.
01 과제와 고려사항-
강철이나 구리와 같은 재료를 알루미늄과 융합할 때 재료의 녹는점과 열팽창 계수의 변화로 인해 부서지기 쉬운 중간 부분이 형성되어 용접 접합을 약화시킬 수 있습니다.
"금속은 서로 다른 용융 및 융합 온도, 서로 다른 광 흡수 계수(특히 특정 레이저 파장에서), 서로 다른 열 확산도를 가지고 있습니다. 이로 인해 금속을 동시에 적절한 정도로 녹이기가 어렵습니다." NUBURU의 Philpott는 "이것은 적외선에서 매우 다른 흡수 계수를 가질 수 있는 반사율이 높은 금속에서 가장 두드러집니다."라고 말합니다.
냉각 중 다양한 열팽창 계수로 인해 생성된 응력장은 용접을 약화시키고 용접 접합 실패로 이어질 수도 있습니다. "금속간 상"이라고 불리는 이러한 단단하고 부서지기 쉬운 구조는 용접 금속과 모재 금속 사이의 전이 영역에서 형성됩니다. 이는 모든 용접 방법에 문제가 될 수 있는 현상입니다.
강철과 알루미늄의 비유사성 용접의 단면입니다. (LZH 기여)
강철-알루미늄 시스템의 FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 및 구리-알루미늄 시스템의 Cu9AL4, CuAl2, Cu4Al3와 같은 금속간 화합물의 형성은 원소의 제한된 용해도 때문입니다."라고 Sarah Nothdurft 책임자는 말합니다. 하노버 레이저 센터의 금속 접합 및 절단 그룹. 이러한 상은 기본 재료에 비해 상당히 높은 저항성을 나타냅니다."
높은 용접 속도, 낮은 열 부하, 용융 공정의 정밀한 제어 등 레이저 작동 매개변수를 신중하게 선택하면 엔지니어가 이러한 문제 중 일부를 완화할 수 있습니다.
"금속간 화합물의 형성은 불가피하지만 취성은 그렇지 않습니다." IPG Photonics의 시장 개발 관리자인 Alexei Markevitch는 "올바른 프로세스 구성은 이러한 화합물의 형성을 최소화하고 가단성을 최대화하여 구조적으로 건전하고 전도성이 높으며 안정적인 용접을 가능하게 할 수 있습니다"라고 말했습니다.
02 다양한 재료의 용접 응용 -
적절한 혼합 비율과 적절한 매칭 배열에 주의를 기울이면 서로 다른 용접 접합의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 랩 용접 개구부가 있는 I-심이 유리한 것으로 입증되었습니다. 이 방법은 알루미늄판 위에 철판을 올려놓는 방식이다. 금속간 상을 최소화하기 위해 철판을 통과하고 알루미늄판에만 용접이 이루어집니다.
하노버 레이저 센터의 금속 용접 및 절단 그룹 연구원인 Oliver Seffer는 "알루미늄 함량이 낮기 때문에 최종 미세 구조에서 이러한 부서지기 쉬운 상의 비율이 상대적으로 낮습니다."라고 말했습니다.
03 레이저 매개변수 고려사항-
레이저 기술의 선택은 용접할 재료에 따라 달라집니다. 유리와 금속의 서로 다른 용접 포트에는 CO2 레이저 시스템이 필요할 수 있습니다. 알루미노실리케이트 유리 및 다양한 금속 용접은 펨토초 레이저 시스템의 이점을 누릴 수 있는 반면, 알루미늄 합금 및 기술 유리 용접은 피코초 레이저 소스를 사용하여 성공할 수 있는 경우가 많습니다.
목표는 가능한 최고 속도로 용접하면서 열 입력을 최소화하고, 스패터를 제거하고, 공정 안정성을 개선하고, 공정 매개변수의 넓은 창을 제공하는 것입니다.
"강철 합금은 근적외선 영역에서 잘 흡수되지만, 알루미늄이나 구리와 같이 반사율이 높은 금속도 대부분 1μm 레이저로 가공됩니다." IPG의 Markevitch는 "흡수는 금속 온도와 위상에 따라 달라지기 때문입니다. 실온에서 구리와 알루미늄은 1μm에서 약 5%, 515nm에서 40~50%를 흡수하며 청색 파장에서는 더 높은 흡수율을 보입니다."라고 말했습니다.
"가열된 금속의 모든 흡수율은 증가하고 IR은 녹는점에서 점프합니다"라고 그는 말합니다. "그리고 용융된 금속은 모든 파장을 매우 잘 흡수합니다. 따라서 충분히 높은 IR 출력 밀도는 높은 반사율을 극복합니다."
However, in shallow conduction welding of foils or certain welding geometries involving thicker materials, the use of high-intensity infrared lasers can lead to overheating, material damage, or process instability at the point of the fast absorption transition. As a result, in some cases, green or blue lasers are more suitable for copper welding because they offer lower heat input and improved process stability at >1 µm.
Rabi Lahdo는 필요한 출력 강도를 낮추면 용융 풀의 난류가 완화되어 공정 안정성이 향상된다고 말합니다. "공정 안정성의 증가는 하이브리드 용접 개구부의 품질 향상을 동반하며 스패터 형성이 억제됩니다."
수백 마이크로미터의 마이크로 결합 구멍부터 시작하여 두꺼운 재료의 키홀 용접에서 적외선 레이저는 일반적으로 녹색 또는 파란색 레이저보다 더 효과적이므로 열 입력이 적고 용접 품질이 향상되고 속도가 빨라집니다.
Tunable mode beam lasers eliminate spatter while quickly achieving high quality weld openings in dissimilar materials. These lasers emit a core beam enclosed in an individually controllable ring beam. Busbar welding applications for melting aluminum and copper can be achieved using an infrared single mode beam (above). However, the Tunable Mode Laser (below) exhibits complete control of spatter by enclosing the single-mode beam within an external annular beam. Such systems are capable of spatter-free copper busbar welding at speeds up to 60 m/min and depths of fusion >0.65mm.
"최대 2kW의 단일 모드 빔 밝기는 밝은 금속의 반사 특성을 극복하여 용접 폭보다 훨씬 더 깊은 융합 깊이를 갖춘 안정적인 작은 구멍 용접을 생성합니다."라고 글로벌 연구원인 Ken Dzurko는 말했습니다. 캘리포니아주 산타클라라에 있는 ThruFast 레이저 기술 센터의 수석 핵심 계정 관리자입니다.
"빔의 빠른 진동은 금속간 화합물의 형성을 억제하여 용접 개구부에서 용융 단계의 지속 시간을 제한합니다." 그는 "또한 높은 빔 밝기는 용접 효율을 높이고 열 영향부를 크게 줄여 더 낮은 평균 전력 입력으로 더 높은 용접량을 생성합니다"라고 말했습니다.
레이저 에너지 사용에 영향을 미치는 또 다른 요인은 금속 증기 기둥에 의한 빛 산란입니다. 이는 파장의 4제곱에 비례합니다. 1070nm 레이저는 515nm 레이저보다 18배, 455nm 레이저보다 30배 더 적게 산란됩니다. 금속 증기 기둥에서 청색 및 녹색 레이저의 높은 산란율은 용융된 재료에서 약간 더 높은 흡수율을 쉽게 상쇄합니다.
오늘날 대부분의 제조업체는 처리 속도, 품질 및 비용 절감에 앞장서는 연속파 1μm 레이저를 선택합니다. 그러나 모든 파장은 특정 상황에 따라 장점을 제공합니다. 예를 들어, NUBURU의 Philpott는 청색광이나 녹색광으로의 파장 이동이 흡수 증가로 이익을 얻는 응용 분야에서 탐구할 가치가 있다고 믿습니다.
"청색광 또는 녹색광 레이저(예: 스캐너, 처리 헤드, 빔 제어 및 기타 보조 구성 요소)의 빔 전달은 NIR 레이저에 사용되는 것과 유사합니다." Philpott씨는 “결과적으로 적외선에서 청색이나 녹색광으로의 변환이 매우 용이하고, 연기를 관리하는 방법도 유사하여 흡수나 산란으로 인한 문제가 없다”고 말했다.
오늘날의 레이저 시스템은 515nm에서 3kW, 455nm에서 4kW로 제한되며, 블루 레이저의 제한된 빔 품질로 인해 빔 집속성 및 처리 효율성도 제한됩니다.
Rabi Lahdo는 "가시 범위, 특히 청색광 스펙트럼의 레이저 빔 파장을 사용하여 구리를 용접할 때 현재 레이저 빔 전력과 요구되는 빔 품질이 부족합니다."라고 말합니다. "높은 빔 품질을 달성하는 것이 가장 큰 과제입니다. 레이저 다이오드를 사용하여 레이저 방사선을 생성합니다. 또한 가시 레이저는 적외선 소스보다 광학 장치를 손상시키기가 더 쉬우므로 수명이 단축되고 비용이 증가합니다."
이러한 어려움에도 불구하고 Philpott는 청색광 다이오드의 가용성과 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 납땜 성능과 가치가 더욱 향상될 것으로 예상합니다.
"광학 설계 허용 범위 내에서 레이저를 작동하는 것과 관련된 신뢰성이나 비용 위험은 없습니다."라고 그는 말했습니다. "즉, 특정 레이저 공급업체의 제품을 사용하는 고객은 짧은 광학 수명을 경험할 수 있습니다. 그러나 제조업체가 광학 장치를 적절하게 검증하지 않은 채 제품을 출시하지 않으면 어떤 파장에서도 이러한 현상이 발생할 수 있습니다."
04
-레이저 시스템의 전문화-
연속파 파이버 레이저는 빔 프로파일을 적절하게 제어하여 알루미늄과 구리를 용접할 수 있습니다. 코어링 빔 프로파일과 보다 강력한 스캐닝 시스템의 개발로 지난 10년 동안 하이브리드 용접 포트의 품질과 잠재력이 크게 향상되었습니다.
구리와 알루미늄의 작은 구멍 용접 시 높은 용접 속도에서는 구멍이 불안정해집니다. 이러한 불안정성을 제거하는 한 가지 방법은 용접 속도를 늦추는 것이지만 일반적으로 이는 바람직하지 않습니다. 대신, 또 다른 방법은 검류계를 사용하여 레이저 빔에 진동을 추가하여 용융 풀을 교반하는 것입니다. 이는 용융 흐름의 대류를 향상시켜 작은 구멍이 무너지는 것을 방지합니다. 이는 일반적으로 우수한 품질의 용접을 생성하지만 용접 프로세스를 더욱 느리게 만듭니다.
고속 용접 중 스패터를 제거하는 세 번째 방법은 링 빔으로 둘러싸인 코어 빔을 방출하는 AMB(Adjustable Mode Beam) 레이저를 사용하는 것입니다. 코어 빔 전력 및 강도는 작은 구멍의 침투 깊이를 결정하는 반면, 링 빔의 에너지는 작은 구멍을 안정화하여 원하지 않는 스패터, 균열 및 다공성을 최소화하거나 완전히 제거합니다.
가장 작은 코어는 직경 14μm의 단일 모드 빔입니다. 다중 모드 코어의 직경은 일반적으로 50 또는 100μm이고 링 빔의 직경은 일반적으로 최대 300μm입니다.
IPG Photonics의 시장 개발 관리자인 Markevitch는 "코어 링 파이버 레이저의 사용은 적외선 상이성 레이저 용접의 활발한 개발 영역이며 모든 주요 업체가 추구하는 것입니다."라고 말했습니다. "단일 모드 코어를 갖춘 AMB 레이저는 다용도성, 높은 용접 속도 및 부서지기 쉬운 금속간 화합물의 형성을 최소화하는 고유한 능력 때문에 선택되었습니다."
링 레이저에서 3kW의 추가 출력을 갖춘 3kW 단일 모드 코어 AMB 레이저는 60m/min의 속도로 0.65mm 이상의 관통력으로 스패터 없는 구리 버스바 용접이 가능합니다.
현재 상용 녹색 또는 청색 레이저는 동일한 처리 속도와 품질을 달성할 수 없다고 Markevitch는 말합니다. 그러나 그가 지적한 것처럼 용접 일관성은 재료 간 간격의 변화나 재료 오염에 의해 여전히 영향을 받을 수 있습니다. 버스바 두께가 감소하는 경향으로 인해 클램핑 및 고정이 어려워졌습니다. 용접 용융 깊이가 충분하지 않으면 저항이 높아지고 기계적 강도가 낮아질 수 있으며, 용융 깊이가 너무 크거나 구멍이 뚫리면 EV 배터리 셀에 화재 위험이 발생할 수 있습니다.
"Typical material thicknesses for busbar lap welds are 200 to 300µm, less than 1mm," says Markevitch, "Immediately below the thin lap weld is a thermally-sensitive organic electrolyte, which may decompose at >60도."
알루미늄은 660도에서 녹고, 구리는 1,085도, 강철 합금은 1,500도에서 녹습니다. 용융 온도가 매우 다른 두 금속은 아래의 가연성 유기겔 또는 배터리 구성 요소(예: 씰, 개스킷 및 스페이서)가 포함된 리튬염을 손상시키지 않고 녹여야 합니다.
스펙트럼 프로세스 방출 또는 OCT를 기반으로 하는 인라인 프로세스 제어는 실시간 비파괴 용접 깊이 측정을 제공할 수 있습니다. 이를 통해 일정한 용융 깊이를 달성하기 위해 시정 조치를 취할 수 있습니다.
