고출력 파이버 레이저 원격 용접: 궁극의 가이드

1. 소개

비접촉 로봇 레이저 용접 공정인 원격 레이저 용접(RLW) 기술은 최근 몇 년 동안 크게 발전했습니다. 이로 인해 레이저 용접 공정에서 생산 효율성이 향상되고 처리 유연성이 높아졌습니다.

RLW의 개념은 1996년 존 맥켄에 의해 처음 소개되었습니다.

RLW의 주요 특징 중 하나는 고출력, 하이빔의 완벽한 조합입니다. 고품질 레이저 긴 초점 거리(최대 1600mm)와 검류계 스캔 장치를 갖춘 광원입니다.

기존 레이저 용접에 비해 RLW는 더 빠른 속도, 더 짧은 사이클, 더 큰 유연성을 제공합니다.

RLW 기술 연구는 다양한 분야에 적용되었습니다. 레이저의 종류 를 오랫동안 사용해 왔습니다. 1080nm 파장의 고출력 파이버 레이저는 광섬유를 통해 레이저 빔을 전송하고 초점의 정확도와 처리 유연성을 향상시킬 수 있습니다.

반면 10.6μm의 긴 파장을 가진 CO2 레이저는 광섬유를 통해 빔을 전송할 수 없습니다.

이상적인 파장과 우수한 빔 품질로 인해 고출력 파이버 레이저는 기존의 CO2 레이저와 Nd: YAG 레이저를 능가하는 RLW 애플리케이션에 선호되는 선택입니다.

RLW의 작동 원리는 검류계 스캐닝을 통해 레이저 빔을 반사하고 방향을 지정하여 공작물 표면으로 고속 전송하는 것입니다.

2D 스캐닝은 RLW 분야에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 전기적으로 회전할 수 있는 두 개의 라이트 스캐닝 미러가 있는 검류계 시스템으로 구성됩니다. 이 시스템은 5kW의 출력 전력을 처리할 수 있어 3D 스캐닝보다 비용 효율적입니다.

그러나 RLW는 또한 전처리, 용접 품질 및 안정성 요구 사항, 다음과 같은 몇 가지 과제에 직면해 있습니다. 차폐 가스를 클릭하고 도금된 시트를 올바르게 고정하고 배치합니다.

기존 레이저 용접에 비해 RLW에는 더 많은 수의 공정 파라미터가 필요하며, 이는 크게 빔 품질, 공정 파라미터, 재료 특성 등 세 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.

2. 원격 레이저 용접 프로세스

2.1. 프로세스 원칙

원격 레이저 용접(RLW)의 아이디어는 완전히 새로운 것은 아닙니다. 주요 원리는 스캐너를 사용하여 집중된 레이저 빔을 공작물 위 특정 거리에서 반사하고 배치하는 것입니다. RLW의 일반적인 초점 거리는 1000~1600mm입니다.

1996년 존 맥켄은 초점 길이 1600mm의 레이저를 사용하여 최초의 RLW 실험을 수행했습니다. 이 실험은 작은 홀 패턴 용접을 달성하여 RLW 공정 개발의 이정표가 되었습니다.

이 스캐너는 1m x 1m 이상의 대형 공작물에 레이저 빔을 정확하게 투사하는 데 도움이 되며 용접 속도는 30m/min에 달할 수 있습니다.

RLW 프로세스에는 스캐너가 통합된 RLW 시스템과 로봇을 기반으로 하는 RLW 시스템이라는 두 가지 일반적인 작업 모드가 있습니다.

스캐너가 통합된 RLW 시스템은 스캐닝 장치(일반적으로 2D 스캐너)를 사용하여 레이저 빔의 초점을 맞추고 위치를 지정합니다(그림 1(a) 참조).

로봇 기반 RLW 시스템은 장시간의초점 레이저 광학 미러와 6축 로봇이 작동합니다. 로봇은 공작물 표면에 레이저 빔을 배치하는 역할을 담당합니다(그림 1(b) 참조).

그림 1. 스캐너가 통합된 RLW 시스템(a)과 로봇 기반 RLW 시스템(b)

로봇 기반 RLW 시스템에 비해 스캐너가 통합된 RLW 시스템은 처리 주기가 더 짧고 정확도가 높으며 적용 범위가 더 넓습니다. 그러나 이 시스템은 레이저 빔의 품질에 대한 요구 사항이 훨씬 더 엄격합니다.

표 1은 스캐너가 통합된 RLW 시스템과 로봇 기반 RLW 시스템, 기존 레이저 용접의 성능을 비교한 것입니다.

표 1. 원격 용접 공정과 기존 용접 공정의 파라미터 비교 레이저 용접 공정

1=매우 나쁨/매우 낮음, 2=나쁘지 않음, 3=좋음

2.2. 구성

성공적인 원격 용접 결과를 얻으려면 다음 세 가지 조건이 충족되어야 합니다:

• 스캐너를 사용하여 레이저 빔의 적절한 전송과 위치를 보장합니다.
• 장초점 작동이 가능한 고품질, 고출력 파이버 레이저입니다.
• 프로세스 매개변수를 포괄적이고 적절하게 제어할 수 있습니다.

2.2.1. 스캐너

스캐너는 레이저 빔이 공작물 표면의 원하는 용접 경로를 따라 올바르게 안내되고 빠르게 배치되도록 합니다.

매우 유연하고 가벼운 스캐닝 헤드는 빔이 용접 지점 사이를 빠르게 이동할 수 있어 기존 레이저 용접 공정에 비해 포지셔닝에 필요한 시간을 줄여줍니다.

그림 2는 스캔 헤드의 일반적인 구성 요소를 보여줍니다. 스캔 유닛은 주로 검류계와 렌즈 세트로 구성됩니다.

원격 용접에서는 레이저 빔이 먼저 렌즈를 통과합니다. 렌즈는 광축을 따라 조정하여 초점 위치를 변경할 수 있습니다. 그런 다음 레이저 빔은 X 및 Y 검류계에 의해 연속적으로 반사 및 유도되어 최종적으로 설정된 위치에 도달합니다. 용접 솔기 를 사용하여 공작물 표면에 정확하게 초점을 맞출 수 있습니다.

그림 3은 심 추적 센서, 선형 투사 장치, 고감도 2D 스캐닝 유닛을 포함하는 일반적인 2D 스캐너 시스템을 보여줍니다.

그림 2. 스캔 헤드를 구성하는 일반적인 구성 요소

그림 3. 2D 스캐너 시스템의 주요 구성 요소

2.2.2. 고출력 파이버 레이저

최근 몇 년 동안 고출력 파이버 레이저는 급속도로 발전하여 재료 가공 분야에서 탁월한 특성을 입증했습니다.

고품질 빔을 사용하는 고출력 파이버 레이저는 수 MW/mm2에 이르는 초고피크 출력 밀도를 제공할 수 있어 장거리, 고속 원격 레이저 용접에 매우 중요합니다.

연구 데이터에 따르면 고출력 파이버 레이저는 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다:

• 높은 전자광학 전환율.
• 탁월한 빔 품질.
• 수명이 길어 운영 비용이 절감됩니다.
• 광섬유를 통해 전송되는 레이저 빔은 더 유연합니다.
• 대부분의 경우 높은 흡수 계수 금속 시트.
• 컴팩트한 디자인으로 이동이 간편합니다.

그림 4와 같이 고출력 파이버 레이저가 장착된 RLW 장치는 산업용 로봇에 장착되어 용접 헤드 고정 장치가 있습니다.

연구에 따르면 원격 파이버 레이저 용접 는 용접 속도를 더욱 높이고, 용접 와이어와 토치의 손실을 줄이며, 공구 및 부품 조임에 대한 요구 사항을 낮추고, 기존 용접 공정과 관련된 지속적인 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.

그림 4. 5kW 파이버 레이저가 장착된 RLW 장치

2.3. RLW의 일반적인 특성

기존 레이저와 비교 용접 프로세스스캐너가 통합된 RLW 시스템에는 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다:

• 높은 유연성, 짧은 처리 주기, 빠른 생산 속도, 우수한 용접 결과, 균일하고 안정적인 성능, 높은 자동화, 재료 요구 사항 감소, 낮은 유지보수 필요성으로 생산 비용 절감으로 이어집니다.
• 낮은 열 입력은 열 변형을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
• 이 시스템은 컴팩트한 디자인과 작은 설치 공간을 자랑합니다.

2.3.1. 효율적인 생산

스캐너가 통합된 RLW 시스템은 빠른 용접 속도와 짧은 처리 주기로 인해 더욱 효율적입니다.

정상적인 조건에서 용접 속도는 구성된 레이저의 출력 전력에 따라 6m/분에서 30m/분까지 증가시킬 수 있습니다.

스캐너의 비작동 시간을 제거하면 처리 주기를 80%까지 더 단축할 수 있습니다.

로봇 포지셔닝에 일반적으로 2~3초가 걸리는 반면, 스캐닝 헤드의 중단 없는 움직임과 빠른 위치 지정 덕분에 RLW 시스템은 단 50ms 만에 용접부 사이를 이동할 수 있습니다.

결과적으로 스캐너가 통합된 RLW 시스템의 처리 주기는 저항보다 6~10배 빠릅니다. 스폿 용접 또는 아크 용접.

2.3.2. 높은 유연성

RLW 시스템에서 스캐닝 헤드와 공작물 사이의 장거리 작동은 기존 레이저 용접 장비에서는 불가능한 용접 시 뛰어난 유연성을 제공합니다.

그림 5에서 볼 수 있듯이 용접은 장거리 작업으로만 완료할 수 있습니다.

장거리 작업의 또 다른 이점은 금속 증기나 스패터가 광학 부품에 영향을 미치는 것을 방지한다는 점입니다.

또한 장거리 작업은 설비에 대한 요구 사항이 낮기 때문에 무겁거나 큰 제품을 다루는 애플리케이션에서 장비 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다.

그림 5. 접근성이 좋지 않은 공작물 용접에 사용되는 RLW

2.3.3. 비용 이점

RLW는 이미 BIW 생산에서 비용 효율성이 입증되었습니다. 수많은 연구 결과에 따르면 RLW 시스템은 다음과 같은 다양한 방식으로 생산 비용을 절감할 수 있습니다:

• 대량 생산을 통해 단위 생산 비용을 낮춥니다.
• 레이저 용접 총의 수를 줄여 효율성을 개선하고 장비 비용을 절감합니다.
• 용접의 겹침 폭을 줄여 재료 소비 비용을 줄입니다.
• 장비의 서비스 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감합니다.

그러나 RLW에는 차폐 가스, 고품질 빔, 고정 장치, 용접 추적 등이 필요하다는 단점도 있습니다.

RLW의 가장 큰 과제는 공작물에 보호 가스를 공급하는 것입니다. 보조 가스는 용접과 동시에 움직이는 것이 아니라 전체 가공 영역을 덮어야 합니다. 이를 위해서는 산화를 방지하고 오염을 방지하기 위해 보호 가스를 높은 유량으로 동시에 주입하기 위해 많은 수의 노즐이 필요합니다. 결과적으로 많은 양의 보호 가스가 필요하므로 공정 비용이 증가합니다.

2.4. RLW 적용

현재 저항 레이저 용접(RLW)은 주로 상당한 양의 용접이 필요한 평판 어셈블리의 대량 생산에 활용되고 있습니다.

자동차 제조 산업은 RLW의 주요 적용 분야입니다.

현재까지 자동차 시트(시트, 프레임, 레일, 패널 등), 차체 부품(트렁크, 후면 패널, 도어/서스펜션 부품, 측면 벽, 열교환기 등), 실내 구조물(보강 리브, 후면 창문 선반/탑 가드 등) 제조 등 다양한 생산 공정에 약 70개의 RLW 시스템이 적용되었습니다.

3. RLW 프로세스 매개변수

연구원들은 RLW의 빔 특성을 개선하기 위해 용접 속도, 초점 위치, 빔 경사, 차폐 가스, 조인트 설계, 모재 특성 등 다양한 공정 파라미터에 대한 수많은 테스트와 연구를 수행했습니다. 이러한 특성은 다음과 같습니다. 레이저 파워빔 품질, 파장, 스폿 직경, 초점 거리, 모드 및 편광을 설정할 수 있습니다.

연구진은 네 가지 다른 광섬유 레이저를 사용하여 섬유 레이저를 장착한 RLW를 연구했습니다. 강철의 종류 연강, 아연도금강, 합금 아연도금강, 스테인리스강 등을 기본 재료로 사용합니다.

주요 프로세스 매개변수는 아래 표 2에 나와 있습니다.

표 2. 파이버 레이저를 사용한 RLW의 공정 매개변수 목록

또한 연구원들은 출력 전력, 용접 속도, 차폐 가스 공급, 빔 경사도, 초점 위치 등 다양한 공정 파라미터를 광범위하게 조사했습니다.

3.1. 레이저 출력

에서 레이저 가공 공정에서 레이저 출력을 높이면 용접 속도도 그에 따라 증가합니다.

데이터에 따르면 원격 레이저 용접으로 연강을 용접할 때 스폿 직경은 일정하게 유지하면서 파이버 레이저의 출력을 4kW에서 8kW로 높이면 용접 속도가 크게 증가합니다. 그러나 레이저 출력이 증가함에 따라 스패터링 및 처짐 용접과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 용접 품질.

그림 7은 원격 레이저 용접을 사용하여 연강 S355를 용접할 때 레이저 출력과 용접 속도 및 관통 깊이 사이의 관계를 보여줍니다.

차트에서 알 수 있듯이 레이저 출력이 증가하면 용접 속도와 관통 깊이가 모두 증가합니다.

그림 7. 출력 전력이 RLW에 미치는 영향(배기 장치 포함, 보호 가스 없음, 스폿 직경 640&mm, 초점 거리 470mm, S335 연강)

3.2. 용접 속도

용접 속도는 저항 레이저 용접(RLW) 공정에서 매우 중요한 요소입니다.

용접 속도는 주로 출력 밀도, 필요한 침투 깊이, 레이저 모드, 초점 위치 및 스캔 횟수에 따라 결정됩니다.

용접 속도는 용접 풀의 모양, 용접 조인트의 모양 및 관통 깊이에 영향을 미칩니다.

그림 8은 다양한 레이저 출력으로 스테인리스강 1.4301에 원격 레이저 용접을 수행할 때 용접 속도와 용접 깊이 사이의 관계를 보여줍니다.

그림 8에서 볼 수 있듯이 용접 속도가 빠를수록 용접 깊이가 얕아지고 레이저 출력이 높을수록 용접 깊이가 깊어집니다.

그림 8. 용접 속도가 RLW 용접 깊이에 미치는 영향

(스테인리스 스틸 1.4301, 출력 파워 3종, 초점 거리 500mm)

3.3. 차폐 가스

원격 레이저 용접 시 차폐 가스를 사용하면 용접 영역의 산화 방지, 금속 증기 감소, 빔 경로에서 금속 입자 제거, 안정화 등 여러 가지 이점이 있습니다. 용접 프로세스를 생성하고 혈장 형성을 방지합니다.

강철에 RLW를 수행할 때 가장 일반적으로 사용되는 보호 가스는 아르곤, 헬륨, 질소 및 압축 공기입니다.

RLW 차폐 가스의 일반적인 유량은 분당 약 15~20리터이며, 용접 영역의 길이에 따라 달라집니다.

그림 9. 차폐 가스가 RLW 용접 깊이 및 용접 속도에 미치는 영향

(강판, 8kW 출력 전력)

고출력 원격 수행 시 파이버 레이저 용접에서 용접 깊이와 속도에 대한 차폐 가스의 영향을 확인할 수 있습니다.

차폐 가스 사용 여부와 관계없이 용접 속도가 증가하면 침투 깊이는 계속 감소합니다.

그러나 분당 5m 미만의 용접 속도에서는 보호 가스의 사용이 용접 공정에 영향을 미치는 중요한 요소가 됩니다. 이는 작은 구멍에서 발생하는 다량의 금속 증기가 용접 공정을 방해하기 때문일 수 있습니다.

용접 속도가 분당 14미터로 증가하자 RLW 용접 깊이에 대한 차폐 가스의 영향이 더욱 두드러지기 시작했습니다.

3.4. 빔 경사

작업 거리가 길기 때문에 저항 레이저 용접(RLW)에 허용되는 경사각의 범위가 넓습니다.

레이저 빔이 공작물 표면에 생성하는 스폿의 크기와 모양은 경사각의 변화에 따라 달라집니다.

전력 밀도와 흡광도가 변함에 따라 빔 각도는 투과 깊이와 인터페이스 폭에 영향을 미칩니다.

경사각이 60°를 초과하면 침투 깊이에 큰 영향을 미칩니다. 반면 경사각이 20°에서 30° 사이일 때는 용접 공정에 거의 차이가 없습니다.

데이터에 따르면 경사각이 0°에서 20° 사이인 경우 용접 품질에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.

3.5. 초점 위치

초점 위치는 관통 깊이, 용접 조인트의 모양 및 절단 품질에 영향을 미칩니다.

레이저 빔의 초점 위치는 기본 재료의 두께에 따라 달라집니다.

최상의 투과 효과를 얻기 위해 초점 위치는 일반적으로 공작물 표면에서 약 1밀리미터 위에 배치합니다.

그림 10은 초점 위치와 침투 깊이 사이의 관계를 보여줍니다. 디스크 레이저 강철의 원격 레이저 용접에 사용됩니다.

그림 10과 같이 초점 위치가 공작물 표면의 0밀리미터에 있을 때 관통 깊이가 가장 깊습니다.

집중된 레이저 빔의 거리가 멀어질수록 투과 깊이가 감소합니다.

그림 10. 초점 위치가 RLW 용접 깊이 및 폭에 미치는 영향

4. 결론

이 문서의 목적은 리모트 레이저 용접 공정 파이버 레이저를 사용합니다.

원격 파이버 레이저 용접 공정은 다양한 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

이 공정은 높은 생산성, 뛰어난 유연성, 낮은 전체 비용으로 인해 자동차 제조 업계에서 채택되었습니다.

원격 파이버 레이저 용접 장치의 경우 스캐너는 가장 중요한 구성 요소입니다.

그러나 우수한 용접 결과를 얻으려면 원격 레이저 용접 시 빔 품질, 레이저 출력, 용접 속도, 보호 가스 공급, 초점 위치 등 다양한 공정 파라미터도 고려해야 합니다.