레이저 연속 용접과 펄스 용접 중 선택하기: 종합 가이드

연속 용접 아연 도금 시트 반도체 레이저로

펄스 스테인리스 스틸 용접 Nd 3 +: YAG 레이저가 적용된 플레이트

1. 관련 원칙

레이저는 다양한 방법으로 분류할 수 있으며, 파장과 활성 매질은 두 가지 주요 분류 방식입니다. 파장 기반 분류는 레이저를 적외선, 가시광선, 자외선으로 나누고, 활성 매체 분류는 CO2 레이저, 파이버 레이저, Nd3+:YAG 고체 레이저, Nd3+:YAG 디스크 레이저(Trumpf 독점), 직접 반도체 레이저, 염료 레이저 등을 포함합니다. 또한 레이저는 작동 모드에 따라 연속파(CW) 또는 펄스로 구분됩니다.

레이저의 기본 작동은 공진 캐비티 내에서 진동을 통한 빔 출력을 포함합니다. 그러나 고주파 진동은 여러 출력을 생성할 수 있습니다. 펄스 작동에서 연속파 작동으로의 전환은 출력 주파수가 임계 임계값에 도달할 때 발생합니다.

학계나 업계에서 연속파 레이저와 펄스 레이저를 구분하는 보편적으로 인정되는 기준은 없지만, 일반적인 합의가 존재합니다:

• 펄스 레이저: < 102Hz 미만
• 준연속파(QCW): 102-103Hz
• 연속파(CW): 103-106Hz
• 초음속: > 106-109Hz

금속 절단 애플리케이션에서 일반적인 주파수 매개변수는 레이저 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어, IPG 및 레이커스 파이버 레이저는 일반적으로 5000Hz에서 작동하는 반면, 이전의 Nd3+:YAG 고체 레이저 절단기는 일반적으로 300Hz에서 작동합니다. CW 레이저는 일반적으로 출력으로 특징지어지는 반면, 펄스 레이저는 단일 펄스 출력, 평균 출력, 펄스 폭 및 주파수로 정의됩니다.

펄스 레이저에 대한 이러한 파라미터 간의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

평균 전력 = 단일 펄스 전력 × 펄스 폭 × 주파수

이 방정식을 통해 산업용 애플리케이션에서 펄스 레이저 시스템의 비용 효율적인 성능 평가 및 최적화를 수행할 수 있습니다.

2. 레이저 광원

금속 레이저 용접레이저 소스의 선택은 용접 공정과 결과에 큰 영향을 미칩니다. 전통적으로 펄스 용접에는 Nd3+:YAG 고체 레이저가, 연속 용접에는 파이버 레이저가 주로 사용되어 왔습니다. 그러나 최근 레이저 기술의 발전으로 이러한 구분이 모호해지면서 산업용 등급 직접 반도체 레이저가 연속 용접 작업에서 각광을 받고 있습니다.

일반적으로 Nd3+:YAG 레이저를 사용하는 펄스 레이저 용접은 저주파, 고에너지 펄스가 특징입니다. 예를 들어 500W 펄스 레이저는 12kW를 초과하는 단일 펄스 출력을 생성할 수 있어 동일한 평균 출력의 파이버 레이저에 비해 우수한 침투 깊이를 제공합니다. 이러한 높은 피크 출력은 반사 재료를 효과적으로 용접할 수 있고 열 입력을 정밀하게 제어할 수 있어 최소한의 열 영향 구역(HAZ)이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.

반대로, 주로 파이버 레이저인 연속파(CW) 레이저는 낮은 단일 펄스 에너지로 고주파의 안정적인 출력을 제공합니다. 이러한 레이저는 고속 용접 분야에 탁월하며 빔 품질이 우수하여 장시간 동안 에너지를 집중적으로 전달하고 용접 품질을 일관되게 유지할 수 있습니다. 또한 빔의 연속적인 특성으로 인해 두꺼운 재료도 원활하게 용접할 수 있으며 원격 용접과 같은 고급 기술을 구현할 수 있습니다.

펄스 용접과 연속 용접의 차이점을 설명하기 위해 다음과 같은 비유를 생각해 보세요. 펄스 용접은 파일 드라이빙과 유사하며, 각 충격이 강하지만 드물게 발생하여 깊고 국소적인 에너지 전달이 이루어집니다. 반면 연속 용접은 전기 네일 건으로 빠르게 망치질을 하는 것과 유사하며, 낮은 에너지의 충격을 고속으로 꾸준히 전달하여 용접 이음새를 따라 일관된 에너지 분배를 보장합니다.

펄스 레이저와 연속 레이저 중 선택은 재료 특성, 조인트 구성, 생산 속도 요구 사항, 원하는 용접 특성 등의 요인에 따라 달라집니다. 최신 레이저 시스템은 펄스 모드와 연속 모드의 장점을 결합하여 특정 용도에 맞게 용접 공정을 최적화하는 하이브리드 기능을 제공하는 경우가 많습니다.

레이저 기술이 계속 발전함에 따라 마이크로 용접 애플리케이션을 위한 초단 펄스 레이저 개발과 실시간 공정 모니터링 및 적응형 제어 시스템의 통합을 통해 자동화된 생산 환경에서 용접 품질과 일관성을 향상시키는 것이 새로운 트렌드로 떠오르고 있습니다.

3. 빔 특성

레이저의 빔 특성은 레이저의 절단 성능과 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 레이저 유형에 따라 빔 프로파일이 다르므로 재료와의 상호 작용에 큰 영향을 미칩니다.

연속파(CW) 파이버 레이저는 일반적으로 가우시안 빔 프로파일을 생성합니다. 이 프로파일은 종 모양의 곡선을 따라 가장자리로 갈수록 기하급수적으로 감소하는 빔의 중앙에서 높은 출력 밀도가 특징입니다. 가우스 분포는 TEM00(횡전자기 모드) 출력을 생성하여 초점에서 뛰어난 초점성과 높은 출력 밀도를 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 CW 파이버 레이저는 금속의 고정밀 절단 및 용접에 특히 효과적입니다.

이와 대조적으로 펄스 레이저는 일반적으로 평평한 상단(또는 탑햇) 빔 프로파일을 나타냅니다. 이 프로파일은 빔의 단면 전체에 걸쳐 에너지 분포가 균일하고 모서리가 상대적으로 날카로운 것이 특징입니다. 플랫 탑 빔의 고른 출력 분포는 표면 처리, 열처리 및 일부 유형의 용접과 같이 보다 균일한 에너지 증착이 바람직한 특정 응용 분야에서 이점을 제공합니다.

다이렉트 다이오드 레이저(DDL)도 일반적으로 플랫 탑 분포와 유사한 빔 프로파일을 생성한다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이 논의의 초점은 아니지만, DDL은 높은 효율성과 컴팩트한 디자인으로 인해 산업 애플리케이션에서 그 중요성이 커지고 있습니다. 빔 특성은 넓은 영역에 걸쳐 균일한 가열 또는 처리가 필요한 애플리케이션에서 이점을 제공할 수 있습니다.

가우스 빔의 에너지 분포

플랫 탑 빔의 에너지 분포

4. 용접 프로세스

연속 용접에서 광 출력의 빈도는 매우 높습니다.

적절한 용접 보호 장치와 파라미터를 사용하면 연마나 연마가 필요 없는 균일하고 매끄러운 용접을 얻을 수 있습니다.

반면 펄스 용접은 광 주파수가 낮고 간헐적으로 두드리는 소리가 선명합니다. 용접 프로세스. 결과 용접은 다음과 같이 평평한 물고기 비늘 모양을 갖습니다. 아르곤 아크 용접또는 필요에 따라 전체 단일 스폿 용접 스폿을 사용할 수 있습니다.

연속 용접은 적절한 용접 트랙, 작동 속도, 전력 등 몇 가지 파라미터만 선택하면 되기 때문에 비교적 간단합니다. 그러나 펄스 용접은 펄스 폭, 광 출력 주파수, 단일 펄스 출력, 작동 속도, 펄스 파형 등 여러 파라미터를 종합적으로 고려해야 하므로 더 복잡한 공정입니다.

펄스 용접 스폿(용접 지점)

연속 용접 솔기

또한 파이버 레이저 빔은 광학 중심에서 에너지 밀도가 높습니다. 현재 기술을 사용하면 코어 직경이 매우 작은 광섬유를 통해 레이저 빔을 효율적으로 전송할 수 있습니다. 따라서 중-고출력 광 레이저는 깊이 대 너비 비율이 높은 용접을 생성하는 심관통 용접에 이상적입니다.

펄스 레이저 빔의 평평한 상단 분포는 특히 박판 접합 용접에서 열 전도 용접에 상당한 이점을 제공합니다.

5. 애플리케이션

연속 파이버 레이저는 용접 산업에 큰 지각 변동을 일으키며 CO2 및 Nd3+:YAG 고체 레이저의 상당한 시장 점유율을 차지했습니다. 이러한 변화는 안정성 향상, 전력 소비 감소, 높은 효율성, 탁월한 빔 품질, 에너지 밀도 증가 등 우수한 특성 덕분입니다. 업계 동향에 따르면 이 기술은 가까운 미래에도 계속 우위를 점할 것으로 보입니다.

파이버 레이저의 지속적인 상승세에도 불구하고 Nd3+:YAG 고체 레이저는 특수 응용 분야에서 여전히 관련성을 유지하고 있습니다. 광범위한 개발 역사와 확고한 시장 입지를 바탕으로 특정 파장이나 펄스 특성이 필요한 틈새 분야에 적합합니다.

현재 연속 레이저 용접은 깊은 침투 응용 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 예를 들어 자동차 부품 산업에서는 변속기 기어 및 엔진 부품과 같은 부품의 정밀 용접에 광섬유 레이저를 광범위하게 활용하고 있습니다. 파이버 레이저와 직접 반도체 레이저 기술이 발전함에 따라 항공 우주, 의료 기기 제조, 첨단 전자 제품 등 다양한 산업 분야에서 더 폭넓게 채택될 것으로 예상됩니다.

연속 레이저 용접의 높은 효율성과 안정성은 인더스트리 4.0 원칙을 향한 제조 업계의 추진과 완벽하게 일치합니다. 이러한 레이저는 자동화된 생산 라인, 로봇 시스템 및 실시간 공정 모니터링과 잘 통합되어 생산성과 품질 관리를 향상시키는 스마트 제조 공정을 가능하게 합니다.

펄스 용접의 시장 점유율은 감소했지만, 특정 용도에 대한 관련성은 여전히 유지되고 있습니다. 파이버 레이저는 기존 펄스 용접과 경쟁하는 준연속 모드를 개발하여 제어 가능한 열 입력으로 높은 피크 출력을 제공합니다. 그러나 펄스 용접은 열에 민감한 재료, 미세 용접 애플리케이션 및 열 영향 구역(HAZ)에 대한 정밀한 제어가 필요한 시나리오에서 여전히 필수 불가결한 기술입니다.

저렴한 초기 비용, 사용자 친화적인 작동, 간소화된 유지보수 등의 장점을 갖춘 Nd3+:YAG 고체 레이저는 중소규모 작업장 및 작업장에서 여전히 실용적인 옵션으로 사용되고 있습니다. 이러한 요소와 특정 산업에서 확립된 입지가 결합되어 펄스 용접 기술의 지속적인 관련성을 보장합니다.

용접 기술이 발전함에 따라 빔 성형, 멀티 빔 솔루션, 다양한 레이저 유형의 강점을 결합하여 복잡한 제조 문제를 해결하는 하이브리드 용접 기술에서 더 많은 혁신이 이루어질 것으로 예상됩니다.

6. 결론

펄스 레이저 용접과 연속 레이저 용접 중에서 최적의 용접 방법을 선택하려면 초기 투자, 운영 비용, 공정별 요구 사항, 생산 효율성 및 재료 고려 사항 등 여러 요소를 종합적으로 평가해야 합니다.

펄스 레이저 용접은 전반적인 에너지 효율은 낮지만 높은 단일 펄스 에너지를 통해 열 입력을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 열에 민감한 재료, 얇은 섹션 및 열 영향 영역을 최소화해야 하는 애플리케이션에 특히 적합합니다. 그러나 특수 장비와 잠재적으로 느린 생산 속도로 인해 운영 비용이 높아질 수 있습니다.

반면 연속 레이저 용접은 에너지 효율이 뛰어나고 생산 속도가 빨라 대량 제조 시 단위당 비용을 낮출 수 있습니다. 일관된 열 입력으로 더 깊은 침투가 가능하며 두꺼운 소재에 이상적입니다. 연속 레이저 시스템의 초기 투자 비용은 더 높을 수 있지만, 에너지 활용도가 향상되고 처리 시간이 빨라지기 때문에 장기적인 운영 비용은 일반적으로 더 낮습니다.

이러한 방법 중 선택은 궁극적으로 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라집니다:

1. 펄스 용접은 열 제어가 중요한 마이크로 일렉트로닉스, 의료 기기 제조 및 정밀 자동차 부품에 탁월한 성능을 발휘합니다.
2. 연속 용접은 속도와 깊은 침투가 가장 중요한 자동차 차체 제조, 파이프라인 제작 및 대규모 판금 생산에서 선호됩니다.

두 가지 방법을 결합한 새로운 하이브리드 시스템은 이제 제조업체가 더 넓은 범위의 애플리케이션에 맞게 공정을 최적화할 수 있도록 유연성을 높여주고 있습니다. 레이저 기술이 계속 발전함에 따라 빔 품질, 전력 효율성 및 제어 시스템의 개선으로 이 두 가지 접근 방식 간의 경계가 더욱 모호해지고 있으며, 향후에는 더욱 다양한 용접 솔루션이 등장할 가능성이 있습니다.