레이저를 이용한 구리 용접: 고휘도 파이버 레이저 솔루션

소비자 가전 및 자동차 산업은 산업 공정 및 제품 제조에서 구리의 활용도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

용량이 향상된 새로운 배터리 기술이 개발됨에 따라 호환 가능한 연결 기술에 대한 필요성도 커지고 있습니다.

소프트 솔더링은 여전히 저전력 소비자 가전 애플리케이션의 주요 기술이지만, 높은 전송 전류 또는 높은 부하와 접합부에 대한 동적 응력이 존재하는 상황에서는 반드시 사용해야 합니다.

이러한 추세는 특히 전력 저장 및 라인 전송과 같은 대량 생산 작업을 위해 견고하고 효율적인 프로세스를 추구하는 전기 자동차 업계와 공급업체의 영향을 많이 받습니다.

과거에는 구리 및 구리 합금의 물리적 특성으로 인해 용접에 레이저 기술을 사용하는 데 한계가 있었습니다.

하지만 고출력, 고휘도 파이버 레이저의 등장으로 이러한 한계가 극복되었습니다.

새롭고 적절한 가공 기술의 개발로 효율적이고 결함 없는 조인트를 생산할 수 있습니다. 용접 프로세스.

근적외선 레이저, 구리 용접의 도전 과제

의 어려움 레이저 용접 구리는 대부분의 고출력 산업용 레이저에 대한 낮은 흡수율과 공정 중 높은 열전도율이라는 두 가지 물리적 특성에서 비롯됩니다.

구리의 흡수는 파장이 감소함에 따라 증가하므로 파장이 532nm인 녹색 레이저와 같은 가시 대역 레이저는 다음과 같은 용도에 적합합니다. 구리 용접. 그러나 이러한 레이저는 사용할 수 없거나 대부분의 경우 필요한 출력 범위에 대해 철저히 테스트되지 않았습니다. 용접 애플리케이션.

그림 1: 고속 빔 스윙 공정을 통한 결함 없는 구리 용접

적외선 레이저는 고체 재료로 작업할 때 흡수 문제에 직면합니다.

딥 관통 용접물질이 녹거나 증발하면 흡수율이 크게 증가합니다.

고체 구리의 흡수율은 4% 미만이지만 구리 증기(키홀 심관통 용접 시 발생)의 흡수율은 60% 이상입니다(아래 표 참조).

이 흡수 문제는 구리의 용융과 증발을 가속화하여 흡수를 촉진하는 매우 높은 전력 밀도를 활용함으로써 해결할 수 있습니다.

표: 구리의 근적외선 흡수율 레이저 방사 다른 주에 있습니다.

고속 비디오 분석은 1밀리초 이내에 안정적인 프로세스를 구축할 수 있음을 보여줍니다.

연속파(CW) 용접의 경우, 용접 공정을 시작할 때 이 문제를 극복해야 합니다. 키홀 용접 공정이 확립되면 일관되게 높은 흡수율을 제공합니다. 펄스 작동에서는 각 펄스를 시작할 때 이 장애물을 극복해야 합니다.

단일 모드 파이버 레이저를 사용하면 용접에 필요한 높은 출력 밀도를 달성할 수 있습니다. 이 레이저 유형 는 다른 고체 레이저에 비해 빔 품질과 포커싱 성능이 뛰어납니다.

IPG는 견고하고 산업적으로 검증된 설계로 최대 10kW의 고출력 단일 모드 레이저와 10kW를 초과하는 고휘도 멀티 모드 레이저를 제공합니다.

이러한 단일 모드 파이버 레이저와 저차 모드 고휘도 레이저를 사용하면 108W/cm²보다 높은 강도에 도달할 수 있습니다. 수백 와트의 전력 수준에서도 안정적인 커플링을 달성할 수 있습니다.

동일한 출력의 일반 멀티 모드 레이저와 비교했을 때, 이 레이저의 강도는 최대 50배 더 높습니다.

IPG는 컴팩트한 19인치 프레임에 100W~1000W 출력 범위의 단일 모드 파이버 레이저 YLR 시리즈를 제공합니다. 또한 최대 10kW의 출력을 제공하는 YLS 시리즈 파이버 레이저도 제공합니다(그림 2).

두 시리즈의 전체 효율은 40%입니다.

그림 2: 고출력 단일 모드 파이버 레이저: 공랭식 랙 타입 YLR-1000-SM(왼쪽) 및 3KW 시스템 타입 YLS-3000-SM(오른쪽).

구리 용접 공정의 또 다른 문제는 낮은 용접 속도에서 발생하는 불안정성입니다.

일반적으로 분당 5m 미만의 용접 속도는 스패터, 다공성, 불규칙한 용접 표면과 같은 불안정한 문제에 직면합니다.

그러나 용접 속도가 증가함에 따라 이러한 불안정성은 점차 사라집니다.

분당 5-15미터의 용접 속도에서는 품질이 허용 가능한 수준에 도달합니다.

용접 속도가 분당 15미터를 초과하면 용접 결과물에 결함이 거의 없습니다(그림 3).

이는 최적의 용접 파라미터가 로봇과 같은 기존 모션 시스템의 기능에 속한다는 것을 의미합니다.

그림 3: 처리 속도가 다음 사항에 미치는 영향 용접 품질 및 용접 깊이.

새로운 연구에 따르면 용접 속도를 높일 뿐만 아니라 빔 가이드 렌즈의 위치를 동적으로 변경함으로써 공정 안정성을 달성할 수 있습니다.

이 스윙 기술을 사용하면 상대적으로 낮은 용접 속도에서도 안정적인 납땜 접합부를 형성할 수 있으며 용접 깊이를 크게 줄일 수 있습니다.

이 기술을 통해 1KW 출력의 단일 모드 파이버 레이저만으로 최대 1.5mm 깊이의 고품질 구리 용접을 달성할 수 있습니다.

동일한 기술을 고휘도 멀티 모드 레이저에도 적용할 수 있습니다.

테스트에는 빔 품질이 2mm mrad인 6kW 파이버 레이저가 사용되었으며, 그 결과 높은고품질 용접 용접 깊이 5mm를 달성할 수 있습니다.

그림 4: FLW-D30 및 FLW-D50 시리즈 스윙 용접 조인트 IPG에서 출시

동적 빔 제어는 기존 검류계 또는 검증된 용접 조인트와 검류계의 장점을 결합한 새로운 진동 헤드의 사용을 통해 달성할 수 있습니다.

이러한 검류계는 원, 선 또는 '8자 모양'과 같이 사전 프로그래밍된 모양은 물론 특정 크기 내에서 자유롭게 프로그래밍할 수 있는 모양을 쉽게 통합할 수 있습니다.

주요 장점 중 하나는 f-테타 필드 미러 대신 표준 초점 렌즈를 사용할 수 있고, 더 낮은 포커스 오프셋 레벨에서 더 높은 전력 밀도를 처리할 수 있다는 것입니다.

또한 기존의 가로형 에어 커튼과 보호 창을 사용하면 소모품 비용이 절감됩니다.

FLW-D50 및 FLW-D30 스윙 시리즈 용접 조인트 IPG에서 출시한 제품은 최대 1kHz의 스윙 주파수에서 작동할 수 있으며 다양한 처리 시스템에 원활하게 통합할 수 있습니다(그림 4). 이러한 용접 조인트는 다음을 처리할 수 있습니다. 레이저 파워 최대 12kW.

E실험 결과

용접 방향이 바뀌는 복잡한 경로를 용접할 때는 원을 그리며 스윙하는 동작이 최상의 결과를 만들어냅니다.

최종 빔 속도는 스윙 주파수와 스윙 직경(VC = πD f)을 통해 정밀하게 제어할 수 있습니다.

대부분의 경우 빔 속도가 용접 속도(VW)보다 훨씬 빠르기 때문에 원형 빔 속도(VC)의 동적 위치 지정에 대한 용접 속도 벡터(VW)의 영향은 미미합니다.

그림 5: 스윙 진폭이 용접 폭 및 품질에 미치는 영향

이상적인 주파수 설정은 스폿 크기, 스윙 직경(및 그에 따른 원형 빔 속도, VC), 선형 용접 속도에 따라 달라집니다.

그림 5는 일정한 레이저 출력, 주파수 및 용접 속도에서 다양한 스윙 직경이 적용된 용접 표면을 보여줍니다.

스폿 크기는 초점 거리 300mm에서 약 30μm입니다. 레이저 출력은 1kW로 일정하게 유지되고 선형 용접 속도는 분당 1미터로 설정됩니다.

스윙 모션이 없으면 이러한 매개변수는 과열된 용융물 풀과 모공과 같은 불안정한 프로세스를 초래할 수 있습니다.

스윙 직경이 커지고 원형 빔 속도가 향상됨에 따라 표면 품질이 점점 더 안정됩니다.

스윙 파라미터와 스팟 크기에 따라 빔과 키홀은 금속 욕조 또는 고체 및 재고체 재료에서 움직일 수 있으며, 두 경우 모두에서 프로세스가 안정적으로 작동할 수 있습니다.

용접의 단면은 이 기술의 또 다른 장점인 스윙 직경을 사용하여 용접 단면을 형성할 수 있다는 점을 보여줍니다.

스윙 직경이 작으면 레이저 용접의 단면이 일반적인 V자 모양을 형성하는 반면, 직경이 크면 용접부가 V자 모양에서 U자 모양 또는 일반 직사각형으로 변형될 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 스윙 진폭이 다음 사항에 미치는 영향 용접 단면

용접의 단위 길이당 에너지 입력이 일정하게 유지되면(E = P vw) 용접 단면적은 거의 변하지 않습니다. 이 기술을 통해 다양한 애플리케이션의 특정 단면적 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

전기 접점을 위한 오버랩 용접의 경우, 접촉 면적을 늘리고 용접 깊이와 열 입력을 적절히 제어하여 저항을 줄일 수 있습니다.

언제 이종 재료 용접구리 및 알루미늄과 같은 금속의 경우 용접 깊이를 조절하여 재료의 용융 비율을 조절할 수 있습니다. 하부 금속판을 얕게 용융함으로써 용융 재료의 양을 최소화하고 희석 비율을 조절하여 금속 간 화합물의 형성을 줄일 수 있습니다.

펄스, 연속 또는 둘 다?

최근에는 펄스 지속 시간이 수 밀리초인 롱 펄스 파이버 레이저가 시장에 출시되어 다양한 응용 분야에서 기존의 플래시 램프 펌핑 Nd: YAG 레이저를 대체하고 있습니다. 이러한 레이저에는 평균 전력 250W, 최대 2.5kW의 피크 전력을 가진 단일 모드 레이저가 포함됩니다.

앞서, 펄스 문제 구리 용접 에 대해 논의했습니다. 펄스가 시작될 때 약한 흡수와 이후 흡수율과 열전도의 급격한 변화로 인한 에너지 입력 제어의 어려움 문제를 해결하는 것이 중요합니다.

단일 모드 레이저를 사용하여 스폿 크기를 줄이면 흡수 문제를 우회할 수 있지만, 동시에 집중된 에너지 입력으로 인해 솔더 조인트가 작고 약해지며 용융물이 과열될 수 있습니다.

이 문제에 대한 해결책은 간단하며 연속 레이저에 사용되는 공정과 유사합니다. 동일한 스윙 기술을 준연속(QCW) 레이저에도 적용할 수 있습니다.

고주파 빔 이동으로 인해 레이저 빔이 비교적 짧은 펄스 시간에 비교적 긴 거리를 이동하여 준(準) 레이저를 효과적으로 실현합니다.연속 용접 한 펄스 동안. 예를 들어 600Hz 스윙 주파수에서 20ms 길이의 펄스는 원형 납땜 접합 또는 12개의 회전 빔으로 구성된 짧은 와이어 용접을 생성할 수 있습니다.

선형 용접에 펄스를 하나씩 추가함으로써 낮은 평균 전력과 그에 따른 낮은 투자 비용으로 고품질 구리 용접을 달성할 수 있습니다. 펄스 사이의 응고 및 재용융은 다음과 같은 결과를 초래하지 않습니다. 용접 결함 모공, 강한 스패터 또는 고르지 않은 침투 깊이와 같은 문제입니다.

스윙 직경에 따라 용접의 크기와 깊이가 결정되며, 열 입력이 훨씬 낮아 펄스 파이버 레이저로 주요 전기 부품을 쉽게 용접할 수 있습니다.

요약

실험 결과 고휘도 파이버 레이저는 구리 용접 응용 분야에서 알려진 모든 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 레이저의 높은 출력 밀도는 순간적으로 키홀을 형성할 수 있으며 1070nm 파장에서도 안정성과 높은 흡수율을 보장합니다.

동적 빔 스윙을 통해 용접 공정이 매우 안정적이며 다공성 및 스패터를 줄이거나 제거하여 고품질 용접을 생성합니다. 또한 빔 스윙 파라미터를 조정하여 용접 형상을 제어할 수 있으므로 심용입 용접 공정에서 얕은 용접을 구현할 수 있습니다.

긴 펄스 준연속 파이버 레이저를 사용합니다, 스폿 용접 빔의 고속 동적 움직임을 통해 한 번의 펄스로 용접을 완료할 수 있습니다. 펄스 수를 점차적으로 증가시키면 낮은 평균 전력으로 고품질 용접을 달성할 수 있습니다.