광섬유 레이저 용접: 스테인리스강 가공 분야에서 효율적인 접합 기술의 새로운 벤치마크

스테인리스강 가공, 원자력 설비, 자동차 제조와 같은 산업 분야에서 용접은 부품의 기밀 성능과 구조 강도를 보장하는 핵심 공정이다. 기존 용접 기술은 불균일한 용입 깊이, 과도한 열 입력, 낮은 효율 등의 문제를 겪는다. 섬유 레이저 용접 깊은 용입, 고속, 고도의 자동화라는 장점을 갖춘 레이저 용접은 스테인리스강 용접을 위한 최선의 해결책으로 자리 잡았다. 레이저 용접의 핵심 장비인 파이버 레이저의 성능 및 파라미터 최적화는 용접 품질을 직접적으로 결정하며, 이로 인해 레이저 용접 기술은 21세기 가장 유망한 첨단 접합 기술 중 하나로 발전하고 있다.

광섬유 레이저 용접은 광섬유 레이저에서 방출되는 고에너지 레이저 빔을 이용하여 열전도 또는 심부 침투를 통해 금속을 접합하는 기술입니다. 아크 용접 및 마찰 용접과 같은 전통적인 공정에 비해 다음과 같은 뚜렷한 장점을 갖습니다: 전기-광 변환 효율이 높아 에너지 손실이 적음; 우수한 빔 품질로 집속 시 매우 높은 에너지 밀도를 제공하여 용접부의 깊이대폭비가 큰 특성을 가지며; 열 입력이 낮아 용접 변형을 줄이고 스테인리스강 기재의 성능을 보존함; 진공 환경이 필요 없음; 그리고 대량 생산에 적합한 높은 용접 속도.

광섬유 레이저 용접은 주로 열전도 용접과 심부 침투 용접의 두 가지 방식으로 구분된다. 열전도 용접은 낮은 출력 밀도(10⁴~10⁵W/cm² 미만)를 특징으로 하며, 침투 깊이가 얕고 용접 속도가 느려 얇은 스테인리스강 부품의 접합에 적합하다. 심부 침투 용접은 높은 출력 밀도(10⁵~10⁷W/cm² 초과)를 가지며, 금속 표면에 '키홀(keyhole)'이 형성되고, 이 키홀을 통해 열이 효율적으로 전달된다. 이 방식은 높은 용접 속도와 깊은 침투 깊이를 특징으로 하여 중·후판 스테인리스강 파이프 및 판재의 용접 요구 사항에 완벽하게 부합한다. 스테인리스강 가공 분야에서 광섬유 레이저 용접은 전통적인 용접 방식에서 발생하기 쉬운 미완전 용입, 불균일한 용접선 등의 결함을 효과적으로 방지하여 부품의 기밀성 및 구조적 안정성을 보장한다. 이는 원자력 설비 및 항공우주 등 용접 품질 요구 수준이 엄격한 분야에서 널리 활용되고 있다.

광섬유 레이저 용접 품질은 주로 초점 거리 및 디포커스량과 같은 파라미터를 정밀하게 조절하는 데 달려 있다. 초점 거리는 레이저 빔이 집광 렌즈를 통과한 후 렌즈에서 초점이 맺히는 지점까지의 거리를 말하며, 이는 직접적으로 광점 직경과 에너지 밀도에 영향을 미친다—광점 직경은 초점 거리에 비례한다. 과도하게 긴 초점 거리는 에너지를 분산시켜 효과적인 침투를 형성하지 못하게 하고, 반대로 과도하게 짧은 초점 거리는 에너지를 지나치게 집중시켜 기재를 태울 위험이 있다. 실제 용접에 앞서, 경사 스캔 용접과 같은 방법을 사용하여 초점을 보정해야 한다: 레이저 용접 헤드를 낮은 위치에서 높은 위치로 이동시키면, 용접부 중 가장 좁은 부분이 바로 초점 위치이며, 이곳에서 에너지 밀도가 최고조에 달해 최적의 용접 효과를 얻을 수 있다.

초점 거리의 편차 값으로서, 디포커스량은 용접 침투 깊이에 더 큰 영향을 미친다. 디포커스량은 실제 용접 시 초점 위치와 작업물 표면 사이의 편차 거리를 의미하며, 양의 디포커스(초점이 작업물 상부에 위치)와 음의 디포커스(초점이 작업물 하부에 위치)로 구분된다. 실험 결과에 따르면, 음의 디포커스 조건에서 더 큰 침투 깊이를 달성하기 쉬운 것으로 나타났다. 디포커스량이 -4mm~-2mm 범위일 때, 침투 깊이는 2mm를 초과하여 벽 두께가 2.5mm인 스테인리스강 파이프의 용접 요구사항을 충족할 수 있다. 반면, 양의 디포커스 거리가 클수록 침투 깊이는 얕아진다. 양의 디포커스량이 4mm에 이르면 침투 깊이는 단지 1.15mm에 불과하여, 용접 강도 요구사항을 충족하기 어려워진다. 예를 들어, 스테인리스강 파이프 용접 시 장비 매뉴얼에 명시된 이론적 초점 거리대로 작동하면, 실제 디포커스량이 과도하게 커져서 미완전 침투가 발생할 수 있다. 따라서 실제 캘리브레이션을 통해 초점 거리를 결정한 후, 이상적인 용접 효과를 달성하기 위해 음의 디포커스 파라미터를 최적화하는 것이 필요하다.

광섬유 레이저 용접은 다양한 산업 분야에서 성숙한 응용을 달성하였으며, 제품 품질 향상의 핵심 공정이 되었습니다. 스테인리스강 가공 분야에서는 파이프 및 판재의 밀봉 용접에 활용될 수 있으며, 용접부는 평탄하고 균일하게 관통되어 복잡한 작동 조건 하에서도 부품의 신뢰성을 보장합니다. 원자력 장비 분야에서는 정밀 부품의 용접 요구 사항에 대응하여, 광섬유 레이저 용접의 변형률 저감 및 고밀봉 특성이 엄격한 품질 기준을 충족합니다. 자동차 제조 및 철도 차량 제조 분야에서는 고효율성과 자동화라는 장점을 바탕으로 생산 효율을 크게 향상시키고 생산 비용을 절감할 수 있습니다.