고급 파이버 레이저를 통한 자동차 제조업체의 운전석 제작

카시트에 대해 생각할 때 우리의 관심사는 일반적으로 편안함과 색상 선택 또는 내장형 난방이나 마사지와 같은 옵션에 관한 것입니다. 그러나 차량 좌석을 설계하고 제작하는 엔지니어에게는 더 많은 고려 사항이 있습니다.

무엇보다도 중요한 것은 안전입니다. 운전자와 승객은 말 그대로 좌석에 묶여 있습니다. 충돌 시 시트 구조의 기계적 강도는 차량 탑승자를 보호하고 부상을 방지하는 첫 번째 방어선입니다.

그러나 그 이면에는 무게가 있습니다. 구조를 더 강하게 만드는 것은 일반적으로 더 무겁게 만드는 것을 의미하기 때문입니다. 또한 자동차 제조업체는 차량 중량을 줄여야 하는 엄청난 압박을 받고 있습니다. 이는 연료 효율성을 개선하고 휘발유 자동차의 배기 가스를 줄이며 전기 자동차의 범위를 늘립니다. 이를 수행하는 것은 자동차 산업에서 매우 중요한 일이므로 “경량화”라는 특정 용어도 있습니다.

고강도 강철로 부담을 덜어보세요

강하면서도 가벼운 카시트는 어떻게 만들까요? 핵심은 강철, 티타늄 및 마그네슘 합금과 같이 본질적으로 더 강한 재료를 사용하여 기계적 강도를 포기하지 않고도 개별 구성 요소를 더 얇고 가볍게 만드는 것입니다. 그리고 시트의 강도나 강성에 크게 기여하지 않는 부품에 플라스틱, 합성물 또는 기타 가벼운 재료를 사용합니다.

카시트 디자인의 최근 발전 중 하나는 고강도 저합금강(HSLA)과 첨단 고강도강(AHSS)을 사용하는 것입니다. 이 재료는 다른 강철보다 훨씬 더 높은 강도 대 중량 비율을 가지므로 경량화 목표를 달성하는 데 정말 유용합니다. 자동차 제조업체는 이미 프레임에 이를 사용하고 있으며 이제는 시트에도 적용되고 있습니다.

고강도강 용접의 과제

현대의 카시트는 상당히 복잡한 구조로 조립된 많은 개별 부품으로 구성됩니다. 금속 및 기타 재료는 때때로 다층 합성물로 결합됩니다.

원격 레이저 용접은 레이저 가공 헤드가 부품에서 상당히 멀리 떨어져 있는 경우 여러 가지 이유로 이러한 부품을 제조하는 데 매우 유용한 도구임이 입증되었습니다. 첫째, 복잡한 3차원 형상의 시트 부품을 쉽게 가공할 수 있습니다. 특히 멀티 kW 파이버 레이저   또는 고체 레이저를 사용하여 구현하는 경우, 여러 층의 두꺼운 금속을 결합하는 데 필요한 침투 깊이로 균일하고 일관된 용접을 제공합니다. 또한 빠르고 유연한 방법입니다.

그러나 기존의 파이버 레이저를 사용하여 고강도 강철을 용접하는 데에는 문제가 있습니다. 그 중 하나가 스패터입니다. 스패터는 다공성과 결함이 더 높은 용접을 생성하므로 기계적 강도가 낮습니다. 스패터는 용접 속도가 증가함에 따라 악화되어 생산 처리량을 제한합니다.

또 다른 문제는 일관성 없는 침투 깊이입니다. 그 결과 전체 라인을 따라 동일한 기계적 강도를 갖지 않는 용접이 생성됩니다.

재료 균열은 전통적인 파이버 레이저의 문제이기도 하며, 다시 기계적 강도를 감소시킵니다. 재료가 너무 빨리 냉각되면 균열이 발생합니다. 일반적으로 레이저 전원이 갑자기 꺼진 용접 이음부 끝에서 발생합니다.

고강도강의 급속 냉각에 대한 또 다른 문제는 때때로 마르텐사이트라는 결정 형태를 생성한다는 것입니다. 마르텐사이트는 강하지만 가장 부서지기 쉬운 강철 형태이기도 합니다. 즉, 사용 중 너무 많은 응력을 받으면 균열이 생길 수 있습니다.

ARM 파이버 레이저는 고강도강 용접의 압력에서 균열되지 않습니다.

이러한 모든 어려움을 피하는 핵심은 더 넓은 영역에 레이저 에너지를 분산시키고 해당 영역 내의 레이저 에너지 분포를 보다 정밀하게 제어하는 것입니다. 이를 통해 재료의 온도 변화와 냉각 속도를 보다 세심하게 관리할 수 있습니다. 올바르게 수행하면 스패터, 균열 및 마르텐사이트 형성이 제거됩니다.

Coherent가 개발한 가변 링 모드(ARM) 파이버 레이저 기술은 용접 중 재료 가열 및 냉각에 대한 이러한 종류의 정밀한 제어를 제공합니다. ARM 레이저는 이중 빔 출력을 사용합니다. 레이저 광의 두 번째 동심원 고리로 둘러싸인 중앙 지점입니다. 각 빔의 전력은 독립적으로 설정되고 변조될 수 있으며 이를 통해 원하는 제어가 가능합니다. ARM 레이저는 이미 배터리 용접 및 구리 용접과 같이 이러한 종류의 정교함을 필요로 하는 다른 까다로운 자동차 접합 응용 분야에서 사용되고 있습니다.

최근 자동차 시트의 대형 제조업체는 Coherent 연구소에 고강도 강재에 대한 일련의 용접 테스트를 수행하도록 요청하였습니다. 특히, 여기에는 Coherent HighLight FL8000-ARM 파이버 레이저를 사용하여 다양한 두께의 HSLA 플레이트를 랩 용접하는 작업이 포함되었습니다. 중앙 빔과 링 빔의 전력을 독립적으로 낮추는 특수 용접 절단 방법이 사용되었습니다.

이 테스트에서는 가장 얇은 재료 조합의 경우(총 두께 2mm) 최대 8.8m/min, 가장 두꺼운 재료의 경우 6.3m/min(총 두께 5.7mm)의 공정 속도에서 스패터와 균열이 없는 용접을 성공적으로 시연했습니다. 이러한 속도는 기존 파이버 레이저로 달성할 수 있는 속도보다 훨씬 높습니다. 모든 경우에 용접 침투는 폐쇄 루프 전력 제어와 Coherent FL-ARM 레이저의 고유한 역반사 둔감성 덕분에 매우 균일했습니다.

이러한 테스트 결과는 Coherent HighLight FL-ARM이 고강도강에서 고품질의 낮은 결함 용접을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 높은 처리량과 이 파이버 레이저 기술의 내재된 신뢰성은 자동차 시트 제작 응용 분야를 위한 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 가장 진보된 디자인을 구현할 때 자동차 제조업체들이 주도권을 잡게 되고, 소비자들은 편안함과 안전함을 느낄 수 있습니다.

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