경량, 내부식성, 생체 적합성, 전기적 및 열적 절연, 저비용 등 폴리머의 고유한 속성 덕분에 의료장비, 자동차, 소비자 가전 등에서 폴리머 사용이 더욱더 증가하고 있습니다. 폴리머 구성품 조립 시에는 부품을 함께 용접해야 하는 경우가 많습니다. 까다로운 응용 분야에서의 용접 공정은 부품 왜곡이 없어야 하고 높은 기계적 정밀도, 미립자 파편 생성 최소화 및 우수한 결합 강도를 달성해야 합니다.
레이저 용접은 이러한 모든 요구 사항을 충족합니다. 특히 레이저 용접의 한 유형인 준동시(QS) 레이저 투과 용접(TTLW)은 부품 왜곡을 완전히 방지해야 하는 응용 분야 또는 복잡한 용접 이음매 기하 구조를 다뤄야 하는 응용 분야에서 최상의 결과를 제공합니다.
그러나 일관된 고품질의 QS 용접 공정을 생산에 적용하려면 몇 가지 단계가 요구됩니다. 첫째, 주로 폐쇄 루프 형체력 제어 및 열화상을 포함한 면밀한 공정 모니터링입니다. 둘째, 공정에 적합한 부품 설계입니다.
붕괴 제어
정밀 응용 분야에서 널리 사용되는 QS 용접 형태가 “붕괴 리브(Collapse Rib)” 방법입니다. 이 기법을 통해 우수한 코스메틱을 갖춘 강력한 용접을 달성하는 동시에 플래시를 다듬거나 제거하기 위한 후가공의 필요성을 피할 수 있습니다. 또한 이 방법은 부품이 완벽하게 평평하지 않거나 엄격한 허용 오차가 없는 경우에도 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
붕괴 리브 공정에서, 한 부품은 돌출된 얇은 능선이 있으며 다른 부품의 상응하는 (약간 더 넓은) 홈에 맞물립니다. 이러한 두 부품을 용접하기 위해 능선이 있는 부품은 홀더에 배치되고 홈이 있는 부품은 그 위에 놓입니다. 레이저가 리브를 가열하여 리브를 부분적으로 녹이는 동안 클램프는 두 부품을 능동적으로 가압합니다. 그러면 용융된 물질이 흐르고 두 부품 사이의 틈을 채웁니다. 재응고된 물질은 용접 결합을 생성합니다.
생산에서 이 프로세스의 성공적 이행을 위한 한 가지 핵심 요소는 “붕괴 제어”입니다. 이는 상단 부분이 용접 중에 얼마나 아래로 이동하는지(“붕괴 높이”)를 적극적으로 모니터링하고 제어한다는 것을 의미합니다.
Coherent는 우수한 결과를 일관되게 제공하는 고유한 형태의 붕괴 제어를 자체 개발했습니다. 이를 구현하기 위해 Coherent의 ExactWeld 230 P 및 ExactWeld IP 폴리머 용접 도구는 힘 감지 변환기를 모두 통합합니다. 이러한 도구는 클램프가 상단 부품에 가하는 압력을 지속적으로 측정합니다. 또한 붕괴 높이(상단 부품이 이동한 거리)도 측정됩니다. 이러한 신호는 클램핑을 구동하는 서보 모터를 제어하기 위한 피드백으로 사용됩니다.
기타 다른 제조업체에서는 이 방법을 사용하지 않습니다. 일부 제조업체의 경우 서보 모터 전류를 피드백 신호로 사용하지만 동일한 측정 정확도와 동적 제어 수준을 제공하지 않습니다. 형체력이 아닌 붕괴 높이만 측정하는 제조업체도 있습니다. 그리고 클램핑을 위해 공압식 액추에이터를 사용하는 제조업체도 있는데, 이 방법의 경우 힘을 측정했다 하더라도 클램핑을 정확하게 제어하는 데 필요한 정밀도 또는 대응 속도를 제공할 수 없습니다.
실제 형체력을 측정하면 Coherent 용접기가 필요에 따라 형체력을 제어하여 용접 중인 부품의 정확한 조건에 대응할 수 있습니다. 부품 간 치수 변화, 물질 흡수 특성의 변화, 주변 환경의 변동 등을 비롯한 여러 가지 사항을 보정할 수 있습니다. 이것이 일관된 결과를 위한 핵심입니다. 또한 필요한 경우 형체력을 의도적으로 변화시킬 수 있기 때문에 유연성도 제공합니다. 예를 들어 부품 응력을 제어하기 위해 때로는 냉각 단계 중에 더 적은 압력을 가하는 것이 좋습니다.
부품 간 변형이 있는 경우에도 일관된 용접을 달성하기 위해서는 공정 중에 부품이 "붕괴된" 양과 실제 형체력을 모두 모니터링하는 것이 핵심입니다.
이를 통해 기계, 환경 또는 부품 자체의 변화로 인한 공정 변동을 제거할 수 있으므로, 그 결과 수율, 품질 및 일관성이 전반적으로 향상됩니다. 또 다른 이점은 용접 시스템을 한 위치에서 구성한 다음 다른 위치로 옮겨도 여전히 동일하게 수행할 수 있다는 것입니다. 게다가, 기계 간 변동을 보정합니다. 따라서 한 시스템에 공정을 구성한 후 일관된 결과를 제공하는 다른 시스템으로 전송할 수 있으며 공정을 확장할 수 있습니다.
열화상 이용
성공적인 폴리머 용접을 위한 또 다른 중요한 도구는 적외선 카메라 시스템을 사용한 열화상입니다. 용접이 완료된 후, 열 비전 검사를 통해 전체 용접 이음매를 이미지화합니다. 경로를 따라 이미지가 끊긴 부분은 용접 이음매의 틈을 나타내고 선 두께의 변화는 용접부의 약한 부분을 나타냅니다.
이를 통해 제조업체는 불량 부품을 즉시 식별하고 불합격으로 처리할 수 있습니다. 따라서 불량 부품에 가치가 부여되는 문제를 방지할 수 있기 때문에 제조업체는 비용을 절감할 수 있게 됩니다. 물론, 불량 부품이 고객에게 배송되는 일도 방지할 수 있습니다.
제조를 위한 설계
성공적인 폴리머 용접의 또 다른 부분은 생산 전에, 즉 제품 개발 중에 이루어집니다. 부품 설계 시, 용접하는 동안 클램프가 필요한 하향력을 결합하고 전달할 수 있도록 올바른 위치에 충분한 공간을 정하는 것이 중요합니다. 또한 어느 지점에서든 용접 경로에 도달하는 레이저 빔을 클램프가 차단하지 않도록 용접 툴링을 구성해야 합니다.
능선 및 홈의 치수와 모양의 경우 용접 공정에 충분한 양의 용융된 물질이 제공되도록 설계해야 합니다. 또한 생산되는 용융된 물질을 담기에 충분한 공간이 있어야 합니다. 아울러, 부품 설계 시 충분한 붕괴 높이를 허용해야 합니다. 그 목적은 우수한 코스메틱을 갖춘 강력한 용접을 달성하는 동시에 플래시를 다듬거나 제거하기 위한 후가공의 필요성을 없애는 데 있습니다.
폴리머 용접과 관련해 광범위한 경험을 가지고 있는 Coherent Labs의 애플리케이션 엔지니어가 부품 및 용접 툴링의 설계 지침을 제공할 수 있습니다. Coherent는 또한 공정 레시피 개발을 지원할 수 있습니다. 레이저 용접을 위해 탐색해야 하는 상당히 큰 “매개변수 공간”이 있는 경우가 많기 때문에 이러한 지원은 매우 중요합니다. 사전 경험을 바탕으로 Coherent의 애플리케이션 개발 직원이 최적의 접근 방식을 신속하게 찾아낼 수 있습니다.
마지막으로, Coherent는 장비 설치, 공정 실행 및 직원 교육을 지원할 수 있습니다. Coherent에서 제공하는 이와 같은 전문성, 장비 및 지원의 조합을 활용하면 생산에서 레이저 폴리머 용접의 모든 이점을 실현할 수 있는 최상의 방법을 얻을 수 있습니다.
