파이버 레이저 용접에 대한 심층 연구
Coherent Labs의 엔지니어들은 유럽 싱크로트론 방사선 시설에서 믿을 수 없을 정도로 강력한 X선을 이용해 현재 진행 중인 ARM 레이저 용접의 고해상도 단면도를 최초로 얻었습니다.
2023년 5월 30일, 작성: Coherent
일반적인 흉부 X선에 사용되는 것보다 10조 배 더 밝은 X선은 어디에 사용될까요? Coherent Labs의 엔지니어들은 이러한 X선을 사용하여 레이저 용접 공정에 대해 이전에 알고 있었던 것보다 더 많은 것을 연구합니다.
파이버 레이저 용접에서 표면의 아래쪽
과거에는 파이버 레이저 용접이 전통적인 고속 비디오 기술을 사용하여 광범위하게 연구되었습니다. 이 비디오를 통해 용접 과정에서 생성된 용융 금속과 증기(“키홀”이라고 불림)의 역학관계를 연구할 수 있습니다. 일반적으로 카메라를 부품 위에 올려놓고 표면에서 일어나는 현상을 기록하기 위해 부품을 위에서 아래로 관찰합니다. 하지만 키홀 안에는 위에서 보는 것보다 훨씬 더 많은 일들이 벌어지고 있습니다.
그렇다면 실제로 내부를 어떻게 관찰할 수 있을까요? 과거에는 이러한 목적으로 X선 비디오가 사용되었습니다. 하지만 이 방법은 X선 소스가 강력하지 않았기 때문에 충분한 세부 정보를 제공하지 못했습니다.
일메나우 공과대학교의 Production Technology Group과 함부르크의 Coherent Applications Lab 간의 연구 협력으로 이전에 사용된 것보다 훨씬 더 강력한 X선 소스를 사용할 것을 구상했습니다. 이 아이디어는 바로 고체 금속을 바로 통과할 수 있을 만큼 강력한 X선을 이용하는 것이었습니다.
이렇게 하면 측면에서 용접 공정에 대한 고해상도 동영상을 볼 수 있습니다. 측면에서 관찰하면 훨씬 더 유용한 정보, 즉 용접 중 키홀의 정확한 모양과 진화가 나타납니다.
ARM 파이버 레이저 용접을 더욱 향상시킴
이 연구 그룹은 이러한 접근 방식을 사용하여 Coherent Adjustable Ring Mode 파이버 레이저(FL-ARM)가 정확하게 작동하는 방식을 조사하고자 했습니다. 우리는 FL-ARM을 통해 고강도 강철의 균열 없는 용접, 필러 와이어가 필요 없는 알루미늄 용접, 구리 용접 성공 등 놀라운 결과를 얻을 수 있다는 것을 이미 알고 있습니다. 그리고 이러한 결과는 용접 공정에서 부품의 발열과 냉각을 세심하게 제어할 수 있는 ARM 레이저의 기능에서 비롯된다는 것을 알고 있습니다. 하지만 이 모든 것이 어떻게 일어나는지에 대한 모든 미묘한 차이를 항상 이해하지는 못합니다.
이 팀은 특히 e-모빌리티의 다양한 결합 작업에서 파이버 레이저를 위한 가장 중요하고 도전적인 새로운 응용 분야를 목표로 삼기로 했습니다. 특히 구리, 알루미늄 및 기타 전통적으로 “어려운” 재료를 종종 매우 얇고 열에 민감한 시트로 용접하는 방법을 사용하였습니다. 이들은 또한 소위 “프로필 용접”을 연구하는 데 관심이 있었는데, 이것은 튜브를 만드는 데 일반적으로 사용되는 방법입니다.
이 연구는 공정과 키홀 역학을 시각화하고 구리 용접 시 다양한 ARM 레이저 출력 분포가 스패터 형성에 미치는 영향을 관찰함으로써 이러한 모든 공정이 어떻게 작동하는지에 대해 더 큰 통찰력을 얻고자 수행되었습니다. 물론 목표는 결과를 개선하고 보다 신뢰할 수 있는 생산 방법을 개발하는 것입니다.
유럽 싱크로트론 방사선 시설
이 팀이 원하는 종류의 영상을 구현할 수 있을 정도로 강력한 X선을 생성할 수 있는 시설은 전 세계에 몇 개 밖에 되지 않습니다. 프랑스 그르노블에 있는 유럽 싱크로트론 방사선 시설 극채광원(European Synchrotron Radiation Facility Extremely Brilliant Source, ESRF-EBS)이 그중 하나의 탁월한 장소입니다. 이 장비는 건강, 청정 에너지, 재료 과학, 예술, 인류학과 같은 다양한 분야의 연구원들에게 서비스를 제공하기 위해 특별히 제작되었습니다. 심지어 벌집과 1억 1천9백만 년 된 물고기 화석을 연구하는 데에도 사용되었습니다.
싱크로트론 자체는 내부에 매우 높은 진공이 있는 844m 둘레의 튜브입니다. 전자가 그 안에서 돌고 빛의 속도에 가깝게 가속됩니다. 고리 주변의 자석을 이용해 전자의 이동 방향을 빠르게 전환시킵니다. 이렇게 하면 전자가 매우 높은 에너지의 X선을 방출합니다.
이러한 X선은 다시 44개의 서로 다른 ‘빔라인’ 중 하나 이상으로 향하게 됩니다. 빔라인에는 실제 연구를 수행하는 데 사용되는 실험실과 관련 계측기가 있습니다.
해당 시설 밖에서 실험하기
Coherent Labs 팀은 8kW HighLight 시리즈 FL-ARM 파이버 레이저를 포함하는 용접 설정을 조립했습니다. 일메나우 공과대학교의 Production Technology Group 연구 그룹은 용접 중에 부품을 자동으로 고정하고 이동하는 메커니즘과 초점 광학 장치, 보조 가스 전달 시스템을 구축했습니다.
이 모든 장비는 ESRF로 옮겨져 빔라인 중 하나에 있는 “실험실”(75mm 두께의 단단한 리드 차폐 내에 완전히 둘러싸인 방)에 설치되었습니다. 연구원들이 다른 방의 어느 정도 떨어진 곳에 안전하게 앉아 있는 동안 컴퓨터 제어를 통해 용접이 수행되었으며, 이 설정은 X선에 노출되었습니다. X선을 가시광선으로 변환하는 카메라 시스템이 초당 최대 50,000 프레임의 속도로 그 작동을 기록했습니다. 14명으로 구성된 이 팀은 7일 연속 4교대로 작업을 진행하면서 스텐레스 강철, 구리, 알루미늄 등 다양한 금속에 대해 수백 번의 개별 용접 테스트를 수행했습니다.
여기에서 우리는 무엇을 배웠을까요? 14TB의 데이터를 분석해야 하므로 여기에 정확히 답하려면 시간이 좀 걸릴 것입니다. 하지만 구리 모선 용접 테스트에서 적절한 전력 분배(중앙 및 링 빔에서 거의 동일한 전력)를 통해 키홀이 안정화되고 키홀의 하부에 아무런 제약이 없다는 사실을 비디오를 통해 분명히 알 수 있었습니다. 반대로 중심점 전력이 너무 높으면 모세관이 기저부에서 수축됩니다. 이로 인해 스패터링과 모공 형성이 발생합니다. 링 출력이 너무 높으면 액체 용융물이 키홀로 유출되어 갑자기 증발하고 재료가 분출됩니다.
또한 실드 가스가 모세관 형성에 미치는 영향도 조사했습니다. 이러한 결과는 프로필 용접에 대한 통찰력을 제공합니다.
데이터를 추가로 분석하면 중앙 빔과 링 빔 사이의 전력 비율이 다양한 용접 공정의 결과에 어떤 영향을 미치는지 더 잘 이해할 수 있습니다. 이러한 지식을 바탕으로 Coherent Labs는 보다 강력하고 일관성 있는 용접 공정 레시피를 개발하여 고객에게 신속하고 더 나은 결과를 제공할 수 있습니다.
