투과형 레이저 용접
핵심 요약
- 한 부품은 빔을 투과시키고 다른 부품은 흡수합니다. 빔이 상부 부품을 통과하여 계면에서 에너지를 방출합니다.
- 열이 필요한 곳에서만 발생하므로 공정에서 진동이나 미립자가 발생하지 않습니다.
- 흡수가 충분하다면 용접 품질은 조립 정합성이 결정하며, 틈새는 출력을 높여도 메울 수 없습니다.
- 카본 블랙은 전통적인 흡수제이며, 그래서 레이저 용접 조립품 중 어두운 색이 많습니다.
투과형 레이저 용접
투과형 레이저 용접은 근적외선 빔이 투과성 상부 부품을 통과하여 하부 부품의 표면에서 흡수되는 접합 공정으로, 접합 계면에서 정확히 열이 발생하여 클램핑 압력 아래에서 두 면이 녹아 융합됩니다. 열가소성 플라스틱에 가장 널리 쓰이는 레이저 용접 구성이며, 표면 가열로 손상될 수 있는 소재에도 이 기술을 적용할 수 있게 해 주는 이유입니다.
이 구성의 가치는 에너지가 조립품의 외부가 아니라 내부에 전달된다는 점입니다. 눈에 보이는 표면은 거의 가열되지 않아 외관면이 그대로 유지되며, 조립품에 기계적 에너지도 전혀 가해지지 않습니다. 따라서 초음파나 진동 용접이 손상시킬 수 있는 전자 부품, 센서, 유체 경로를 담은 하우징에 적합합니다.
접합부 양쪽이 해야 할 일
| 투과 부품 | 흡수 부품 | |
|---|---|---|
| 광학 요구 사항 | 손실을 최소화하며 빔을 계면까지 전달 | 표면 또는 그 바로 근처에서 빔을 흡수 |
| 성능을 떨어뜨리는 요인 | 벽 두께, 안료 함량, 유리 충전재, 결정화도, 성형 웰드 라인 | 흡수제 함량 부족 또는 흡수제가 너무 깊이 분산됨 |
| 일반적인 접근 | 무착색 또는 약하게 착색한 수지. 비정질 폴리머가 반결정성보다 투과성이 좋음 | 카본 블랙, 색상이 중요한 경우 이중 용도 첨가제 |
| 가장 흔한 간과 | 투명해 보이는 부품이 잘 투과한다고 가정함 — 가시광선 투명도와 근적외선 투과율은 서로 다른 특성임 | 마킹 대비에 맞춘 함량이 용접에도 적합하다고 가정함 |
두 부품은 보통 같은 폴리머이거나 적합성이 입증된 폴리머여야 합니다. 용융 온도와 점도가 다른 이종 소재는 광학 구성과 관계없이 건전한 용접을 만들기 어렵습니다.
접합부 설계와 조립 정합성
흡수가 충분하다면 용접 품질은 기계적인 문제입니다. 대부분의 프로그램이 실제로 성패가 갈리는 지점이 여기입니다.
- 밀착 접촉이 필수입니다. 용융물이 계면을 메워야 하는데 틈새가 있으면 이어질 대상이 없습니다. 틈새에 에너지를 더 가하면 용접이 되지 않고 소재가 탑니다.
- 틈새 허용 오차는 초음파나 진동 용접보다 엄격합니다. 부품의 휨과 성형 공차는 전체 부품 치수만이 아니라 접합부에 맞춰 관리해야 합니다.
- 위치 결정 접합부를 설계하십시오. 단차, 턱홈(텅 앤 그루브), 전단 접합은 부품의 위치를 잡고 용융물을 필요한 곳에 집중시키며, 평평한 면이 완벽하게 맞닿기를 기대하지 않게 해 줍니다.
- 클램핑은 용접 경로 전체에 걸쳐 균일해야 합니다. 압력이 고르지 않으면 어떤 곳은 강하고 어떤 곳은 접합이 없는 용접이 됩니다.
- 클램핑 툴은 빔 경로 위에 있습니다. 유리 또는 아크릴 가압판은 상태가 전달 에너지를 직접 바꾸므로 깨끗하고 긁힘이 없게 유지해야 합니다.
- 용접 경로를 투과성 부품의 게이트와 성형 웰드 라인에서 떨어뜨리십시오. 이들은 빔을 국부적으로 산란시켜 반복적으로 나타나는 약점을 만듭니다.
용접 전략
| 전략 | 작동 방식 | 적합한 용도 |
|---|---|---|
| 윤곽 용접 | 빔이 접합 경로를 한 번 따라가며 순차적으로 용융 | 크거나 복잡한 2차원 경로. 유연하며 툴링 비용이 낮음 |
| 준동시 | 빔이 전체 경로를 고속으로 반복 스캔하여 접합부 전체가 함께 용융 | 접합부 침하와 밀폐 실링이 필요한 조립품. 작은 틈새를 더 잘 허용 |
| 동시 | 고정 다이오드 어레이 또는 마스크 광원이 접합부 전체를 한 번에 가열 | 고물량 고정 형상. 사이클 타임 최단, 툴링 비용 최고 |
| 반경 및 마스크 용접 | 회전 또는 마스크 노출 | 원통형 부품 또는 매우 미세한 형상 구현 |
용접 결함 진단
| 증상 | 추정 원인 | 조치 |
|---|---|---|
| 흡수제 함량이 맞는데도 용접이 약함 | 광학이 아니라 조립 정합성 | 출력을 높이기 전에 클램핑 압력과 접합부 틈새를 확인하십시오. |
| 접합선을 따라 강도가 달라짐 | 상부 부품 내 투과율 편차 | 투과성 부품 전체의 투과율을 측정하십시오. 벽 두께와 안료 분산이 모두 여기에 나타납니다. |
| 계면에 보이드 또는 탄 자국이 생김 | 과도한 에너지 또는 한 지점에서 체류 시간이 너무 김 | 출력을 낮추거나 이송 속도를 높이십시오. 보이드는 갇힌 분해 가스입니다. |
| 한 위치에서 반복적으로 약점이 생김 | 게이트 자국 또는 성형 웰드 라인이 빔을 산란시킴 | 게이트를 옮기거나 용접 경로를 해당 특징에서 멀리 돌리십시오. |
| 생산 진행 중 용접이 저하됨 | 클램핑 유리의 오염 또는 긁힘 | 클램프를 정기적으로 세척하고 점검하십시오. 이는 광학 부품입니다. |
| 조립 시험은 통과하지만 사용 중 누설됨 | 초기 강도만으로 검증함 | 검증에 열 사이클과 화학 물질 노출을 추가하고, 하중만이 아니라 파손 모드를 검토하십시오. |
| 밝은 색 조립품을 용접할 수 없음 | 카본 블랙만 검토함 | 눈에 보이는 검은색이 아닌 이중 용도 또는 근적외선 흡수 첨가제를 지정하십시오. |
관련 용어 및 참고 자료
생산 현장에 적용하기
The Sabreen Group은 투과형 용접 개발, 소재 조합, 접합부 검증에 대해 독립적인 엔지니어링 지원을 제공합니다. 공정을 규정하거나, 소재를 검증하거나, 생산 문제를 해결하고 계신다면 당사 엔지니어링 서비스 팀이 도와드리겠습니다. 귀사의 적용 사례에 대해 상담하시려면 문의하십시오.
자주 묻는 질문
왜 한 부품은 투과하고 다른 부품은 흡수해야 합니까?
열이 조립품의 바깥쪽이 아니라 접합 계면에서 발생하게 하기 위해서입니다. 빔은 상부 부품에 눈에 띄는 에너지를 남기지 않고 통과하여 하부 부품의 표면에서 흡수되고, 그 결과 발생한 열이 클램핑 압력 아래에서 두 면을 함께 녹입니다. 덕분에 몇 밀리미터 떨어진 곳에서 용접이 진행되는 동안에도 외관면과 내부 부품이 손상되지 않습니다.
투명한 부품은 반드시 빔을 잘 투과시킵니까?
아닙니다. 이 가정 때문에 개발이 많이 낭비됩니다. 가시광선에서의 투명도와 근적외선 투과율은 서로 다른 특성입니다. 물처럼 맑아 보이는 부품도 1064 nm에서는 감쇠될 수 있으며, 반결정성 폴리머는 겉모습과 관계없이 결정 영역에서 빔을 산란시킵니다. 육안으로 판단하지 말고 사용 파장에서 투과율을 측정하십시오.
흡수제 함량이 맞는데도 용접이 약한 이유는 무엇입니까?
대개 조립 정합성 때문입니다. 용융물이 계면을 메워야 하므로 클램핑 압력 아래에서 두 면이 밀착되어야 하며, 틈새가 있으면 추가 에너지는 틈새를 메우지 못하고 소재를 태웁니다. 레이저 용접은 초음파나 진동 용접보다 틈새 허용치가 작으므로 접합부 공차와 부품의 휨을 용접부에서 특별히 관리해야 합니다.
레이저 용접 조립품은 반드시 검은색이어야 합니까?
이제는 그렇지 않습니다. 카본 블랙은 전통적인 흡수제이자 가장 저렴하여 레이저 용접 조립품 중 어두운 색이 많지만, 이중 용도 첨가제와 근적외선 흡수 첨가제는 이제 눈에 보이는 검은색 없이도 흡수를 제공합니다. 따라서 첨가제 비용은 높아지지만 밝은 색, 유색, 일부 시스템에서는 거의 투명한 용접 조립품도 가능합니다.
어떤 용접 전략을 선택해야 합니까?
윤곽 용접은 큰 경로나 복잡한 경로에 적합하고 툴링 비용이 적당합니다. 준동시 스캔 방식은 접합부 전체를 함께 녹여 접합부 침하가 가능하고 작은 틈새를 더 잘 허용하므로 밀폐 실링에 통상적으로 선택됩니다. 동시 용접은 툴링 비용이 가장 높지만 고물량 고정 형상에서 가장 짧은 사이클을 제공합니다. 보통 틈새 허용치와 물량이 결정합니다.
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