진공 상태에서의 구리 레이저 빔 용접을 통한 공정 한계 확장

Laser beam welding of copper under vacuum to extend the process limits

본 연구는 구리의 높은 반사율과 열전도율로 인해 발생하는 레이저 용접의 불안정성을 해결하기 위해 진공 환경(LaVa)과 빔 쉐이핑 기술을 결합한 공정을 분석한다. 산업적 요구가 높은 구리 용접에서 공정 안정성 향상과 용입 깊이 확장을 위한 기술적 근거를 제시한다.

Paper Metadata

• Industry: 제조 및 전기차(EV) 배터리 산업
• Material: Cu-ETP (순동)
• Process: 진공 레이저 빔 용접 (LaVa), 단일 모드 및 멀티 모드 레이저 용접, 빔 쉐이핑 (BrightLine)

Keywords

• Laser beam welding
• Copper
• Vacuum
• Single-mode
• Multimode
• Beam shaping

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Trumpf TruFiber 2000 P 단일 모드 파이버 레이저와 BrightLine 기술이 적용된 Trumpf TruDisc 6000 멀티 모드 디스크 레이저를 사용하여 실험을 구성하였다. 대기압(1000 mbar)과 감압 상태(10 mbar)의 챔버 환경에서 구리(Cu-ETP) 시편에 대한 블라인드 심(Blind seam) 용접을 수행하였다. 단일 모드 레이저에는 빔 오실레이션(Wobbling) 기법을 적용하였고, 멀티 모드 레이저에는 코어와 링의 출력을 독립적으로 제어하는 빔 쉐이핑 기술을 적용하여 공정 변수에 따른 용접 품질을 비교 분석하였다.

Key Findings

진공 환경에서의 용접은 대기압 대비 용융 풀의 크기를 감소시키고 모세관(Capillary)을 확장시켜 공정 안정성을 유의미하게 향상시켰다. 단일 모드 레이저의 경우 진공 상태에서 용입 깊이의 직접적인 증가는 관찰되지 않았으나, 스패터와 기공이 억제된 고품질의 용접부를 얻었다. 반면, BrightLine 기술을 적용한 멀티 모드 레이저는 저속 용접(50 mm/s) 시 진공 환경에서 용입 깊이가 대기압 대비 약 34% 증가하는 결과를 보였다. 평균 용접 품질 지수는 대기압 0.278에서 진공 0.577로 크게 개선되었다.

Industrial Applications

이 기술은 높은 전기 전도성이 요구되는 전기차 배터리 버스바(Busbar) 및 전력 전자 부품의 구리 접합 공정에 직접 적용 가능하다. 특히 기존 대기압 공정에서 발생하기 쉬운 용융물 방출(Melt ejection)과 내부 기공 문제를 진공 환경을 통해 제어함으로써 공정 수율을 높일 수 있다. 또한 저속 용접에서도 안정적인 깊은 용입이 가능해짐에 따라 두꺼운 구리 부품의 정밀 접합 공정 설계에 기여할 수 있다.

Theoretical Background

진공 레이저 용접 (LaVa) 기술

주변 압력을 낮추면 금속의 증발 온도가 하강하며, 이는 레이저 유도 모세관 내부의 증기압 평형에 변화를 준다. 대기압에서 발생하는 금속 증기 플룸(Plume)이 억제되어 레이저 빔의 산란이 줄어들고 에너지 효율이 개선된다. 구리와 같이 열전도율이 높은 재료에서는 증발 온도와 융점 사이의 온도 차이가 줄어들어 용융 풀의 크기가 작아지고 모세관이 더 넓게 개방되는 효과가 발생한다. 이는 가스 배출을 용이하게 하여 기공 형성을 방지하고 용융물의 비산을 억제하는 핵심 기전으로 작용한다.

빔 쉐이핑 및 BrightLine 기술

빔 쉐이핑은 레이저 빔의 에너지 밀도 분포를 중앙의 코어와 주변의 링 형태로 분산시키는 기술이다. BrightLine 기술을 통해 코어와 링의 출력 비율을 독립적으로 조절함으로써 모세관의 입구를 넓히고 안정화할 수 있다. 이는 심용입 용접 시 발생하는 모세관의 급격한 붕괴를 막아 스패터 발생을 줄인다. 구리 용접에서는 링 출력이 증가할수록 용접부의 폭이 넓어지고 공정 안정성이 향상되는 경향을 보이며, 진공 환경과 결합될 때 그 효과가 극대화된다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 1070 nm 파장의 단일 모드 파이버 레이저(2 kW)와 1030 nm 파장의 멀티 모드 디스크 레이저(6 kW)가 사용되었다. 시편은 5 mm 및 10 mm 두께의 Cu-ETP 판재를 사용하였으며, 10 mbar의 진공도와 1000 mbar의 대기압 환경을 조성하였다. 단일 모드 실험에서는 0.1~0.5 mm의 진폭과 100~600 Hz의 주파수로 빔 오실레이션을 적용하였고, 멀티 모드 실험에서는 코어 출력 3000 W를 고정하고 링 출력을 0~3000 W 범위에서 가변하며 데이터를 수집하였다.

Visual Data Summary

고속 카메라 분석 결과, 대기압 용접 시에는 용융 풀이 크고 불안정하게 요동치며 빈번한 용융물 방출이 관찰되었다. 반면 진공 환경에서는 용융 풀의 표면적이 눈에 띄게 줄어들고 모세관 입구가 안정적으로 개방된 상태를 유지하였다. 단면 분석(Cross-section) 결과, 대기압 용접부는 상단이 넓고 하단으로 갈수록 급격히 좁아지는 쐐기 형태를 보였으나, 진공 용접부는 측벽이 더 평행하고 균일한 형상을 나타냈다. 특히 50 mm/s의 저속 구간에서 진공 용접부의 용입 깊이가 가장 깊게 형성되었다.

Variable Correlation Analysis

용접 속도와 주변 압력 사이에는 강한 상관관계가 확인되었다. 용접 속도가 150 mm/s에서 50 mm/s로 감소함에 따라 진공에 의한 용입 깊이 증가율은 2%에서 34%로 급격히 상승하였다. 이는 저속에서 모세관 내부의 다중 반사 및 에너지 흡수 효율이 진공 환경에서 더 효과적으로 발생함을 시사한다. 또한 링 출력의 증가는 대기압보다 진공 환경에서 용접 품질 점수를 더 안정적으로 높이는 역할을 하였으며, 특정 임계 속도 이상에서는 진공 환경이 모세관 확장을 통해 공정 안정성을 보장하는 것으로 분석되었다.

Paper Details

Laser beam welding of copper under vacuum to extend the process limits

1. Overview

• Title: Laser beam welding of copper under vacuum to extend the process limits
• Author: Markus Schleser, Philipp Liebe, Benjamin Gerhards, Benedikt Gerhards
• Year: 2024
• Journal: Research Square (Preprint)

2. Abstract

본 연구는 적외선 레이저, 빔 쉐이핑 및 진공 레이저 용접(LaVa)에 초점을 맞추어 구리 레이저 빔 용접의 과제와 혁신을 탐구한다. Trumpf TruFiber 2000 P와 BrightLine 기술이 적용된 Trumpf TruDisc 6000을 사용하여, 공정 안정성과 심 품질을 개선하기 위해 감소된 주변 압력 하에서의 구리 용접을 조사한다. 고속 카메라 관찰을 통해 진공 조건에서 더 작은 용융 풀과 모세관 확장과 같은 독특한 거동을 확인하였다. 단일 모드 파이버 레이저 용접은 향상된 안정성과 감소된 용융물 방출을 보여주었다. 마찬가지로 BrightLine 기술은 진공 상태의 낮은 용접 속도에서 더 작은 용융 풀, 증가된 안정성 및 더 깊은 용입 깊이를 나타냈다. 대기압과 진공 용접의 비교는 균일성과 최소화된 용융물 방출을 강조하며 후자의 이점을 부각시킨다. 공정 안정성은 용접 품질과 상관관계가 있으며, 진공 조건의 이점을 입증한다. 진공과 기존 용접 기술의 결합은 공정의 경계를 확장하여 두 유형의 레이저 모두에서 더 높은 안정성과 심 품질을 달성한다. 결과적으로 진공 조건과 검증된 용접 접근 방식의 결합은 구리 레이저 용접의 공정 한계를 확장함을 보여준다.

3. Methodology

3.1. 장비 구성: 단일 모드 파이버 레이저(TruFiber 2000 P)와 멀티 모드 디스크 레이저(TruDisc 6000)를 각각 스캔 헤드 및 프로그래밍 가능한 포커싱 광학계와 조합하여 사용함.
3.2. 환경 제어: 진공 펌프를 사용하여 챔버 압력을 1 mbar까지 낮춘 후 아르곤 가스를 주입하여 최종 10 mbar의 작동 압력을 설정함.
3.3. 공정 변수 설정: 단일 모드 레이저의 경우 빔 오실레이션 파라미터를 가변하고, 멀티 모드 레이저의 경우 BrightLine 기능을 통해 코어와 링의 출력 분포를 0~100% 범위에서 조정함.
3.4. 품질 평가: 고속 카메라 영상을 통한 실시간 거동 분석, 현미경을 이용한 비드 표면 관찰 및 단면 분석을 통해 기공, 스패터, 용입 깊이를 수치화하여 평가함.

4. Key Results

진공 환경에서 구리 용접 시 용융 풀의 크기가 작아지고 모세관이 확장되는 현상이 공통적으로 관찰되었다. 단일 모드 레이저는 50 mm/s 이상의 속도에서 오실레이션과 결합될 때 대기압과 진공 모두에서 결함 없는 결과를 얻었으나, 저속에서는 진공의 안정성이 압도적이었다. 멀티 모드 레이저의 경우, 진공 상태에서 용접 속도가 낮아질수록 용입 깊이가 크게 증가하여 50 mm/s에서 대기압 대비 34%의 증가율을 기록했다. 전체적인 용접 품질 지수는 진공 상태에서 평균 0.577로 대기압의 0.278보다 두 배 이상 높게 나타났다. 이는 진공이 구리 용접의 고질적인 문제인 불안정한 모세관 거동을 효과적으로 제어함을 입증한다.

Figure List

1. 용접 품질 평가 예시 (단면 및 상부 비드 품질 1.0 vs 0.0)
2. 대기압(a)과 감압(b) 상태의 용융 풀 비교
3. 모세관 거동의 두 가지 상태 (용융물 통과 vs 용융 풀 우회)
4. 용융물 방출(Melt ejection) 형성 과정 (2 kW, 16.67 mm/s)
5. 진공 상태에서의 용융물 방출 없는 용접 사례
6. 레이저 빔 속도 및 용접 조건에 따른 심 품질 그래프
7. 진공 심(좌)과 대기압 심(우)의 단면 비교
8. BrightLine 기술 적용 시 용융 풀 비교 (대기압 vs 진공)
9. 용융 풀 형성 및 방출 거동 (진공 vs 대기압)
10. 용입 깊이에 대한 주요 효과 플롯 (진공 vs 대기압)
11. 대기압과 진공 용접 심의 형상 비교 (5000 W, 50 mm/s)
12. 속도별 용접 비드 외관 비교 (코어-링 비율 60/40)
13. 용접 심 품질에 대한 주요 효과 플롯

References

1. Punzel, E., et al. (2020). Comparison of different system technologies for continuous-wave laser beam welding of copper.
2. Heider, A., et al. (2011). Process Stabilization at welding Copper by Laser Power Modulation.
3. Reisgen, U., et al. (2016). Laser beam welding under vacuum of high grade materials.
4. Börner, S., et al. (2023). Enhanced process understanding for laser welding of copper and aluminum alloys with dynamic beam oscillation.

Technical Q&A

Q: 진공 환경이 구리 용접 시 용융 풀의 크기를 줄이는 물리적 이유는 무엇입니까?

진공 상태에서는 주변 압력이 낮아져 금속의 증발 온도가 하강합니다. 이로 인해 증발 온도와 융점 사이의 온도 차이가 줄어들게 되며, 결과적으로 더 낮은 에너지 입력에서도 안정적인 모세관이 형성될 수 있습니다. 낮은 온도에서 모세관이 유지됨에 따라 주변으로 전달되는 열량이 제어되어 용융 풀의 크기가 작아지고 용융 온도 또한 낮게 유지되는 효과가 발생합니다.

Q: 단일 모드 레이저 용접에서 진공에 의한 용입 깊이 증가가 나타나지 않은 이유는 무엇입니까?

단일 모드 레이저 실험에서는 최대 용입 깊이가 약 2 mm로 제한되었습니다. 논문에서는 모세관의 형상과 종횡비(Aspect ratio) 사이의 상호작용 때문으로 추정합니다. 진공에서 모세관이 넓게 확장되면 레이저 광선이 다중 반사를 일으키지 않고 외부로 산란될 가능성이 높아집니다. 2 kW급 단일 모드 레이저의 출력 한계 내에서는 진공에 의한 에너지 흡수 효율 증대 효과보다 산란에 의한 손실이 상쇄되어 깊이 증가가 미미했던 것으로 분석됩니다.

Q: BrightLine 기술과 진공 공정을 결합했을 때의 주요 시너지 효과는 무엇입니까?

BrightLine의 링 출력은 모세관 입구를 넓혀주는 역할을 하며, 진공 환경은 모세관 내부의 증기압을 조절하여 모세관이 닫히는 것을 방지합니다. 이 두 기술이 결합되면 저속 용접에서도 모세관이 매우 안정적으로 개방된 상태를 유지하게 됩니다. 특히 저속 구간(< 150 mm/s)에서 열전도 손실을 줄이고 레이저 에너지를 용입 깊이 방향으로 집중시킬 수 있어, 대기압 대비 최대 34%의 용입 깊이 향상을 달성할 수 있습니다.

Q: 실험에서 정의한 용접 품질 지수(1.0, 0.5, 0.0)의 구체적인 기준은 무엇입니까?

품질 지수 1.0은 높은 공정 안정성을 의미하며, 용융물 방출이 없고 기공이 거의 없는 상태를 나타냅니다. 0.5는 비교적 높은 안정성을 보이나 적은 수의 기공이나 용융물 방출이 존재하는 경우입니다. 0.0은 불안정한 공정 상태로, 다량의 용융물 방출(스패터)과 많은 내부 기공이 관찰되는 경우를 의미합니다. 이 기준은 고속 카메라 영상, 비드 표면, 단면 분석 결과를 종합하여 평가되었습니다.

Q: 용접 속도가 진공 효과(LaVa effect)에 미치는 영향은 어떠합니까?

진공에 의한 용입 깊이 증가 효과는 용접 속도에 강하게 의존합니다. 고속 용접(150 mm/s)에서는 대기압과 진공 사이의 용입 깊이 차이가 2% 내외로 오차 범위 수준이었으나, 속도가 낮아질수록 그 차이가 벌어졌습니다. 이는 속도가 낮을수록 모세관 내부에서 레이저 빔의 체류 시간이 길어지고, 진공 환경에서 개선된 에너지 전달 메커니즘이 더 긴 시간 동안 작용하여 용입 깊이를 심화시키기 때문입니다.

Conclusion

본 연구는 진공 환경(LaVa)과 빔 쉐이핑 기술의 결합이 구리 레이저 용접의 공정 한계를 효과적으로 확장할 수 있음을 입증하였다. 진공 환경은 모세관의 안정성을 근본적으로 개선하여 대기압 공정에서 불가능했던 저속·고품질 용접을 가능하게 한다. 특히 멀티 모드 레이저와 BrightLine 기술을 사용할 경우 저속에서 유의미한 용입 깊이 증가를 얻을 수 있으며, 이는 고출력 구리 용접 공정 설계에 있어 진공 환경 도입의 기술적 타당성을 뒷받침하는 중요한 결과이다.

Source Information

Citation: Markus Schleser, Philipp Liebe, Benjamin Gerhards, Benedikt Gerhards (2024). Laser beam welding of copper under vacuum to extend the process limits. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3809335/v1

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