레이저 용접기의 광학 시스템 오염이 용접 품질에 미치는 영향

I. 소개

레이저 용접 기술은 높은 에너지 밀도, 정밀한 용접 및 낮은 변형률로 인해 리튬 배터리 봉합, 소비자 전자기기, 의료기기 제조 및 금속 가공 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 장시간 운전 중에 레이저 용접기의 광학 시스템은 연기, 스패터, 오일 및 수분으로 인해 오염되기 쉬우며, 이는 빔 전달 품질에 영향을 미치고 궁극적으로 용접 안정성을 저하시킵니다. 광학 오염은 용접 품질에 영향을 주는 잠재적인 요인으로 간주되며 공정적 측면과 유지보수 측면 모두에서 대응되어야 합니다.

II. 레이저 용접기에서 광학 시스템의 역할

일반적인 광학 시스템은 주로 다음으로 구성됩니다:

레이저 출력 창

코릴레이터/빔 익스펜더

스캐닝 갈바노미터(해당되는 경우)

초점 렌즈 또는 F-세타 렌즈

보호 렌즈(광학 부품 보호용)

광학 시스템의 핵심 기능은 고에너지 레이저 빔을 용접 부위에 전달하고 정밀하게 초점 맞추는 것이다. 따라서 용접 중 효율적인 에너지 결합을 위해 광학 표면의 청결도와 투과율이 매우 중요하다.

III. 광학 오염의 주요 원인

광학 오염은 주로 다음의 원천에서 발생한다:

연기 및 증기 응축물
고온 용접으로 생성된 금속 증기는 입자 형태로 응축되어 광학 표면에 침착된다.

용융 스패터 부착
깊은 용입 용접 또는 불안정한 가공 중에 용융된 액적이 보호 렌즈에 부착될 수 있다.

습기 및 기름막
기름기가 있는 공기압축기, 냉각수 누출 또는 주변 습도에서 비롯되며, 투과율이 낮은 얇은 필름을 형성한다.

지문 및 세척 잔여물
사람의 접촉이나 부적절한 용매는 광학 표면에 2차 오염을 일으킬 수 있습니다.

이러한 오염물질은 먼지, 기름막, 고체 미립자 또는 탄 흔적으로 나타날 수 있습니다.

IV. 광학 오염이 용접 품질에 영향을 주는 메커니즘

광학 오염은 주로 다음의 방식들을 통해 용접 품질에 영향을 미칩니다:

1. 레이저 에너지 감쇠

오염은 빔 전송 효율을 저하시켜 용접 에너지가 부족하게 됩니다. 일반적인 현상으로는 다음이 있습니다:

용접 침투도 부족

융합 불량 또는 약한 용접 이음부

검게 변하거나 불연속적인 용접 이음선

좁아진 공정 창

에너지 레벨에 민감한 재료(예: 알루미늄, 구리, 배터리 탭)는 더 큰 영향을 받습니다.

2. 빔 왜곡 및 초점 이동

오염은 빔 전파 특성을 변화시켜 초점 이탈 또는 불균일한 에너지 분포를 유발할 수 있으며, 이는 다음을 초래할 수 있습니다:

용접 폭의 불일치

용접 경로의 편차

용융 풀 변동성 증가

용접 안정성 저하

고정밀 용접에서 수십 마이크론에서 수백 마이크론 수준의 초점 이동만으로도 양산 수율에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 광학 부품의 열 손상 위험 증가

오염물질은 레이저 에너지를 흡수하여 국부적인 열을 발생시키며, 이는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다:

보호 렌즈의 불림 자국 또는 코팅 박리

빔 익스펜더 또는 스캔 렌즈에 생긴 화상

레이저 출력 창 손상

광학적 손상은 일반적으로 되돌릴 수 없으며 부품 교체가 필요하므로 비용이 증가합니다.

4. 용접 공정 이상 및 불안정

광학 오염으로 인해 발생할 수 있는 문제:

불균일한 용융 풀 끓음

기공률 증가

거친 용접 이음부 또는 언더컷

시스템 경보 또는 에너지 변동

자동화된 생산 라인에서 이러한 문제는 일관성과 처리량에 직접적인 영향을 미친다.

V. 광학 오염에 대한 재료 감도 차이 (비교 차트 없음)

다른 용접 재료는 광학 오염에 대해 서로 다른 감도를 나타내며, 예를 들면 다음과 같다:

알루미늄: 반사율이 높고 에너지 부족에 매우 민감하며, 약간의 오염만으로도 관통 불량이나 언더컷 현상이 발생할 수 있다.

구리 또는 배터리 탭: 매우 안정적인 에너지를 필요로 하며, 오염은 약한 용접을 유발하여 전도성과 배터리 사이클 성능에 영향을 준다.

스테인리스강: 오염 시 용접 표면이 거칠어지고, 용접 이음부가 어두워지며, 관통 깊이가 불균일해진다.

탄소강: 스패터 생성이 많아 광학계를 빠르게 오염시키며, 보호 렌즈 소모량 증가와 공정 불안정을 초래한다.

이러한 위험들은 차트나 시각적 비교 없이도 텍스트로 충분히 설명할 수 있다.

VI. 검출 및 평가 방법

광학 오염은 다음 방법들을 통해 확인할 수 있다:

외관 검사: 각도를 이룬 조명을 사용하여 렌즈 표면의 오염물질을 관찰합니다

에너지 감쇠 모니터링: 시간 경과에 따른 출력 전력 편차를 추적합니다

용접 품질 피드백: 용입 및 표면 형상을 점검합니다

공정 알람 로그: 용접 에너지 안정성 알람을 확인합니다

고급 설비에서는 동축 시각 장치 또는 레이저 출력 모니터링 장비를 진단 목적으로 추가로 활용할 수 있습니다

VII. 예방 및 유지보수 전략

광학 오염은 공정 관리 및 예방적 유지보수를 통해 제어할 수 있습니다

보호 렌즈를 사용하고 정기적으로 교체하십시오

측면 가스 분사 또는 동축 보호 가스를 추가하십시오

고순도 보조 가스(아르곤/질소)를 사용하십시오

분진 배출을 줄이기 위해 연기 배출 시스템 설치

스프래터를 최소화하기 위해 공정 파라미터 최적화

청소용 특수 알코올 및 광학 전용 닦이 사용

광학 투과율 추적 및 부품 수명 관리 체계 구축

이러한 작업 방식은 배터리 제조와 같이 일관성 요구 수준이 높은 산업 분야에서 필수적입니다.

8 결론

광학 시스템 오염은 레이저 용접 품질 저하를 초래하는 주요 잠재 요인으로, 은폐성, 축적성, 파괴성을 특징으로 합니다. 오염 모니터링 강화, 공정 파라미터 최적화 및 정비 프로토콜 수립을 통해 광학 부품의 수명을 연장하고 용접 안정성 및 일관성을 개선할 수 있습니다. 레이저 기술이 정밀 제조 분야로 계속 확대됨에 따라 광학 오염 관리는 수율 및 원가 통제에 영향을 미치는 핵심 요소가 될 것입니다.