레이저 용접을 통한 구리 및 알루미늄 접합: 기술적 과제와 해결 방안

구리와 알루미늄은 현대 제조업에서 가장 핵심적인 재료 중 두 가지이자 동시에 가장 어려움 레이저 용접이 특히 어려운 재료이기도 하다. 이들의 열적·광학적 특성은 강철 및 스테인리스강에서 레이저 용접을 간단하게 만드는 일반적인 가정과 정면으로 충돌한다.

제작업체가 구리 또는 알루미늄 접합부에서 융합 불량, 균열, 기공, 혹은 불안정한 침투 깊이를 경험할 경우, 그 원인은 거의 항상 레이저 시스템의 성능과 이러한 재료들이 실제로 요구하는 물리적 조건 사이의 불일치에서 비롯된다.

본 기사에서는 각 금속이 제기하는 구체적인 과제, 이 둘 간 이종 금속 용접이 추가로 초래하는 복잡성, 그리고 신뢰성 있고 양산에 적합한 결과를 실현하는 실용적 접근법을 분석한다.

주요 요점:

• 구리: 높은 1064nm 반사율(95–98%)과 극도의 열 전도성으로 인해 고출력 밀도, 녹색 레이저(515nm), 또는 정밀한 펄스 형상 조절이 필요하다.

• 알류미늄: 수소 기공 및 고온 균열에 취약함(특히 6xxx 계열); 엄격한 표면 전처리와 용가선 선정이 필수적임.

• 구리-알루미늄: 주요 장애물은 취성 금속간 화합물(IMC)의 형성임; 열입력 최소화와 빔 오프셋 제어가 필수적임.

구리와 표준 파이버 레이저 용접의 핵심 문제는 광학적 성질에 있음. 구리는 1064nm —표준 이터븀 파이버 레이저의 파장—에서 매우 높은 반사율을 가짐. 상온에서 구리는 입사 레이저 에너지의 약 95–98%를 반사함.

• 후방 반사 위험: 반사된 빔이 레이저 원천 쪽으로 되돌아감. 강력한 후방 반사 보호 조치가 없으면, 이 에너지가 파이버 커넥터, 콜리메이터, 레이저 모듈 자체를 손상시킬 수 있음. 강철 용접용으로 설계된 표준 파이버 레이저는 충분한 보호 기능을 갖추지 못했을 수 있음.

• 불일치 결합: 임계 에너지 밀도 이하에서는 거의 모든 에너지가 반사된다. 키홀이 형성되면 흡수율이 80~90%로 급격히 상승한다. 이러한 급격한 전이는 불안정한 용접 개시, 스패터 발생 및 불규칙한 침투를 유발할 수 있다.

구리는 열을 약 강보다 8배 빠르게 전도한다 . 용접 영역에 공급된 에너지는 용융 온도에 도달하기 위해 축적되기보다는 주변 재료로 급속히 확산된다. 레이저는 열 확산과의 경주에서 승리해야 하며, 이를 위해 높은 출력 밀도를 신속하게 공급해야 한다.

• 녹색 레이저 용접(515nm / 532nm): 구리의 녹색 파장 대역 흡수율은 40–60%(1064nm 대비 2~5%)이다. 녹색 레이저는 역반사 위험을 제거하고 안정적인 키홀 용접을 가능하게 한다.

• 고출력 펄스 또는 변조 1064nm: 고피크 전력 펄스는 키홀을 유도하고 유지할 수 있지만, 이 방식은 표면 상태 및 접합 정렬에 민감하다.

• 표면 준비: 깨끗하고 산화물이 없는 표면은 결합 일관성을 향상시킨다.

• 시료 시험은 필수적이다: 특정 합금 및 두께를 검증하기 위해 항상 생산 조건에서 시료 용접을 수행해야 한다.

알루미늄의 열전도성은 강철보다 약 4배 빠르다. 여기에 낮은 융점(~660°C)과 끓는점까지의 좁은 온도 간격이 더해지면, 알루미늄은 고체 → 액체 → 기체로 매우 급격히 전이된다. 이로 인해 안정적인 용융풀 창이 매우 좁아지고, 키홀 안정성이 공정 파라미터 변화에 극도로 민감해진다.

수소 기공은 알루미늄 레이저 용접에서 가장 흔한 결함이다. 알루미늄은 수분, 윤활제, 표면 산화물로부터 쉽게 수소를 흡수한다. 급속 응고 과정에서 갇힌 수소는 내부 기공을 형성한다. 기공을 최소화하려면 다음을 준수해야 한다.

• 적절한 용매로 표면을 철저히 세척한다.

• 보관, 취급, 그리고 차폐 가스의 순도를 엄격히 관리한다.

특정 합금—특히 6000계열(6061, 6063) —은 응고 범위가 넓어 고온 균열에 매우 취약하다.

• 해결 방법: 응고 거동을 조절하고, 이동 속도를 최적화하며, 접합부 구속을 최소화하기 위해 동일한 성분의 메탈 와이어(예: 6061용 4043 와이어 )를 사용한다. 균열에 민감한 합금의 자생 용접(메탈 와이어 없음)은 거의 실현 가능하지 않다.

구리와 알루미늄을 접합하는 기술은 전기차 배터리 연결부, 버스바, 전기 접점 등에서 점차 더 중요해지고 있습니다. 하지만 이는 복잡한 금속학적 과제를 수반합니다.

용융 풀 내에서 구리와 알루미늄이 혼합되면 CuAl₂ 및 Cu₉Al₄와 같은 취성의 금속 간 화합물이 생성됩니다. 이러한 화합물의 특성은 다음과 같습니다:

• 취약함: 기계적 응력 하에서 쉽게 파손됩니다.

• 전기 저항이 큽니다: 접촉 저항을 증가시켜 전기적 성능을 저해한다.

• 열에 민감함: 더 높은 열 입력은 더 두껍고 파괴적인 IMC 층을 형성한다.

• 빔 위치 오프셋: 레이저를 주로 용융이 더 쉬운 재료 또는 에너지 결합 효율이 더 높은 재료(일반적으로 알루미늄)에 집중시켜 열 전도에 의존하고 직접적인 혼합을 제한한다.

• 짧은 펄스 지속 시간 및 높은 피크 출력: MOPA 레이저를 사용하여 에너지를 신속하게 공급해 더 작은 용융 풀을 생성하고 반응 시간을 줄인다.

• 열 입력 최소화: IMC 층 두께를 제한하면서도 충분한 융합을 유지하기 위해 총 열 입력을 낮게 유지한다.

• 구리 응용 분야: 전기차 배터리 버스바, 열교환기, 전기 접점 및 전력 커넥터.

• 알루미늄 응용 분야: 자동차 구조 부품(바디인화이트, 배터리 케이스), 항공우주 시트메탈, HVAC 열교환기.

• 구리-알루미늄 이종 재료 응용 분야: 전기차 배터리 셀 탭, 모터 권선 연결부, 전력 인버터 버스바.

At Jiangpin tech 저희는 구리 및 알루미늄 레이저 용접에 있어 일률적인 해결책을 지지하지 않습니다. 먼저 귀사의 특정 재료, 이음부 형상 및 성능 요구사항을 분석합니다.

• 구리의 경우: 1064nm 반사 문제를 제거하기 위해 고급 그린 레이저 시스템을 포함한 레이저 소스 선택에 대한 조언을 드립니다.

• 알루미늄의 경우: 기공 및 균열을 완전히 제거하기 위해 강력한 재료 준비 절차와 차폐 가스 사양을 제공합니다.

• 이종 접합의 경우: 기계적 및 전기적 성능을 엄격히 준수하도록 맞춤형 시험 샘플 매트릭스(빔 오프셋, 펄스 형성, 이동 속도)를 설계합니다.

장핀 테크(Jiangpin Tech)의 모든 시스템은 완전한 문서, CE 마킹, 그리고 글로벌 제조업체를 위한 맞춤형 원격 시운전 지원과 함께 출하됩니다.

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