Guide : 레이저 용접

레이저 용접의 원리, 장점, 적용 분야를 소개하고, 효율적인 용접 방법을 안내합니다.

Mar 24, 2025

Contents

다양한 용접 방식 레이저 용접의 주요 장점 레이저 용접 어플리케이션 레이저 용접 기본 원리 웰딩 공정 메커니즘 광흡수의 물리적 원리 주요 용접 파라미터 레이저 용접 유형 키홀 용접과 전도 용접

레이저 웰딩은 고출력 레이저를 열원으로 사용하는 비접촉식 고정밀 접합 기술입니다. 특히 금속 소재 간의 고속 접합, 미세 부품의 정밀 용접, 이종 소재의 접합 등 기존 용접 기술로는 달성하기 어려운 가공 퀄리티와 제어 정밀도를 제공합니다.

최근 레이저 용접 시장을 이끌어온 주요 동인은 자동차 산업이었고, 아연 도금 강, 알루미늄 합금 및 Mg 합금 뿐만 아니라 구리에 대한 레이저 용접은 이미 안정적인 품질 수준에 도달한 것 같습니다.

반면 항공 우주 산업에서는 Ti 합금 및 Ni 초합금 용접 대비 TiAl 용접에 대한 이슈가 있고, 석유 및 가스 산업은 대형 파이프라인을 연결하기 위한 휴대용 레이저 용접 기술 활용되고 있는데, 특히 고품질 Orbital 용접 기술과 Net Shape 용접은 주목할 필요가 있습니다.

원자력과 조선 산업에도 레이저 용접 기술이 검토되고 있으나, 사용 소재 대부분의 두께가 레이저 가공이 가능한 범위를 초과하기 때문에 발전이 비교적 더딘 것 같습니다.

다양한 용접 방식

용접 방식	에너지원	작동 원리	열영향부(HAZ)	정밀도	적용 소재	적용 분야 및 특성
레이저 용접	레이저 빛 (광에너지)	고에너지 밀도의 레이저 빔으로 소재를 국부 용융	매우 작음	매우 높음	금속(Fe, Al, Cu 등), 일부 고분자	전자, 자동차, 의료기기 등 / 비접촉 / 고속 / 자동화에 유리
아크 용접	전기 아크	전극과 모재 간 아크 방전을 이용한 용융 접합	크고 넓음	중간	강철, 알루미늄 등 대부분의 금속	건설, 조선, 중장비 등 / 구조물 접합에 널리 사용됨
저항 용접	전기 저항	전류 통과 시 발생하는 저항열로 소재를 접합	작음	중간	박판 금속, 강판	자동차 차체, 가전제품 / 고속, 대량생산에 적합
마찰 용접	기계적 마찰	마찰열로 접합면을 용융 없이 소성 변형 접합	매우 작음	높음	금속, 이종소재(Al+Cu 등)	항공우주, 자동차 등 / 고강도 / 무결함 접합 가능
초음파 용접	초음파 진동 에너지	고주파 진동으로 분자 간 결합 유도	없음	매우 높음	열가소성 플라스틱, 얇은 금속	전자, 의료기기, 포장재 등 / 소형, 정밀, 저온 접합에 적합

레이저 용접 (Laser Welding)

레이저 빔을 이용해 국부적인 열을 고밀도로 집중시켜 모재를 용융시키는 방식입니다. 비접촉식이고 고속·고정밀 용접이 가능하며, 열영향부(HAZ)가 매우 작아 소재 변형이 거의 없습니다. 특히, 자동화 시스템과 잘 결합되며, 알루미늄·구리 같은 반사율이 높은 소재도 특정 파장으로 정밀 용접할 수 있어 전자부품, 배터리 탭, 고정밀 센서 제조 등에 이상적입니다.

아크 용접 (Arc Welding)

가장 오래된 방식으로, 전극과 소재 사이에서 형성된 아크(arc) 방전을 통해 고온을 발생시키고 금속을 녹여 접합합니다. 설비가 단순하고 범용성이 높아 건설현장이나 조선소에서 널리 사용되지만, 열영향부가 넓고 변형이나 슬래그 발생 가능성이 높습니다. 숙련도에 따라 품질 편차가 크며, 정밀도나 자동화 측면에서는 한계가 있습니다.

저항 용접 (Resistance Welding)

두 금속을 압착한 후 전류를 흘려 접촉 저항에 의한 발열로 접합하는 방식입니다. 접합 시간은 수 밀리초 내외로 매우 짧고, 대량 생산에 최적화된 방식입니다. 특히 박판 금속 접합에 적합하여, 자동차 차체 패널 접합에 널리 사용됩니다. 다만, 소재 두께에 제약이 있고 접합 부위 설계가 제한적입니다.

마찰 용접 (Friction Welding)

물리적인 회전이나 진동을 통해 마찰열로 접합면을 연화시키고, 고압으로 접합하는 비용융 접합(Solid-State Welding)입니다. 이종 금속 접합이나 고강도 요구 부품에 적합하며, HAZ가 거의 없고, 슬래그나 기공 등의 결함 발생도 적습니다. 항공기 엔진, 자동차 드라이브 샤프트 등 고신뢰성 부품에 사용됩니다.

초음파 용접 (Ultrasonic Welding)

20~40kHz의 고주파 진동을 이용해 분자간의 마찰력을 유도하여 열가소성 재료를 접합하는 방식입니다. 플라스틱 부품 조립에 매우 적합하며, 열이 거의 발생하지 않아 정밀 전자부품, 의료용 튜브, 마스크 등에 적용됩니다. 특히, 플라스틱-금속 간의 특수 조립 등 미세 가공에 뛰어난 장점을 가집니다.

레이저 용접의 주요 장점

레이저 용접(Laser Welding)은 다양한 용접 방식들 ― 아크 용접, 저항 용접, 마찰 용접, 초음파 용접 ― 에 비해 기술적으로 매우 정교하고 공정 효율성이 뛰어난 방식입니다.

항목	레이저 용접	일반 용접 방식
열 영향	매우 작음	크거나 예측 어려움
접합 정밀도	수십 μm 단위 가능	mm 단위 이상
생산성	고속 자동화 적합	상대적으로 느림
소재 적응성	이종소재 및 반사재 대응 가능	제한적
유지보수	비접촉·소모품 없음	전극 소모, 장비 마모
공정 제어	매우 다양하고 정밀	변수 적고 반응성 제어

레이저 용접 어플리케이션

적용 분야	주요 특징	레이저 용접의 장점	주요 고려사항
1. 하이브리드 레이저-아크 용접	레이저 + 아크(TIG/MIG 등) 병행	깊은 용입, 갭 허용성 개선, 아크 안정화	공정 복잡도 증가, 두 에너지원 동기화 필요
2. 두꺼운 단면 용접	>50mm ~ 100mm+ 강재 용접	고출력 파이버 레이저로 깊은 침투 가능	고비용, 용접 품질 제어 어려움
3. 초박막 재료 용접	200μm 이하 초박막	미세 열 영향, 정밀 제어 가능	절단 발생 위험, 표면장력 제어 중요
4. 이종 재료 용접	서로 다른 금속 조합	선택적 용융, 낮은 열 영향	금속간 화합물, 갈바닉 셀, 균열 방지 필요
5. 기공 제어	알루미늄·티타늄 등 경합금	고속·무접촉 공정	산화물, 수분, 플룸 제거 필요
6. 네트 셰이프 용접	정밀한 형상 유지 필요	국부 열원으로 소재 변형 최소화	표면 요철, 형상 정밀도 유지 중요

1. 하이브리드 레이저 아크 용접

일반 레이저 용접이 높은 에너지 밀도로 깊은 침투는 가능하지만, 갭에 대한 허용 범위가 작다는 단점이 있습니다. 여기에 아크 용접을 결합하면 갭 허용 오차가 넓어지고 용입이 깊어지며, 전기 아크는 레이저에 의해 보다 안정적으로 유지될 수 있습니다. 하지만 두 에너지원 간의 복잡한 상호작용 때문에 시스템 설계와 공정 제어가 더욱 정교해져야 합니다. 마치 두 사람이 서로 다른 도구로 하나의 조각을 만드는 것처럼 협업의 정교함이 요구됩니다.

2. 두꺼운 단면 재료 용접

50mm 이상의 강재를 한 번에 관통하는 용접은 전통적으로 아크 용접이 주도했지만, 고출력 파이버 레이저(15~30kW)의 등장으로 레이저 단독으로도 깊은 침투가 가능해졌습니다. 특히 다층 패스 없이도 한 번에 용입 가능한 점은 시간과 후처리를 절감하게 합니다. 다만 열 분산 제어와 응고 균열 방지가 어렵기 때문에, 일반적으로는 하이브리드 방식이나 다단 공정으로 보완합니다.

3. 초박막 재료 용접

얇은 금속 시트를 용접할 때는 레이저의 정밀한 에너지 전달이 매우 유리합니다. 200μm 이하의 재료도 열 영향을 최소화하며 접합할 수 있지만, 용융 깊이가 너무 얕아 절단처럼 작용할 수 있습니다. 따라서 시트 간 밀착 상태와 표면장력 제어가 중요하며, 경우에 따라서는 펄스 조건이나 스캐닝 전략을 조정해 용접 품질을 확보해야 합니다.

4. 이종 재료 용접

예를 들어 알루미늄과 구리처럼 성질이 다른 금속을 결합할 때는, 용융된 영역에서 서로 다른 확산 속도와 화학 반응으로 인해 금속간 화합물(IMC)이 형성되고 이는 균열이나 부식의 원인이 됩니다. 이때 레이저의 국부 에너지 집중은 이러한 영향을 줄일 수 있지만, 열 제어와 재료 과학적 이해가 전제되어야 하며, 경우에 따라 중간층을 삽입하는 등 보조 전략이 필요합니다.

5. 기공 제어

알루미늄과 같은 경량 합금은 용접 중 기공이 자주 발생합니다. 이는 용융풀 내에 갇힌 가스나 플룸에 의한 것이며, 용접부의 구조적 강도를 약화시킬 수 있습니다. 이를 방지하려면 덮개 가스 제어, 사전 표면 세척, 그리고 비동축 가스 제트 등을 통해 플룸과 스패터를 효과적으로 제거하는 보조 기술이 필요합니다.

6. 네트 셰이프(Net Shape) 용접

레이저 용접은 빠른 응고로 인해 용접 비드의 형상이 균일하지 않을 수 있습니다. 이로 인해 정밀 조립을 요구하는 경우, 표면 요철이 치명적일 수 있습니다. 특히 유체가 흐르는 파이프 내부나 고정밀 기계 부품에서는 용접 비드가 원래 형상에서 벗어나지 않는 '넷 셰이프' 용접이 요구되며, 이를 위해 정밀한 빔 제어와 속도 조절, 사전 설계 최적화가 필수적입니다.

레이저 용접 기본 원리

레이저 웰딩은 국소 영역에 고출력 레이저 빔을 집속(focusing)하여, 금속의 표면을 순간적으로 용융시키고 이를 재응고시켜 접합부를 형성합니다. 이때 빔의 파장, 출력 밀도, 조사 시간, 소재의 광흡수 특성에 따라 용접 품질이 결정됩니다.

웰딩 공정 메커니즘

단계	주요 현상	세부 메커니즘	제어 변수	품질 영향 요소
1. 광흡수	레이저 에너지 → 전자 흡수	금속 표면의 자유전자들이 광자 에너지를 흡수하고, 격자에 열로 전달됨	파장, 입사각, 표면 상태, 산화막 유무	흡수율, 용융 개시 조건
2. 열전달 및 용융	국소 가열 및 열 확산	표면 온도 상승 → 국부 용융 발생, 열이 전도되어 주변 영역으로 확산	출력 밀도, 빔 직경, 조사 시간	용융 풀 크기, 열 영향부(HAZ)
3. 용융 풀 혼합	소재 용융 및 혼합	두 금속이 동시에 용융되며 공용 용융 풀 형성, 난용융 금속의 반응성 고려	주사 경로, 속도, 빔 진동	이종소재의 화학 반응, 혼합 균일성
4. 응고 및 결정화	재결정 및 접합부 형성	에너지가 제거되며 급속 냉각, 결정 핵 생성 → 성장, 잔류 응력 생성	냉각 속도, 가스 플로우, 열 방산 설계	조직 세립화, 크랙 방지, 기계적 강도

1단계 – 광흡수 (Photon Absorption)

레이저가 소재에 입사하는 순간, 금속의 자유전자들이 광자 에너지를 흡수하면서 레이저 에너지는 전자 에너지로 변환됩니다. 이 흡수율은 금속의 종류, 표면 상태, 레이저의 파장과 직접적으로 연관됩니다.

예를 들어, 구리(Cu)는 1μm 부근의 파장에 매우 낮은 흡수율(2~5%)을 보이지만, 500nm대의 그린 레이저에서는 흡수율이 30% 이상으로 증가합니다. 따라서 소재에 따라 적절한 파장을 선택하는 것이 용융 개시의 임계 조건 달성에 핵심입니다.

💡 Tip: 소재 표면의 산화막은 흡수율을 높일 수도, 낮출 수도 있습니다. 사전 클리닝 또는 프리히팅으로 흡수 조건을 제어할 수 있습니다.

2단계 – 열전달 및 용융 (Thermal Conduction & Melting)

에너지가 충분히 흡수되면, 그 에너지는 열로 전환되어 금속 격자의 진동을 유발하며 온도가 급격히 상승합니다. 이 과정에서 국부적으로 융점을 초과한 부분이 용융 풀(Molten Pool)로 전이됩니다.

열전도율이 높은 금속일수록 열 확산이 빠르므로, 동일한 조건에서도 더 넓은 영역이 가열될 수 있습니다. 이는 용접의 깊이, 폭, 열 영향부(HAZ)의 형상에 직접적인 영향을 미칩니다.

고출력 CW 레이저: 깊은 침투, 키홀 형성

펄스 레이저: 얕고 정밀한 용접, 열 영향 최소화

💡 열전달을 정밀하게 제어하려면 출력 밀도(W/cm²)와 스캔 속도(mm/s) 간의 밸런스가 매우 중요합니다.

3단계 – 용융 풀 혼합 (Melt Pool Dynamics)

용융이 시작되면, 인접한 두 금속의 접촉면에서 하나의 공용 용융 풀이 형성되며, 이때 두 소재가 실질적으로 물리적, 화학적으로 혼합됩니다.

이 단계에서 발생할 수 있는 주요 변수는 다음과 같습니다:

이종 금속 간 용융점 차이: 온도 과잉 또는 불균일 혼합 발생

열팽창 계수 차이: 응고 시 내부 응력 축적

금속간 화합물(IMC) 형성 여부: 접합 강도 저하 또는 취성 증가

💡 용융 풀 내부에서 대류가 일어나며 혼합이 이루어지기 때문에, 빔 진동(oscillation)이나 스캔 패턴을 활용해 혼합 균일성을 높일 수 있습니다.

4단계 – 응고 및 결정화 (Solidification & Bonding)

레이저가 이동하거나 소거되면, 에너지 입력이 멈추고, 고온의 용융 풀은 급속히 냉각됩니다. 이 과정에서 핵 생성(nucleation)과 결정 성장(grain growth)이 일어나며, 최종적으로 용접부가 고체화됩니다.

냉각 속도가 높을수록 결정립이 세밀하게 형성되며, 이는 전단강도와 인장강도 같은 기계적 특성에 긍정적으로 작용합니다. 반면, 냉각 속도나 냉각 방향이 불균일하면 응력 집중, 균열(hot crack), 기공(porosity)이 발생할 수 있습니다.

등방성 조직 (Equiaxed grain): 응고가 다방향적으로 진행되어 강도가 높음

주상정 (Columnar grain): 단방향 냉각으로 균열에 취약

💡 냉각 제어는 용접 중 산화 방지뿐 아니라, 결정 조직의 품질 확보에도 직결되므로 **보호가스 흐름 조건(Ar, He, N₂)**과 히트 싱크 구조 설계가 중요합니다.

광흡수의 물리적 원리

레이저 웰딩에서 ‘광흡수’ 단계는 전체 접합 공정의 효율과 품질을 결정짓는 출발점이며, 특히 소재의 종류에 따라 반응이 달라지는 이유는 레이저 파장(λ)과 금속의 전자 구조, 복사 특성이 서로 맞물려 있기 때문입니다. 레이저가 금속 표면에 도달해도, 그 에너지가 금속 내부로 ‘들어가지’ 않으면 가열도, 용융도, 접합도 일어나지 않습니다. 따라서 이 첫 단계에서 얼마나 많은 광자 에너지가 금속 내부로 흡수되느냐가 핵심이며, 이를 "흡수율(absorptance)"이라 부릅니다.

레이저는 전자기파, 즉 전자기 에너지의 흐름입니다. 금속에 이 에너지가 닿으면 다음의 물리적 현상이 순차적으로 일어납니다.

자유전자와의 상호작용

금속 내부에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자들이 많습니다. 레이저의 전자기장이 이 자유전자들을 진동시켜 에너지를 전달합니다.

전자의 에너지 흡수 → 격자로의 열 전달

전자들이 에너지를 흡수한 뒤, 이 에너지가 금속 격자(원자 배열)에 전달되며 온도가 상승하고 가열이 시작됩니다.

반사 vs 흡수 vs 투과

입사된 빛은 전부 흡수되는 것이 아니라 일부는 반사되고, 일부만이 내부로 흡수됩니다. 금속의 종류, 표면 상태, 파장이 이 비율을 결정합니다.

여기서 ‘레이저 파장’이 결정적입니다. 아래는 핵심 개념입니다.

금속의 전자는 특정 파장의 빛에 더 민감하게 반응합니다.

특히, 파장이 짧아질수록 금속은 보통 더 많은 에너지를 흡수합니다.

하지만 일부 금속(예: 구리, 금)은 특정 파장에서 반사율이 매우 높아 흡수가 어려워집니다.

금속 소재	YAG 레이저(1064nm) 흡수율	그린 레이저(532nm) 흡수율	블루 레이저(450nm) 흡수율
구리(Cu)	약 3~5%	약 30%	40~60%
알루미늄(Al)	약 5~7%	약 15~20%	20~30%
철(Steel)	약 30~40%	약 50%	약 60%

💡 파장이 짧을수록 에너지가 크기 때문에, 금속 표면 전자가 더 효율적으로 반응합니다. 또한 짧은 파장은 반사보다는 산란이나 흡수로 이어지기 쉬운 특성이 있습니다.

주요 용접 파라미터

레이저 용접에는 전력 밀도, 레이저 펄스 파형, 초점 흐리기, 용접 속도 및 보조 보호 가스 등 레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 많은 공정 변수가 있습니다.

파라미터 항목	설명 및 정의	주요 영향 요인	용접 품질에 미치는 효과
출력 밀도(Power Density)	단위 면적당 레이저 출력[W/cm2W/cm^2W/cm2]	레이저 출력, 초점 직경	🔸높을수록 키홀 용접 유리🔸낮을수록 열전도 용접에 적합
펄스 파형(Pulse Profile)	시간에 따른 출력 변화 형태	파형 유형 (Gaussian, Top-hat 등), 상승/하강 시간	🔸재료 반사율 변화에 대응🔸입열 제어, 크랙/기공 방지
펄스 폭(Pulse Duration)	펄스 1회의 지속 시간[μs∼ms\mu s \sim msμs∼ms]	레이저 타입, 공진기 구조	🔸길수록 침투 깊이 증가🔸짧을수록 정밀 가공 적합
디포커싱 양(Defocus Distance)	초점 위치와 재료 표면 간 거리[+ 또는 – 값]	렌즈 배치, Z축 위치	🔸Negative: 깊은 용융 풀🔸Positive: 얕고 넓은 비드 형성
용접 속도(Welding Speed)	레이저 빔이 이동하는 속도[mm/s∼m/minmm/s \sim m/minmm/s∼m/min]	CNC 속도, 가공 패턴	🔸느리면 깊은 침투, 타공 우려🔸빠르면 결함(미융착) 발생 가능
레이저 파장(Laser Wavelength)	레이저 빛의 파장[nmnmnm]	발진기 종류 (파이버, 디스크, CO₂ 등)	🔸재료 흡수율에 영향🔸금속 재료별 최적 파장 존재
빔 직경(Beam Diameter)	초점 지점에서의 빔 크기[μm∼mm\mu m \sim mmμm∼mm]	콜리메이션, Fθ 렌즈 사양	🔸작을수록 고출력 밀도🔸크면 비드 폭 증가, 정밀도 감소
보조 가스 종류(Shielding Gas)	용융풀 보호 및 플라즈마 억제 가스	헬륨, 아르곤, 질소	🔸산화 방지, 냉각 조절🔸플라즈마 억제로 침투 안정화
보조 가스 분사 조건	분사 방향, 속도, 압력 등	노즐 각도, 거리, 유량	🔸가스 정렬 불량 시 공정 불량🔸열 영향부 및 표면 품질 개선
펄스 주기/주파수(Pulse Frequency)	펄스가 반복되는 속도[Hz∼kHzHz \sim kHzHz∼kHz]	트리거 신호, 발진 모드	🔸주기 짧을수록 연속성 높음🔸너무 빠르면 과열 및 스퍼터링 유발

레이저 출력 밀도

더 높은 출력 밀도를 높일 수록 표면 층을 마이크로초 이내에 끓는점까지 가열하여 대량의 기화를 생성시킬 수 있습니다. 따라서 높은 출력 밀도는 드릴링, 절단, 조각과 같은 재료 제거 공정에 매우 유리합니다. 전력 밀도가 낮으면 표면 온도가 끓는점에 도달하는 데 몇 밀리초가 걸립니다. 표면이 증발하기 전에 바닥층이 녹는점에 도달하여 양호한 용융 용접을 형성하기 쉽습니다. 따라서 열전도 레이저 용접에서는 전력 밀도 범위가 104~106W/입니다.

펄스 파형

펄스 파형은 재료 제거와 재료 용융을 구별하는 중요한 매개변수일 뿐만 아니라, 가공 장비의 크기와 비용을 결정하는 핵심 매개변수이기도 합니다. 고강도 레이저 빔을 재료 표면에 조사하면 레이저 에너지의 60~90%가 재료 표면에서 반사되어 손실됩니다. 특히 금, 은, 구리, 알루미늄, 티타늄과 같이 반사율이 강하고 열전달이 빠른 재료의 경우 이러한 손실이 더욱 큽니다. 레이저 펄스 신호 동안 금속의 반사율은 시간이 지남에 따라 변합니다. 재료의 표면 온도가 녹는점까지 상승하면 반사율은 급격히 떨어지고, 표면이 용융 상태일 때는 반사율이 일정 값에서 안정됩니다.

펄스 폭

펄스 폭은 용융 깊이와 열영향부에 영향을 미칩니다. 펄스 폭이 길수록 열 영향 부위가 커지고 용융 깊이는 로 증가합니다. 펄스 폭을 늘리면 피크 전력이 감소하므로 열전도 용접에는 일반적으로 펄스 폭을 늘리는 방법이 사용됩니다. 그렇게 형성된 용접 크기는 넓고 얕아서 특히 얇은 판과 두꺼운 판의 겹침 용접에 적합합니다. 반면 피크 전력이 낮으면 과도한 열 입력이 발생할 수 있으며, 각 재료에는 침투를 극대화하는 최적의 펄스 폭이 있습니다.

디포커싱

레이저 용접은 일반적으로 어느 정도의 초점 흐리기가 필요한데, 레이저 스팟 중심의 전력 밀도가 너무 높아서 쉽게 증발이 일어나고 구멍이 생길 수 있습니다. 각 평면에서 레이저 초점으로부터 멀어질수록 전력 밀도 분포는 비교적 균일합니다. 디포커싱 방법은 두 가지가 있습니다. 초점면이 작업물 위에 있으면 Positive de-focus 이고, 그렇지 않으면 Negative de-focus 입니다. 기하 광학 이론에 따르면, Positive de-focus 와 Negative de-focus 과 용접 평면 사이의 거리가 같을 때 해당 평면의 전력 밀도는 거의 같지만 실제로는 얻어지는 용융 풀의 모양에 어느 정도 차이가 있습니다. Negative de-focus의 경우, 더 큰 용융 깊이를 얻을 수 있으며, 이는 용융풀의 형성 과정과 관련이 있습니다.

용접속도

용접 속도는 표면 품질, 침투 깊이, 열 영향부 등을 결정합니다. 용접 속도는 단위 시간당 열 입력량에 영향을 미칩니다. 용접 속도가 너무 느리면 열 입력이 너무 커서 작업물이 타버릴 수 있습니다. 용접 속도가 너무 빠르면 열 입력이 너무 적어서 작업물이 용접되지 않을 수 있습니다. 일반적으로 용접 속도를 낮추는 방법은 침투 깊이를 개선하기 위해 채택됩니다.

보조가스 분사

보조가스는 고출력 레이저 용접 반드시 필요합니다. 한편으로는 금속 재료가 튀어나와 초점 거울을 오염시키는 것을 방지하기 위함인데, 이는 용접 과정 중에 생성되는 플라즈마가 과도하게 집중되어 레이저가 재료 표면에 도달하는 것을 방해하는 것을 방지하기 위함입니다.

레이저 용접 공정에서는 용융 풀을 보호하고 용접 공정 중에 작업물이 산화되는 것을 방지하기 위해 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 가스를 사용하는 경우가 많습니다. 보호 가스의 종류, 공기 흐름 크기, 분사 각도와 같은 요소는 용접 결과에 큰 영향을 미칩니다. 다양한 분사 방법도 용접 품질에 영향을 미칩니다.

헬륨은 쉽게 이온화되지 않습니다(이온화 에너지가 더 높음). 이로 인해 레이저가 매끄럽게 통과하고 빔 에너지가 방해 없이 작업물 표면에 도달합니다. 이것은 레이저 용접에 사용하는 가장 효과적인 보호 가스이지만, 비교적 비쌉니다.

아르곤은 가격이 저렴하고 밀도가 더 높아서 더 나은 보호 기능을 제공합니다. 그러나 고온 금속 플라즈마에 의해 이온화되기 쉽고, 이로 인해 작업물에서 나오는 광선의 일부가 가려져 용접의 유효 레이저 출력이 감소하고, 용접 속도 및 침투 깊이가 손상되는 문제가 있습니다. 보호가스로 아르곤을 사용하면 헬륨을 보호가스로 사용할 때보다 용접 표면이 더 매끄럽습니다.

질소는 가장 저렴한 보호 가스이지만 흡수와 같은 야금학적 문제로 인해 일부 유형의 스테인리스 강철을 용접하는 데 적합하지 않습니다. 이로 인해 때때로 중첩 영역에 기공이 발생합니다.

레이저 용접 유형

레이저 용접은 다양한 공정 목적과 소재, 형상, 생산성 요건에 따라 세분화된 방식으로 분류할 수 있습니다.

대분류	중분류	소분류	특징 및 용도
용융풀 형성 방식	전도(Conduction) 용접	-	얕은 침투, 미세 부품용, 표면 균일한 열 전달
ㅤ	키홀(Keyhole) 용접	-	깊은 침투, 증기압 형성, 고출력/고속 용접 가능
레이저 발진 모드	연속파(CW) 용접	-	안정된 열 공급, 심부 용접 및 고속 용접에 적합
ㅤ	펄스 용접	마이크로조인팅, 얇은 판재 등	국부적 에너지 집중, 열 영향 최소화, 정밀 가공에 유리
스캔 방식	고정빔 용접	-	작업물 이송에 의존, 구조 간단, 정밀 위치 제어 필요
ㅤ	빔 스캐닝 용접	Galvo 스캐닝, Polygon 스캐닝 등	고속 대응 가능, 유연한 경로 제어, 멀티포인트 가공에 최적화
레이저 이동 방식	직접 이동 용접	로봇/가공 헤드 이송	다양한 형상 적용 가능, 자동화 용이
ㅤ	리모트(Remote) 용접	멀티포인트 스캔, 큰 스탠드오프 거리	고속, 고정밀, 비접촉식, 자동차 산업에서 널리 사용
조인트 형상 기준	맞대기 용접	-	두 소재의 평면을 수직 접합, 판재 구조물 등 일반적
ㅤ	겹침 용접	-	레이저가 윗재를 관통하며 하부재까지 용접, 배터리 탭 등에서 흔히 사용
ㅤ	필렛(Fillet) 용접	-	L자 형태 결합부에 적합, 프레임 구조에 적용
용접 재료 기준	동종재 용접	철-철, 알루미늄-알루미늄 등	동일 재질끼리의 용접, 열전도·용융 일관성 확보 쉬움
ㅤ	이종재 용접	철-알루미늄, 구리-니켈 등	서로 다른 물성을 가지는 재질 접합, 열팽창 차이로 인해 균열 관리 필요
어플리케이션 방식 기준	마이크로 용접	의료기기, 전자부품, 센서 등	수십~수백 μm 단위, 매우 정밀하고 열 영향 최소화
ㅤ	고출력 심용접	자동차 차체, 배터리 케이스 등	수 mm~수 cm의 깊이, 고속·고효율 대형 용접에 적합

키홀 용접과 전도 용접

구분	전도 용접 (Conduction Welding)	키홀 용접 (Keyhole Welding)
에너지 밀도	낮음 (10⁴~10⁵ W/cm² 수준)	매우 높음 (10⁶~10⁷ W/cm² 이상)
열 전달 방식	표면에서 내부로의 전도(Conduction)	증기압에 의한 국소적인 증기채널(Keyhole) 형성 및 깊은 열 침투
용융풀 형성 방식	표면 중심의 얕은 용융, 넓은 열 영향 구역	깊고 좁은 용융풀, 용접 깊이에 비해 폭이 작음
침투 깊이	수백 μm ~ 1 mm 이하	수 mm ~ 수 cm까지 가능 (재료 및 출력에 따라 다름)
열 영향부(HAZ)	넓음, 주변 재료에 열 손상 가능	좁음, 고속 냉각으로 인해 미세조직 제어 용이
입열 제어	정밀한 제어 가능, 출력 조정으로 안정적	열 집중도가 높아 제어 어려움, 키홀 붕괴나 불안정성 위험 존재
용접 속도	느림 (0.1~10 mm/s 수준)	빠름 (수십~수백 mm/s)
적용 재료	얇은 판재, 비금속 재료, 미세부품 등	두꺼운 금속, 고반사/고열전도 재료(구리, 알루미늄 등)
대표 어플리케이션	의료기기, 센서, 얇은 배터리 탭, 전자부품 접합	자동차 차체, 배터리 하우징, 금속 프레임, 열교환기 등
장점	열 손상 적고 품질 제어 용이, 미세가공에 적합	고속, 고침투 가능, 생산성 높음
단점	침투 깊이 한계, 구조용 용접에는 부적합	품질 변동성, 공정 조건 민감, 기공이나 키홀 붕괴 가능성 있음

전도 용접(Conduction Welding)의 원리와 특성

전도 용접은 말 그대로 레이저로 금속 표면을 가열하고, 열이 전도되어 금속을 녹이는 방식입니다. 표면에서 발생한 열은 재료 내부로 천천히 전달되며, 용융풀은 비교적 얕고 넓은 면적으로 퍼지는 형태를 가집니다. 이 방식은 에너지 밀도가 낮고, 증기압이 충분히 형성되지 않기 때문에 ‘키홀’이 생성되지 않습니다.

🔍 비유로 설명하자면, 전도 용접은 뜨거운 숟가락을 천천히 초콜릿 위에 올려놓는 것과 비슷합니다. 초콜릿이 숟가락과 맞닿은 표면부터 서서히 녹으며 아래로 스며드는 방식입니다.

이 방식은 얇은 재료, 미세 부품, 전자 부품, 의료기기 등에서 널리 사용됩니다. 또한, 출력 제어나 열 영향 제어가 용이하다는 장점이 있어 열변형에 민감한 어셈블리에 적합합니다. 단점은 깊이 침투가 어렵기 때문에 기계적 강도가 중요한 구조물 용접에는 한계가 있습니다.

키홀 용접(Keyhole Welding)의 원리와 특성

키홀 용접은 고출력 레이저를 금속에 조사하여 국소적으로 매우 높은 에너지 밀도를 발생시키고, 금속을 순간적으로 증발시켜 증기압에 의해 좁고 깊은 증기채널(keyhole)을 형성하는 방식입니다. 이 키홀 안으로 레이저 빔이 더 깊게 침투하면서 깊고 좁은 용융풀을 형성합니다.

🔍 비유하자면, 키홀 용접은 ‘고온의 송곳’을 초콜릿에 찔러 넣는 것과 같습니다. 강한 열로 빠르게 내부를 뚫고 들어가며 깊은 구멍을 형성하죠.

이 방식은 침투 깊이가 깊고 용접 속도가 매우 빠르며, 자동차, 에너지, 항공우주 등 구조 강도가 요구되는 대형 어셈블리에 적합합니다. 하지만 키홀의 불안정성, 기공 형성, 키홀 붕괴 등 품질 문제가 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 가공 조건의 정밀한 제어, 실시간 공정 모니터링이 필요합니다.

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언제든지 친절하게 안내해 드리겠습니다.

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