안녕하세요. URITTO입니다.
저는 20년 동안 레이저 자동화 분야를 경험해왔습니다.
레이저 용접에서 관리하기 까다로운 불량 중 하나가 기공(Porosity)입니다.
기공이 어려운 이유는 용접 비드가 겉으로 멀쩡해 보여도 내부에 존재할 수 있기 때문입니다. 제품에 따라 접합 강도나 기밀 성능에도 영향을 줄 수 있습니다.
제가 설비를 볼 때 기공이 갑자기 증가했다고 해서 레이저 출력부터 바꾸지는 않습니다. 소재, 제품 안착, 지그, 보호가스, 광학계, 용접 조건 가운데 정상 생산 때와 달라진 부분이 무엇인지부터 확인합니다.
오늘은 레이저 용접 기공이 발생하는 대표적인 원인과 현장에서 제가 어떤 순서로 확인하는지 정리해보겠습니다.
1. 레이저 용접 기공이란 무엇일까? 🔍
한눈 요약: 용융금속이 응고되는 과정에서 가스나 증기가 빠져나오지 못하고 내부에 남은 빈 공간입니다.
레이저 용접에서는 높은 에너지가 짧은 시간에 집중되면서 소재가 녹고 금속 증기와 가스가 발생할 수 있습니다.
이 과정에서 발생한 기포가 용융금속이 굳기 전에 빠져나오지 못하면 내부에 기공으로 남을 수 있습니다.
중요한 것은 기공이 있다고 해서 모두 같은 수준의 불량으로 판단할 수는 없다는 것입니다.
기공의 크기와 위치, 개수 그리고 제품의 사용 목적에 따라 허용 기준이 달라질 수 있으므로 실제 품질 기준과 함께 판단해야 합니다.
Q. 비드가 깨끗하면 내부에도 기공이 없나요?
A. 아닙니다. 표면에서는 정상처럼 보여도 내부에 기공이 존재할 수 있습니다.
2. 첫 번째 원인, 소재 표면의 오염 🧽
한눈 요약: 오일, 수분, 세정 잔류물과 표면 오염은 용접 과정에서 가스를 발생시킬 수 있습니다.
같은 설비와 같은 조건으로 용접했는데 특정 제품이나 특정 LOT에서만 기공이 늘어나는 경우가 있습니다.
이럴 때 저는 레이저 조건보다 먼저 소재 상태를 확인합니다.
소재 표면에 남아 있는 오일이나 수분, 세정액 잔류물 등이 레이저 에너지를 받으면서 기화하거나 분해되면 가스가 발생할 수 있기 때문입니다.
따라서 세척 상태뿐 아니라 보관 환경, 표면 상태, LOT 변경 여부도 같이 비교해보는 것이 좋습니다.
Q. 눈에 거의 보이지 않는 오염도 영향을 줄 수 있나요?
A. 네. 소재와 공정 조건에 따라 얇은 오염층도 영향을 줄 수 있습니다.
3. 두 번째 원인, 키홀이 불안정한 경우 🎯
한눈 요약: 깊은 용입 용접에서 키홀이 불안정하면 내부 기포가 용융금속에 갇힐 가능성이 커집니다.
고출력 레이저 용접에서는 레이저 에너지가 집중되면서 깊고 좁은 키홀(Keyhole)이 형성될 수 있습니다.
키홀이 안정적으로 유지되면 깊은 용입을 얻을 수 있지만 출력, 속도, 초점 등의 균형이 맞지 않으면 키홀 형상이 계속 변할 수 있습니다.
키홀이 급격하게 닫히는 과정에서 금속 증기나 기포가 용융풀 내부에 갇히면 기공으로 이어질 수 있습니다.
기공과 함께 스패터가 증가하거나 용입 깊이와 비드 형상이 불안정해진다면 키홀 상태도 함께 살펴볼 필요가 있습니다.
Q. 키홀 불안정은 왜 기공과 연결되나요?
A. 내부의 증기와 기포가 빠져나오기 전에 키홀이 닫힐 수 있기 때문입니다.
4. 세 번째 원인, 제품 갭과 접합 상태의 변화 📏
한눈 요약: 갭 자체보다 제품 간격과 안착 조건이 일정하게 관리되는지가 중요합니다.
제품이 지그에 정확하게 안착하지 않거나 클램핑 상태가 달라지면 접합부의 간격도 달라질 수 있습니다.
이때 용융금속의 흐름과 용입 형상이 변하면서 용접 결과도 달라질 수 있습니다.
특히 기공이 항상 비슷한 위치에서 반복된다면 레이저 출력보다 먼저 제품 공차, 지그 위치, 클램핑 상태, 접합부 형상을 확인해보는 것이 좋습니다.
다만 갭의 영향은 소재와 이음 구조에 따라 다릅니다.
예를 들어 아연도금강판의 겹치기 레이저 용접처럼 적절하게 관리된 갭이 증기 배출에 도움이 되는 공정도 있습니다.
따라서 “갭은 무조건 작을수록 좋다”라고 단정하기보다는 제품과 공정에 맞는 기준으로 관리해야 합니다.
Q. 제품 사이에 갭이 있으면 무조건 기공이 생기나요?
A. 아닙니다. 소재와 이음 구조에 따라 적절한 갭이 필요한 경우도 있습니다.
5. 네 번째 원인, 보호가스 조건 🌬️
한눈 요약: 보호가스는 유량뿐 아니라 노즐 위치와 분사 방향까지 같이 확인해야 합니다.
보호가스는 용접부를 주변 대기로부터 보호하는 역할을 합니다.
하지만 유량계 숫자가 정상이라고 해서 실제 용접점에서도 항상 동일한 상태라고 볼 수는 없습니다.
노즐 위치가 움직였거나 분사 방향이 바뀌었거나 주변 집진과 에어 흐름이 달라지면 용접점의 가스 환경도 변할 수 있습니다.
또한 보호가스는 무조건 많이 공급한다고 좋은 것이 아닙니다.
지나치게 강한 가스 흐름 역시 용융부를 불안정하게 만들 수 있으므로 제조사 권장 조건과 실제 용접 상태를 함께 봐야 합니다.
Q. 보호가스는 많이 공급할수록 좋은가요?
A. 아닙니다. 적정 유량과 안정적인 분사 조건이 중요합니다.
6. 다섯 번째 원인, 초점·출력·속도 조건 ⚡
한눈 요약: 출력, 속도, 초점은 서로 연결되어 있으므로 하나만 보고 판단하면 안 됩니다.
같은 출력이라도 용접 속도가 달라지면 단위 길이에 투입되는 에너지 조건이 달라집니다.
초점 위치가 변해도 소재에 형성되는 빔 크기와 에너지 밀도가 달라질 수 있습니다.
따라서 기공이 발생했다고 출력을 바로 높이거나 낮추는 것은 조심해야 합니다.
기공은 줄었지만 용입 부족이나 과도한 스패터, 비드 형상 변화와 같은 다른 문제가 생길 수 있기 때문입니다.
특히 기존에 정상적으로 생산하던 설비라면 새로운 조건을 만드는 것보다 최근 출력, 속도, 초점 또는 광학 조건에서 달라진 것이 있는지를 먼저 확인합니다.
Q. 기공이 생기면 출력부터 조정하면 될까요?
A. 먼저 정상 생산 조건과 무엇이 달라졌는지 확인하는 것이 좋습니다.
7. 제품 문제인지 설비 문제인지 먼저 나눠봅니다 🧐
한눈 요약: 언제, 어떤 제품에서, 어느 위치에서 발생하는지를 보면 원인의 범위를 좁힐 수 있습니다.
제가 기공 문제를 볼 때 중요하게 생각하는 것이 발생 패턴입니다.
특정 LOT에서만 발생한다면 소재나 세정 상태를 먼저 볼 수 있습니다.
여러 제품에서 동시에 증가했다면 보호유리, 초점, 보호가스, 레이저 조건 등 공통 설비 조건을 의심해볼 수 있습니다.
특정 위치에서만 반복된다면 제품 갭이나 지그, 클램핑과 궤적도 확인 대상입니다.
그래서 단순히 “기공이 몇 개 나왔다”보다 언제부터, 어떤 제품에서, 어느 위치에서 발생했는지를 기록하는 것이 원인을 찾는 데 훨씬 도움이 됩니다.
Q. 기공 원인을 빨리 좁히는 방법은 무엇인가요?
A. 발생 제품, LOT, 위치와 시간을 먼저 나눠서 비교하는 것이 좋습니다.
8. 제가 기공을 점검할 때는 이 순서로 봅니다 🛠️
한눈 요약: 쉽게 확인할 수 있는 제품과 외부 조건부터 확인한 뒤 레이저 조건으로 넘어갑니다.
제가 기본 점검 순서를 잡는다면 다음처럼 접근합니다.
- 기공 발생 제품과 위치 확인
- 소재 표면과 세정 상태 확인
- 제품 안착과 갭 확인
- 지그와 클램핑 상태 확인
- 보호가스 유량과 노즐 위치 확인
- 보호유리와 광학계 상태 확인
- 초점 위치 확인
- 출력과 용접 속도 확인
- 최근 조건과 프로그램 변경 이력 확인
여기서 중요한 원칙은 여러 조건을 한꺼번에 바꾸지 않는 것입니다.
하나를 확인하고 결과를 남겨야 실제 원인이 무엇이었는지 판단할 수 있습니다.
Q. 여러 조건을 동시에 바꾸면 더 빨리 해결되지 않나요?
A. 당장은 빨라 보여도 실제 원인을 알 수 없어 같은 문제가 반복될 수 있습니다.
9. 기공 검사는 외관만으로 끝내지 않습니다 🔬
한눈 요약: 내부 기공은 외관에서 보이지 않을 수 있으므로 제품 목적에 맞는 검사 방법이 필요합니다.
비드 외관이 좋아졌다고 내부 상태까지 반드시 좋아졌다고 볼 수는 없습니다.
제품의 품질 요구사항에 따라 단면 검사, 방사선 검사, CT 등을 이용해 내부 상태를 확인할 수 있습니다.
또한 기밀성이 중요한 제품에서는 별도의 기밀 검사를 통해 실제 누설 여부를 확인하기도 합니다.
여기서 구분할 점은 CT나 단면 검사는 내부 상태를 직접 확인하는 방식이고, 기밀 검사는 기공 자체를 보는 것보다 제품의 누설 성능을 확인하는 검사라는 점입니다.
Q. 외관만 좋아지면 조건 변경을 끝내도 될까요?
A. 아닙니다. 제품에서 요구하는 내부 용접 상태와 성능도 함께 확인해야 합니다.
10. 양산에서는 ‘정상 상태’를 기준으로 남깁니다 ✅
한눈 요약: 정상 생산 시점의 기준이 있어야 문제가 생겼을 때 무엇이 변했는지 비교할 수 있습니다.
양산에서는 조건을 한 번 잡았다고 영원히 똑같은 상태가 유지되지는 않습니다.
소재 LOT가 바뀌고, 지그가 마모되고, 보호유리가 오염되며 제품 편차도 생길 수 있습니다.
그래서 저는 정상 생산 상태에서 다음과 같은 기준을 남겨두는 것이 좋다고 봅니다.
- 소재와 세정 상태
- 제품 갭과 안착 상태
- 지그와 클램핑 상태
- 보호가스 조건
- 보호유리 상태
- 초점 위치
- 출력과 용접 속도
- 기공 발생 위치와 빈도
이 기준이 있으면 문제가 생겼을 때 새로운 조건을 무작정 찾기보다 정상 상태와 달라진 부분부터 비교할 수 있습니다.
Q. 조건을 한 번 잡으면 계속 같은 품질이 유지되나요?
A. 아닙니다. 소재와 설비 상태가 계속 변할 수 있기 때문에 기준 관리가 필요합니다.
핵심 정리 ✅
레이저 용접 기공은 단순히 출력 하나 때문에 생기는 불량이라고 보기 어렵습니다.
소재 표면 상태, 키홀 안정성, 제품 갭과 접합 상태, 보호가스, 초점·출력·속도 등 여러 조건이 서로 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 기공이 발생했을 때는 레이저 조건부터 바꾸기보다 어떤 제품에서, 어느 위치에서, 언제부터 발생했는지를 먼저 확인하고 정상 생산 상태와 비교하면서 원인을 좁혀가는 것이 중요합니다.
특히 제품이나 지그 문제인데 출력을 바꾸거나, 보호가스 문제인데 프로그램 값을 바꾸면 원인은 그대로 남을 수 있습니다.
그리고 조건을 변경한 뒤에는 비드 외관만 확인하지 말고 제품에서 요구하는 용입 상태와 내부 품질, 필요한 경우 기밀 성능까지 함께 검증해야 합니다.
실제 기공 발생 원인과 허용 기준은 소재, 제품 구조, 두께, 레이저 방식과 품질 요구사항에 따라 달라질 수 있으므로 제품별 품질 기준과 장비 제조사의 기술자료를 우선 확인해야 합니다.
당신에게 항상 좋은 일만 생길거예요 🍀