제조업 기술을 혁신하는 레이저 용접

“로봇과 결합하며 실용화 선도… 용접분야 최첨단 기술로 부각”

레이저 용접은 0.01mm의 극초 박판에서부터 50mm 정도의 후판까지 용접이 가능하고 각종 제품이나 구조물의 고품질, 저변형, 고속, 심용입이 이루어지는 용접법으로 인식되고 있다. 또한 여러 가지 용접·접합법 중에서도 시스템화, 로봇화, 자동화, 에너지 절감이 용이하기 때문에 자동차, 철도차량, 전자, 전기, 산업기기나 중공업 등 각종 산업분야에서 그 이용이 확대되고 있다. 특히, 최근 들어 레이저 장치의 고출력화, 고품질화, 고효율화, 고휘도화가 이루어짐에 따라 레이저 용접은 지그나 모니터링 장치 등 주변기술의 개발과 더불어 실용화가 더욱 진전되어 21세기에 일본의 제조업기술의 기반기술이나 최첨단기술로서 크게 부각될 것으로 기대되고 있다.

레이저의 발전 동향

지금까지 용접열원으로서는 고출력화가 용이하며 고속·심용입의 용접이 가능한 CO2 레이저와 파이버 전송이 가능하며 고유연성의 램프 유기 YAG 레이저가 개발되어 중·후강판의 코일이나 파이프, 테일러드 블랭크(Tailored blank)재, 자동차 루프(Roof), 전장부품 등의 용접에 적용되어 왔다.

최근에는 이러한 장치들의 개발은 일단락되고 전기-광변환 효율이 높으며 파이버 전송이 가능한 고유연성의 반도체 레이저(LD)나 Yb를 도핑한 레이저 매질을 이용하는 고휘도·고품질의 파이버 레이저 및 디스크(Disc)레이저의 개발이 활발하다.

여러 가지 레이저에 대한 출력과 빔 품질과의 관계를 살펴보면, 저출력에서는 파장이 약 1.06μm로 짧은 YAG 레이저, 반도체 레이저(LD), 유기고체 레이저, 디스크 레이저 및 파이버 레이저의 빔 품질이 양호하다. 그러나 고출력이 되면 YAG 레이저나 반도체 레이저의 빔 품질은 저하하며 파이버 레이저, 디스크 레이저 및 CO2 레이저의 빔 품질이 우수해진다.

레이저 가공과 관련해서 드릴링에는 저평균 출력이면서 고피크 출력의 펄스 YAG 레이저가 사용되고 있다. 플라스틱이나 박판의 용접 및 솔더링이나 브레이징에서는 반도체 레이저가 직접 또는 파이버 전송으로 사용되는 경우가 많다. 박판의 용접에서는 저출력·미세 스폿 직경의 디스크 레이저나 파이버 레이저도 연속 또는 펄스화 조건으로 검토되고 있다.

또한 퀸칭(Quenching)이나 클래딩에는 빔 형상을 개량한 레이저가 사용되며, 최근에는 고출력의 반도체 레이저에 의한 검토가 많다. 레이저 피이닝은 제2고주파의 YAG 레이저를 물속에서 조사(照射)하는 방법을 사용하였는데 최근에는 강관에 대해서 고출력 파이버 레이저를 이용하는 방법도 개발되어 있다.

레이저 절단에는 고품질·고출력의 레이저가 필요하여 CO2 레이저가 양호한 절단품질을 얻고 있다. 레이저 절단은 유럽에서는 금후 박판의 경우에는 디스크 레이저 또는 파이버 레이저가 사용되며 후판의 경우에는 고출력의 CO2 레이저가 사용될 것으로 예상된다. 일본에서는 디스크 레이저나 파이버 레이저가 기대되고 있다.

이상에서 파이버 레이저나 디스크 레이저는 고출력에서도 빔 품질이 우수하며 고휘도이며, 펄스화가 가능하기 때문에 거의 모든 가공에 적용될 수 있을 것으로 예측된다.

레이저 용접의 발전방향… 로봇 등으로 로스트타임 감소

최근의 레이저 용접 경향은 고속화, 심용입 또는 미세화 방향으로 가고 있다. 현재 고속·고생산성의 접합법으로서 가장 주목되는 것은 리모트용접·스캐너 용접이라고 하는 기술이다.

리모트 용접에는 스캐너(미러)를 움직이는 타입과 움직이지 않는 타입이 있다. 특히 미러를 움직이는 타입에서는 레이저의 가공점을 순간적으로 이동하는 것이 가능하여 기계동작(로봇 등)에 의한 로스트 타임을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다. 지금까지는 빔 품질이 우수한 CO2 레이저에 의한 리모트 용접법이 실용화되었지만 최근에는 파이버 레이저나 디스크 레이저의 빔 품질이 향상되어 리모트 용접용 열원은 CO2 레이저로부터 파이버 레이저나 디스크 레이저 등의 고체레이저로 변화되고 있다.

고체레이저에 의한 리모트 용접시스템의 경우 레이저 빔을 파이버로 전송하여 다관절 로봇을 장착한 용접 헤드에 유도하여 3차원의 용접이 가능하게 되었다. 리모트 용접에서는 레이저 유기 프레임이 크게 성장하면 시료상방의 굴절률이 작게 되어 레이저 빔이 굴절하거나 초점위치가 아래쪽으로 이동하는 일이 생겨 용융부의 형상이 변화하게 되어 용입 깊이가 얕게 되는 경우가 생기므로 팬(Fan) 등으로 프레임을 억제하는 대책이 필요하다. 이후 아연도금 강판이나 고장력강의 접합기술로써 파이버전송 레이저와 로봇을 조합시킨 리모트/스캐너 용접기술의 확립이 기대되고 있다.

철강, 중공업, 전기 분야에서 깊은 용입의 용접법 개발이 기대되고 있으며 용접 변형의 저감이나 방지를 위해 레이저 용접이나 레이저·아크 하이브리드 용접법이 기대되고 있다. 레이저 용접에서는 집광 광학계의 선택과 집광 렌즈의 냉각이 용접결함을 줄이기 위한 방법으로 주목받고 있다.

유럽에서는 여객선의 제조에 하이브리드 용접법이 사용되고 있으며 일본에서도 적용이 시작되고 있다. 하이브리드 용접에서는 용착량을 얻기 위해 아크전류가 높은 조건을 사용한다. 그러나 아크력이 증가하면 용융풀의 표면이 오목하게 되고 표면 비드폭이 넓게 되어 언더필이 형성되기 쉽기 때문에 최근의 하이브리드 용접에서는 와이어를 첨가 용융시키는 FLA 용접법이 개발되었다. 이 FLA 용접법은 박판에서부터 후판에 이르기까지 광범위한 적용이 기대되고 있다.

미세 용접분야에서는 과거의 스폿 용접이나 솔더링에 대신하여 저입열 레이저의 이용이 확대되고 있다. 레이저 용접에서는 고강도이며 스프링성능이나 의장성이 좋은 제품 제작이 가능해 안경 프레임을 위시하여 매우 다양한 분야의 미세 접합가공이 기대되고 있다. 미세직경의 파이버 레이저나 디스크 레이저는 약 50~100um 직경의 미소 용접부의 제작이 가능하기 때문에 금후 전자·전기기기 분야에서의 초정밀 미세 용접법으로써 펄스 YAG 레이저와 경합하면서 발전해 갈 것으로 예상되고 있다.

실용화 및 고품질 용접부 제작을 위한 레이저 시스템의 지능화

일본에서는 LD 여기 YAG 레이저와 로봇을 조합시킨 용접시스템이 개발되어 자동차용 아연도금 강재의 루프나 스테인리스강제 차량 구조체가 제작되고 있다.

이들 겹침용접법은 재래의 저항 점용접을 대체하는 기술이다. 이후 레이저 용접법에서는 인 프로세스 모니터링(In-process Monitoring)이나 적응제어기술의 고도화와 접합부의 고속검사 시스템의 개발이 필요하다.

고품질의 레이저 용접부를 얻기 위해서는 신뢰성 있는 모니터링 시스템을 이용한 용접프로세스의 제어가 필요하다. 프로세스 모니터링을 위한 정보로서는 플라즈마/프레임으로부터 방출되는 빛, 증기/플라즈마 또는 용융풀의 압력변화에 따른 음향, 용접재료 중의 기계적 응력에 의한 초음파, 금속증기 또는 플라즈마의 유전율 또는 플라즈마 전위, 반사 레이저광 등의 측정, 맞대기 용접부의 용융풀 및 키홀의 직접 관찰법 등이 검토되고 있다.

CO2 레이저 용접의 경우 레이저 유기 프레임 발광도를 이용하여 언더필상의 결함 검출이 가능하고 용입 깊이는 발광 및 플라즈마 전위와 상관관계가 있음이 밝혀져 모니터링 지표가 될 수 있다.

반사광을 이용하는 방법으로서는 YAG 레이저에서는 반사광만을 투과하는 간섭 필터와 Si의 포토다이오드를 장착하여 실행한다. 아연도금강판의 YAG 레이저의 겹침용접에서는 용접부의 반사광을 측정하여 양호한 접합부, 스패터 발생에 따른 언더필의 생성 및 미접합부의 3가지 상태를 측정하는 방법이 제시되어 있다.

레이저 용접에서는 비드 폭이 좁기 때문에 맞대기 이음매나 겹침 필릿(Lap Fillet) 이음부에는 센싱 기술의 개발이 필요하다. 현재 반도체 레이저 라인의 반사광으로부터 용접선을 검출하여 용접헤드를 움직여 10m/min 정도의 고속도로 용접 가능한 장치가 시판되고 있다. 연속 레이저 용접 시에는 열방사광을 모니터링하여 신호 강도와 비드 폭의 상관관계를 이용하여 박판에서의 용접 비드 폭을 일정하게 할 수 있는 적응제어법이 개발되어 있다.

정밀 미세용접에 많이 사용되는 펄스 YAG 레이저 용접에서는 재료의 표면 상태나 지그의 누르는 정도 등 아주 작은 차이에 의해서도 불량품이 발생하는 경우가 있다. 그래서 양품과 불량품을 판단하는 인 프로세스(In-process) 모니터링 방법이 개발되어 있고 나아가 수 미리 초의 단시간 용접프로세스를 마이크로초로 진단하여 양호한 용접부를 얻기 위한 레이저 적응제어법, 인프로세스 리페어링(In-process Repairing)법이 개발되어 있다.

고품질·고기능 레이저 접합부의 제작

최근 구조물 및 부품의 경량화가 요구되어 철강 재료와 경량의 Al합금이나 Mg합금 등 이종재료의 레이저 용접법에 관한 검토가 많이 이루어지고 있다. 겹침용접법에서 철강재료 측에서 레이저를 조사하여 Al 합금판의 용융을 제어함으로서 고강도의 이음매가 고속도로 제작됨이 밝혀지고 있다. 또한 철강재료와 Mg합금의 레이저 맞대기 용접에서는 레이저 빔의 조사 위치를 조정하여 접합계면의 Mg합금만이 용융토록 하여 계면 확산 접합방식으로 고강도의 이음매가 얻어짐이 발표되어 있다. 그리고 최근에는 열전도가 좋은 Cu와 경량의 Al합금의 레이저 접합법의 개발이 요구되고 있다.

최근 초경량인 플라스틱의 이용이 증가하여 금속과 플라스틱의 접합도 요구되고 있다. 과거에는 플라스틱과 금속은 구조가 다르기 때문에 레이저 접합이 불가능한 것으로 여겨왔으나 최근 플라스틱과 금속과를 레이저로 간편하게 접합하여 고강도의 접합이 가능함이 밝혀지고 나서 이종(異種)금속 간에 플라스틱을 끼우는 이종재 접합이나 플라스틱과 세라믹의 접합도 가능함이 확인되어 향후 전개가 기대되고 있다.

21C는 光의 시대… 레이저 이종재 용접에 기대

레이저용접은 점차 그 응용이 확대되고 있다. 고속도 용접을 위해서는 리모트 용접법이 주목되고 있으며, 깊은 용입의 용접법으로서는 고출력 레이저 장치의 이용이 검토되고 있다.

또한 하이브리드 용접법에 대해서도 검토되고 있다. 보통의 열원으로서는 용접이 될 수 없는 미세부의 용접에 대해서는 펄스 YAG 레이저가 이용되고 있으나 향후 파이버 레이저 또는 디스크 레이저가 대신해서 이용될 수 있을 것인가에 주목하고 있다. 실용화 단계에서 모니터링이나 적응제어기술의 개발은 중요하며 레이저 이종재 용접은 실용화가 기대되고 있다.

기술의 발전은 보통 관련 연구자 수와 예산액에 의존한다. 최근 유럽에서는 21세기는 「광의 시대」라고 인식되어 매우 많은 연구자나 기술자가 레이저 용접분야에 관여하고 있고 레이저 장치와 용접법의 연구개발에 많은 예산을 투입하고 있다.

일본에서도 레이저 용접분야가 발전하기 위해서는 레이저 용접에 관심을 갖는 연구자와 기술자가 증가하고 레이저 용접 프로젝트에 대한 투자도 활발하게 이루어지는 것이 바람직하다고 보고 있다.

전문가 제안 “용접품질 향상에 로봇이 일조한다는 인식 확산”

여러 가지 용접법 중 레이저 용접은 좁고 깊은 용입의 용접이 가능하며 매우 적은 입열 에너지로 용접이 가능하고 또한 고속 용접이 가능하다. 또한 이종(異種)재 접합과 플라스틱과 금속의 접합까지 가능함이 밝혀지고 있다.

그리고 용접공정의 시스템화, 로봇화, 자동화가 용이하여 용접공정에서 지금까지의 아크용접에 비해 정밀성과 생산성을 획기적으로 개선하고 용접부의 결함을 최소화하여 용접부의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 용접법으로 점차 인식이 확산되고 있다.

국내의 제조업에서 용접기능 인력의 고령화와 용접산업에 대한 기피현상이 심각하다. 따라서 국내의 해양, 조선 산업을 위시한 각종 제조업의 경쟁력 강화를 위해서는 제조업 기술의 핵심기반기술인 용접공정의 고도화가 필수적이다. 그러므로 앞으로 레이저 용접 및 레이저아크 하이브리드 용접공정의 대폭적인 확대적용이 제조업에서 필요하다.

레이저 용접이 앞으로 제조업 현장에서 신뢰성 있는 접합기술로 정착되기 위해서는 인 프로세스 모니터링(In-process Monitoring)이나 적응 제어기술의 고도화와 접합부의 고속검사 시스템의 개발이 국내에서 더욱 필요하다.

현재 국내에서의 레이저 용접은 자동차산업에서 테일러드 블랭크(Tailored blank)분야와 조선 조립공정에서 레이저-아크 하이브리드 용접이 부분적으로 실용화되어 있다. 그리고 매년 대한용접접합학회에서 발표되는 논문 중 약 15~20% 정도가 레이저 용접에 관한 연구가 발표되고 있으며, 이 중 대부분이 레이저-아크하이브리드 용접에 관한 내용이다.

그러나 일본이나 유럽에 비해 실용화나 연구면에서 매우 미진한 현상에 있어 국내 제조업의 고도화를 위해 레이저 용접분야에 대한 관심과 투자가 더욱 활성화되어야 할 것으로 생각한다.

* 자료 : 한국과학기술정보연구원 김영식 전문연구위원(ygskim@reseat.re.kr)

* 출처 : 片山聖二, “ものづくりを革新するレ―ザ 溶接”, 「溶接學會誌」, 78(8), 2009, pp.682~692