레이저용접 설비

레이저의 개발은 미국의 캘리포니아 휴즈연구소의 물리학자 시어도어 메이먼(Theodore Mainman)이 세계 최초로 레이저 발진장치를 발명했던 1960년 보다 훨씬 전인 1927년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 제안한 ‘유도방출 이론’에서부터 시작한다. 훗날 이것이 레이저의 중요한 기초원리가 됐고, 이를 토대로 레이저라는 개념을 처음 생각한 사람은 미국의 물리학자 찰스 타운스(Charles Hard Townes)다. 타운스는 암모니아의 특성을 이용해 1953년 마이크로파를 발진하고 증폭 기능이 뛰어난 장치인 메이저 (MASER: Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, 유도방출에 의한 마이크로파 증폭이란 뜻)를 발명했다. 이는 레이저의 전신으로, 빛 대신 마이크로파를 이용한다는 것만이 달랐다. 같은 시기에 구소련 레베데프 물리학연구소에 근무하던 니콜라이 바소프(Nikolai Genn Basov)와 알렉산드르 로호로프(Aleksandr Mikhailovich Prokhorov)도 암모니아 메이저를 개발하는 데 성공했다. 그리고 결국 1960년 5월 시어도어 메이먼이 최초로 레이저를 실험적으로 성공시키게 된다.

레이저가공의 시장구성
레이저용접 설비 산업의 시장구성은 레이저가공의 전체를 두고 봤을 때에는 금속가공, 마킹, 반도체 등으로 나눌 수 있는데, 용접은 이 중 금속가공에 속한다고 할 수 있겠다. 그리고 금속가공(용접/절단)용에서 CO￢2레이저가 68%를 점유하고 있다. Solid State의 주 용도는 Spot 용접용으로 볼 수 있으며 Fiber Laser는 용접 및 절단용이나, 이 중 절단이 85% 이상일 것으로 분석된다. (표1, 표2 참조)

표1. 응용분야에 따른 레이저 수익 분류 (단위: Million $)
■ 출처: Industrial Laser Solution, January/February 2012)

표2. 레이저 가공기술의 응용분야별 분류

레이저 용접 가공
레이저 용접은 집광된 레이저 빔(10⁴~106W/㎠)을 재료 표면에 조사, 키홀을 형성시킨 후 용융시켜서 용접하는 방식을 취한다. 레이저를 사용해 용접을 하게 되면 변형과 수축이 적고 용접 속도가 빠르며 자동화가 용이하다는 장점이 있다. 또한 대부분 용가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의해 용접이 이루어지기 때문에 가까이 접근할 수 없는 부재의 용접도 가능하며, 부도체 용접재를 포함, 다양한 재료를 용접할 수 있을 뿐 아니라, 이종 재료의 용접도 성공적으로 수행할 수 있다. 더욱이 레이저 용접은 진공실을 필요로 하지 않으며 좁고 깊은 접합에 적합하고, 특히 얇은 부품의 용접에 유리하다는 특징이 있으며, 그 구분은 열전도형과 깊은 용입형, 플라즈마 비드형으로 분류할 수 있다.
1) 열전도형
에너지 밀도가 비교적 작은 경우에 재료에 조사되는 빔이 단순히 표면에 흡수되어 열에너지로 전달되는 프로세스로 용입 깊이가 작고 아크 용접과 비슷한 비드 형상이 되며, 재료의 증발은 적고 플라즈마 발생은 생기지 않는다. 재료의 용융은 주로 열 전달에 의해 이루어지고 빔 모드, 용탕 표면의 빔 흡수율, 열전도율 등으로부터 용입 형상을 추정할 수 있다.
2) 깊은 용입형
에너지 밀도를 높이면 재료의 증발이 현저하게 일어나 구멍이 생기는데, 이를 키홀 현상이라 하며, 전자빔 용접과 같은 형태의 과정이다. 레이저 광은 키홀을 통해 재료 내부로 침투하여 키홀 벽에 열 에너지를 전달한다. 이 프로세스에서는 재료의 깊이 방향으로 용융 영역의 확대가 온도 기울기 및 열전도율로부터 제한을 받는데, 깊은 용입형 프로세스에서는 키홀 깊이 방향으로 분포하는 재료의 내부를 직접 가열 용융하기 때문에 좁은 폭에서도 용입 깊이를 크게 하는 비드를 얻을 수 있다.
3) 플라즈마 비드형
깊은 용입형과 키홀을 형성하는 것까지는 동일하지만, 용접 속도가 비교적 작은 경우는 키홀보다 분출하는 금속 증기 플라즈마가 많아져 플라즈마에 의해 레이저 광의 흡수, 산란이 현저하게 많아진다. 특히 CO₂ 레이저는 플라즈마에 의해 흡수되기 쉽고 표면 부근의 용융 폭이 큰 와인 컵 형태의 비드가 되어 용입 깊이는 다소 작아진다. 측면 보조 가스를 흡수시켜 플라즈마를 제거하면 어느 정도 용입 깊이를 회복할 수 있다.

 레이저 산업의 성장 속도는 하루가 다르게 진보하고 있다. 현재 레이저는 용접 뿐만 아니라, 바코드와 CD플레이어, 레이저프린터, 광통신, 의료용 레이저, 레이저가공기 등 다양한 분야와 일상에서 널리 활용되고 있다. 이처럼 셀 수 없이 많은 분야에서 인류를 위해 다양하게 활용되고 있는 레이저에 대해, 수 많은 전문가들은 ‘과거에는 발전의 정도를 가늠하는 기준이 전자였다면, 미래에는 레이저가 그 기준을 차지할 것이며 레이저의 기술에 힘입어 다른 분야의 과학도 함께 성장할 것’이라고 예측한다.
기존 방식이 갖고 있던 생산 공정상의 한계점이나 기술적인 제한 요소가 레이저 기술을 통해 개선되고 있다. 혹은 기술 개발 및 사회 변화에 따라 디자인적인 측면이 한층 향상된 고품질 제품에 대한 필요성이 증가하면서, 레이저 용접은 이제 시대적 요구를 충족시키는 자연스러운 흐름이 되고 있다. 레이저 용접을 적용하면 후처리 없이 깔끔하고 신속하게 작업이 이뤄지기 때문에 초기 투자비용은 다소 부담이 될 수 있겠지만, 고객의 요구 충족과 품질 향상의 측면에서 봤을 때 레이저 용접은 반드시 적용해야 할 공법으로 대두되고 있으며, 그 시장의 전망 또한 밝아지고 있다.
과거 반도체 시장 역시 수입이 주를 이뤘었다. 하지만 반도체 산업이 레이저 산업과 다른 점은 시장 규모다. 반도체 산업은 시장 규모 자체가 워낙 컸기 때문에 국내 대기업에서 뛰어들어 국내 시장을 확보했고 국산화에 성공시켜 현재의 규모를 자랑하게 됐지만, 레이저 산업은 이와는 다르다. 시장 자체가 협소할 뿐만 아니라 이제 와서야 국내 자체 기술력으로 레이저 용접기를 개발한다고 한들, 해외 글로벌 업체의 가격 경쟁력에서 밀리게 될 것이라는게 업체 대부분의 판단이다. 그렇다면 차라리 국내 업계가 응용 기술력으로 승부하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

출처: 메탈넷코리아