레이저 기술

1. 레이저 용접 원리

레이저 용접은 연속 또는 펄스 레이저 빔을 사용하여 수행할 수 있습니다. 레이저 용접의 원리는 열전도 용접과 레이저 심부 침투 용접으로 구분됩니다. 전력 밀도가 10 ⁴ ~10⁵ W/CM ² 열전도 용접으로, 침투 깊이가 얕고 용접 속도가 느린 특징이 있다. 전력 밀도가 10보다 클 경우 ⁵ ~10⁷ W/CM ² 금속 표면이 가열되어 "공동(cavities)"이 형성되며, 이로 인해 침투 깊이가 큰 용접이 이루어지는데, 이는 용접 속도가 빠르고 용접부의 깊이대폭비(depth-to-width ratio)가 큰 특징을 가진다.

열전도 레이저 용접의 원리는 다음과 같다: 레이저 복사에 의해 가공 대상 표면이 가열되고, 표면에서 발생한 열이 열전도를 통해 내부로 확산된다. 레이저 펄스의 폭, 에너지, 피크 전력, 반복 주파수 등 레이저 파라미터를 제어함으로써 공작물이 용융되어 특정 형태의 용융 풀(molten pool)이 형성된다.

기어 용접 및 금속학적 박판 용접에 사용되는 레이저 용접 장치는 주로 레이저 심침투 용접(laser deep penetration welding)을 적용한다. 레이저 심침투 용접의 원리는 아래에서 자세히 설명할 것이다.

레이저 심부 침투 용접은 일반적으로 연속 레이저 빔을 사용하여 재료를 접합하는 방식이다. 이 공정의 금속학적 물리학적 원리는 전자 빔 용접과 매우 유사하며, 에너지 변환 메커니즘은 ‘키홀(keyhole)’ 구조를 통해 이루어진다. 충분히 높은 파워 밀도의 레이저 조사 하에서 재료가 기화되며 키홀이 형성된다. 이 증기로 채워진 키홀은 흑체처럼 작용하여 입사 빔의 거의 모든 에너지를 흡수한다. 키홀 내부의 평형 온도는 약 2500℃에 이른다. °C. 이 고온 키홀의 외벽으로부터 열이 전달되어 주변 금속을 용융시킨다. 키홀 내부는 빔 조사 하에서 벽 재료가 지속적으로 기화함으로써 생성된 고온 증기로 채워진다. 키홀 벽면은 용융 금속으로 둘러싸여 있고, 액체 금속은 고체 재료를 둘러싼다(대부분의 기존 용접 공정 및 레이저 전도 용접에서는 에너지가 먼저 작업물 표면에 집적된 후 내부로 전달된다). 키홀 벽면 외부의 액체 흐름과 표면 장력은 키홀 내부에서 지속적으로 발생하는 증기 압력과 동적 평형을 이룬다. 레이저 빔이 키홀 내부로 계속 유입됨에 따라 키홀 외부의 재료는 계속 흐른다. 레이저 빔이 이동함에 따라 키홀은 안정적인 흐름 상태를 유지한다. 즉, 키홀과 그 주변의 용융 금속은 가이드 빔과 동일한 속도로 전진한다. 용융 금속은 키홀이 이동한 후 남은 공간을 채우고 응고되며, 이로써 용접 부위가 형성된다. 이러한 모든 과정은 매우 신속하게 일어나므로 용접 속도는 쉽게 분당 수 미터에 달할 수 있다.

2. 레이저 심부 침투 용접의 주요 공정 파라미터

레이저 파워

레이저 용접은 레이저 에너지 밀도 임계값을 필요로 한다. 이 임계값보다 낮은 경우, 용입 깊이는 얕다. 이 임계값에 도달하거나 초과하면 용입 깊이가 급격히 증가한다. 플라즈마는 레이저의 공작물 표면에 대한 전력 밀도가 이 임계값(재료에 따라 달라짐)을 초과할 때만 생성되며, 이는 안정적인 심부 침투 용접의 시작을 의미한다. 레이저 전력이 이 임계값보다 낮으면 공작물 표면에서만 융해가 발생하므로, 용접은 안정적인 열전도 모드로 진행된다. 레이저 전력 밀도가 키홀 형성의 임계 조건 근처에 있을 경우, 심부 침투 용접과 열전도 용접이 번갈아 일어나며, 이로 인해 용입 깊이의 큰 변동을 동반하는 불안정한 용접 과정이 발생한다. 레이저 심부 침투 용접에서 레이저 전력은 동시에 용입 깊이와 용접 속도를 제어한다. 용접 용입 깊이는 빔의 전력 밀도와 직접적으로 관련이 있으며, 입사 빔 전력과 빔의 초점 반점 크기에 따라 결정된다. 일반적으로 일정 지름을 갖는 레이저 빔의 경우, 용입 깊이는 빔 전력의 증가에 따라 증가한다.

빔 초점 반점

빔 반점 크기는 레이저 용접에서 가장 중요한 변수 중 하나로, 이는 전력 밀도를 결정하기 때문이다. 그러나 고출력 레이저의 경우, 간접 측정 기법이 여러 가지 존재함에도 불구하고 이를 측정하는 것이 어렵다.

레이저 빔의 회절 한계 반점 크기는 광학적 회절 이론에 근거하여 계산할 수 있다. 그러나 집광 렌즈의 수차로 인해 실제 반점 크기는 계산된 값보다 더 커진다. 가장 간단한 실용적 측정 방법은 등온 프로파일로미터법(isothermal profilometry method)으로, 두꺼운 종이를 태워 흑색화한 후 폴리프로필렌 판을 관통시켜 초점 반점과 천공 직경을 측정하는 방식이다. 이 방법은 레이저 출력과 빔 조사 시간을 숙달하기 위해 실측이 필요하다.

재료 흡수율

재료에 의한 레이저 빛의 흡수는 흡수율, 반사율, 열전도율, 융점 및 기화 온도와 같은 여러 중요한 특성에 따라 달라지며, 이 중 흡수율이 가장 중요하다.

재료의 레이저 빔에 대한 흡수율에 영향을 주는 요인은 두 가지 측면으로 나뉜다. 첫째, 재료의 비저항이다. 연마된 표면의 흡수율 측정 결과에 따르면, 흡수율은 비저항의 제곱근에 비례하며, 이 비저항은 다시 온도에 따라 변한다. 둘째, 재료의 표면 상태(또는 매끄러움 정도)는 빔 흡수율에 상당한 영향을 미치므로, 용접 효과에도 크게 영향을 준다.

CO2 레이저의 출력 파장은 일반적으로 10.6 μ m. 세라믹, 유리, 고무, 플라스틱과 같은 비금속 재료는 상온에서 높은 흡수율을 가지며, 금속 재료는 상온에서 레이저 빔을 거의 흡수하지 못하지만, 재료가 용융되거나 심지어 기화될 때 흡수율이 급격히 증가한다. 표면 코팅 또는 산화막은 레이저 빔에 대한 재료의 흡수율을 향상시키는 효과적인 방법이다.

용접 속도

용접 속도는 용접 침투 깊이에 크게 영향을 미친다. 속도를 증가시키면 침투 깊이가 얕아지고, 과도하게 낮은 속도는 과용융 및 천공(버닝스루)을 유발한다. 따라서 특정 재료에 대해 주어진 레이저 출력과 두께 조건에서는 적절한 용접 속도 범위가 존재하며, 이 범위 내에서 최대 침투 깊이를 달성할 수 있다. 그림 10-2는 1018 강재에 대한 용접 속도와 침투 깊이 간의 관계를 보여준다.

보호 가스

비활성 기체는 레이저 용접 중 용융 풀을 보호하기 위해 일반적으로 사용된다. 일부 재료의 경우 표면 산화가 문제가 되지 않을 수 있으나, 대부분의 응용 분야에서 헬륨, 아르곤, 질소가 용접 중 피재의 산화를 방지하기 위해 일반적으로 사용된다.

헬륨은 이온화가 잘 일어나지 않으나(그러나 이온화 에너지는 높음) 레이저 빔이 매끄럽게 통과하여 장애 없이 피재 표면에 도달할 수 있게 한다. 이는 레이저 용접에서 가장 효과적인 쉴딩 가스이지만, 상대적으로 비용이 높다.

아르곤은 비용이 저렴하고 밀도가 높아 우수한 보호 성능을 제공한다. 그러나 고온 금속 플라즈마에 의해 쉽게 이온화되어 빔의 일부를 차단함으로써 피재에 도달하는 레이저 빔을 감소시키고, 유효 레이저 출력을 낮추며 용접 속도와 침투 깊이를 저해한다. 아르곤으로 보호된 용접부는 헬륨으로 보호된 용접부보다 표면이 더 매끄럽다.

질소는 가장 저렴한 쉴딩 가스이지만, 주로 흡수와 같은 금속학적 문제로 인해 특정 종류의 스테인리스강 용접에는 적합하지 않습니다. 이러한 문제는 때때로 접합 부위에 기공을 유발할 수 있습니다.

쉴딩 가스의 두 번째 기능은 집광 렌즈를 금속 증기 오염 및 용융 액적의 산란으로부터 보호하는 것입니다. 이는 분출되는 물질의 세기가 매우 강해지는 고출력 레이저 용접에서 특히 중요합니다.

차폐 가스의 세 번째 기능은 고출력 레이저 용접 시 발생하는 플라즈마를 효과적으로 분산시키는 것이다. 금속 증기는 레이저 빔을 흡수하여 이온화되어 플라즈마 구름으로 전환된다. 금속 증기 주변에 존재하는 보호 가스 역시 가열로 인해 이온화된다. 플라즈마가 과도하게 생성될 경우, 레이저 빔은 일부 플라즈마에 의해 흡수된다. 플라즈마는 작업 표면 상에 2차 에너지 원으로 존재하게 되어 용접 침투 깊이를 얕게 만들고 용접 풀의 폭을 넓히게 된다. 전자 재결합 속도는 전자, 이온 및 중성 원자 간 충돌 빈도를 증가시킴으로써 향상되며, 이는 플라즈마 내 전자 밀도를 감소시킨다. 중성 원자의 질량이 가벼울수록 충돌 빈도와 재결합 속도는 높아지며, 반면 가스 자체의 이온화로 인한 전자 밀도 증가를 방지하려면 이온화 에너지가 높은 보호 가스만이 사용 가능하다.

플라즈마 구름의 크기는 사용되는 쉴딩 가스에 따라 달라지며, 헬륨이 가장 작고, 그 다음으로 질소, 아르곤 순서로 점차 커진다. 더 큰 플라즈마 구름은 용접 침투 깊이를 얕게 만든다. 이러한 차이는 주로 가스 분자의 이온화 정도 차이에 기인하며, 또한 쉴딩 가스의 밀도 차이로 인해 금속 증기가 확산되는 방식에도 차이가 있기 때문이다.

헬륨은 이온화 에너지와 밀도가 가장 낮아 용융 금속 용융 풀에서 상승하는 금속 증기를 신속하게 밀어낼 수 있다. 따라서 헬륨을 쉴딩 가스로 사용하면 플라즈마를 최대한 억제할 수 있어 용접 침투 깊이와 용접 속도를 높일 수 있으며, 그 가벼운 무게로 인해 쉽게 배출되어 기공 발생 가능성을 줄일 수 있다. 그러나 당사의 실제 용접 결과에 따르면, 아르곤 쉴딩이 매우 효과적인 것으로 입증되었다.

플라즈마 구름이 용접 침투 깊이에 미치는 영향은 낮은 용접 속도에서 가장 뚜렷하다. 용접 속도가 증가함에 따라 그 영향은 감소한다.

보호 가스는 일정한 압력으로 노즐을 통해 분사되어 작업물 표면에 도달한다. 노즐의 유체역학적 형상과 출구 직경이 매우 중요하다. 보호 가스는 용접 표면을 충분히 덮을 만큼 충분히 큰 유량을 가져야 하지만, 동시에 노즐 크기는 렌즈를 효과적으로 보호하고 금속 증기 오염 또는 금속 스패터로 인한 손상을 방지하기 위해 제한되어야 한다. 또한 유량을 적절히 조절해야 하며, 그렇지 않으면 보호 가스의 층류 흐름이 난류로 전환되어 대기 유입이 용융 풀로 침입하게 되고, 결국 기공이 형성된다.

차폐 효과를 향상시키기 위해 추가적인 측면 분사 방식을 사용할 수 있으며, 이 방식에서는 보호 가스를 특정 각도로 조정된 소경 노즐을 통해 심부 침투 용접의 핀홀 내부로 직접 주입한다. 보호 가스는 작업물 표면 상의 플라즈마 구름을 억제할 뿐만 아니라, 핀홀 내부의 플라즈마 및 핀홀 형성에도 영향을 미쳐 침투 깊이를 더욱 증가시키고 이상적인 깊이-폭 비율을 갖는 용접부를 달성한다. 그러나 이 방법은 가스 유량과 유동 방향에 대한 정밀한 제어를 요구하며, 그렇지 않을 경우 난류가 쉽게 발생하여 용융 풀을 손상시키고 용접 공정의 불안정을 초래할 수 있다.

렌즈 초점 거리

용접 중 레이저는 일반적으로 집광되며, 보통 초점 거리가 63~254mm(2.5 ”~10”초점이 맺히는 지점의 크기는 초점 거리에 직접 비례한다. 즉, 초점 거리가 짧을수록 초점 지점의 크기는 작아진다. 그러나 초점 거리는 동시에 초점 심도(depth of focus)에도 영향을 미치며, 초점 심도는 초점 거리에 비례하여 증가한다. 따라서 초점 거리를 짧게 하면 전력 밀도(power density)를 높일 수 있으나, 초점 심도가 얕아지기 때문에 렌즈와 작업물 사이의 거리를 정밀하게 유지해야 하며, 침투 깊이(penetration depth) 또한 제한된다. 용접 중 발생하는 튀김(spatter) 및 레이저 모드(laser mode)의 영향으로 인해, 실제로 용접에 사용되는 최단 초점 거리는 일반적으로 126mm(5인치)이다. ”접합부(joint)가 크거나, 초점 지점의 크기를 키워 용접 부위의 크기를 확대할 필요가 있을 때는 초점 거리가 254mm(10인치)인 렌즈를 선택할 수 있다. ”이 경우, 깊은 침투를 유도하는 키홀 효과(keyhole effect)를 달성하기 위해서는 더 높은 레이저 출력 전력(전력 밀도)이 필요하다.

레이저 출력 전력이 2kW를 초과할 경우, 특히 10.6 μ m CO2 레이저 빔의 경우, 광학 시스템에 특수 광학 재료를 사용함으로 인해 집광 렌즈에 광학적 손상을 방지하기 위해 반사 집광 방식이 일반적으로 사용된다. 연마된 구리 거울이 대개 반사경으로 사용된다. 이는 효과적인 냉각 성능을 갖추고 있어 고출력 레이저 빔 집광에 자주 권장된다.

초점 위치

용접 중에는 집광 위치가 충분한 전력 밀도를 유지하는 데 매우 중요하다. 집광점과 작업물 표면 사이의 상대적 위치 변화는 용접 폭 및 용접 깊이에 직접적인 영향을 미친다. 그림 2-6은 1018 강재의 침투 깊이 및 용접 폭에 대한 집광 위치의 영향을 보여준다.

대부분의 레이저 용접 응용 분야에서, 원하는 침투 깊이를 달성하기 위해 집광점은 일반적으로 작업물 표면보다 약 1/4 깊이 아래에 위치시킨다.

레이저 빔 위치

다른 재료를 레이저 용접할 때, 레이저 빔의 위치는 최종 용접 품질을 결정하는 핵심 요소이며, 특히 오버랩 조인트보다 민감도가 높은 버트 조인트에서 더욱 그렇다. 예를 들어, 경화 강철 기어를 저탄소강 드럼에 용접할 경우, 적절한 레이저 빔 위치 제어를 통해 저탄소 성분이 주를 이루는 용접부를 형성할 수 있으며, 이는 균열 저항성이 우수하다. 일부 응용 분야에서는 용접 대상 부품의 형상으로 인해 레이저 빔을 일정 각도로 편향시켜야 한다. 빔 축과 조인트 평면 사이의 편향 각도가 100도 이내일 경우, 부품이 레이저 에너지를 흡수하는 능력에는 영향을 미치지 않는다.

용접 시작점 및 종료점에서의 레이저 출력 증가 및 감소 제어

레이저 심부 침투 용접 중에는 용접 깊이와 관계없이 항상 핀홀(pinhole) 현상이 발생한다. 용접 공정이 종료되고 전원 스위치가 꺼지면 용접 종단부에 움푹 패인 구멍(pit)이 형성된다. 또한, 레이저 용접층이 기존 용접부를 덮을 경우 레이저 빔의 과도한 흡수가 발생하여 용접 부위의 과열 또는 기공(porosity)이 유발될 수 있다.

이러한 현상을 방지하기 위해 전원의 시작 및 종료 지점을 프로그래밍하여 전원의 시작 및 종료 시점을 조절할 수 있다. 즉, 시작 전력은 짧은 시간 내에 전자적으로 0에서 설정 전력값으로 증가되며, 용접 시간도 조정된다. 마지막으로, 용접 종료 시에는 설정 전력에서 점진적으로 0까지 전력을 감소시킨다.

3. 레이저 심부 침투 용접의 특성, 장점 및 단점

레이저 심부 침투 용접의 특성

1) 높은 종횡비. 1) **깊고 좁은 용접:** 용융 금속이 원통형 고온 증기 캐비티 주위에서 형성되어 작업물 쪽으로 연장되므로, 용접부가 깊고 좁아진다.

2) **최소 열 입력:** 개구부 내부의 극도로 높은 온도로 인해 용융 과정이 매우 신속하게 진행되므로 작업물에 전달되는 열량이 매우 낮아지며, 이로 인해 열 변형 및 열 영향 구역(Heat-Affected Zone)이 최소화된다.

3) **높은 밀도:** 고온 증기로 채워진 개구부는 용접 풀의 교반과 가스 배출을 촉진시켜 기공이 없고 완전 관통된 용접부를 형성한다. 용접 후 높은 냉각 속도는 용접부 미세조직을 추가로 미세화시킨다.

4) **강한 용접:** 집중된 고온 열원과 비금속 성분의 완전 흡수로 용접부 내 불순물 함량이 감소하고, 용접 풀 내 개재물의 크기 및 분포가 변화한다. 이 용접 공정은 전극이나 충전 와이어를 필요로 하지 않아 용융 영역의 오염이 최소화되며, 이로 인해 용접부의 강도와 인성은 기본 재료와 동등하거나 오히려 이를 상회한다.

5) **정밀한 제어:** 초점이 매우 작기 때문에 용접 위치를 정밀하게 조정할 수 있다. 레이저 출력에는 '관성'이 없어 고속에서 신속한 정지 및 재시작이 가능하다. CNC 빔 이동 기술을 통해 복잡한 형상의 부품도 용접할 수 있다. 6) 비접촉식 대기 중 용접 공정. 에너지가 광자 빔에서 공급되기 때문에 작업물과의 물리적 접촉이 없어 작업물에 외부 힘이 가해지지 않는다. 또한, 자력 및 공기 모두 레이저에 영향을 미치지 않는다.

레이저 심용입 용접의 장점

1) 집속 레이저는 기존 방식에 비해 훨씬 높은 전력 밀도를 가지므로 용접 속도가 빠르고, 열영향부와 변형이 작으며, 티타늄과 같은 난용접재를 용접할 수 있다.

2) 빔이 전송 및 제어가 용이하고, 용접 토치 및 노즐을 자주 교체할 필요가 없으며, 전자빔 용접과 달리 진공 환경 조성이 필요하지 않기 때문에 가동 중단 시간이 크게 줄어들어, 높은 부하율과 생산 효율을 달성할 수 있다.

3) 정제 효과와 높은 냉각 속도로 인해 용접부의 강도, 인성 및 종합 성능이 우수하다.

4) 평균 열 입력이 낮기 때문에 가공 정밀도가 높아 재가공 비용이 감소하며, 또한 레이저 용접의 운영 비용도 낮아 부품 가공 비용을 절감할 수 있다.

5) 빔 강도와 정확한 위치 조정이 효과적으로 제어될 수 있어 자동화 운영이 용이하다.

레이저 심용접의 단점

1) 용접 깊이가 제한적이다.

2) 작업물 조립에 대한 높은 요구 사항.

3) 레이저 시스템에 대한 초기 투자 비용이 높음.