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우성 강
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이러한레이저들은레이저출력, 에너지변환효율, 빔전송등의측면에서제약이있기때문에얇은판재의절단, 자동화된대량생산라인의용접등제한적인분야에적용되어왔다. 그러나산업이고도화되고, 인류의생활수준향상에따른욕구증대, 에너지혹은환경문제에따른효율향상등의필요에따라보다출력이높고효율이우수한레이저에대한 Needs가증폭되어왔다.

1 8 특집 : 레이저를이용한정밀제어응용기술 이목영 A Multi Kilowatts CW Fiber Laser Welding Mok-Young Lee 1. 서론 레이저는 20세기빛의혁명이라고일컬어질정도로짧은개발역사에비하여광범위하게적용되고있다. 인류가만들어낸대표적인발명인초고속인터넷이레이저의광섬유전송에의하여실현되었으며, 의료분야에서는레이저를이용하여치료및시술을행하고있으며, 제조업에서는 MEMS에서초대형철강구조물에이르기까지레이저가광범위하게적용되고있다. 지금까지산업적으로적용된레이저는 CO 2 레이저, Nd:YAG 레이저, Diode 레이저등이있다. 이러한레이저들은레이저출력, 에너지변환효율, 빔전송등의측면에서제약이있기때문에얇은판재의절단, 자동화된대량생산라인의용접등제한적인분야에적용되어왔다. 그러나산업이고도화되고, 인류의생활수준향상에따른욕구증대, 에너지혹은환경문제에따른효율향상등의필요에따라보다출력이높고효율이우수한레이저에대한 Needs가증폭되어왔다. 최근새로운개념을기반으로한화이버레이저가출현하였는데, 안정성, 확장성, 이동성등이우수하여관심이고조되고있다. 2. 화이버레이저의개요 이크게향상되었다. 그러나여전히직경이굵은 crystal 을레이저매질로사용하여열렌즈효과에따른빔품질저하문제가발생하였다. 화이버레이저는직경이가늘고길이가긴화이버형태의레이저매질을이용하여빔품질이우수하고, 출력증가가쉬우며, 효율이높은장점이있다. 그림 1에 rod, 화이버및 disk 형태의레이저매질을나타내었다. 화이버레이저의여기광원은 single emiter diode 를사용하는데, 이것은적층다이오드에비해열발생이적어수명이길고 micro cooling channel 대신에냉각판을사용하므로서냉각수의순도및온도의존성이 Fig. 1 Laser pumping medium 근적외선파장의고체레이저는재료에대한레이저빔의흡수율이우수하고광섬유전송이가능하여산업적용이급격히증가하고있다. 초기의 Nd:YAG 레이저는램프여기에의하여레이저를발생시켰는데, 아크램프는자외선에서부터적외선까지전영역의빛이방출된다. 그러나레이저발진에는 700~900nm 파장범위의일부빛만이사용되며, 그이외의빛은열로변환되어냉각매체를이용하여제거하여야한다. 다이오드레이저여기방식은유효여기파장의레이저만을방출하는다이오드레이저를이용하여레이저효율 Fig. 2 Single emit diode 318 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

9 적으며, 하나의셀이파손되는경우인접한셀이연쇄적으로파손되는 snowball 효과가없기때문에출력이균일하다. 여기용다이오드는광섬유에의하여전송되며이광섬유는 active fiber 에융착되어손실이적고, 기계적진동혹은분진 / 습기등의환경적외란에강건하며, 수명이반영구적이다.

그림 4에나타낸바와같이화이버레이저에서 active fiber 는내측 glass 클래딩및그외측의 polymer 클래딩의이중클래드구조를갖는다. Single emiter로부터방출되는펌핑광원은 glass 클래딩층에입사되고내측 / 외측경계면에서의연속적인반사에의하여클래드층을투과하면서레이저매질을여기시켜레이저를발진시킨다.

여기서 λ B; 브래그파장, n; 광섬유굴절률, Λ; 격자간격화이버레이저의개념은 1963년 Elias Snitzer 에의하여처음고안되었으며, 1980년대후반에이르러서야상업화가되었다. 그후 1990년대에 4W Erbium- doped 화이버레이저가개발되어와트레벨레이저의시대가열렸으며, 그후괄목할만한성장이지속되어최근에는 kw 이상의레이저를생산하고있다.

2 9 적으며, 하나의셀이파손되는경우인접한셀이연쇄적으로파손되는 snowball 효과가없기때문에출력이균일하다. 여기용다이오드는광섬유에의하여전송되며이광섬유는 active fiber 에융착되어손실이적고, 기계적진동혹은분진 / 습기등의환경적외란에강건하며, 수명이반영구적이다. 화이버레이저의펌핑방식은 side pumping 및 end pumping 이있는데, 수kW 이상의대출력에는 side pumping 방식을사용한다. 그림 3에 side pumping 방식의모식도를나타내었다. 이방식은 active fiber의측면에펌핑레이저화이버를융착하는것으로외형치수가작으며다수의펌핑레이저배치가용이하여출력증대에유리하다. 그림 4에나타낸바와같이화이버레이저에서 active fiber 는내측 glass 클래딩및그외측의 polymer 클래딩의이중클래드구조를갖는다. Single emiter로부터방출되는펌핑광원은 glass 클래딩층에입사되고내측 / 외측경계면에서의연속적인반사에의하여클래드층을투과하면서레이저매질을여기시켜레이저를발진시킨다. 레이저매질에서광증폭을위해서는매질의양단에서반사를시켜야하므로한측은전반사거울을, 다른한측은 50% 를반사시키는부분반사거울을사용한다. Side pumping 방식의화이버레이저에서는광섬유격자 (FBG, Fiber Bragg Grating) 을설치하여레이저를반사시켜반복적으로증폭시킨다. 광섬유격자에의하여반사되는레이저의파장은다음식과같다. 여기서 λ B; 브래그파장, n; 광섬유굴절률, Λ; 격자간격화이버레이저의개념은 1963년 Elias Snitzer 에의하여처음고안되었으며, 1980년대후반에이르러서야상업화가되었다. 그후 1990년대에 4W Erbium- doped 화이버레이저가개발되어와트레벨레이저의시대가열렸으며, 그후괄목할만한성장이지속되어최근에는 kw 이상의레이저를생산하고있다. 화이버레이저는직경 0μm 가량의가는 active fiber 를사용하여빔품질이우수한것으로알려져있다. 그림 7은레이저출력 kw 화이버레이저의빔품질을측정한예로서, process fiber 직경 300μm 및집속렌즈의초점거리 300mm 인경우초점위치근방의유효빔직경을나타낸것이다. 그림 8은특정의초점위치에서레이저빔의 3차원강도분포를나타낸것이다. (a) 는정초점위치로부터 -mm 상단즉, 정초점위치를소재내부 mm 로설정한경우시편표면에서의레이저빔강도분포를보여준다. 두께 mm 이상의두꺼운소재용접에서는초점위치를소재내부에설정하는데, 이때키홀이형성되기전소재표면 Input signal λ Bragg λ 0 Bragg grating A Fiber core Fig. 5 광섬유격자의개념도 Fiber cladding Output signal λ0 Power(kW) Fig. 3 Schematic view of side pumping Year Fig. 6 The increase of the output power Fig. 4 Schematic design of active fiber Fig. 7 Beam quality of fiber laser 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 319

화이버레이저는확장성이우수하여레이저의용량이비교적가파르게증가하여최근에는 30kW 급 CW 레이저가양산판매되고있다. 그림 9는최대출력 30kW CW 화이버레이저의외형을나타낸것으로, 3개의화이버발진캐비넷으로구성되었다. Feeding fiber의직경은 200μm, BPP는.

3 이목영 (a) δ=-mm (b) δ=0mm (c) δ=+mm Fig. 8 3-D Energy distribution of fiber laser 에조사되는레이저빔의강도분포에해당한다. 레이저빔중심으로부터거리에반비례하여강도는비교적완만하게감소하여상대적으로낮은강도구배를보인다. (b) 는정초점위치의강도분포를나타낸것으로, 유효레이저빔직경내에서강도변화는크지않으며그외주에서는강도구배가매우급격하였다. (c) 는레이저정초점위치로부터 +mm 하부에서의강도분포를나타낸것으로 (a) 의 -mm 상부에서의강도분포와유사하여매우우수한빔품질을보였다. 화이버레이저는확장성이우수하여레이저의용량이비교적가파르게증가하여최근에는 30kW 급 CW 레이저가양산판매되고있다. 그림 9는최대출력 30kW CW 화이버레이저의외형을나타낸것으로, 3개의화이버발진캐비넷으로구성되었다. Feeding fiber의직경은 200μm, BPP는.8mm mrad 이며, 발진기의바닥면적은 2m 2 이고, 소모전력은 5kW로 28% 가량의효율을나타낸다. 화이버레이저는직경이가는 active fiber 및 single emiter 여기광원을사용하고, 화이버융착에의한 optical coupling 을사용하여소모부품이적으므로유지비용이저렴하다. 그림 은레이저종류에따른단위시간당용접비용을비교한것이다. 동일한레이저출력에대해초기투자비는기존의 CO 2 레이저혹은램프펌핑 Nd:YAG 레이저에비하여다소높지만낮은출력으로도종래의레이저와유사한용접성능을얻을수있 Fig. 9 Feature of 30kW CW fiber laser in [$/hour] USA Laser Operating Cost ( 8 year in use ) for welding application FIBER CO2 DISC YAG Laser source WELDING & LASER GAS FLOOR SPACE MAINTENANCE ELECTRIC REPLACEMENT PARTS DEPR. & INTEREST Fig. Cost comparison according to laser type 다는점에서유사할것이다. 그외에소모품, 전력, 가스의비용이상대적으로적게소요되며, 유지 / 보수인력및기회손실비용, 공간활용등종합적으로화이버레이저의용접비용이가장저렴하다. 레이저의수명 8년을기준으로자동차용강판에대한용접비용은시간당 15,000~20,000원가량이소요되며, 레이저출력즉용접두께에비례하여증가된다. 3. 대출력화이버레이저의응용 2006년부터출시가되기시작한 kw 이상의화이버레이저는조선, 파이프라인, 중공업, 토목 / 건축등에적용이기대된다. 대출력화이버레이저의초기응용은자동차차체조립공정의 remote 용접이다. 광학계혹은피용접재를이송하는종래의용접에서는용접속도에한계가있지만, 광학계를회전 (tilting) 시켜레이저빔을이송하는 remote 용접에서는초고속용접이가능하다. 특히자동차차체조립공정의부분 (stitching) 용접에서용접 seam 사이의이송시간을최소화하여사이클타임이크게향상되므로, 동일한생산설비에서생산량이증가된다. 그림 11에 remote 용접의개념을나타내었다. 초기에는 slab CO 2 레이저를이용하였는데, 플라즈마에의한레이저빔의흡수 / 산란및곡면부위용접의제약으로적용이어려웠다. 램프펌핑 Nd:YAG 레이저는플라즈마에의한외란이적고, 광섬유빔전송으로곡면용접에는유리하지만, 집속광학계의초점이짧기때문에실효성이적었다. 화이버레이저는이러한문제점해결이가능하여양산적용이활발히추진되고있다. 화이버레이저는출력증강이용이하여그역사에비하여단시간에매우높은출력의레이저가개발되었다. 두께 6mm 이하의열연강판혹은냉연강판의용접은기존의레이저혹은아크용접으로도충분하므로, 화이버 320 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

11 Optical head or scanner Lamp pumped Nd:YAG Laser Diode pumped Nd:YAG Laser Disc Laser Finer Laser Fig. 11 Concept of remote laser welding Fig.

두께 25mm의스테인리스강을 1m/min 의속도로용접이가능하며, 20m/min 의용접속도로는두께 3mm까지 1 패스로용접이가능하다. 최대출력 kw 이상의화이버레이저는두께가두꺼운후판의용접이가능하다는장점을갖고있지만, 용접시 0.

Katayama 등은에서플라즈마와레이저빔의상호작용을알아보았다 ( 그림 13). 화이버레이저와동일한파장의 probe laser 를키홀상부의플라즈마형성부위에조사하고맞은편에설치된세 30 YLR 20000 라믹판에반사되는레이저의형태를관찰하였다.

조선산업에서레이저를적용하기위해서는출력 kw 이상의레이저가요구되었으며, 이것을충족시키기위해서는 CO 2 레이저를사용할수밖에없는데, CO 2 레이저빔을전송하기위해서는반사광학계를사용해야하므로, 플랜트를신규로건설하여야만하였다.

4 11 Optical head or scanner Lamp pumped Nd:YAG Laser Diode pumped Nd:YAG Laser Disc Laser Finer Laser Fig. 11 Concept of remote laser welding Fig. 13 Laser - plasma interaction in high power fiber laser welding 레이저는기존의방법으로용접이어려운후판용접이가능해야한다. 그림 12는스테인리스강에대한최대출력 20kW, 초점직경 420μm의화이버레이저의용접성능을나타낸것이다. 두께 25mm의스테인리스강을 1m/min 의속도로용접이가능하며, 20m/min 의용접속도로는두께 3mm까지 1 패스로용접이가능하다. 최대출력 kw 이상의화이버레이저는두께가두꺼운후판의용접이가능하다는장점을갖고있지만, 용접시 0.3MW/mm 2 이상의매우높은에너지밀도를갖기때문에지금까지겪어보지못했던새로운문제들이발생하는것으로알려져있다. 후판을화이버레이저로용접하는경우에는직경이작고깊은키홀이형성되므로, 키홀내부의높은플라즈마압력으로인하여스패터발생이심해지며, 비드저면의기공잔존가능성이증가한다. Katayama 등은에서플라즈마와레이저빔의상호작용을알아보았다 ( 그림 13). 화이버레이저와동일한파장의 probe laser 를키홀상부의플라즈마형성부위에조사하고맞은편에설치된세 30 YLR 라믹판에반사되는레이저의형태를관찰하였다. Nd:YAG 레이저에서플라즈마의영향이거의없는것으로알려졌으나, 대출력화이버레이저에서는플라즈마에의하여레이저빔이산란 / 흡수되는것으로보고하였다. 조선산업에서레이저를적용하기위해서는출력 kw 이상의레이저가요구되었으며, 이것을충족시키기위해서는 CO 2 레이저를사용할수밖에없는데, CO 2 레이저빔을전송하기위해서는반사광학계를사용해야하므로, 플랜트를신규로건설하여야만하였다. 화이버레이저는외형치수가작고, 기계적진동에강건하므로이동성이우수하여기존의생산현장에적용하기위한연구가활발히진행되었다. 그림 14는 EU 프로젝트로개발된 DOCK-LASER 의응용예를보여준다. 이프로젝트에서는최대출력 kw의화이버레이저발진기및냉각기를컨테이너에탑재를하고, 이것을크레인혹은트럭으로이동시키면서기존의생산현장에적용하기위한연구를수행하였다. 그결과로서 tractor guided cutting head에의한 in-situ 후판절단, 하이브리드용접등의기술을개발하였다. 이외에도라인파이프원주용접, 콘크리트절단, 지뢰제거등에적용하기위한연구가진행되고있다. Penetration mm kw 12kW 15kW 20kW Welding speed m/min Fig. 12 Welding performance of fiber laser for stainless steel Fig. 14 Mobile DOCK-LASER for shipbuilding 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 321

12 이목영 4. 시험 국내제조업에대출력화이버레이저를본격적용시켜국가경쟁력에향상에기여하기위하여용접센터에서중기거점과제의일환으로최대출력 kw의화이버레이저를도입하였다. 화이버레이저의용접성능을평가하기위하여두께 12mm의 5000계열알루미늄및 SS400 구조용강재를사용하였다. 용접을위하여폭 0mm 길이 200mm 시편을고정지그로고정한후, 레이저용접실험을수행하였다.

5 12 이목영 4. 시험 국내제조업에대출력화이버레이저를본격적용시켜국가경쟁력에향상에기여하기위하여용접센터에서중기거점과제의일환으로최대출력 kw의화이버레이저를도입하였다. 화이버레이저의용접성능을평가하기위하여두께 12mm의 5000계열알루미늄및 SS400 구조용강재를사용하였다. 용접을위하여폭 0mm 길이 200mm 시편을고정지그로고정한후, 레이저용접실험을수행하였다. 용접공정변수에서레이저출력은 8kW로고정하고용접속도를변화시켰으며, 보호가스는유량 25l/min 의아르곤을사용하였다. 그림 15는연강에대한화이버레이저의용접부외관을용접속도에따라나타낸것이다. 대출력레이저에의하여용접비드폭이다소넓기는하였으나비교적양호한용접표면품질을보였다. 그림 16은연강에대한화이버레이저용접부단면을용접속도에따라나타낸것이다. 용접속도가느린 1m/min 에서루트부에미세한기공이형성되었으나, 그이상의용접속도에서는기공및균열등의내부결함이없는매우건전한용접부를형성하였다. 용접속도가빠른 5m/min에서는 under cut이형성되었는데, 이는보호가스의양이많고표면에산화피막이있었기때문이다. 이러한 under cut은보호가스의유량조정및표면산화피막제거에의하여감소되었다. 그림 17은연강및 5000계열알루미늄합금에대한대출력화이버레이저의용접특성을나타낸것이다. 용접속도 1m./min 에서연강의최대용입깊이는 11.6 mm이며, 비드의폭은 5mm 가량이었다. 알루미늄합금에대 1m/min 2m/min 3m/min 4m/min 5m/min Fig. 15 Appearance of weld bead 1m/min 2m/min 3m/min 4m/min 5m/min Penetration depth (mm) Fig Welding speed (mm/min) Mild steel Al alloy Bead width (mm) Penetration and bead width change according to welding speed 해서는용접속도 2m/min 에서용입깊이는 mm이었으며, 이때비드폭은 4mm가량이었다. 일반적으로전기전도도및열전도도가우수한알루미늄합금은소재의레이저빔흡수율이낮고, 레이저빔이흡수되어변환된열이상대적으로빠른속도로전도되어손실되므로철강재에비하여용입깊이가낮거나용접속도가느린것으로알려졌다. 그러나레이저출력이상대적으로높은대출력화이버레이저에서는용접성능이유사하거나오히려연강에비하여알루미늄의용접성능이다소우수한것으로나타났다. 5. 결론 대출력화이버레이저의특성을알아보고, 후판소재의용접에대한적용성검토결과는다음과같다. 1) 대출력화이버레이저는빔품질이우수하고, 물리적충격에강건하며, 에너지효율이우수하여향후적용이급격히증가할것으로예상된다. 특히, 장비구성이간단하고무게가가벼우므로기동성을요구하는조선혹은현장용접에적당하였다. 2) 대출력화이버레이저의용접특성은기존의 lamp pumping Nd:YAG와는다소상이한용접특성을보였다. 그러나깊은용입및빠른용접속도에서도내부결함은거의없는우수한용접부품질을나타냈다. 참고문헌 Fig. 16 Cut views of welds 1. W.W. Duley: Laser Welding, John Willey & Sons, Inc. 2. V. Gapontsev, W. Krupke: Fiber lasers grow in power, Laser Focus World, Aug. 2002, V. Gapontsev: Ultra high power ytterbium fiber lasers, PICALEO Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008

13 4. V. Gapontsev et. al.: US patent No. 5, 999, 673, 1996 5. L. Quintion, A. Costa, R. Miranda, D. Yapp, V. Kumar and, C.J.

6 13 4. V. Gapontsev et. al.: US patent No. 5, 999, 673, L. Quintion, A. Costa, R. Miranda, D. Yapp, V. Kumar and, C.J. Kong : Welding with high power fiber lasers A preliminary study, Materials and Desigh, 28 (2007), Antti salminen and Anna Fellman: The effect of laser and welding parameters on keyhole and melt pool behavior during fiber laser welding, ICALEO 2007, X. Zhang, E.Ashida, S. Katayama, M. Mizutain, Y Anma ans X. Luo: High power fiber laser welding of thick steel at low welding speed, ICALEO 2007, H. Nagayama, M. Mizutani, Y. Kawahito and S. Katayama: Weld penetration and welding phenomena of aluminum alloy with high-power fiber laser, ICALEO 2007, S. Katayama, Y. Kawahito, K. Kinoshita, N. Matsumoto and M. Mizutani: Weld penetration and phenomena in kw fiber laser welding, ICALEO 2007, 이목영 ( 李穆泳 ) 1965년생 포항산업과학연구원용접연구실, 하이브리드용접 accelee@rist.re.kr 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 323

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DBPIA-NURIMEDIA 연구논문 API 강재의파이버레이저용접시유기되는플라즈마의방사특성 (Ⅱ) - 용접조건과방사신호의관련성 - 이창제 * 김종도 **, 김유찬 *** * 한국해양대학교대학원 ** 한국해양대학교기관공학부 *** BEST F.A Characteristics of Plasma Emission Signals in Fiber Laser Welding of API Steel (Ⅱ)