1 특집 : 레이저를이용한정밀제어응용기술 일본에서의최근레이저응용기술동향 Recent Topics on Laser Processing in Japan Jong-Do Kim and Ueno Tamotsu 1. 서론 레이저의발진은 1960년미국퓨즈사의 Theodore H Maiman 이루비를매체로사용하여실현되었다. 그후에많은레이저발진기가개발되어각종산업계에사용되고있으며, 특히유럽을시작으로자동차업계의부품가공에널리적용되고있다. 레이저는기존의천공이나방전가공및용접에서스폿용접이나아크용접등의타가공법의대체가공법으로써이용되어왔으나, 최근에는레이저기술을사용하여타가공법으로는만들수없는제품생산을가능하게하였다. 이처럼레이저응용기술은산업계의필수적인가공법으로써자리매김하고있다. 여기에서는자동차와관련하여사용되고있는레이저가공의사례를몇가지소개하고자한다. 2. 본론 2.1 접합기술 자동차업계에서널리사용되고있는가공방법중하나는테일러드블랭크 (tailored blank) 용접이다. 바디의소재가되는강판재료를, 차체가요구하는기능을효과적으로살리면서판두께가다른재료나재질, 도금품등여러가지를조합하여용접을실시하고프레스성형하는것이다. 외관상으로는 1장의판이지만기능을살린소재로변화되어있다. 특징으로는부분적으로성질이다른재료를사용할수있으며재료의경량화가가능하다는것이다. 경량화함으로써연비도향상되어환경에도공헌하고있다. 이용접에는대부분 CO 2 레이저가적용되어왔으나, 고속화를목표로최근에는고출력의연속발진 YAG레이저가사용되고있다. 또한재료적인면에서도얇고강도가높은고장력강판이자 동차의바디에적용되면서, 기존의용접법으로는많은문제점이도출됨에따라레이저용접법이필수적인가공기술이되었다. 테일러드블랭크용접을실시하고프레스가공한성형품을차체형상으로조합하여스폿용접등을행하여왔으나, 최근에는레이저에의한스티치 (stitch) 용접이적용되고있다. 장점으로는점 (point) 으로접합하는스폿용접과는달리선 (line) 용접이기때문에바디의강성이향상되었다. 또한스폿용접의경우용접토치가재료의전면과후면을눌러접합하는방식이기때문에, 용접하는부분의형상이한정되어있다. 반면에레이저용접의경우한쪽면에서의용접이가능하기때문에용접토치의형상에좌우되지않고차체의형상이고려되므로디자인적으로도자유도가향상되었다. 자외선 가시광선 적외선 nm 200 400 600 800 1000 10000 Excimer(ArF) : 193 Excimer(KrF) : 248 Excimer(XeCl) : 308 Nd:YAG(THG) : 355 Nd:YVO 4 (THG) : 355 Nd:YAG(SHG) : 532 Nd:YVO 4 (SHG) : 532 LD (808) LD (940) LD (980) Nd:YAG(1064) Nd:YVO 4 (1064) CO 2 (9200) CO 2 (10600) Disk (1030) Fiber (1085) 그림 1 산업계에서사용되고있는주요레이저 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 311
2 소재절단용접프레스성형 테일러드브랭크 그림 2 테일러드블랭크를사이드패널외부에적용한예 2.1.1 고속용접최근의기술가운데유럽의자동차메이커에서는앞서기술한스티치용접의고속화를통해생산시간을단축하였다. 그방법으로는아래의 2가지방법이있다. (1) CO 2 레이저첫번째는 CO 2 레이저와스캐너 (1장혹은 2장의반사거울을고속으로각도를변화하여광을조사하는광학계 ) 를이용해서점프속도 ( 스티치용접을하지않는이동시간 ) 를고속으로행하는것이다. 이방법에의해로봇으로용접부분이외를이동하는시간이거의 0에가깝게되었다. 바디의사이드패널부품의용접시간은 5 분의 1정도로단축되었다. 이방법은광학계등시스템의구성에의해광범위하게용접이가능한타입이나물체를회전시키는인덱스등과의조합으로다양한형상의가공이가능하게되었다. 주로차체에사용되는각파트부품의용접등에사용되고있다. (2) YAG 레이저다른하나의방법은 YAG 레이저와스캐너헤드의조합이다. 이는 YAG 레이저의특징인레이저광전송용화이버를사용하는것으로, 다관절로봇의선단에스캐너헤드를붙여로봇이바디등의입체형상을이동 하면서고속용접하는것이다. 로봇의고속이동에따라수반되는궤적정도가열악한부분을, 스캐너헤드가위치보정을하면서용접하는메이커도있다. 또한이방식에서는최근주목되고있는고출력디스크레이저나화이버레이저와의조합이발표되고있다. 디스크레이저나화이버레이저의경우고출력에서도광을전송하는화이버의직경이 0.2mm정도이기때문에장초점의집광광학계를사용할수있기때문이다. 이와같은용접을행할수있는것은 CO 2 레이저나 YAG 레이저 ( 디스크 ), 그리고화이버레이저의빔집광성능이향상되었기때문이다. 지금까지의고출력 CO 2 레이저에서는장초점의집광광학계로집광하면가공점에서에너지밀도가저하하였다. 그때문에반사율이높은금속재료에조사한경우, 레이저의에너지가금속재료에흡수되지못하고반사되어재료가용융되지못했다. 최근의 CO 2 레이저는초점거리가 1~1.5m정도의긴장초점집광광학계에서도작은스폿으로집광할수있는고출력의레이저가개발되어시판되었다. 그로인해장초점의광학계를사용하여광범위한용접이가능하게되었다. 또한 YAG 레이저는여기원인램프가 LD로되면서고체인 YAG 결정에가해지는불필요한에너지가없어져 YAG 레이저의결정인고체의열팽창이줄어들었다. Photo: Addmetal, NL 그림 3 레이저를이용한스티치 (stitch) 용접부 그림 4 CO 2 레이저와스캐너를이용한용접시스템 312 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
일본에서의최근레이저응용기술동향 3 출력 YAG 레이저나화이버레이저는 Φ 0.2mm 의화이버로전송이가능하게되었다 ( 이전의화이버직경은 0.6mm 가주류였다 ). 그림 5 YAG 레이저와스캐너를이용한용접시스템 Ф0.2mm Ф0.6mm 1ΧL 1ΧL 1ΧL Ф0.6mm 3ΧL 2.1.2 레이저브레이징차체의바디를접합하는기술로써최근레이저브레이징이채택되고있다. 레이저브레이징은융점이낮은동 (copper) 계열의와이어를사용하여프레스성형한 3차원형상의물품을접합하는데, 화이버로광을전송할수있는 YAG 레이저나반도체레이저등이사용된다. 레이저브레이징은저융점의실리콘브론즈등의와이어를접합부분에공급하면서에너지밀도가낮은레이저를조사하는것으로, 바디강판이가열되고공급한와이어가녹아접합된다. 레이저용접처럼강판자체를녹여접합하는방법과는다르게, 융점이낮은와이어를녹여접합시키는공법이기때문에외관적으로도미려하다. 따라서외장부등에도사용되고있다. 그외에재료끼리녹여용접하는공법과달리몇가지의장점을생각할수있다. 와이어를공급하기때문에다소틈이있거나판금의구부러진 R부분등에도사용할수있다. 와이어를공급하기때문에접합부분의면적이크게되어인장강도가소재강판보다향상된다. 강판자체를녹이지않기때문에이종금속재료에서도적용가능한경우가있다. 단점으로서는 와이어를공급하기때문에생산비용이높아진다. 레이저브레이징할때, 와이어와레이저광의위치관계가중요하게된다. 특히사용되는부품이 3차원구조의제품이되기때문에좌우상하의위치를맞추어보정해야한다. 이를위해자동적으로와이어의위치를보정하는가공헤드등도사용되고있다. 이헤드의특징은 3차원로봇으로추종할수없는, 화이버직경이 1/3이되면같은스폿직경을얻는데 3 배의초점거리렌즈가사용될수있다. Ф0.6mm 그림 6 화이버직경과초점거리의관계 또한최근에는 YAG 레이저의결정형상이로드타입에서디스크타입으로바뀌면서고체결정에가하는열에너지가균일하게냉각될수있게되어확산각이안정한광을얻을수있게되었다. 그리하여레이저광을전송하는화이버직경이좁아지고, 장초점의광학계에서도작은스폿이얻어지게되었다. 최근의수 kw급고 그림 7 레이저브레이징모식도 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 313
4 (a) 아연도금강판 그림 8 레이저브레이징의적용사례 (b) 알루미늄과아연도금강판의이종금속 (a) (b) (c) 그림 9 다양한형상의레이저브레이징의적용사례 접합부분의위치결정이나레이저가공에서중요한초점거리의위치를가공헤드가자동적으로조정하는것이다. 특히, 프레스가공한제품은형상이일정하지않기때문에불량품의저감에도필요불가결한기술의하나이다. 그래서이와같은헤드를몇개소개하고자한다. 유럽자동차메이커의생산라인에사용하기위해개발된레이저가공헤드로써브레이징용헤드뿐만아니라용접용헤드등도있다. 이들헤드의주된특징은아래와같다. 바디등의용접에는겹치기용접이많다. 따라서간극이없도록롤러등으로가압하면서용접한다. 또한아연도금강판의용접에서는역으로간극을두어아연증기가빠져나갈수있는틈을만들어야하기때문에, 간극을만들면서가압하는더블롤러타입 등도있다. 또한한쪽면에서눌러이동방향의자유도가있는핑거타입도있다. 용접시에는가공점에서많은스패터가발생하게된다. 스패터로부터집광광학계를보호하기위해크로스제트로스패터를불어날린다. 또한 YAG 레이 그림 10 레이저브레이징장치 그림 11 레이저브레이징용가공헤드 314 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
일본에서의최근레이저응용기술동향 5 레이저광 가압밀착 투과재료 흡수재료 그림 13 레이저를이용한수지재료의접합모식도 그림 12 더블롤러타입의용접헤드 저등에서는집광광학계를보호하기위해집광광학계와가공점사이에보호글라스가삽입되어있는데, 보호글라스에부착된스패터를감시하는센서등도시판되고있다. 프레임등의용접에사용하는경우강도가요구된다. 이를위해와이어를녹이면서용접하는 MIG와병용해서사용하는하이브리드 (hybrid) 헤드가있다. 그림 14 수지재료의레이저접합사례 2.1.3 금속용접이외의수지접합기존에사용되고있는수지재료의접합방법은접착제, 열판용착, 고주파용착, 진동용착, 초음파용착및볼트죄임등이있는데, 레이저용착은이들접합기술에비해서접합부의간소화, 노즐의관리, 혼 (horn) 이나전극의관리가불필요한점등의많은장점이있다. 기본적으로는열가소성수지에대해, 투과측과흡수측의수지를겹쳐투과측으로부터 1μm파장영역의레이저광을조사하면겹친계면으로에너지가흡수되고재료가용융되어접합되는공정이다. 부품형상을작게할수있는것과접착제등의이종재료가섞이지않는등의이점이있다. 따라서최근에는수지재료를많이사용하는자동차부품등에적용되고있다. 2.2 천공기술최근연비향상을목적으로연료를분사하는인젝터 그림 15 레이저천공기술의적용사례노즐의천공형상등에관한연구가진행되고있다. 가공방법도일반적으로방전가공이이루어지고전극이불필요한레이저를사용하여천공가공하는기술도개발되고있다. 일반적인레이저천공가공은항공기나발전소터빈등의쿨링용홀가공이다. 여기에는높은첨두출력의펄스 YAG 레이저가사용되고있다. 펄스 YAG 레이저는 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 315
6 ms(millisecond) 단위로레이저가조사되며, 금속이용융되고산소등의어시스트가스압력에의해용융금속을비산시켜천공가공이된다. 기본적으로는가스용단 ( 절단 ) 등의작용과동일하나연속적으로열이공급되는가스절단과달리 ms의짧은시간에높은에너지의펄스가조사되기때문에주변으로의열영향이적다. 단, 녹은금속을가스의흐름으로날려버리기때문에용융금속이구멍의내면에다시부착되어미세한구멍형상의제어가되지않는다. 최근개발되고있는천공가공은 Q-스위치펄스의 YAG 레이저등이사용되고있다. Q-스위치펄스레이저에서그림 16 레이저천공가공된홀의입구와출구형상 는 ms 보다도짧은 ns(nanosecond) 의펄스가조사된다. 극히짧은시간에매우높은첨두출력의레이저가조사되기때문에, 소재인금속이순간적으로비점을넘고급속응고되어소재로의재부착이일어나기어렵다. 따라서레이저의조사위치나시간을제어하는것으로구멍의형상을컨트롤할수있다. 인젝터는방전가공에서얻어지는높은정도 (precision) 의천공기술이요구된다. 그러므로레이저가공에서는 Q-스위치레이저기술과광을제어하는광학계의기술에의해가능하게되었다. 최근에는광을제어하는기술연구에의해역테이퍼 (taper) 의천공가공까지가능해졌다. 이처럼형상을제어하는가공기술이개발되었기때문에미세한 3D가공도레이저로가능해졌다. 동일한 Q- 스위치레이저와광을자유로이제어할수있는스캐너광학계의조합으로 3차원 CAD 등에서제작한형상을레이저로금속에직접가공할수있게되었다. 방전가공등으로제작하는경우에는전극을만들어야하나, 레이저가공에서는그대로가공이가능하기때문에시간이단축되는등의이점이있으므로미세한금형가공에사용되고있다. 최근에는면조도를양호하게하기위해서 1펄스당에너지가큰 YAG 레이저로부터펄스에너지가작은 YVO 4 레이저로바뀌어가고있다. YVO 4 에서는 1펄스의에너지는작지만반복주파수가 YAG 레이저이상으로높기때문에가공속도의변화는거의없다. 2.3 호닝기술 Q-스위치레이저를사용한예로는레이저호닝 (honing) 이있다. 일반적인호닝가공은엔진의실린더 그림 17 3D 가공의적용사례 그림 18 Q- 스위치레이저를이용한호닝가공사례 316 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
일본에서의최근레이저응용기술동향 7 3. 결론 그림 19 Con-rod 의레이저홈가공내면을, 외주상에수개의지석 (abrasive stick) 을붙인원통의공구가회전왕복운동하는것으로정밀한마무리가이루어진다. 이때만들어진미세한망상의홈에윤활유가잔류하기때문에피스톤링의마찰저항을줄이고오일소비량을감소시킨다. 레이저가공에서는그미세한망상의선 ( 홈 ) 모양을여러가지의형상으로제어할수있기때문에보다윤활유의유지능력을상승시킬수있다. 최근의개발에서는엑시머레이저를사용해서보다치밀한홀을만들어윤활유의소비량을극단적으로저감시킨사례도발표되었다. 2.4 홈가공기술콘로드 (con-rod) 베어링캡결합부분의제작에는위치를맞추거나중량을균일화하는등많은공정을만족시켜서제작하고있다. 따라서레이저가공을적용함으로써공정이짧아지고생산비용을저감할수있게되었다. 제작방법으로는중량을고르게한콘로드내면에높은첨두출력의펄스 YAG 레이저로홈가공을한다. 홈은균열이되어하나의부품이 2개로할단된다. 펄스 YAG 레이저를사용함으로써재료에는거의입열이없는상태로가공이이루어지며, 절단부가없는상태에서분리되기때문에처음의중량이그대로유지된다. 또한할단되어나누어진 2개의부품은나사로조여서다시 1개의부품이된다. 최근의 YAG 레이저는발진기에투입되는전기로부터레이저광으로변환되는비율이향상되었다. 이전의램프여기방식의 YAG 레이저에서는 3% 정도밖에변환되지않았던것이램프에서 LD여기방식으로전환되면서불필요한에너지손실이없어지고, 로드타입에서디스크타입으로바뀌는등의개선 ( 매체에도핑하는재료의개량 ) 으로 20% 이상의변환이가능해졌다. 이에따라러닝코스트 (running cost) 가내려가고생산현장에서사용이용이해졌다. 또한, 최근여기용 LD가고출력화됨에따라구입시의이니셜코스트 (initial cost) 의하강이일부메이커로부터보고되고있다. 이때문에기존의 CO 2 레이저가점유하고있던분야에 YAG 레이저가적용됨으로써단파장에의한재료의흡수능이향상되었다. 또한 YAG 레이저는램프여기방식에서 LD 여기방식으로바뀌면서장시간에걸쳐서안정한레이저출력을얻을수있게되었다. 이상의내용에서설명하였듯이, 레이저열원은고객의입장에서유용하고도사용하기쉽도록개선되어나감으로써보다많은가공분야에적용될것으로기대된다. 김종도 1963년생 한국해양대학교 레이저용접, 레이저가공현상의계측과해석 e-mail: jdkim@hhu.ac.kr 우에노타모쯔 (Ueno Tamotsu) 1939년생 Tosei Electrobeam Co.LTD, Japan 레이저및전자빔열원을이용한가공 e-mail : ueno@tosei.co.jp 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 317