레이저 용접의 기초 지식과 요령

 

레이저 용접은 레이저를 활용한 금속 가공 기술의 한 분야로 자동차나 정밀기기, 전자제품, 항공 우주, 의료 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 이번에는 수많은 레이저 용접의 용도 중에서 특히 판금 가공분야에서 이용되는 레이저 용접에 대하여 기본적인 사항을 소개합니다.

레이저 용접이란? (특징)

먼저 「레이저」는 영어의 「유도 방출에 의한 빛의 증폭」이라는 의미의 머리 글자를 딴 조어입니다.의미를 생각하기 시작하면 복잡해 보일 수도 있지만 요점는 「인공 빛」으로 이해 하면 됩니다. 우리가 일상적으로 볼 수 있는 태양광이나 조명 등 일반 빛에 비해 인공 빛인 레이저광은 「파장」「위상」「방향」이 일정하다는 특징이 있습니다. 「간섭성」이라고 하는 이러한 3요소를 조정·이용하여 다양한 가공에 활용할 수 있는 것이 레이저입니다. 레이저 용접은 인공 빛인 레이저광을 집광하여 대상물에 조사하고 금속을 국소적으로 용융·응고시켜 금속을 접합하는 가공 방법입니다. 판금 가공의 분야에서 레이저 용접을 도입하는 경우 기존 공법인 아크 용접보다도 열변형을 쉽게 억제하고 용접 조건을 관리하기 쉽고 용접 비드가 눈에 잘 띄지 않는 등의 장점이 있습니다.

레이저 용접의 원리

레이저 용접에서는 열원이 되는 레이저광을 레이저 발진기로 발생시켜 증폭하고 광화이버로 전송하여 우선 워크 근처까지 빛을 보냅니다. 이 단계에서 필요한 것이 레이저 가공 헤드입니다. 레이저 가공 헤드의 내부에는 렌즈가 내장되어 있어 전송되어 온 레이저광을 가공에 적합한 상태로 집광합니다. 렌즈를 통해 빛을 집광하여 작은 면적에 빛의 에너지를 집중시킬 수 있어 금속도 녹이는 높은 파워를 얻을 수 있습니다. 용융 금속의 산화를 방지하기 위해 아르곤이나 질소 등의 실드 가스를 분사하면서 용접하는 것이 일반적입니다.

레이저 용접의 종류

그럼 판금 가공의 손 용접에 적합한 레이저 용접의 종류를 살펴봅시다. 1990년대부터 일본에서 빠르게 보급되기 시작한 것이 YAG 레이저를 이용한 핸드형 레이저 용접기입니다. 이후 일본의 판금업계에서는 오랫동안 「레이저 용접기＝YAG 레이저」로 인식되어 왔지만 2010년대 중반 화이버 레이저 용접기가 발매된 후 최근에는 화이버 레이저가 핸드형 레이저 용접기의 주류로 바뀌고 있습니다. 이외에 디스크 레이저를 활용한 핸드 용접 장치도 있습니다.

• YAG 레이저 용접 YAG란 이트륨·알루미늄·가넷 (Yttrium Aluminum Garnet)이라는 결정으로 YAG 레이저에서는 YAG 결정을 향해 강한 빛을 조사하여 레이저광을 만들어 냅니다. YAG 레이저는 금속이 흡수하기 쉬운 1,064nm의 파장을 가지기 때문에 적은 에너지로 금속을 용융시킬 수 있다는 점이 레이저 용접에 적합합니다. 한편 레이저광을 만들어 내려면 플래시 램프를 점멸시켜야 하는 점, 발열이 많아 발진기부터 토치까지 칠러로 냉각해야 하는 점 등에서 소비 전력량이 크고 사용한 전력에 비해 가공에 사용할 수 있는 에너지가 작아서 용입도 부족하다는 일면도 있습니다. 냉각수나 램프 등 소모품에 드는 유지보수 비용의 부담이 큰 점도 운용면의 단점이라고 할 수 있습니다.
• 화이버 레이저 용접 화이버 레이저는 생성된 여기광의 증폭과 전송에 화이버를 이용하는 레이저로 금속이 흡수하기 쉬운 1,070nm라는 파장을 가집니다. 수많은 레이저 중에도 특히 에너지 밀도가 높고 빔을 쉽게 집광하는 특징이 있어 금속에 대해 깊은 용입을 얻을 수 있는 점이 큰 장점입니다. YAG 레이저에 비해 용입이 깊고 운영 비용이 저렴하고 조정이나 유지보수 공정이 거의 없는 등 이점이 많아 최근 보급이 가속되고 있습니다. 고출력·고효율이 특징인 화이버 레이저이지만 판금의 손 용접 시 출력이 너무 높으면 작업자에게 위험하므로 일반적으로 출력을 1kW 정도까지 제한해서 제품화되어 있습니다. 보다 높은 출력이나 용입 깊이를 요구하는 경우 기계 용접이나 로봇 용접을 검토하게 됩니다.
• 디스크 레이저 용접 디스크 레이저는 생성된 여기광을 원반 모양의 YAG 결정으로 증폭시킨 뒤 화이버로 전송하는 레이저입니다. 독일의 트럼프사가 고출력화와 안정화에 성공함에 따라 공업용 레이저로 널리 보급되고 있고 최근 그 가능성이 재차 재조명되어 새로운 용도의 개발도 진행되고 있습니다. 일본에서는 디스크 레이저로 손 용접 가능한 단품 설비는 없지만 트럼프사의 레이저 절단기를 보유하고 있는 사용자라면 손 용접용 토치를 옵션으로 도입할 수 있습니다.

레이저 용접의 장점과 단점

판금 가공에서 이용하는 레이저 용접에는 지금까지 널리 사용되어 온 TIG 용접에 비해 다음과 같은 특징이 있습니다.

장점

• 얇은 판에서도 열 변형이 적다 TIG 용접은 용입이 얕고 열 영향층이 넓기 때문에 금속 입열이 많아져 제품에 큰 열 변형이 발생합니다. 발생한 열 변형의 처리는 장인 기술에 의존하는 바가 크고 이것이 TIG 용접의 가장 큰 어려움이라고 할 수 있습니다. 한편 레이저 용접에서는 레이저광을 집광하여 작은 초점에 높은 에너지를 모아 금속을 용융시키므로 용입 폭이 가늘고 열 영향층도 작기 때문에 열 변형이 잘 발생하지 않게 됩니다. 게다가 레이저광의 ON/OFF를 미세하게 반복하는 「펄스 발진」에서는 용융과 응고가 1초에 수 회~수 십회나 반복되므로 변형을 더욱 억제할 수 있습니다.
• 용접부의 충분한 강도 확보 레이저 용접에서는 용접 비드가 가늘어 강도 부족을 우려할 수도 있지만 용입은 깊게 들어가므로 보기와는 달리 충분한 강도를 확보할 수 있습니다. 레이저 용접으로 일단 용융되어 응고된 합금 부분은 여간해서는 파단되지 않고 공업 시험장에서 실시한 강도 시험에서도 TIG 용접을 상회하는 강도를 확인하고 있습니다.

  

  화이버 레이저 용접의 키홀 단면(사진 제공: 주식회사 레이작스)

• 마감의 공정 수 절감 레이저 용접은 입열이 작고 변형이 잘 발생하지 않으므로 변형 제거 공정 수를 대폭 절감할 수 있습니다. 또한 레이저 용접은 모재 용접이 기본이므로 살올림 부분을 연마하는 공정을 절감하는 것도 가능합니다. 게다가 가공 조건이 갖추어지면 용접 그을음도 거의 발생하지 않으므로 전해 연마 공정도 절감할 수 있는 가능성도 있습니다. 지금까지 힘들게 대응해 온 마감 공정 수를 절감할 수 있으면 생산성 향상과 제조 원가 저감을 추진할 수 있을 것입니다.
• 용접 조건을 관리·재현하기 쉽다 레이저 용접기에는 용접 조건을 레시피화하여 등록하고 나중에 호출할 수 있는 기종도 있어 용접 조건을 관리·재현하기 쉽다는 것은 큰 장점이라고 할 수 있습니다. 이 경우의 포인트는 숙련자가 조건을 제시하는 것으로 이에 따라 비숙련자도 숙련자의 가공 조건을 재현하기 쉬워집니다. 이를 통해 박판 용접을 비숙련자도 담당할 수 있게 되면 숙련자는 부가가치가 높은 작업에 집중할 수 있어 용접 공정 전체의 생산성 향상으로 이어집니다.

단점

• 틈에 약하다 레이저 용접은 Φ0.1~Φ0.6mm 정도의 아주 작은 초점으로 레이저광의 파워를 모아 금속을 용융시킨다는 성질상 틈이 있으면 용접할 수 없다는 약점이 있습니다. 스팟 직경이 Φ0.1mm인 기종의 경우 0.1mm의 틈으로 레이저는 사이를 빠져나가 용접할 수 없으므로 벤딩 공정의 정밀도 향상이나 지그 정비 등의 대책이 필요합니다.
• 어려운 살올림 용접 레이저 용접은 모재 용접이 특기로 살올림 용접은 잘 못합니다. 용접 봉을 용융시킨 곳에서 레이저의 파워가 떨어져 모재까지 도달하지 못할 수 있고 이 밖에 용접 점/용접 봉/초점을 모두 핀 포인트로 동일 선상에 맞추기 매우 어려워 충분한 강도를 확보하지 못할 수도 있기 때문입니다. 도면에 살올림 용접 지시가 있는 경우는 레이저 용접을 채택해야 하는지 검토해야 하고 반대로 강도나 미관을 확보하기 위해 레이저 용접을 희망하는 경우는 살올림 지시를 넣지 않는 편이 좋을 것입니다.
• 안전 대책 필요 레이저는 잘못 사용하면 중대한 사고로 이어질 수도 있으므로 모든 레이저 제품은 JIS 규격 「레이저 제품의 안전 기준」에서 안전에 관한 규격이 정해져 있습니다. 레이저를 이용한 손 용접 장치는 모두 가장 위험도가 높은 「등급 4」로 분류되어 있고 제조업체도 다양한 안전 대책을 실시하고 있습니다. 레이저 관리 구역을 설정하는 것, 레이저 용접 전용 용접 마스크/보안경을 사용할 것, 안전 장치가 부속된 핸디 토치를 사용할 것, 장치의 열쇠를 적절히 관리할 것 등 규격과 취급설명서에 준한 올바른 사용 방법을 유의합시다.

  

  레이저 관리 구역의 예

레이저 용접의 가공 사례

그럼 지금부터는 레이저 용접의 실제 가공 사례를 살펴보겠습니다. (테스트 기종: 핸드 토치형 화이버 레이저 용접기　OPTICEL FH-450) 우선 SUS304의 판 두께 0.5mm, 판 두께 1.0mm의 맞대기 용접 가공 사례를 소개합니다. 레이저 용접이 특기인 박판으로 저변형 용접을 실현했습니다. 용접 후 변형 제거도 그을음 제거도 하지 않은 상태에서 깔끔한 마감을 실현했습니다.

이어서 SUS304 판 두께 1.0mm의 판에 파이프를 용접했습니다. 파이프 아래 안쪽에 보이는 것이 용접 비드로 용접봉을 넣지 않고 모재를 용접하고 있습니다. 비드가 잘 보이도록 판을 기울여 촬영했지만 SUS 판쪽에 변형은 거의 발생하지 않았습니다. 뒤면의 용접 그을음도 없었습니다.

마지막으로 SUS304 판 두께 1.2mm의 상자형 용접 샘플입니다. 워크를 지그로 유지하고 레이저로 임시 부착 후 본용접 실시. 저변형으로 제품이 완성되어 마감 공정도 절감할 수 있었습니다.

레이저 용접의 요령

레이저 용접은 용접 강도와 미관을 양립 가능하고 박판의 저변형 용접이나 조건 관리의 용이성 등 장점이 많은 접합 방법이지만 한편으로 틈에 약하고 살올림이 여려운 등의 단점도 있습니다. 레이저 용접을 능숙하게 활용하는 요령으로는 다음과 같은 포인트를 의식해 봅시다.

• 벤딩 공정의 정밀도 향상과 지그 정비를 추진하여 빈틈없는 상태를 만든 후 용접한다
• 숙련자가 가공 조건을 요구하고 레시피 등록해 두면 비숙련자가 가공을 재현하기 쉽다
• TIG 용접 등의 기존 공법을 전제로 한 도면대로 공법만을 레이저 용접으로 바꾸면 잘 되지 않는다. 때로는 설계 변경도 염두에 두고 검토하는 것이 좋다
• 강도, 미관 등 레이저 용접의 장점을 최대한 살리려면 설계 단계부터 레이저 용접을 전제로 설계하도록 권장

정리

레이저 용접의 최대 장점은 박판을 저변형으로 용접할 수 있다는 점입니다. 게다가 비숙련자도 용접할 수 있게 되므로 지금까지 장인의 솜씨에 의지했던 용접 공정이 극적으로 개선될 가능성도 있습니다. 단점을 제대로 알고 적절하게 대처할 수 있으면 잘 활용할 수 있습니다. 레이저 용접의 장점을 최대한으로 활용합시다. 한국미스미 meviy에서는 판금 부품의 즉시 견적도 가공할 수 있습니다. 용접은 빠른 시일 내 서비스 추가 예정입니다.