01 두꺼운 판재 레이저-아크 하이브리드 용접
두꺼운 판재(두께 20mm 이상) 용접은 항공우주, 항해 및 조선, 철도 운송 등 중요 분야의 대형 장비 제조에 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 부품들은 일반적으로 두께가 두껍고, 접합 형상이 복잡하며, 사용 환경 또한 까다롭습니다. 용접 품질은 장비의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 기존의 가스 차폐 용접 방식은 용접 속도가 느리고 스패터 발생 문제가 심각하여 용접 효율이 낮고 에너지 소비가 많으며 잔류 응력이 크게 발생하는 등의 문제점을 안고 있어, 점점 높아지는 제조 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 그러나 레이저-아크 하이브리드 용접 기술은 기존 용접 기술과는 달리 여러 장점을 성공적으로 결합했습니다.레이저 용접아크 용접은 그림 1에서 보여주는 바와 같이 깊은 용입 깊이, 빠른 용접 속도, 높은 효율 및 우수한 용접 품질과 같은 특징을 가지고 있습니다. 따라서 이 기술은 널리 주목받고 있으며 몇몇 핵심 분야에 적용되기 시작했습니다.
그림 1. 레이저-아크 하이브리드 용접의 원리
02후판의 레이저-아크 하이브리드 용접에 관한 연구
노르웨이 산업기술연구소와 스웨덴 룰레 공과대학교는 45mm 두께의 미세합금 고강도 저합금강 복합 용접 접합부의 구조적 균일성을 15kW 출력에서 연구했습니다. 오사카대학교와 이집트 중앙야금연구소는 20kW 파이버 레이저를 사용하여 25mm 두께의 후판재에 대한 단일 패스 레이저-아크 하이브리드 용접 공정을 연구했으며, 하부 라이너를 사용하여 하부 돌출 문제를 해결했습니다. 덴마크 포스 테크놀로지(Force Technology)는 16kW 디스크 레이저 두 대를 직렬로 연결하여 32kW 출력에서 40mm 두께 강판의 하이브리드 용접을 연구했으며, 그림 2에서 볼 수 있듯이 고출력 레이저-아크 용접이 해상 풍력 발전 타워 기초 용접에 활용될 가능성이 있음을 보여주었습니다. 하얼빈 용접(Harbin Welding Co., Ltd.)은 국내 최초로 고출력 고체 레이저 용융 전극 아크 하이브리드 열원 용접의 핵심 기술과 장비 통합 기술을 개발했습니다. 고출력 고체 레이저-이중선 용융 전극 아크 하이브리드 용접 기술 및 장비를 우리나라 고급 장비 제조에 성공적으로 적용한 것은 이번이 처음입니다.
그림 2. 레이저 설치 배치도
국내외 후판 레이저-아크 하이브리드 용접 연구 현황을 살펴보면, 레이저-아크 하이브리드 용접 방식과 좁은 틈새 홈 용접을 결합하면 후판 용접이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 레이저 출력이 10,000와트 이상으로 증가하면 고에너지 레이저 조사 하에서 재료의 증발 거동, 레이저와 플라즈마의 상호 작용 과정, 용융 풀 유동의 안정 상태, 열 전달 메커니즘, 용접부의 야금학적 거동 등에 다양한 변화가 발생합니다. 출력이 10,000와트 이상으로 증가함에 따라 출력 밀도가 높아지면서 틈새 홈 부근의 증발 정도가 심화되고, 반동력이 틈새 홈의 안정성과 용융 풀 유동에 직접적인 영향을 미쳐 용접 공정에 영향을 미칩니다. 이러한 변화는 레이저 및 복합 용접 공정의 구현에 상당한 영향을 미칩니다. 용접 공정에서 나타나는 이러한 특징적인 현상들은 용접 공정의 안정성을 직간접적으로 반영하며, 용접 품질을 결정짓는 요인이 되기도 합니다. 레이저와 아크라는 두 열원의 결합 효과는 각각의 특성을 최대한 발휘하게 하여 단일 레이저 용접이나 아크 용접보다 우수한 용접 효과를 얻을 수 있도록 합니다. 레이저 자가 용접 방식과 비교했을 때, 이 용접 방식은 갭 적응성이 뛰어나고 용접 가능 두께가 넓다는 장점이 있습니다. 또한, 후판의 좁은 갭 레이저 와이어 충진 용접 방식과 비교했을 때, 높은 와이어 용융 효율과 우수한 홈 융합 효과를 제공한다는 장점이 있습니다. 뿐만 아니라, 레이저가 아크를 끌어당기는 힘은 아크의 안정성을 향상시켜 레이저-아크 하이브리드 용접을 기존 아크 용접보다 더 빠르고 효율적으로 만들어 줍니다.레이저 용접봉 용접상대적으로 높은 용접 효율을 가지고 있습니다.
03 고출력 레이저-아크 하이브리드 용접 적용 사례
고출력 레이저 아크 하이브리드 용접 기술은 조선 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 독일의 마이어 조선소는 선체 평판 및 보강재 용접을 위해 12kW CO2 레이저 아크 하이브리드 용접 생산 라인을 구축하여 20m 길이의 필렛 용접을 한 번에 구현하고 변형률을 2/3로 줄였습니다. GE는 최대 출력 20kW의 파이버 레이저 아크 하이브리드 용접 시스템을 개발하여 USS 사라토가 항공모함 용접에 적용함으로써 용접 금속량을 800톤 절감하고 작업 시간을 80% 단축했습니다(그림 3 참조). CSSC 725는 20kW 파이버 레이저 고출력 아크 하이브리드 용접 시스템을 채택하여 용접 변형률을 60% 줄이고 용접 효율을 300% 향상시켰습니다. 상하이 와이가오차오 조선소는 16kW 파이버 레이저 고출력 아크 하이브리드 용접 시스템을 사용하고 있습니다. 본 생산 라인은 레이저 하이브리드 용접과 MAG 용접을 결합한 새로운 공정 기술을 채택하여 4~25mm 두께의 강판을 단면 단일 패스 용접 및 양면 성형할 수 있습니다. 고출력 레이저-아크 하이브리드 용접 기술은 장갑차 분야에 널리 사용되고 있으며, 두꺼운 복합 금속 구조물 용접, 저비용, 고효율 제조 등의 특징을 가지고 있습니다.
그림 3. USS 사라 토가 항공모함
고출력 레이저-아크 하이브리드 용접 기술은 이미 일부 산업 분야에 적용되어 왔으며, 중대형 벽 두께의 대형 구조물을 효율적으로 제조하는 중요한 수단이 될 것입니다. 현재 고출력 레이저-아크 하이브리드 용접의 메커니즘, 특히 광플라즈마와 아크의 상호작용, 아크와 용융 풀의 상호작용에 대한 연구가 미흡한 실정입니다. 또한, 고출력 레이저-아크 하이브리드 용접 공정에는 좁은 공정 범위, 용접 구조물의 불균일한 기계적 특성, 복잡한 용접 품질 관리 등 해결해야 할 많은 문제점이 남아 있습니다. 산업용 레이저의 출력이 점차 증가함에 따라 고출력 레이저-아크 하이브리드 용접 기술은 빠르게 발전할 것이며, 다양한 새로운 레이저 하이브리드 용접 기술이 지속적으로 등장할 것입니다. 향후 고출력 레이저 용접 장비 개발의 중요한 추세는 국산화, 대량 생산, 그리고 지능화입니다.
게시 시간: 2024년 4월 24일
