레이저 용접과 아크 용접은 모두 산업 생산에 오랫동안 사용되어 왔으며, 재료 접합 기술 분야에서 광범위한 활용 가능성을 제공합니다. 각 용접 공정은 가공물로 에너지를 전달하는 물리적 과정과 얻을 수 있는 에너지 흐름에 따라 특정한 적용 분야를 가지고 있습니다. 레이저 용접은 광섬유 케이블을 통해 고에너지 적외선 간섭 복사선을 이용하여 레이저 빔 소스에서 가공할 재료로 에너지를 전달합니다. 아크 용접은 아크 기둥을 통해 가공물로 흐르는 높은 전류를 이용하여 용접에 필요한 열을 전달합니다. 레이저 용접은 용접 깊이와 이음매 폭의 비율이 큰(심용접 효과) 매우 좁은 열영향부를 생성합니다. 레이저 용접은 초점 직경이 작아 틈새 메우기 능력이 매우 낮지만, 반면에 매우 빠른 용접 속도를 달성할 수 있습니다. 아크 용접은 에너지 밀도가 훨씬 낮지만, 가공물 표면에 더 큰 초점을 형성하며 처리 속도가 느리다는 특징이 있습니다. 이 두 공정을 결합함으로써 유용한 시너지 효과를 얻을 수 있습니다. 궁극적으로 이는 품질 향상, 생산 공학적 이점, 그리고 비용 효율성 개선을 모두 가능하게 합니다. 이 공정은 특히 자동차 산업에서 흥미롭고 경제적으로 매력적인 응용 분야를 제공하는데, 용접부의 허용 오차를 높이고 접합 속도를 향상시키며 매우 우수한 기계적/기술적 특성을 달성할 수 있기 때문입니다.
1. 서론:
레이저 광과 아크를 결합하여 용접하는 방법은 1970년대부터 알려져 왔지만, 그 후 오랫동안 추가적인 연구 개발은 이루어지지 않았습니다. 최근 연구자들은 이 주제에 다시 관심을 기울여 아크 용접과 레이저 용접의 장점을 결합한 하이브리드 용접 공정을 개발하고자 시도하고 있습니다. 초기에는 레이저 광원이 산업용으로 적합한지 여부를 입증해야 했지만, 오늘날에는 많은 제조 기업에서 표준 기술 장비로 자리 잡았습니다.
레이저 용접과 다른 용접 공정을 결합한 것을 "하이브리드 용접 공정"이라고 합니다. 이는 레이저 빔과 아크가 하나의 용접 영역에서 동시에 작용하여 서로 영향을 주고받는다는 것을 의미합니다.
2. 레이저:
레이저 용접에서 원하는 "심층 용접 효과"를 얻으려면 높은 레이저 출력뿐만 아니라 고품질 빔도 필요합니다. 고품질 빔을 활용하면 초점 직경을 줄이거나 초점 거리를 늘릴 수 있습니다.
현재 진행 중인 개발 프로젝트에는 레이저 빔 출력 4kW의 램프 펌프형 고체 레이저가 사용되고 있습니다. 레이저 광은 600µm 유리 섬유를 통해 전송됩니다.
레이저 광은 유리 섬유를 통해 전달되며, 섬유의 시작과 끝 부분은 수냉식으로 냉각됩니다. 레이저 빔은 초점 거리가 200mm인 집속 모듈을 통해 가공물에 투사됩니다.
3. 레이저 하이브리드 공정:
금속 가공물을 용접할 때, Nd:YAG 레이저 빔은 10⁶W/cm² 이상의 강도로 집속됩니다. 레이저 빔이 재료 표면에 닿으면 해당 지점이 증발 온도까지 가열되고, 금속 증기가 빠져나가면서 용접 금속 내에 증기 공동이 형성됩니다. 이러한 용접부의 특징은 깊이 대 폭 비율이 높다는 것입니다. 자유 연소 아크의 에너지 흐름 밀도는 10⁴W/cm²를 약간 웃돕니다. 그림 1은 하이브리드 용접의 기본 원리를 보여줍니다. 레이저 빔은
여기에 묘사된 바와 같이, 아크에서 발생하는 열 외에도 용접 이음매 상단의 용접 금속에 열을 공급합니다. 두 개의 개별 용접 공정이 순차적으로 작용하는 순차적 구성과 달리, 하이브리드 용접은 동일한 공정 영역에서 두 용접 공정이 동시에 작용하는 조합으로 볼 수 있습니다. 사용되는 아크 또는 레이저 공정과 공정 매개변수에 따라, 두 공정은 서로에게 다양한 정도와 방식으로 영향을 미칩니다[1, 2].
레이저 공정과 아크 공정의 조합 덕분에 용접 침투 깊이와 용접 속도가 각각 단독으로 사용했을 때보다 향상됩니다. 증기 공동에서 빠져나오는 금속 증기는 아크 플라즈마에 역작용합니다. 처리 플라즈마에서 Nd:YAG 레이저 복사선의 흡수는 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 두 전력 입력의 비율을 어떻게 선택하느냐에 따라 전체 공정의 특성은 레이저 또는 아크 중 어느 하나에 의해 더 크게 또는 더 작게 결정될 수 있습니다[3,4].
그림 1: 개략도: 레이저 하이브리드 용접
레이저 복사 에너지의 흡수는 가공물 표면 온도에 크게 영향을 받습니다. 레이저 용접 공정을 시작하기 전에, 특히 알루미늄 표면의 경우 초기 반사율을 극복해야 합니다. 이는 특수 시작 프로그램을 사용하여 용접을 시작함으로써 달성할 수 있습니다. 기화 온도에 도달하면 증기 공동이 형성되어 거의 모든 복사 에너지가 가공물에 전달될 수 있습니다. 따라서 필요한 에너지는 온도에 따른 흡수율과 손실되는 에너지량에 의해 결정됩니다.
나머지 공작물로의 전도에 의해. 레이저 하이브리드 용접에서는 증발이 공작물 표면뿐 아니라 필러 와이어에서도 발생하므로 더 많은 금속 증기가 사용 가능하며 이는 레이저 복사 입력을 용이하게 합니다. 또한 이는 공정 중단을 방지합니다[5, 6, 7, 8, 9].
4. 자동차 응용 분야:
스페이스 프레임 기술을 사용하면 강철 차체에 비해 무게를 43%까지 줄일 수 있습니다.
그림 2: 아우디 스페이스 프레임 A2 콘셉트
아우디 A2의 스페이스 프레임은 30m의 레이저 용접(그림 2의 노란색 부분)과 20m의 MIG 용접으로 구성됩니다. 또한 1700개의 리벳이 사용됩니다.
그림 3: 아우디 A2의 프로파일 및 접합 기술 비교
그림 4는 AlMg3 주조재와 AlMgSi 판재를 레이저 하이브리드 용접으로 접합한 모습을 보여줍니다. 용접봉은 AlSi5이고 보호 가스는 아르곤입니다. 레이저 출력을 높이면 더 깊은 용접 침투가 가능합니다. 이처럼 레이저 빔과 아크를 결합하면 레이저 빔만 사용하는 용접 공정보다 더 큰 용접 풀을 형성할 수 있습니다. 따라서 더 넓은 간격을 가진 부품도 용접할 수 있습니다.
그림 4: 0.5mm 간격의 겹침 이음매
자동차 산업에서는 접합부 전처리 없이 겹침 용접을 하는 경우가 많습니다. 현재 이러한 용접 작업에 가장 널리 사용되는 기술은 AA 6xxx 합금의 고온 균열 문제 때문에 냉간 용접봉을 사용하는 레이저 용접 공정입니다. 용접봉을 사용할 경우, 용접봉을 녹이는 데 많은 레이저 에너지가 소모됩니다.
다음 그림은 용접 속도 2.4m/min에서 겹침 이음매에 대한 레이저 하이브리드 용접과 레이저 용접의 차이를 나타냅니다. 레이저 용접의 경우 용접 비드를 완전히 채울 수 없어 언더컷이 발생합니다. 또한 모재로의 침투 깊이가 매우 얕습니다. 용접 비드 폭이 매우 작기 때문에 인장 강도가 낮을 것으로 예상됩니다. 레이저 하이브리드 용접의 경우,
추가적인 재료가 용접 풀로 유입됩니다. 언더컷은 MIG 용접 과정에서 사용된 와이어로 채워지며, 레이저 에너지의 일부가 절약됩니다. 이렇게 절약된 레이저 에너지는 모재로의 침투 깊이를 증가시키는 데 사용될 수 있으며, 용접 비드의 폭은 수치 시뮬레이션에서 요구되는 재료 두께보다 커집니다.
그림 5. 필러 와이어 없이 레이저 하이브리드 용접과 레이저 용접의 비교
레이저 하이브리드 용접 공법을 이용하면 최대 4mm 두께의 알루미늄, 강철, 스테인리스강 소재를 용접할 수 있습니다. 두께가 너무 두꺼우면 완전 용입이 불가능합니다. 아연 도금 소재를 접합할 경우에도 레이저 브레이징 공법을 사용하는 것이 더 적합합니다.
자동차 분야에서는 동력 전달 장치, 차축 및 차체 등에 레이저 하이브리드 용접 공정이 적용될 수 있습니다.
용접 헤드:
용접 헤드는 용접할 부품에 대한 접근성을 확보하기 위해, 특히 자동차 차체 분야에서는 기하학적 크기가 작아야 합니다. 또한, 로봇 헤드와의 적절한 탈착식 연결과 초점 거리, 토치 이격 거리 등의 공정 변수를 모든 직교 좌표계에서 조절할 수 있도록 설계되어야 합니다. 그림 5는 용접 헤드의 작동 모습을 보여줍니다. 용접 과정에서 발생하는 스패터링으로 인해 보호 유리가 점점 더 오염됩니다. 석영 유리는 양면에 반사 방지 코팅이 되어 있으며, 레이저 광학 시스템을 손상으로부터 보호하는 역할을 합니다.
오염 정도에 따라 유리 표면에 쌓이는 비산물로 인해 실제로 공작물에 전달되는 레이저 출력이 최대 90%까지 감소할 수 있습니다. 오염이 심할수록 보호 유리가 파손되는 경우가 많은데, 이는 복사 에너지의 상당 부분이 유리에 흡수되어 열 응력을 발생시키기 때문입니다. 이 용접 헤드와 용접 장비를 사용하면 레이저 하이브리드 용접, 레이저 용접, MSG 용접 등에 사용할 수 있습니다.레이저 열선 브레이징.
그림 6: 용접 헤드 및 공정
5. 레이저 하이브리드 용접의 장점:
아크와 레이저 빔의 결합으로 다음과 같은 이점이 나타납니다. 레이저 용접 대비 레이저 하이브리드 용접의 장점:
• 공정 안정성 향상
• 더 높은 교량 가능성
• 더 깊은 침투력
• 자본 투자 비용 절감
• 더 높은 연성
레이저하이브리드 용접이 MIG 용접에 비해 가지는 장점:
• 더 빠른 용접 속도
• 용접 속도가 높을수록 침투 깊이가 깊어집니다.
• 열 입력 감소
• 더 높은 인장 강도
• 더 좁은 용접 이음매
그림 7: 두 공정을 결합했을 때의 장점
아크 용접 공정은 저렴한 에너지원, 우수한 브리징 능력, 그리고 용가재를 첨가하여 구조를 쉽게 조절할 수 있다는 특징을 가지고 있습니다. 반면 레이저 빔 용접 공정은 깊은 용접 깊이, 빠른 용접 속도, 낮은 열 부하, 그리고 좁은 용접 이음매를 구현할 수 있다는 점에서 차별화됩니다. 특정 빔 밀도 이상에서 레이저 빔은 금속 재료에 "깊은 용접 효과"를 발생시켜, 레이저 출력이 충분히 높을 경우 더 두꺼운 벽 두께의 부품을 용접할 수 있게 합니다. 따라서 레이저 하이브리드 용접은 용접 속도를 높이고, 아크와 레이저 빔의 상호 작용으로 공정을 안정화하며, 열 효율을 향상시키고, 가공물의 정밀도를 높여줍니다. 용접 풀이 MIG 용접보다 작기 때문에 열 입력이 적고, 따라서 열 영향부도 작아집니다. 이는 용접 부위가 줄어든다는 것을 의미합니다.
변형을 줄여 용접 후 필요한 교정 작업량을 감소시킵니다.
두 개의 분리된 용접 풀이 있는 경우, 아크에서 발생하는 후속적인 열 입력으로 인해 레이저 빔 용접 부위, 특히 강철의 경우 용접 후 열처리가 이루어져 용접 이음매 전체에 걸쳐 경도가 더욱 고르게 분포됩니다. 그림 6은 이러한 결합(즉, 하이브리드) 공정의 장점을 요약하여 보여줍니다.
이제 레이저 용접 대비 하이브리드 용접의 경제적 이점에 대해 살펴보겠습니다. 다음과 같은 점을 강조할 수 있습니다. 용접 이음매는 레이저 용접과 MIG 용접이 혼합된 형태로 구성됩니다. 하이브리드 공정을 통해 레이저 빔 출력을 줄일 수 있으므로 레이저 장비의 효율이 3%에 불과하다는 점을 고려할 때 레이저 소스의 에너지 소비를 크게 절감할 수 있습니다. 즉, 공작물에 조사되는 레이저 빔 출력을 1kW 줄이면 전력 소비량이 약 35kVA 감소하는 효과를 얻을 수 있습니다.
레이저 빔 장비는 1kW당 약 0.1유로의 비용이 듭니다.레이저 빔 출력예를 들어, 하이브리드 공정을 활용하면 4kW 빔 출력의 레이저 장비 대신 2kW 레이저 빔 장비를 사용할 수 있어 투자 비용을 20만 유로 절감할 수 있습니다. 하지만 하이브리드 공정을 위해서는 약 2만 유로 상당의 MIG 용접기가 필요하다는 점을 유념해야 합니다.
용접 속도가 빨라짐에 따라 제작 시간과 용접 비용을 모두 줄일 수 있습니다.
6. 레이저 열선 브레이징:
레이저 빔과 필러 와이어를 결합하는 또 다른 방법은 LaserHotwire 공정입니다[10]. 이 공정에서는 필러 와이어를 동일한 전원으로 예열하는데, 이 전원은 다음과 같은 용도로 사용될 수 있습니다.레이저 하이브리드 용접 공정용접봉의 전류 부하는 100A에서 220A까지입니다. 와이어 공급 속도는 브레이징 비드의 단면적과 브레이징 속도에 따라 달라집니다. 브레이징은 용접봉의 양을 조절하여 용접 이음매보다 마감이 용이한 성형 재료를 제공합니다. 판재 부품의 브레이징을 통해 용접 접합부보다 더 쉽게 수리 작업을 수행할 수 있습니다. 레이저 열선 브레이징의 장점 중 하나는 브레이징 영역의 우수한 내식성입니다.
충전재로는 SG-CuSi3와 같은 저렴한 구리 기반 합금이 사용되며, 아르곤이 보호 가스로 사용됩니다.
그림 8: 개략도레이저 열선 브레이징:
다음 그림은 레이저 열선 브레이징으로 접합된 재료의 단면을 보여줍니다. 아연 도금된 재료는 3m/min의 속도로 브레이징되었으며, 필러 와이어에는 205A의 전류가 흐릅니다. 열 입력이 매우 낮기 때문에 브레이징 공정 중 변형이 거의 발생하지 않습니다.
7. 요약:
레이저 하이브리드 용접은 금속 가공 산업의 다양한 분야, 특히 기존 방식대로 부품 공차를 달성하기 어렵거나 경제적으로 부담스러운 경우에 시너지 효과를 제공하는 완전히 새로운 기술입니다.레이저 빔 용접훨씬 더 넓은 적용 범위와 결합 공정의 높은 성능은 투자 비용 절감, 제작 시간 단축, 제조 비용 절감 및 생산성 향상 측면에서 경쟁력 강화로 이어집니다.
레이저 하이브리드 공정은 알루미늄 용접에 대한 새로운 접근 방식을 제공합니다. 그러나 고체 레이저의 출력 향상 덕분에 비교적 최근에야 실용화 가능한 안정적인 공정이 개발되었습니다. 수많은 연구에서 레이저-아크 하이브리드 용접 공정의 기본 원리를 살펴보았습니다. "하이브리드 용접 공정"이란 레이저 빔 용접과 아크 용접 공정을 하나의 공정 영역(플라즈마 및 용융)에서 결합하는 것을 의미합니다. 기초 연구 결과, 두 공정을 결합함으로써 시너지 효과를 얻고 각 공정의 단점을 보완하여 다양한 재료 및 구조에 대해 용접 가능성, 용접성 및 용접 신뢰성을 향상시킬 수 있음이 입증되었습니다. 특히 알루미늄 합금에서 이러한 효과가 입증되었습니다. 적절한 공정 변수를 선택함으로써 용접 형상 및 구조적 구성과 같은 용접 특성을 선택적으로 조절할 수 있습니다. 아크 용접 공정은 필러 금속을 추가하여 브리징성을 향상시키고, 용접 이음매 폭을 결정하여 필요한 공작물 준비량을 줄여줍니다. 더욱이, 공정 간의 상호 작용으로 인해 공정 효율이 크게 향상됩니다. 또한 이러한 복합 공정은 레이저 용접 공정보다 투자 비용이 훨씬 적게 듭니다.
레이저 열선 브레이징 공정은 특히 아연 도금 재료에 적용하여 우수한 내식성을 얻는 데 사용할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 4월 18일
