레이저 용접의 특징과 응용

레이저 용접의 특징과 응용

레이저는, 크게 기체 레이저, 액체 레이저, 고체 레이저로 분류되며, 발진 매체나 발진 매질등에 의해서 이름이 붙여지고 있습니다.CO2레이저는 탄산가스를 발진매체로 하는 기체레이저, YAG레이저와 화이버레이저는 고체레이저입니다.시어도어·H·메이먼이 파장 694 nm의 루비 레이저를 발진시킨 것은 1960년 5월 16일의 일입니다만, 그 수년 후에는 CO2 레이저, YAG 레이저의 발진이 확인되고 있습니다.

용접기술에 있어서 레이저의 분류는 용융 용접 중 고출력 빔 용접(레이저 빔 용접)입니다.레이저 용접에서는 통상적으로 레이저 빔을 1mm이하의 스팟으로 집광시켜 부재 표면에 대한 열원으로 합니다.온도가 상승한 부재표면은 용융을 시작하고 열전도와 열수송에 의해 용융지가 넓어져 부재가 용접됩니다.이러한 타입의 레이저 용접을 열전도형 용접이라고 합니다.

레이저빔의 조사에 의해 부재의 비점을 넘으면 키홀이라는 구멍이 형성되며, 이때 프룸이라 불리는 금속증기가 분출되어 스패터(비산하는 금속립자에 의한 불꽃)나 흄(녹은 금속이 기화하여 공기 중에 굳어진 미세한 입자)이 부재에 부착되어 가공자에게 해를 끼칠 위험이 있습니다.또한 빔을 계속 조사하면 키홀이 부재를 관통하며, 이 방법에 의한 용접은 키홀 용접이라고 합니다.

레이저 출력을 높여 가면, 용접 속도가 증가하지만, 동시에 스패터나 흄이 방출되어 부재에의 영향과 후속 가공이 증가하게 됩니다.레이저의 종류에 한정하지 않고, 출력·용접 속도와 부재에의 영향은 트레이드 오프의 관계가 있다고 하는 것입니다.

또, 레이저를 조사했을 경우, 부재의 반사율이나 투과율에 의해 흡수, 투과, 굴절, 산란이라고 하는 현상이 일어납니다.금속은 투과율이 거의 제로이며, 가전자가 결정중을 자유롭게 돌아다닐 수 있으므로 전기전도도가 높고, 레이저는 잘 흡수되지 않는다.그러나, 집광 조사에 의해서 광강도를 높이면 키홀이 형성되어 그 안에서 일어나는 다중 반사나 플라즈마·프룸에 의해서 효율적으로 흡수됩니다.단, 알루미늄, 구리 등 반사율이 높은 부재에 대해서는 파장이 짧은 레이저를 쏠 필요가 있습니다.

레이저의 품질에 대해서는, 일반적으로 BPP(BeamParameterProducts, 빔 파라미터적)라고 하는 평가 단위가 사용됩니다.이는 레이저 빔의 확장의 반각(mrad)과 빔 웨스트 반경(mm)의 곱으로 주어지며, 출사 빔 직경(웨스트 직경)이 동일한 경우는 레이저가 1m 가는 동안 퍼지는 범위를 나타내며 값이 클수록 품질이 나쁜 것을 나타냅니다.

레이저 용접은, 그 깊은 용해, 좁은 범위의 용융에 의한 고속성과 열영향이 적어서, 일찍부터 실용화가 기대되어 왔지만, 당분간은 출력의 약함이나 재처리의 어려움으로 반도체나 전자기기등의 작은 부재의 용접 분야로 한정되어 왔습니다.고출력화에 의한 최초의 실용화가 실현된 것은 CO2 레이저였습니다(1980년대에 kW클래스).그 후, YAG 레이저에 의한 단파장화(1990년대 후반에 kW클래스), 21 세기에 들어가고 나서 파이버 레이저의 고휘도화가 도모되어 점차 소형 부재 이외에도 용도가 넓어졌습니다.

CO2 레이저의 특징과 단점

탄산 가스를 발진 매체로 한 파장 10.6μm의 기체 레이저가 CO2 레이저입니다.파장은 공진기 미러에 의한 파장 선택에 따라 9.6μm까지 짧게 할 수 있습니다.출력형태는 연속발진과 펄스발진이 가능하며 BPP는 3~15mm, mrad로 빔의 품질이 우수하여 고파워로도 약 0.6mm의 스포트 직경에 집광할 수 있다는 특징이 있습니다.

CO2 레이저에 사용되는 가스는, 고효율의 발진을 실현하기 위해서 CO2 외에 어시스트 가스로서 N2(질소), He(헬륨), Ar(알곤), CO(일산화탄소)를 혼합한 것이 사용됩니다.레이저 발진의 매체는 CO2입니다만, 이러한 어시스트 가스를 혼합하는 것으로 공진기(방전관)내의 출력이 증대합니다.혼합 비율은 공진기의 종류, 빔의 품질과 가공 효율, 각 가스의 가격 등에 따라 달라집니다.

수 kW~수십 kW의 고파워 연속 발진 레이저가, 자동차 분야, 박강판, 철강이나 조선 분야등에서 용접에 사용되고 있습니다.또한 레이저 절단이나 홀 가공, 표면 처리 등에도 응용됩니다.

단, 고파워 용접으로 Ar 가스를 어시스트 가스로 사용한 경우 Ar 플라즈마가 발생하여 용해성이 얕기 때문에 He 가스를 사용하는 경우가 많습니다만, He 가스는 비싸다는 단점이 있습니다.미러나 집광 렌즈에는, 10μm광의 투과성이 뛰어난, 반도체인 ZnSe(세렌화 아연)를 사용하는 것도 CO2 레이저의 특징입니다.

레이저가 조사되면 미러나 집광 렌즈의 내부에 불균일한 온도 분포가 생기는 열렌즈 효과라고 불리는 현상이 일어나는데, ZnSe는 가장 흡수율이 낮고 열렌즈 효과를 작게 하는 모재로 되어 있습니다.ZnSe를 사용해도 역시 열렌즈 효과로 초점 위치가 레이저 발진기 쪽으로 점점 어긋나므로 연속 가공 시 주의가 필요합니다.

또, CO2 레이저는 파장이 10μm대이기 때문에, 레이저 발진기에서 꺼내 파이버 전송이 되지 않습니다.주변성이 좋은 섬유 재료인 석영이 이 파장대의 레이저를 흡수해 버리기 때문입니다.파이버 전송이 안 된다는 것은 발진기에서 가공 위치까지 미러를 이용한 공간 전송을 할 필요가 있으며, 발진기로부터 거리도 제한되어 자동화가 어렵고 산업용 로봇에 사용하는 것도 어렵습니다.

YAG 레이저의 특징과 단점

YAG(Yttrium Aluminum Garnet, 이트륨·알루미늄·가넷) 레이저는, 이트륨과 알루미늄의 인공 가넷 구조(입방정계의 광물 결정 구조)에 희토류 원소를 도프(첨가)해, 발진 매체로 한 고체 레이저입니다.레이저 용접에 사용되는 것은 YAG에 몇 %의 Nd(네오디뮴)를 도프한 Nd:YAG 레이저로 파장은 1.064μm, 의료용으로 Er(엘비움)을 도프했다.YAG레이저도 사용되고 있습니다.

파장의 짧음을 살려, 전송 손실이 낮은 파이버 전송이 가능한 것이 YAG 레이저의 특징입니다.레이저를 열원으로서 처음으로 자동화나 로봇화를 실현한 기술로서 노멀 펄스, Q스위치(단시간 조사, 의료용), 연속 발진이 가능해져 그 넓은 응용범위가 기대되어 왔습니다.

2~4kW급 연속 발진 YAG레이저는 복수의 강판을 용접한 프레스용 부재인 테일러드 블랭크(Tailored Blanks)의 맞대기 조인트나 아연도금 강판의 겹치기 용접에 사용되며, 6~10kW급 연속 발진 레이저는 스테인리스 강판 등의 용접에 사용되어 왔습니다.

단, 1세대 YAG레이저는 Nd를 활성원소로 한 램프 들뜸이며, 발진효율은 약 1~3%로 낮고(CO2레이저는 10% 정도), 발열도 컸기 때문에 BPP는 25~100mm·mrad이며, 집광성은 좋지 않았습니다.

또한 들뜸 플래시 램프나 냉각수 등의 소모품을 정기적으로 교체해야 하며, 유지 보수에 비용과 시간이 많이 소요되는 단점도 있어 고체 레이저를 먼저 잡는 기술이지만 최근에는 잘 사용되지 않고 있습니다.

한편, 2세대 YAG레이저는 파이버레이저와 같은 Yb를 활성원소로 한 반도체 레이저 들뜸이며, 발진효율은 약 20~30%로 높아집니다.매질형상은 냉각성능이 뛰어난 얇은 디스크형이며, 열변형 발생을 보상하는 구조이므로 BPP는 4~24mm·mrad로 파이버 레이저에 육박하는 집광성이 있으며, 파이버 레이저에 경합하는 형태로 산업적용이 되어 있습니다.

섬유 레이저의 특징과 단점

다루기 까다로운 자동화 로봇화에 부적당한 CO 2레이저나 효율이 낮은 YAG레이저 대신 새로운 기술로서 주목 받고 있는 것이, 고휘도·고출력의 고체 레이저, 섬유 레이저입니다.

이것은 레이저 발진기에서 단지 광섬유를 사용해 전송하는 벌크형 레이저와는 달리, 고순도의 석영 유리로 만들어진 광섬유리에 희토류 원소의 Yb3+(이온화한 이테르비움)를 도프 해, 외부로부터 반도체 레이저를 조사하는 것(여기)으로 고효율의 레이저 발진을 실시해, 고출력의 레이저를 만들어 내는 기술입니다.

레이저 매질, 전송 광학계 모두 파이버가 이용되고 있으며, 공간 광학계가 없는 현대적인 구조로, 들뜸용 반도체 레이저도 파이버 결합형이 이용되고 있기 때문에, 유지보수가 필요 없는 구조로 되어 있습니다.파장은 YAG 레이저에 가까운 1.07μm이며, 레이저 발진용 광섬유는 직경 약 10~20μm, 전송용 광섬유는 직경 약 50~300μm로 길이 20~50m 정도 전송이 가능합니다.

레이저 발진기는 광섬유 내에 내장된 반사·공진 작용이 있는 한 쌍의 파이버 소자에 의해 구성되기 때문에, 취급이 좋고 미러 조정이나 유지 보수가 불필요한 것도 파이버 레이저의 특징입니다.따라서 자동화, 무인화, 로봇화가 용이하며 인력부족이 심해지는 산업계에도 중요한 기술입니다.

또한 빔 품질은 BPP가 2~12mm·mrad와 CO2레이저 이상으로 고집속 빔 조사가 가능합니다.발진 효율은 30-40%로 다른 레이저를 압도하고 있습니다.

싱글 모드 발진기에서는 소형 경량인 것도 파이버 레이저의 특징으로, 초단 펄스나, 구리 흡수가 높은 파장 535 nm의 그린 레이저 발진과 같은, 고피크·단파장 가공용 열원으로서도 유용합니다.단지, 워크에서 반사한 레이저광의 일부가 발진기측으로 돌아와, 광학 부품이나 발진 장치 등에 손상을 미칠 위험성도 있습니다.

파이버 레이저는 자동차 분야, 철도 차량, 철강, 조선 등 많은 산업 분야에서 사용되어 멀티 모듈에 의한 고파워화, 고휘도·고효율화, 재처리가 좋은 파이버 전송, 유지보수가 필요 없다고 하는 많은 이점을 가지고, 가공용 레이저의 주력이 되고 있습니다.