산업용 고출력 파이버 레이저를 이용한 자동차 부품의 레이저 가공 공정기술에 대한 선행연구는 자동차 부품업계에서 제품을 가공 할 때 고려하는 몇 가지 일반 적인 요건을 살펴보면 강도,인성,연성 등 적절한 기계적 성질,내식성,수밀성,외 형은 필수 기본 요건이 되었고,여기에 추가로 더욱 치열해지는 각 자동차 제조사 의 경쟁 속에 특히 강조되고 있는 것은 연비 확보를 위한 차량의 경량화와 설비 자동화를 통한 생산 효율 향상을 들 수 있다.
본 연구에서는 고출력 연속파형 파이버 레이저를 이용하여 자동차용 소재의 용 접 및 절단을 통해 기존 전통적인 부품 가공방식에서 개선된 가공방식을 제시하기 위해 파이버 레이저 신공법 적용에 대한 연구를 진행하고자 한다.
가. 파이버 레이저에 의한 기어부품 용접
자동차 산업에서의 레이저용접 분야는 대략적으로 부품용접[73],차체용 강판 용 접[74],테일러드 블랭크 (tailoredblank)용접[75]등으로 분류할 수 있다.
자동차용 기어부품은 주행 및 변속시 충격하중을 받게 되므로 용접부는 높은 기 계적 강도와 내구성이 요구된다.특히 용접 후 소재에 발생하는 열변형은 주행시 진동 및 소음 발생의 원인이 되므로 용접 후 열변형이 극소화되어야 한다.이러한 측면에서 용접성이 좋고 기계적 특성이 우수한 자동차용 기어소재를 사용함과 동 시에 고강도·고정도 용접성이 요구된다.
본 연구에서 사용된 IF(InterstitialFree)강은 자동차용 기어소재로 성형성이 우 수한 대표적인 고강도 극저탄소강 (ultralow carbon steel)이다.탄소의 함유량이 100 ppm 이하의 극저탄소강에 강도를 향상시키기 위해 티타늄(Ti)또는 니오듐 (Nb)과 같은 탄화물 또는 질화물 형성원소를 일정한 비율 이상 첨가하여 철(Fe)기 지 중에 침입형 원소 (interstitialatom)인 탄소,질소,황 등이 고용상태가 아닌 미세한 석출물로 결정립을 미세화 시켜 고가공용 고강도강으로 개발되었다
[76~77].
현재 국내 자동차 기어부품의 생산 공정은 프레스 성형으로 가공된 기어류 후판 소재 부품을 강도가 크고 정밀도가 높은 용접을 위해 고밀도 에너지용접 공법인 전자빔 용접을 사용하고 있다.그러나 전자빔 용접은 대기 중의 도전입자에 의해 전자빔이 산란되므로 5×10-2torr이상의 고진공 상태에서 용접이 진행되기 때문 에 용접을 위한 진공설비와 진공 발생을 위한 시간이 소요되어 생산성 측면에서 불리할 뿐만 아니라,진공의 상태에 따라 용접품질이 달라지는 단점이 있다.
최근에는 이런 전자빔 용접의 단점을 보완하고 생산성 향상 및 원가절감의 대책 으로 전자빔 용접공정을 레이저 용접으로 대체 하려는 연구가 진행되고 있다[78].
본 연구의 목적은 자동차용 기어부품의 맞대기 원주용접 (circlewelding)을 위 해 시행되고 있는 전자빔 용접을 고출력 파이버 레이저로 대처하기 위해 최적의 공정조건을 찾기 위한 선행 연구이다.
레이저 용접조건은 전자빔 용접과 동등수준의 용입 깊이를 레이저 용접심도의 기준으로 하였으며,비드 온 플레이트 (bead on plate)용접 후 레이저 출력,용접 속도 등의 용접공정 변수를 이용하여 산출한 입열량 (heatinput)변화를 중심으로 분석하였다.용접한 후 용접의 건전성을 평가하기 위해 파괴 분석과 비파괴분석을 실시하여 최적의 용접조건을 제시하고자 한다.
나. 시트레일 부품의 파이버 레이저 용접
본 연구는 시트레일 부분의 파이버 레이저 용접 공정 개발을 위한 선행연구로서, 현재 산업현장에서의 시트레일 부품에 대한 조립 공정의 경우 볼트 체결을 통한 기계적 조립이 시행되고 있다.시트레일 생산 공정의 레이저 용접 공법을 통해 공 정을 단축시키고,볼트 체결을 위한 소재의 중복요소를 차단하여 재료비 절감뿐만 아니라,자동차의 연비 향상을 위한 경량화를 목표로 연구를 시행하였다.레이저 용접자동화 시스템을 현장에 적용할 경우 초기 설치비는 다른 기존 용접 장비에 비해 고가지만,전체 생산 공정을 고려할 때 생산비의 절감효과를 가져오게 된다.
하지만 레이저 용접을 실제 생산 라인에 적용시 고려해야할 부분 중 가장 중요한 요소 중 하나는 제품의 동일한 품질 신뢰성 확보이다.이를 위해서는 지그(Jig)에 의한 제품의 정렬의 정밀도가 요구되어 용접할 제품의 원자재 부품이 동일한 가공 상태 유지 및 용접부의 동일한 간격을 유지하는 것이 관건이다.레이저 용접의 경 우 집속된 빔의 직경이 수백 ㎛으로 매우 작아 용접부 사이의 간격이 넓게 되면, 레이저 빔이 모재를 용융시키지 못하고 간격 사이로 통과해 버리거나,용접부의 용 입 부족에 의한 용접결함이 발생하게 된다[79].
이 경우 용가재 (fillerwire)를 사용하는 레이저 용접기법으로 이러한 문제를 해 결할 수 있지만,용가재를 사용하지 않는 자생용접 (Autogenouswelding)을 위한 T형상 용접부 갭(Gap)에 따른 용접부의 특성변화에 대해 실험 및 분석을 실시하 였다.용접부 단면 비드 분석을 통해 빔 이송속도에 따른 단위면적당 입열량에 따 른 용입량 및 용접부 결함 여부를 확인하고,용접부 간격에 따른 용접부의 기계적 특성 평가를 위해 인장실험 (Tensiletest)를 실시하였고,용접부 비파괴 X-Ray검 사를 통해 용접부의 결함여부 및 건전성에 관하여 고찰하였다.
다. 구조용 압연 소재 SS400의 파이버 레이저 절단
레이저 절단은 고출력 빛 에너지를 이용하여 재료를 절단하는 고속가공으로써, 고정밀 절단을 요하는 건설,기계,항공,조선,전자 등 산업현장에서 다양하게 사 용되고 있다.현재 산업현장에서 일반적으로 사용하고 있는 레이저 절단의 경우 10.6㎛ 파장을 가지고 있는 CO2레이저 발진기를 주로 사용하고 있다.CO2레이 저 발진기를 사용하는 레이저 절단기의 경우 레이저 빔을 전송에 반사경이 사용된 다.반사경에 의한 레이저 전송으로 인해 같은 사양의 레이저 절단기라 할지라도 레이저 가공기를 사용하고 있는 작업자의 레이저 절단기 유지관리 정도에 따라 절 단 속도,절단두께,절단면 품질 등 제품의 생산성에 매우 큰 차이가 발생되고 있 다.이러한 원인으로는 레이저빔의 반사경 전송에 의한 광학적 정렬 틀어짐,반사 경 오염에 의한 레이저 빔의 에너지 손실 및 빔 품질 저하,레이저빔이 전달되는
광학계의 열렌즈 효과 (thermallenseffect)에 의한 초점거리 변경 등이 복합적으 로 작용하여 절단품질을 저해시킨다[80].
반면에 파이버 레이저는 레이저 발진부터 빔 전송까지 전체 과정이 광섬유를 통 해 진행되므로 기존 CO2레이저와 같은 광학적 빔 정렬 및 반사경의 오염,광학계 의 열렌즈 효과 등의 품질 저해 요인이 근본적으로 발생되지 않는 구조로 구성되 어 있어,항상 동일한 빔 특성이 유지되며 파이버 레이저 절단기의 유지관리 상태 와 관계없이 항상 일정한 품질 조건이 유지될 수 있다.
초기 파이버 레이저를 이용한 절단 및 가공에 대한 연구는 파이버 레이저를 개 발에 참여한 독일 연구단체를 중심으로 기술교류가 진행되어 왔으며,현재는 산업 용 고출력 파이버 레이저가 세계 각국에 폭넓게 확대됨에 따라 국내외적으로 파이 버 레이저를 이용한 레이저 절단 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.특히 산업현장에서 범용화되고 있는 2차원 레이저 절단기의 경우 파이버 레이저를 이용 한 레이저 절단 시스템을 개발하기 위한 연구 및 개발이 진행되고 있다[81].
본 연구에서는 자동차 프레임으로 주로 사용되는 구조용 압연소재 SS400판재의 파이버 레이저 절단 특성에 대해 연구하였다.파이버 레이저를 이용한 절단특성을 기존 4kW급 CO2레이저의 절단 특성과 비교하여 SS400을 파이버 레이저 2kW 로 절단했을 때 최대 절단 두께에 따른 절단속도의 변화에 대한 결과를 도출하였 다.이를 통해 산업현장에서 사용되고 있는 4kW급 CO2레이저와 비교하여 파이 버 레이저의 최대 절단두께 및 절단속도 등에 따른 특성을 제시하고자 한다.
산업현장에서 주로 사용되는 SS400판재의 두께별 파이버 레이저 최적 절단 영 역을 확인하여,CO2레이저 절단 특성과 파이버 레이저 절단 특성을 비교 분석하 였다.이러한 분석을 통해 파이버 레이저의 산업용 레이저 절단기로 응용을 위한 사전 연구에 목적이 있다.
2 장 이론적 배경
2.1 고출력 파이버 레이저의 발진 원리 및 특성
2.1.1
파이버 레이저 개발배경
고출력 파이버 레이저가 개발되기 이전 자동차 부품의 레이저 가공을 위한 kW 급 고출력 산업용 레이저는 주로 기체레이저인 CO2 레이저와 근적외선 영역의 YAG 타입의 고체 레이저가 사용되었다.레이저는 발진원리 및 활성매질의 특성에 따라 기체 레이저,고체 레이저,액체 레이저로 구분한다.
기체 레이저의 종류로는 원자 레이저인 헬륨네온 (He-Ne)레이저,이온 레이저인 아르곤(Ar+)레이저,분자 레이저인 CO2레이저 등이 있으며,다양한 방식의 기체 레이저 중에서 가장 많이 산업현장에서 사용되고 있는 CO2레이저의 발진 원리는 Fig.2-1과 같다.
CO2레이저는 활성물질이 CO2혼합 기체로서 가스의 보충 및 냉각작용을 위해 기체의 순환이 필요하므로 일반적으로 고체레이저에 비해 상대적 부피가 크다.가 스방전관에 고전압을 인가하여 자유전자가 전기장에 의해 양극으로 가속되며,가속 된 자유전자들이 이동 중 활성매질인 중성의 원자,혹은 분자들과 충돌시 높은 준 위로 여기되어 레이저를 방출한다.CO2레이저는 이산화탄소(CO2),헬륨(He),질소 (N2)가스를 일정 배율로 혼합된 혼합가스(CO2+He+N2)사용하며 주기적으로 가스 를 교환 및 충전해야 한다.혼합가스가 방전관의 내부의 방전전극(+/-)을 통해 전 기적인 방전이 이루어지며,이 과정에서 파장이 10.6㎛의 레이저 빔이 생성되며, 양끝 반사경을 통해 레이저 출력이 증폭 된다.
고체 레이저의 종류에는 루비 레이저,Nd:YAG 레이저,Nd:Glass레이저,타이 사파이어 (Ti:Sapphire)레이저 등이 있으며,고체 레이저 중에서 주로 많이 사용되 는 램프 펌핑 방식의 Nd:YAG레이저의 발진 원리를 Fig.2-2에 나타내었다.