기술자료: 차체 레이저 용접 로봇 시스템 및 용접기술 국산화
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차체 레이저 용접 로봇 시스템 및 용접기술 국산화

글/한국기계연구원 나노융합·생산시스템연구본부 광응용생산기계연구실장 책임연구원 서 정
㈜성우하이텍 기술연구소 연구소장(상무이사) 이문용
1. 개발 배경
저항 점용접(Spot 용접)을 기초로 한 자동차 설계 및 생산방식의 경제적·기술적 한계를 극복하고 차체 경량화, 안전도 향상, 생산성 향상을 달성하기 위하여 3차원 레이저 용접기술이 자동차 업계의 핵심기술로 대두되고 있다.
선진국에서 1995년에 자동차 차체 부품 양산에 적용한 레이저 용접 기술은 다관절 산업용 로봇에 Nd:YAG 레이저 헤드를 장착하여 용접 플랜지면을 용접하는 기술이며, <그림 1>과 같이, 기존의 Spot 용접과 비교하여 45%의 용접 시간 단축으로 생산성을 향상시킨다.
한편, Nd:YAG 레이저 용접 로봇시스템의 투자비가 기존의 Spot 용접시스템 대비하여 6배 이상 고가의 용접시스템이므로 생산라인에 적용이 빠르게 확대되지 못하고 있다.
따라서 Spot 용접 대비 생산성이 최소 5배 이상인 용접 기술로서 레이저 마킹 장치에 사용되는 스캐너(Galvanometric Scanner)와 로봇을 이용한 레이저 용접 기술이 외국 자동차 메이커(Daimler Chrysler사)에서 선행 개발되어 일부 부품에 적용 검토 중이며, 국내 자동차 업계에서도 체계적인 기술 개발 필요성이 요구되고 있다.
<그림 1> 차체 부품 용접 기술별 용접시간 분석(spot용접 12점 기준)

2. 원격 레이저 용접 로봇 시스템 기술 개요
로봇에 레이저 용접헤드와 스캐너가 장착된 제조업용 로봇기반 원격 레이저 용접시스템에서는 스캐너의 레이저빔 조사 영역 내에서 고속으로 레이저 용접이 가능하고, 타 용접부로 이동만을 로봇이 수행함으로써 생산성 향상이 가능하다.
<그림 2>는 단순히 로봇과 레이저 용접헤드로 구성된 기존의 차체 레이저 용접 장치이며, <그림 3>은 원격 레이저 용접 장치를 보여주고 있다.
로봇에 스캐너를 이용한 원격 레이저 용접은 프레스에 의해 생산된 소물 차체 단품을 조립하는 것보다는 대물의 차체 부품을 조립할 경우에 생산성 향상이 크게 기대된다.
특히, <그림 4>와 같이 대물 차체 부품의 SIDE INNER 및 SIDE OUTER 차체 부품을 조립 시 제품형상이 크기 때문에 스폿 용접건의 활동 반경이 부자유스럽고 많은 단품들이 용접되어 전체 용접시간이 많이 소요되므로 원격 레이저 용접으로 교체 시 생산성 향상을 기대할 수 있다.



3. 한국기계연구원에서의 연구 개발 현황
한국기계연구원(원장 이상천) 나노융합·생산시스템연구본부 광응용생산기계연구실의 서정 박사팀은 차세대성장동력사업(지능형로봇사업단)의 지원을 받아 ㈜성우하이텍과 공동으로 원격 레이저 용접 로봇 시스템 및 용접 기술을 개발했다.(<그림 5> 참조)
<그림 5> KIMM에서 개발한 원격 레이저 용접 로봇 시스템
핵심 기술 내용은 시스템 통합 제어기술 개발 및 시스템 구성기술(레이저&로봇&Scanner), 최적 용접선 형상 도출(용접선 형상 제어기술 개발), CATIA S/W를 이용한 로봇 경로 생성기술, 용접 특성 분석(경사에 따른 특성), 용접부 클램핑 설계 기술, 실부품 생산용 지그 개발, 용접 변형율 최소화 기술 개발, 용접속도 향상기술, 3차원 shielding 장치 개발, 용접 모니터링 장치 설계기술 개발 및 품질 평가 기술 등이다.
특허 등록 1건, 출원 2건, 국내외 학술지 5편 게재, 10여 건 발표 등의 연구실적을 보였으며, 시운전을 통해 ㈜성우하이텍 생산 라인에 원력 레이저 용접 로봇 시스템이 적용되고 있다.
<그림 6> ㈜성우하이텍에 설치된 선행 양산 개념의 원격 레이저 용접 시스템
이번 원격 레이저 용접시스템은 현대중공업㈜에서 지원한 제조업용 로봇을 기반으로 개발한 것으로 국내외 제조업용 로봇시장을 넓히는 데도 크게 일조하게 되어 원격 레이저 용접 로봇의 사업화가 가능하게 되는 계기가 되었다.
개발된 원격 레이저 용접 로봇 시스템은 앞으로 자동차 차체뿐만 아니라, 조선과 항공 및 고속철도 등에 적용될 예정이며, 세계적인 레이저 전문 메이커인 Trumpf사와 로봇 전문메이커인 Kuka사의 합작 제품과 경쟁하게 될 것으로 기대된다.
또한 원격 레이저용접 적용에 따른 재료비 절감을 비롯한 자동차 부품, 조립, 물류, 품질, 기술 향상을 고려하면 원가절감 효과가 탁월할 것이며, 자동차 차체 용접라인의 수입대비 투자비 30% 절감 및 공정 축소가 가능할 것이다.
향후 5개의 완성차 업체 및 45개의 자동차 차체업체를 중심으로 레이저 용접 생산 시스템의 수요가 예상된다.
<그림 7> 개발한 레이저 용접로봇 시스템 앞에서 광응용생산기계연구팀들(왼쪽 끝이 서정 실장)



■ 참고문헌
[1] Abermen Z., Doors and Hoods Laser Welding Replace Gluing or Spot Welding, 25th ISATA Symposium, No. 921025, Florence Italy, 1992.
[2] Williams N. T. and Waddell W., High Speed Resistance Seam Welding of Uncoated and Coated Steels, Technical Steel Research Commission of the European Communcations, Report No. EUR 1150 EN, 1988.
[3] Eimermann T., Hem Flange Laser Welding, 25th ISATA Symposium, No. 921089, Florence Italy, 1992.
[4] F.Coste et al, A Rapid Seam Tracking Device for YAG and CO2 High Speed Laser Welding, Proc. ICALEO 85,pp. 217-223, 1998.
[5] LIA Handbook of laser materials processing, Laser Institute of America, Magnolia Publishing Inc., pp.162-166, 2001.
[6] Coste F. et al, A Rapid Seam Tracking Device for YAG and CO2 High Speed Laser Welding, Proc. ICALEO 85, F217-223, 1998.

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