고 출력 다이오드 레이저의 자동차산업 적용 사례
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
고출력다이오드레이저의 자동차산업 적용 사례
Dr. Peter Hoffmann; Dr. Roland Dierken; Thomas Endress* (Erlas)
번역: 한상배 / 유로비젼(주)
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  • 고출력 다이오드레이저(High Power Diode Laser,HPDL)는 독일을 중심으로 한 유럽내의 여러 국가에서 적용분야를 점차 높여가고 있으며, 금속소재에 있어서의 높은 흡수율 및 발진장치의 높은 에너지 변환효율이 중요한 요인이라고 할 수 있다.

    레이저소스로부터 출력되는 사각형 또는 라인형의 레이저-빔은 다이오드레이저를 이용한 금속의 열처리분야에 매우 적합하며, 이미 Body-in-White 차체(Car Body) 양산라인의 브레이징 공정에는 수 년 전부터 실제 적용되어왔다.

    또한, 다양한 빔 형상, 균일한 에너지 밀도, 낮은 운전비용, 간단한 유지보수, 좁은 설치공간, 손쉽게 이동이 가능한 구조, 광케이블을 이용한 레이저-빔의 전송 등 여러 장점으로 인하여 보다 유연하고 효과적인 생산환경을 구축할 수 있다는 것 또한 다이오드레이저의 응용분야를 확대하는 요인이 되었다.
    키-워드: 고출력 다이오드레이저, HPDL,레이저시스템, 레이저열처리, 레이저브레이징

    1.소개
    산업현장에서 요구되는 신뢰성 및 안정성을 갖춘 KW급 고 출력 다이오드레이저는 1998년도에 처음으로 소개되었으며, 현재는Direct System의 경우 최대10KW출력, Fiber Coupled System의 경우 최대 6KW출력의 시스템이 상용화되었고(독일 Laserline GmbH사), 레이저-빔의 품질 또한 매우 향상됨으로써 응용분야를 점차 넓혀가고 있는 추세이다.

    다이오드레이저는 시스템의 디자인,빔의 품질 그리고 파장의 측면에서 Nd:YAG레이저나 CO2레이저와는 많은 차이가 있으며, 1mm이상의 큰 빔-직경이 요구되거나 금속표면의 높은 흡수율이 요구되는 분야의 용접,열처리,브레이징등에 매우 적합하다.

    1996년 독일 Erlangen지역의 과학자들이 고 출력 다이오드레이저를 로봇에 탑재한 레이저가공 시스템을 개발하기 시작한 후, 독일 Erlangen에 위치한 ERLAS (http://www.erlas.de)는 4KW고출력 다이오드레이저와 6축 다관절 로봇을 이용한 레이저열처리용 턴-키 시스템을 유럽에서 최초로 개발하였으며, 최근에는 새로운 형태의 Gantry Robot에 고출력 Fiber Coupled Diode Laser시스템을 탑재한 레이저브레이징 시스템을 성공적으로 셋-업 하였다.

    본 자료의 첫 번째 장은 다이오드레이저를 이용한 레이저열처리의 장점 및 Erlas사에서 개발한 레이저 열처리시스템의 기술적특성 과 적용사례에 대한 설명으로 구성되며, 두번째 장에는 새로운 형태의 레이저브레이징 시스템에 대한 내용으로 구성되었다.

    2. 레이저열처리
    (1)레이저열처리 시스템
    고출력 다이오드레이저(HPDL,High Power Diode Laser)를 이용한 열처리시스템의 장점으로는, 투자 비용적인 측면과 함께 작업프로세스의 향상을 들 수 있으며, CO2레이저가 약 10%정도 그리고 Nd:YAG레이저가 약 3%정도의 에너지변환효율을 가지는 반면 고출력 다이오드레이저는 에너지변환 효율이 25%이상에 달한다.

    고출력 다이오드레이저의 또 다른 장점으로는, Nd:YAG레이저(1064nm)나 CO2레이저(10600nm)에 비하여 짧은 파장으로 인한 높은 흡수율 및 중절모형태(Flat Hat)의 균일한 에너지밀도를 들 수 있다.

    아래 “그림.1”과 같이 다이오드레이저의 파장(Wavelength)은 금속표면에 약 40%정도의 흡수율을 가지게 되며, 고출력 다이오드레이저는 기본적으로 사각형 형태의 레이저-빔을 만들어낸다.


    그림. 1 레이저파장에 따른 흡수율 비교

    그림.2에서는 레이저-빔의 형상에 따른 경화깊이와 요구되는 에너지의 밀도를 알 수 있다. CO2레이저 또는 Nd:YAG레이저와 같은 Gaussian빔을 Defocusing하여 열처리에 적용하는 경우에는, 높은 에너지 밀도에도 불구하고 경화깊이가 깊지 않다.

    그러나 고출력 다이오드레이저의 “Top Hat”형상의(에너지 밀도가 균일한) 빔을 사용하면 낮은 에너지 만으로도 충분한 경화깊이를 얻을 수 있다.

    이론적으로는,산업현장에서 사용되는 거의 모든 공구강(Tool Steel)과 주철(Cast Iron)계열의 금속은 레이저열처리의 적용이 가능하다. 카바이드가 형성되기 쉬운 강철의 경우에는 약간의 제한이 있는데, 이 경우에는 카본의 함유량과 분포를 조절하기 위하여 사전예열을 실시한다.

    그림.2 레이저-빔의 형상에 따른 경화깊이와 요구되는 에너지의 밀도그림.3 공구강의 용융 시작 온도(Threshold limit temperature)

    일반적으로, 레이저를 이용한 열처리공정에서 우수한 품질을 얻기 위해서는 정밀하게 온도 사이클을 관리하는 것이 매우 중요하며, 모재는 레이저에 의해 가열되면서 균일한 오스테나이트(austenite)로 변형되고 카본원소는 모재의 표면에서부터 점차 결정체속으로 확산된다.

    이러한 현상은 소재에 따라 특정한 온도범위에서 나타나며, 레이저를 조사하는 시간에 따라 경화깊이가 달라진다. 어떤 종류의 합금강(Steel Alloy)은 융점근처(Melting Region)에서 열처리를 실시해야 한다. 그림.3은 공구강의 종류에 따라 용융(Melting)이 시작되는 점의 온도그래프이다.

    레이저열처리 공법을 실제 산업에 적용하기 위해서는, 레이저로 인한 열 균열(heat cracking) 및 모재가 용융되는 현상(melting)을 방지하기 위하여 Pyrometer를 사용하여 소재의 온도를 정밀하게 관리하기 위한 피드백 시스템(Closed loop)이 매우 중요하다.

    Erlas사에 의하여 개발된 고출력 다이오드레이저를 이용한 열처리시스템은 Pyrometer를 기반으로 한 온도제어 시스템을 기본으로 하였으며, 매우 경제적이면서도 사용하기 쉬운 구조로 되어 있는데 주요 구성품은 아래와 같다.
    - 6축 다관절 로봇(표준형), 작업영역의 확장을 위하여 직교로봇 가능(옵션)
    - 최대 6KW의 고출력 다이오드레이저 (로봇암에 직접 부착 가능 함)
    - Pyrometer를 이용한 온도검출 시스템 (소재의 표면상태에 관계없이 정밀하게 온도를 검출하기위한 2개의 파장으로 구성된 two-color-Pyrometer사용)
    - 레이저출력의 피드백 제어(closed loop control)
    - 열처리 전용프로그램(ERHARD®)을 이용한 작업 파라메터의 데이터베이스 구성 (온도, 작업속도, 광학계 설정…)
    - 작업데이터를 보관하기위한 데이터베이스 구성(레이저출력,표면온도…)
    - 오프라인 프로그래밍을 위한 소프트웨어사용(Toplas 3D®)
    - 충돌 방지 기능

    그림.4 레이저열처리시스템 ERLASER TCH그림. 5 절단면의 모서리만을 레이저를 이용하여 부분 열처리한 제품

    (2)레이저열처리의 적용 사례
    아래에서는, Metal cutting tools과 Deep drawing mould 그리고 프레스금형(press tool)에 레이저열처리가 적용된 사례를 중심으로 설명하였다

    1)Cutting tools의 열처리
    Cutting tools의 경우, 절단면의 모서리 부위만을 부분적으로 열처리를 실시해야 하기 때문에 (모재의 기타부위는 본래의 특성을 그대로 유지하여야 한다.) 레이저를 이용한 열처리 방식이 매우 큰 장점을 가진다.

    그림.5와 같이, 열처리가 어려운 것으로 알려진 크롬강 재질의 경우에도 우수한 품질로 레이저열처리가 가능하며, 고밀도 크롬강(1.2379)의 경우 사전 예열을 실시함으로써 60HRC이상의 경도를 얻을 수 있었다.

    최근의 연구결과에 의하면, 중(midium) 또는 중상(medium-high)정도 (1.2320, 1.2333또는 1.2370)의 카본이 함유된 주철강의 경우 종래의 열처리방법에 비하여 매우 높은 경도를 달성 할 수 있었으며, 융점의 제어가 쉽고 강도가 우수하다는 결과를 얻을 수 있었다.

    그림.6은, 합금강(1.2233)으로 제조된 Cutting Tool완제품에 레이저열처리 작업이 어떻게 실시되는지를 보여주고 있으며,대형 Tool에도 쉽게 적용이 가능함을 알 수 있다.(Tool의 크기: 4X2Meter, Tool의 무게: 14Ton). 열처리(제어)온도는 1050°C, 작업속도는 5mm/sec의 파라메터를 적용하였으며, 레이저-빔은 15 x 15 mm²의 사이즈를 사용하였다.

    레이저를 이용한 열처리작업을 실시하기 전 소재의 경도는 28 ± 2 HRC이었으며, 열처리 후에는 60 ± 2 HRC로 경도가 증가되었다.

    그림.6 자동차 차체 측면판넬 용 Cutting Tool의 레이저열처리(재질:1.2333)

    2)Deep drawing moulds의 열처리
    Deep drawing tools은 대부분 Nodular cast iron (GGG70또는 0.7070)으로 제작되는데, 이 재질은 넓은 영역이 레이저열처리 되더라도 균열이 적게 발생되는 특성이 있다.

    그림.7은 중형 세단차종 트렁크의 생산에 적용 된 금형의 일부분이며, 열처리되는 부위는 트랙이 중첩되도록 하였다.
    이처럼 트랙이 중첩되는 경우, 두번째 트랙으로 인하여 첫번째 트랙부위가 어닐링(annealing)되어 중첩부위의 경도가 다시 감소되는 불완전한 열처리가 될 수 있는데, 이 부위는 일반적으로 열처리결과에 영향을 미칠 정도는 아니다.

    그림.7 Deep drawing Tools의 레이저열처리

    3)프레스금형(Press Tools)의 열처리
    프레스금형은, 단일 공정의 플라스틱 제품의 성형이나 절단작업에 사용되며, 보편적으로 절단면의 모서리 또는 핀치라인 (pinch line)에 레이저열처리 기술을 적용한다.

    Press Tools의 경우, 가늘고 날카로운 테두리부위(rims)가 레이저의 고열로 인하여 쉽게 용융될 수 있으므로 안정적인 열처리품질을 확보하기 위하여 온도를 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요하며 Pyrometer를 사용한 온도제어방식(temperature controlled hardening process)이 요구된다.

    한편, 일반적인 프레스금형은 매우 복잡한 3D형상의 구조를 가지며, 사전 시뮬레이션 및 오프-라인 티칭을 위한 TopLas3D® 프로그램을 사용하지 않는 경우에는 작업자의 높은 숙련도가 요구된다.

    그림.8은 TopLas3D® 를 통한 프로그래밍 예로서, 밝은 색으로 표시된 곳은 레이저열처리를 실시할 절단면 모서리부분 이다.

    그림.8 TopLas3D 프로그램을 이용한 로봇과 3D형상 금형간의 충돌 검사그림.9 오프-라인 방식의 프로그램으로 티칭 후, 실질적인 3D형상 금형의 레이저열처리

    그림.9는 실제 금형의 열처리를 실시할 부위 형상이며, 오프-라인방식의 프로그래밍 기법을 사용하여 실제 금형이 준비되기 오래 전에 티칭작업을 실시 할 수 있다.

    3. 레이저브레이징
    (1)자동차산업에서의 레이저브레이징 적용 사례
    최근 십년 사이 레이저브레이징은 자동차산업의 BIW(body in white)생산시스템에서 중요한 기술로 자리잡아 왔다. 이러한 요인으로는, 브레이징 작업후의 우수한 표면품질 및 높은 접합강도, 차체 디자인의 새로운 가능성 제시,생산 원가절감등의 특징을 들 수 있다.

    레이저브레이징의 첫 번째 적용사례로는 Audi TT Coupe모델의 리어펜더(rear fender)와 VW Bora모델의 테일게이트(tailgate)를 들 수 있는데, 이들 모델은 표면굴곡이 심하지 않으면서도 브레이징 헤드의 접근이 용이한 단순한 형태로 설계된 까닭에 와이어공급장치 (wire feeding device)가 탑재된 일반적인 레이저헤드가 사용되었다.

    한편, Mercedes E-class space wagon의 뒷 문 (tailgate)처럼 이전에 비하여 디자인이 복잡하게 설계된 경우에는 특별한 형태의 레이저시스템이 요구되며, 그림.10에서와 같이 Erlas사의 브레이징 헤드는 복잡한 3D 형상의 레이저브레이징작업에 적합하도록 설계되었다.

    이 레이저 헤드의 기본적인 기술혁신은 새로운 컨셉을 바탕으로 한 와이어 공급장치의 탑재 및 레이저-빔을 와이어 끝 부분에 정확하게 조준하는 방식을 들 수 있다.

    일반적으로 와이어공급장치가 탑재된 레이저 웰딩 또는 브레이징용 레이저헤드는 모듈로 구성되는데, 얼라인먼트(alignment)를 위해 와이어 공급장치는 미세 조절이 가능한 크로스테이블(cross table)에 장착된다.
    이와 같이 모듈로 구성된 방식은, 레이저헤드를 보다 크고 무겁게 함으로써 작업의 효율성을 떨어뜨릴 수 있다.

    그림.10 Erlas사의 브레이징헤드그림.11 Erlas사의 브레이징 기술이 적용된 Mercedes Space Wagon의 사진

    반면,ERLAS사의 레이저헤드는 통합된 디자인으로 구성되는데, 포커싱 옵틱은 조절가능한 크로스 테이블(cross table)에 장착되며 레이저헤드는 보다 튼튼하고 내구성 있게 설계되었다.

    또한, 작업속도에 따른 레이저 파워 및 와이어 공급속도등의 변화와 같은 중요한 작업 파라미터의 제어는, 센서를 바탕으로 한 프로그래밍 기법과 특수한 툴을 사용함으로써 전 작업구간을 따라 우수한 작업품질을 얻을 수 있는 프로세스를 가능케 했다.
    ERLAS사에서 개발된 레이저헤드는 Mercedes, Opel 그리고 BMW등과 같은 몇몇 자동차 모델의 뒷문(tailgate) 생산공정에 적용되고있다.

    일반적으로 브레이징헤드는 6축 다관절 로봇에 탑재되며, 최대 4 kW의 Fiber- Coupled Diode Laser 또는 Nd:YAG 레이저를 사용한다.

    (2)고출력 다이오드레이저를 이용한 새로운 개념의 브레이징시스템
    브레이징 프로세스를 위한 최적의 레이저-빔의 직경은 2.5 ~ 3.0 mm 정도이며, 작업특성상 우수한 빔 품질을 요구하지는 않는다.
    2001년부터 독일의 Laserline사와 ERLAS사에서는 Audi A3 차종 뒷문(tailgate)의 적용 경험을 바탕으로 고출력 다이오드레이저를 이용한 브레이징 적용을 시작했다.

    기존과 다른 개념의 이러한 테스트는 성공적이었으며 이러한 연구결과 3 kW급 고출력 다이오드레이저를 이용한 브레이징시스템을 생산라인(Audi series)에 적용하게 되었다.

    다이오드레이저-빔은 광케이블을 통해 레이저소스에서 헤드로 전송되며 이 레이저헤드는 Tricept-Robot에 의해 제어된다. 또한 기어리스(gearless)방식의 로봇은 수직 다관절 로봇의 운동방식에 비해 다이나믹하고 정밀한 제어가 가능한 장점이 있으며, 이러한 시스템 역시 센서를 바탕으로 한 로봇의 티칭이 필요하다.


    최근에 개발된 신형의 산업용로봇은 위치정밀도(Positioning accuracy)와 경로정밀도(Path accuracy)가 모두 주목할 만하게 향상되었다. 그림.12 에서와 같이 일반적인 로봇과 새로이 개발된 로봇의 사양을 비교할 수 있는데, 이러한 성능 향상은 아래와 같이 특수한 이동방식과 드라이브 디자인을 기초로 하였다.
    - 가속력5 m/s2 이상의 X-, Y-, Z- 3개의 직교이동 축
    - 가속력 3250°/s2 이상의 3개 회전축 (제품의 표면에 레이저헤드를 정확하게 셋-팅 하기위한 목적)

    이 로봇시스템의 또 다른 장점으로는, 그림.13과 같이 A4,A5,A6회전축을 통해 레이저-빔이 전송되는 특허등록 된 가이드시스템을 들 수 있다.


    그림.13 Erlas사의 브레이징 기술이 적용된 Mercedes Space Wagon의 사진

    이처럼 로봇-암 내부로 레이저-빔을 가이드하는 방식의 시스템은, 레이저시스템을 보다 자유롭게 구성할 수 있도록 함으로써, 기존에는 불가능했던 여러 응용분야에도 적용이 가능할것으로 예상된다.

    그림.14에서는 일반적인 6축 다관절 로봇에 Nd:YAG레이저를 탑재한 시스템으로 작업한 브레이징 샘플과 신형 Gantry-Robot에 HPDL을 탑재한 시스템으로 작업한 브레이징 샘플을 비교하였으며, Gantry-Robot 에 HPDL을 적용한 경우 기존의 방법에 비하여 제품의 복잡한 구조 및 형상에 관계없이 매우 균일한 브레이징 품질을 얻을 수 있었다.

    본 실험결과에서 알 수 있듯이, 고출력 다이오드레이저를 이용한 브레이징시스템은 자동차산업에 있어서 새로운 성장가능성을 보여주고 있다.

    그림.14 레이저브레이징 품질
    좌: 다관절 로봇에 Nd:YAG레이저 탑재
    우: 신형 직교로봇에 Fiber-Coupled방식의 고출력다이오드레이저 탑재

    4. 결론
    고출력 다이오드레이저는 기존의 Nd:YAG레이저와 CO2레이저의 단순 대체 수준을 넘어 레이저시스템의 개념을 변화시켰으며, 레이저기술의 새로운 분야를 개척함으로써 고출력 다이오드레이저를 이용한 열처리기술은 이미 검증된 기술로서 인식되게 되었다.

    1990년대 초 독일 Erlanen지역에서 다이오드레이저를 이용한 열처리기술에 대한 초기의 실험 및 연구가 시작된 이래 고출력 다이오드레이저의 기술적 관점과 낮은 운전비용 등 추가적인 장점이 널리 인식되면서 대량 생산공정에 적극적으로 도입되기 시작하였다.

    향후 고출력 다이오드레이저 시스템은, 레이저열처리, 레이저브레이징, 레이저클래딩은 물론 FiberLaser나 DiskLaser의 펌핑소스 및 금속의 용접, 플라스틱의 용접 등 여러 분야에 폭 넓게 적용될 것이다.

    참고: 위의 자료는,2006년 7월 대한용접학회에서 개최한 "제10회 고 에너지연구위원회 연구발표회"에서 독일 ERLAS사의 Dr.Roland Dierken이 발표한 자료를 번역. 편집한것입니다.

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