파이버 레이저를 이용한 파워 트레인 용접의 경제성
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
파이버 레이저를 이용한 파워 트레인 용접의 경제성
2006년 제2회 국제 파이버레이저 워크샵
발 표 : Jens Standfuss (Fraunhofer IWS 연구소)
편 집 : IPG Photonics Korea 해외정보 분석실
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  • 본문은 자동차 파워트레인(power train) 부품생산에 파이버(fiber) 레이저를 적용한 경우에 용접 운영비용측면에 초점을 맞추어 경제적인 부분을 서술하였다.

    먼저 전체 내용을 간략히 나열하면 자동차 부품 시장에서 파이버 레이저를 파워트레인 부품생산에 적용한 사례와 연간 생산량 등을 나타내었고, 이러한 생산량을 바탕으로 운영 비용 시나리오를 계획하였다.

    그리고 이 비용 시나리오를 통해 각 레이저 종류별 운영비용, 용접비용, 투자비용 등을 비교 분석하였고, 마지막으로 파이버 레이저의 잠재적 적용 분야에 관해 전망해 보았다.

    1. 파워트레인 부품의 생산동향
    파워트레인(Power train) 부품 중 변속기(Transmission)는 자동차의 성능에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요소 중의 하나로서, 자동변속기(ACT), 무단변속기(CVT), 수동 변속기 등 여러 종류들이 있다.
    유럽의 판매시장을 조사해 보면 70%가 수동 스위치 기어 내지는 수동 기어를 포함한 이중 클러치 기어를 생산하고 있다.

    용접이 적용된 상당량의 기어 부품들이 레이저 빔 용접을 규격화된 용접공정으로 하고 있다. 이 분야에서 레이저를 사용하여 생산된 많은 제품들을 제작사 별로 예를 들어보면, GETRAD-FORD사에서 2005년도에 190만개의 트랜스미션을 생산하였고 Opel Austria Power train에서는 오픈카의 스위치 기어를 연간 60만개, 하루 2,600개를 생산하고 있다.

    또한 큰 생산 공장들 중의 하나인 Kassel 공장은 2003년에 290만개의 고전적인 스위치 기어와 클러치 기어를 매일 하루에 3만개를 생산하고 있다. 이러한 많은 생산량을 바탕으로 우리는 파워트레인 용접 비용 시나리오를 계획하였다.

    <그림1. CO2 레이저를 이용한 ring gear 용접>
    <그림2. Fiber 레이저를 이용한 ring gear 용접>
    <그림3. 용접심 비교1>
    <그림4. 용접심 비교2>

    CO2레이저와 파이버(Fiber) 레이저의 용접비교
    용접 시나리오를 계획하기에 앞서 CO2 레이저와 파이버 레이저의 용접 특성을 비교해 보았다. 가공한 부품은 16CrMn5로된 Ring gear이다. CO2 레이저는 spot 사이즈가 250um, 쉴딩 가스는 알곤을 사용하였고 용접 속도는1.7m/min, 용입 깊이는 약 4mm였다.

    최대 출력이 4kW인 파이버 레이저도 동일한 부품에 같은 용입 깊이로 용접하였으며 spot 사이즈는 54um로 나타났다. CO2와 같은 용입 깊이에서 용접속도는 무려 6m/min였다.

    용접 심도를 비교해보면 매우 작은 spot을 갖는 파이버 레이저에서는 적은 면적의 용접과 깊은 용입 현상 및 탁월한 용접속도를 확인할 수 있었다.

    파이버 레이저는 같은 조건에 거의 두 배의 용입 깊이에 이르게 용접 할 수 있었는데, 이것은 낮은 전력 소모와 레이저 적용 대상에 따라 속도대비 운영 비용의 우위를 갖는다고 할 수 있다.

    2. 용접 비용 시나리오
    다음은 파워트레인 용접 시 비용 시나리오를 나타내었다. 이 실험은 수동 기어 박스를 용접하는 표준형 레이저 용접 시스템인 ELC사의 lasertech 장비를 이용하여 진행하였다.

    실험에 사용된 레이저는 3kW CO2레이저와, 3kW 멀티모드 & 1.5KW 싱글모드 파이버 레이저를 사용하였고, 동일한 용입 깊이가 되도록 하였다. 용접이 적용된 부품은 샤프트에 붙는 기어박스로, 4개의 링 기어(ring gear)들이 용접된 부품이다.

    3KW 파이버 레이저 사용시 용입 깊이는 4mm, 용접속도는 6m/min이었다. 다음으로 3KW CO2 레이저는 4mm 용입 깊이와 2.5m/min의 용접속도를 나타냈고, 이것은 1.5KW 파이버 레이저와 같은 용접 결과를 나타낸다.

    우리는 대략 하루에 500개 에서 2,500개 사이의 기어박스를 용접하였고, 연간 약 50만개에서 250만개의 기어박스를 용접하였다.

    CO2 레이저의 운영 비용 중 비용이 높게 차지하는 부분은 가스 소모 비용보다는, 냉각과 운전비용이 더 많은 비중을 차지하고 있으며, 다른 대규모 생산공장에서 비교한 자료에서는 시간당 8.8유로 정도로 나타났다.

    <표1> 3kW CO2 레이저의 운영비용

    <표2> 3kW Fiber 레이저의 운영비용

    <표3> 1.5kW Fiber 레이저의 운영비용

    이 비용은 단지 레이저 소스의 운영비에 대한 내용이다. 상기 표에서 3kW와 1.5kW 파이버 레이저의 비용이 다른 이유는 필요한 전력소모량의 차이 때문이다. 레이저 형태별로 비용을 비교한다면 파이버레이저는 CO2 레이저에 비해 적은 에너지로 가동되기 때문에 운전비용이 상당히 감소된다.

    만약 연간 파이버 레이저 운전비용을 고려한다면 우리가 실험한 3kW 파이버 레이저를 사용한 결과<표2>를 기본으로 해도 좋다.

    <표4>에서도 확인 할 수 있듯이 투자비용은 파이버 레이저가 CO2 레이저보다 약간 높은 비용이 든다. 하지만 이것은 단지 동급 출력의 레이저를 생각했을 경우일 뿐, 전체적인 생산속도와 운영 비용을 따져보면 다른 결과를 생각할 수 있다.

    <표4> 각 레이저별 고정비용 / 운영비용

    <표4>에서 1.5kW 파이버 레이저는 적은 운영비용이지만 3kW CO2 레이저와 동일한 생산속도를 나타내고 있음을 알 수 있다.

    결론적으로 말하자면, 소량생산의 경우에는 우수한 빔 특성의 1.5kW 파이버 레이저가 상당한 비용적인 이득이 있다.

    그리고 대량 생산 시에는 3kW 파이버 레이저가 3kW CO2 레이저에 비해 우수한 빔 특성을 가지고 있어서 높은 생산성을 기대할 수 있다.
    이것은 파이버 레이저가 빠른 용접속도를 갖고 있기 때문에 가능한 것이다.

    이와 같이 기어박스 생산분야에서는 파이버 레이저 적용이 매우 높은 이점을 가지고 있는데, 이는 대량생산이 필요한 이러한 부품들은 <그림3>과 같은 매우 긴 용접 깊이와 빠른 용접속도를 가져야 하기 때문이다.

    표5.비용(고정+운영)대비 최대 생산량 비교표6.시간당 레이저 운영비용 비교

    3.파이버 레이저 용접의 전망
    다음은 differential 기어 분야에서 파이버 레이저 적용이 가능한 예를 들어본다. 2005년부터 개발이 진행된 뒤차축의 differential 기어는 용접하기 어려운 부품이지만 그 수요가 점차 많아지고 있는 추세이다.

    <그림5>는 연구소에서 비교한 파이버 레이저와 CO2 레이저의 용접 결과를 비교한 자료이다. 이와 같이 파이버 레이저를 사용하여 3배 이상 빠른 용접속도로 용접하는 작업은 경제적인 측면에서 이익이 된다는 것을 알 수 있다.

    <그림5. Differntial 기어 용접 비교>

    또 다른 장점은 좁은 용접 심으로 인해 우수한 품질을 가질 수 있다는 것이며, 마지막으로 기어박스의 대량 생산에서 우세한 위치를 차지 할 수 있는 것이다.

    그러나 파이버 레이저를 적용하기 위해서는 적은 공차로 제품을 생산하는 공정에서는 250um spot 사이즈 대신에 50um spot 사이즈를 사용하게 되므로 위치 정밀도를 더욱 향상 시켜야 되며, 또한 Clamping 기술도 좋은 품질의 제품을 양산하기 위해서는 충분히 고려 되어져야 할 것이다.

    광 파이버와 부품들도 용접 시스템에 사용되는 부품의 서비스 수명을 고려하여 오랜 수명을 가져야 할 것이다. 그리고 파이버 레이저 옵틱 표면의 cleaning은 품질에 매우 중요한 역할을 하므로 레이저 교환 시에는 세심한 작업이 필요하다.

    파이버 레이저로 매우 좁은 용접 심을 가지도록 용접을 하고자 한다면 용접 표면을 오일이나 얼룩이 없도록 깨끗하게 표면을 유지해 줄 필요가 있다.

    빠른 속도로 용접이 가능한 한 대의 파이버 레이저로 높은 생산성을 내기 위해서는 가능하다면 여분의 예비 용접 시스템을 갖추어 보다 더 확실하게 생산성을 극대화 할 수 있는 방법이 필요하다.
    6-1. 파이버 레이저 용접 (4kW)6-2. CO2 레이저 용접(6kW)
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