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고품질 부품생산을 위한 첨단레이저 용접기술 동향

Review on Recent Laser Welding Trend in Electric Powered Vehicle Production

Article information

J Weld Join. 2023;41(6):548-557
Publication date (electronic) : 2023 December 31
doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2023.41.6.14
최해운*,orcid_icon
* 계명대학교 기계공학전공
* Department of Mechanical and Automotive Engineering, Keimyung University, Daegu, 42601, Korea
†Corresponding author: hwchoi@kmu.ac.kr
Received 2023 September 24; Revised 2023 November 14; Accepted 2023 November 27.

Abstract

In this study, we summarize the state-of-the-art laser welding used for welding copper and aluminum alloys, which are key materials for electrified powertrain components. Extensive research on laser beam modulation, power control, beam control, and process monitoring to improve welding reliability and to solve the challenges of dissimilar welds are reviewed and summarized. Furthermore, various techniques for real-time behavior of the weld pool and weld quality monitoring are presented. Along with various techniques to improve spatter and weld pool instability during welding, we have also included research results on process monitoring using artificial intelligence and deep learning techniques. Moreover, computer simulation helps understand various welding phenomena. The research results on improving the quality of welded products through laser beam dynamic control are also included.

1. 서 론

전기차와 대체 구동 부품에 대한 수요가 지속해서 증가하면서 글로벌 모빌리티 전환이 본격화되고 있다. 특히 e-모빌리티를 위한 배터리, 전기 모터, 파워일렉트 로닉스 생산에 직접적으로 사용되는 고성능 부품에 관한 관심이 집중되고 있으며, 새로운 제조 솔루션과 기술에서 향상된 접합 공정이 있어야 하는데 레이저는 이러한 솔루션의 중심에 있는 도구이다1-7).

배터리 팩은 e-모빌리티의 핵심 부품으로 배터리 전기 자동차(Battery Electric Vehicle) 부가가치의 약 40%를 차지하므로, 자동차 제조업체에서는 중요한 개발 분야이다. 배터리 팩의 대량 생산이 예상됨에 따라 공급업체를 포함한 전체 자동차 시장은 변동성이 큰 시장 환경과 기밀성 등 다양한 기술 요구 사항을 조화시켜야 하는 새로운 과제를 안고 있다1-5,8,9).

전동화 파워트레인 산업적 수요에 대응하기 위해서 다양한 소재 접합 기술이 요구되고 있으며, 대표적인 소재로서 알루미늄과 그 합금 그리고 구리와 그 합금이 사용되고 있다. 알루미늄 또는 구리의 동종소재(similar material) 용접도 난해하지만, 이종 소재(dissimilar material) 용접은 금속간 화합물(Inter-metallic component)로 인해서 용접의 신뢰성도 많이 저하가 되게 된다. 특히 레이저 용접의 경우는 표면층에서의 레이저 빔 흡수도가 매우 낮아서 고밀도 에너지가 소입이 되어야 하며, 표면의 상태와 입사되는 레이저 빔의 파장에 따라서 다양한 형태의 소재 용접 거동을 보이게 된다5,12).

레이저 기술의 비약적인 발전으로 인해서 용접하기 어려운 소재에 대한 다양한 연구결과가 발표되고 있다. 일반적으로 가시광(Visible) 영역 및 근적외선(Near Infra Red) 영역의 레이저빔은 구리나 그 합금에 있어서 흡수도가 매우 낮아서 신뢰성 있는 용접 결과물을 얻기가 어렵다. 하지만, 짧은 파장대의 가시광선 즉 그린레이저나 블루레이저의 개발로 인해서 상대적으로 높 은 흡수율로 용접할 수가 있기에 신뢰도 높은 생산기술이 할 수 있게 되게 되었다. 하지만, 여전히 출력범위가 수 kW 안의 범위에 머무르고 있고, 아직은 높은 장비 가격으로 인해서 생산 현장에서 광범위하게 적용되기에 어려움이 있다3,7-10).

이러한 문제를 해결하고 상대적으로 낮은 생산원가를 위해서 근적외선 영역의 레이저 소스(source)와 다양한 레이저 빔 운용기술을 사용하여 생산난제를 해결해 나가고 있다. 본 논문에서는 최근에 전동화 파워트레인 관련 부품 및 고난이도 용접문제 해결을 위한 연구동향을 알아보고 각 기술별 장단점 및 해결해야 할 사항들에 대해서 관련 문헌을 기반으로 정리결과를 제시하고자 한다.

2. 본 문

2.1 표면 고반사 금속 용접을 위한 레이저빔 모듈레이션 기술 동향

일반적으로 용접시 고려해야 할 대표적인 매개변수는 입열량과 용접속도이다. 이러한 공정 매개변수를 입력 값으로 하여 용접이 시행되면 용융풀 내에서의 유체의 거동이나 열전달에 의한 냉각속도 그리고 치구에 의한 구속에 따라서 다양한 내부응력과 열적변형이 일어난다 4,11-13). 레이저 용접에 있어서는 이러한 매개변수와 더불어 중요한 공정변수 중의 하나가 소재의 레이저 빔 흡수율이다. 일반적으로 파장이 짧을수록 레이저 빔의 흡수율이 높아지지만, 구리 소재의 경우 짧은 가시광 영역에서 그 변화가 크다(Fig. 1). Laserline blue

Fig. 1

Laser beam absorptivity with respect to wavelength

Fig. 1에서 제시된 바와 같이 구리 및 그 합금은 그 린 영역(532 nm)을 기준으로 그 흡수율 변화량이 급격히 크며, 블루 영역의 경우는 그 흡수도가 가시광 영 역의 다른 금속 소재와도 비교가 되지 않을 만큼 높다 고할 수 있다. 하지만, 짧은 가시광 영역의 파장을 발진하는 레이저의 경우 여전히 산업적 이용에 고가(高價)이며 출력도 1.5 kW~2.5 kW의 범위에서 공급이 되고 있기 때문에 이용에 한계가 있다3).

최근의 연구는 주로 상대적으로 가격이 싸고 산업적 이용에 검증이 된 NIR 레이저를 기반으로 다양한 빔 운용기술(beam modulation)이 많이 사용되고 있으며 다양한 연구결과들이 보고되고 있다.

Aregita et al. 의 경우 Fig. 2에 나타난 것처럼 알루미늄과 구리소재 이종 소재 용접에서 최적의 용접 결과물을 얻기 위한 정적(static) 레이저 빔, 즉 가우시안 레이저 빔과, 동적(dynamic) 레이저 빔, 즉 모듈레이션 된 다양한 빔의 효과에 대해서 연구한 결과를 보고하였다1). 결과에 의하면 동일한 파장을 가지는 레이저 소스에 다양한 빔 모드를 적용한 결과 에너지 분산효과(energy distribution)를 거둘 수 있었다. 특히 펄스 레이저(Pulsed laser)와 연속파 레이저(Continuous Wave)를 혼용하여서 용융풀을 최적제어한 결과 용융풀을 안정화 할 수 있어서 고품질의 레이저용접 결과물을 얻을 수 있었다.

Fig. 2

Variously modulated laser beam profile1)

유사한 사례가 Omlor et al. 에 의해서 보고되었는데, 연구자들은 레이저 빔의 형상와 경로를 최적 제어하여 전기 모터의 핵심 부품인 구리결선 일명 헤어핀(Hair pin)을 용접하였다. 용접부에 레이저 빔이 조사될 최적의 길을 사전에 계산하여(path geometry dimensions) 용접속도를 최대화하여 생산성 향상을 극대화 하였다2).

공정변수를 통합제어하기 위해서 레이저 빔의 형상을 최적화하는 사례가 보고 되었는데, Rinne et al. 연구진은 동축(Coaxial)을 이루는 두 가지 형태의 레이저 빔을 조합하였다. 구조는 내부 가우시안 형태의 빔(Core)과 외부 링 형태의 빔(Ring)을 분기하여 동일한 파장을 다른 강도(intensity)로 조사하는 연구를 수행하였다3).

이러한 노력으로 인해서 구리 용접시 발생하는 스패터를 획기적으로 감소시키고 용접시 용융 풀 부피감소를 적게하였는데, 이는 키홀의 안정화와 효과적인 에너지 분산의 결과였다(Fig. 3). 결과에 의하면 레이저 빔의 전체 출력만큼이나 출력의 분기(Power split ratio)가 중요하였으며 최적의 결과는 비율을 1:1.3이나 1:1.7였을 때 얻을 수 있었다. 다만, 고속카메라의 결과에 의하면 링 파워와 스패터의 연관성은 찾아보기 어려웠으며 용입깊이 조절은 포커스 위치를 다양하게 함으로서 조절이 가능함을 확인하였다.

Fig. 3

Adjustment of dual laser beam3)

알루미늄 금속의 용접품질 최적화를 위해서 레이저 빔을 모듈레이션하는 연구가 여러 연구자들에 의해서 수행되었다. Ramiarison et al.의 논문에 의하면 레이저 빔의 다양한 매개변수에 따른 결과를 수치해석을 통해서 이해할 수 있다. 설계 인자로 레이저 출력, 용접 속도, 진폭 및 진동수에 따라서 알루미늄 용접의 결과를 다양하게 얻을 수가 있다4). 용접 매개변수 중에서 가장 중요한 인자 중의 하나는 용접속도와 레이저 출력이다. 하지만, 진폭의 증가로 인해서 용입 깊이가 얕아짐을 알 수가 있었다. 즉 레이저 빔 진동은 표면을 부드럽게 하는 효과가 있었지만, 진폭이 지나치게 커지게 되면 용접 깊이가 얕게 되어서 용접강도를 약화시키는 문제가 있었으며, 이는 경도측정 결과에서도 모재와 용융부 모두 경도 저하가 있었음이 확인 되었다4).

Jabar et al.은 레이저 빔을 모듈레이션한 다양한 사례에 대해서 정리 보고하였는데, 특히 알루미늄과 강철 용접에 있어서 발생하는 IMC와 기계적 특성에 대해서 정리 보고하였다. Jabar et al. 은 앞서 언급 된 이중 구조를 가지는 레이저를 이용하여 용접을 시행한 결과를 발표하였는데, 외곽의 링 형태의 레이저가 주된 역할(dominant)을 할 때에는 금속간 화합물의 두께가 얇아져서 기계적 강도가 상대적으로 우수하지만, 내부의 가우시안 빔이 주된 역할을 할 때는 금속간 화합물의 두께도 두꺼워져서 기계적 강도가 상대적으로 취약한 결과를 보고하였다5).

특히 금속 내부의 전도열(Conduction mode)로 용접할 때 링이 주된 역할(출력비율 0.2)일 때 71%의 결합효율과 더불어 최적의 강도를 보였지만, 금속 내부의 혼합은 한계가 있다. 또한 내부 코어 빔은 전체 출력의 15%만 되더라도 강철 내부의 충분한 용입 깊이를 이룰 수 있었다. 링의 출력이 전체의 85% 정도를 차지할 때 용융풀의 크기가 충분히 커지고 IMC의 두께도 얇아지는 것이 확인되었다. 이러한 이유는 상대적으로 낮은 첨두 출력(Peak power)으로 인해서 레이저 빔의 출력이 평면상에서 분산이 되기 때문이라고 결론지었다. 또한 링이 주된 역할을 할 때는 재료의 조직도 치밀하게 되었다. 다만, 키홀 모드에서는 깊은 용입을 가지게 되었으며, 이때는 코어 빔이 주된 역할을 할 때 얻을 수 있는 용접 품질이었다5).

Sun et al. 은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 다양한 빔 조합을 이용하여 알루미늄 6000계열의 레이저 용접 시편에 대한 미세조직과 기계적 특성에 대한 분석 결과를 제시하였다6). 주요 매개변수는 외측 빔과 내측 빔의 출력 비율이였으며, 분석 결과를 보면 총 출력이 일정한 경우에는 용접부 크기 조절에 제한이 있었다. 레이저 빔 진동이 2.5 mm까지는 용융풀이 넓어지는 경향을 보였다지만, 3.1 mm를 넘어가면 금속간화합물 등에 기인하여 용접 계면의 취약성을 보였다. 하지만 용접부 인장강도는 170 N/mm 에서 277 N/mm로 증가하는 경향을 보였다. 매우 높은 출력에서나 매우 낮은 출력에서 링 단독 사용의 경우는 낮은 열 균형성과 냉각 속도를 보여주었다고 보고하였다6). 관련된 연구를 조합해 보면 전체 출력과 외곽 빔과 내부 빔의 적절한 조합을 실험적인 방법으로 최적화하면 용접성이 상당 부분 개선됨이 보고 되었다3-6).

2.2 이종금속에서의 레이저 빔 활용기술

구리 또는 그 합금은 레이저를 표면에서 반사 또는 산란시켜서 용융풀의 불균형을 일으켜서 스패터가 과하게 발생하는 단점이 있어 결과적으로 용접부의 불안정을 초래하게 된다1-6). 그린레이저와 블루레이저의 경우 흡수율이 6배 정도 증가가 되나 상용 제품의 경우 산업적 이용에는 제한된 출력과 높은 가격이 실용화에 한계성을 가지고 된다. 이러한 단점을 극복하는 방법의 하나로 구리층을 흡수성이 좋은 강(steel) 등을 이용하여 접합성을 개선할 수 있다. 하지만, 재료경계면에서 크랙 등의 용접불량이 많이 발생할 수 있는 단점은 극복해야 할 사항이다.

Rinne et al.은 강철 소재와 구리소재를 이용한 이종 소재 용접에서 필요한 임계조건에 대한 실험 결과를 발표하였다7). 강철 표면을 윗면으로 하면 레이저빔의 소입은 다소 쉬우나 크랙 등의 용접 불량이 많이 발생하게 된다. 반면 구리를 선행 배치하여 레이저 광원의 입사체로 하게 되면 소입되어야 하는 출력은 높으나 용융풀이 안정화되고, 혼합이 훨씬 쉽게 이루어지며 용접 품질이 좋아지는 장점이 있다. 결과에 의하면 구리 표면을 녹이는데 필요한 최소한의 레이저 출력이 용접 속도별로 다른데, Fig. 4와 같이 구리층에 흡수되어 용접되기 위한 최소 출력(Threshold)에 대한 관계를 정리할 수 있다. 다른 연구진과 마찬가지로 링 영역의 출력은 용입 깊이에 덜 민감하게 영향을 주는 것으로 나타났다7).

Fig. 4

Cross section of Fe-Cu welding and beam coupling threshold7)

전기자동차 생산시 필요한 공정 중 60~80%가 레이저 재료가공으로 가능하다는 연구보고가 있다8). 특히 배터리 용접에서는 완제품의 반복 재현성(Repeatability)이 매우 중요한데, 생산공정이 전기화학적 특성 결정에 매우 중요한 역할을 한다.

Chianese et al. 연구팀은 그동안 발표된 다양한 레이저 빔을 적용한 EV 부품에 대한 기계적 물리적 현상에 대한 시뮬레이션 결과를 보고하였다. 이러한 현상에 대한 규명의 예로 두께 500 μm의 박판 포일을 대상으로 원거리 용접(Remote Laser Welding)을 CFD (Computational Fluid Dynamics)로 해석한 결과를 발표하였다. 결과에 의하면 용접 품질에 가장 결정적인 영향을 미치는 요소는 소재 사이에 발생하는 갭(gap) 이며, 그 크기에 따른 물리적 현상에 대해서 이해하는 것이 중요하다고 보고하였다8).

최근의 연구 동향은 단순한 유동해석이나 열해석 또는 광학적 해석이 아닌, 물리, 광학, 기계공학을 종합하는 다중물리해석(Multi-physics)이며, 이를 통해서 좀 더 실제 현상에 근접하는 연구 결과를 가상공간에서 구현할 기회가 되었다6-8). Chianese et al.은 용접하는 두 소재의 간극을 0에서부터 100 µm까지 다양하게 설정하고 두께 300 µm의 구리를 두께 300 µm 니켈 도금된 강판에 접합하는 연구를 하였다. 이때 사용된 레이저 빔은 원형으로 회전하면서 진동하였고, 발생 하는 유동현상에 대해서 연구하였으며 다음과 같은 흥미로운 결과들을 도출하였다8).

우선 소재 간의 간극의 초기결합은 표면장력(Surface tension), 점성전단응력(Viscosity stress) 및 중력 (Gravity force)에 영향을 받아서 점진적으로 진행이 되며, 이는 구리 소재로부터 강판소재로의 열전달이 이루어지지 않아서 구리에만 국부적으로 열영향을 미치게 된다. Fig. 5와 같이 간극이 메워지게 되면 레이저 빔 의 진동(Wobbling cycle)으로 용접이 주기적으로 이루어지게 되며 상부 구리판 용융과 하부 강판과의 연결 등의 물리적 결합이 주기적으로 이루어진다8). 공정 상에서 주기(Period)를 결정하는 주요 인자는 용입깊이와 레이저 빔 진동수로 보고 되었다.

Fig. 5

Wobbling patterns and period welding8)

2.3 동적레이저 빔 모듈레이션

Prieto et al. 연구진은 레이저 빔을 동적 제어(Dynamic modulation)하여 레이저 빔을 다양한 형태로 진동하였다9). 최근 동적 빔 쉐이핑(Dynamic beam shaping, DBS)에 대해 많이 연구 되고 있는데, 방법으로는 내부에서 레이저 빔의 횡단 빔모드(TEM)로 변경하는 경우도 있고, 레이저 빔을 외부의 기계적 또는 광학적 장치를 통해서 행하는 예도 있다9,10). 이러한 동적 빔제어 기술은 키홀 생성 및 안정화를 이룰 수 있으며, 에너지 분산을 효율적으로 할 수가 있어서 전기 자동차의 핵심 부품 생산에 난제로 여겨지는 이종 소재 용접에 많은 해결책을 제시할 수 있을 것으로 기대가 된다. Wagner et al. 연구팀은 동적 빔제어 기술을 이용하여 레이저 빔의 횡단면(TEM)과 종단면(Longitudinal) 방향으로의 다양한 매개변수를 활용하여 연구하였다10).

이러한 기술은 최근 전기자동차 부품 용접에 사용되는 알루미늄 소재에 적용이 많이 되었는데 (Fig. 6), CIVAN 社에서는 개발한 결맞음 빔 조합기술(Coherent Beam Combining, CBC)과 광학위상배열(Optical Phase Array, OPA)기술을 이용하였다9,10). 0.8 mm 두께의 3000 계열의 알루미늄 박판을 사용하여 용접속 도 10 m/min 이상의 고속으로 다양한 빔 형태로 시 현을 하였다. 특기할 만한 사항은 기존 기계식 레이저 빔 모듈레이션이 수백 Hz의 영역에서 시행이 되었다면, 보고된 기술은 수 MHz의 영역에서 시행이 되었다. 이러한 기술이 적용되어서 용접을 수행하고 결과물을 분석한 사례가 보고되었다7).

Fig. 6

Examples of dynamic beam shaping9)

이러한 동적 빔제어 시스템에 적용된 OPA기술은 빔의 형상을 최적 제어함으로서 2차원적인 형상뿐만 아니라 3차원적인 길이 형상의 제어가 가능하여서 그 활용방안이 다양할 것으로 기대가 된다.

레이저 빔 진동으로 인한 효과는 동종 금속 뿐만 아니라 이종 금속에 대한 연구도 많이 보고 되었다. Zhou et al.은 타이타늄 합금과 알루미늄 합금 용접에 저 주파수 진동은 거의 효과가 없었으며, 150 Hz 정도의 진동수에서 효과가 있음이 보고되었다. 전반적으로 진동수 증가에 따라서 효과가 점차 증대되었다12).

레이저 빔에 일정 주파수로 진동을 가함으로써 금속 간화합물 경계층에서의 균열이나 메짐성을 최소화하고, 내부 기공도 현저히 줄어듦이 확인되었다(Fig. 7). 또한 합금에서 알루미늄 합금 함량이 많은 경우가 타이타늄 합금 함량이 많은 경우보다 용접부 결함이 현저히 줄어듦을 확인하였다12). 진동 주파수를 증가하였을 때 초기에는 최대 수용하중이 늘어나는 경향을 보이다가 줄어드는 경향을 보였다. 최대치는 150 Hz에서 1,852 N이 관측되었는데, 진동을 가하지 않았을 때 비해 약 76% 강도 향상을 보였다12).

Fig. 7

IMC of Ti/Al interface12)

유사한 연구가 Xu et al. 연구팀에 의해서 시도되었다13). 연구팀은 22MnB5 소재에 대해 연구하였는데, 시편으로는 표면이 Al-Si로 코팅된 22MnB5 강판이 사용되었다. 다양한 레이저 빔 진동수에 대해서 용융풀 내에서 α-ferrite의 비율의 변화를 추적 관찰하였다 (Fig. 8). 결과적으로 레이저 빔 진동을 가한 경우, 그렇지 않은 경우에 비해서 α-ferrite의 비율이 47.9% 에서 2.2%로 감소함을 확인할 수 있었고, 진동수를 0 에서부터 320 Hz까지 증대시킨 경우 초기에 인장강도가 증가 후 감소하는 경향을 보여주었다13). 인장 시험 시에 초기 파괴의 시작은 α-ferrite가 몰려 있는 용접 부 상층위치에서 시작이 되었고, 점차 하부방향으로 진행이 되었다.

Fig. 8

Schematic of tmolten pool under different laser welding modes13)

Mohan et al. 의 연구는 레이저 빔 모듈레이션의 효과를 가상환경에서 이해한 다른 사례로 의미가 있다. 레이저 용접시 용융풀의 유동에 대해서 이해하는 것이 중요하며, 용융풀의 크기, 온도의 변화량 및 냉각속도에 대한 이해를 통해서 용융풀의 거동을 이해할 수 있다11). FEM을 통해서 용융풀의 거동과 열전달 그리고 움직이는 레이저 빔을 구성하고 진동하는 레이저 빔과 진동하지 않는 레이저 빔을 가상하여 시뮬레이션 비교하였다. 무차원계수를 질량 및 열유동에 적용하여서 표면장력과 부력에 의한 영향을 분석하였으며, 다양한 레이저 빔 진동주파수를 적용하였다11).

레이저 빔의 모듈레이션 효과를 이용하여 재료 거동에 관심을 가진 연구도 많이 보고 되었다. 특히 동적 빔 쉐이핑 기술이 알루미늄 용접에서 고온 결함을 방지 할 수 있다는 연구 결과가 보고되기 시작했는데, 이는 외부 용가재를 공급할 필요가 없어지는 장점을 가지게 된다. 이러한 장점으로 인해서 리모트 용접이 가능해 지게 되었고, 복잡한 지그설계나 주변기기와의 간섭도 최소화 할 수 있는 장점을 가지게 되었다14). Dittrich et al.의 연구에 의하면 고온균열에 특히 취약한 알루 미늄 2000계열과 7000계열의 용접에 DBS 기술을 이 용하였다. 결과에 따르면 용접 후 냉각 공정 중 온도구배의 변화로 인해서 고온균열이 감소하였으며, 용융풀 주위에 계속적인 입열을 통해서 고온균열을 일으키는 온도 조건과 관련된 응력을 제거할 수 있음이 확인되었다14).

레이저 빔을 내외부에서 운용하는 기술로 전기자동차 부품 용접에 당면한 문제들을 해결하고자 하는 연구 결과가 보고되었다10-15). Seibold et al. 연구팀은 구리와 알루미늄 소재 관련하여 펄스 용접 시간의 의존성에 대해 연구하였다. 특히 외부 제어장치와 포토다이오드를 사용하여서 용접시 발생하는 빛 에너지를 신호화하여 실시간으로 레이저 빔 용접공정을 제어하였다(Fig. 9). 용접공정 중 방사되는 에너지를 모니터링하고 분석함으로써 하부 용접부의 최대 용입량 시점을 알 수 있으며, 제어를 통해서 실시간으로 용접 시간을 결정할 수 있었다15). 펄스제어 시간은 약 500~800 µs이며 기계적 특성도 많이 개선되었다.

Fig. 9

Schematic of experiment setup15)

2.4 레이저 용접 품질 모니터링 및 다양한 연구동향

최근 인공지능을 이용한 공학적 산업적 이용사례가 급증하면서, 레이저 용접 품질 모니터링에도 딥러닝 기술을 이용하는 사례가 많아지고 있다. Walther et al. 은 고합금강 용접시 인공지능 기법을 이용하여 용접 부위 결함을 탐지하는 기술을 소개하였다 (Fig. 10). 이 전에도 유사한 연구가 많이 시행되었지만 단가가 비싸고 수반되는 지그가 복잡하였으며 로봇시스템과 연동하는 데 어려움이 보고되었다. Walther 연구진은 무지그 (Jigless) 용접을 연구한 결과를 보고하였는데16), 용접 부의 불연속선을 레이저와 카메라로 추적하여서 약 97.4%의 높은 정확도로 0.02 mm 이내의 용접선 불연속을 감지하는 기술을 소개하였다.

Fig. 10

Processing pipeline for weld discontinuity classification16)

광학감지 측정시스템(Optical and tactile measurements)을 이용해서 용접심 불연속 선에서 많은 갭으로 인해서 용접불량이 일어나는 것을 감지하여 최대 허용 갭량을 예측할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이러한 결과는 불연속면에서 발생하는 신호 급감을 인공 지능 기반 알고리즘에서 감지하는 형식인데, 평균 97.4%의 정확도를 보였다. 이러한 기술을 역이용하게 되면 용접부의 갭을 예측하고 최소화할 수 있는 기술이 확보되어서 용접 불량을 사전에 방지할 수 있는 시스템 구성이 가능해질 것으로 보인다16).

OCT(Optical Coherence Tomography)를 활용한 용접부 불량감지는 최근에 활발하게 연구되어 왔다. OCT는 원래 생명공학에서 아주 얕은 표면을 관찰하기 위해서 개발된 3차원 광학관측 기술인데, 최근 기술이 발전하면서 산업 분야에도 단계적으로 적용이 되고 있다. Werner et al. 연구팀은 OCT 기술을 원격 레이저 용접에 사용하였으며, 결과적으로 이러한 기술이 용융부의 거동을 확인하는 데 이용할 수 있었다. 특히 기밀이 요구되는 용접이나 높은 용접 신뢰도가 요구되는 응용 분야에 많이 적용될 것으로 기대가 되며 키홀 거동이나 안정성을 연구하는 데 많은 도움이 될 것으로 기대가 된다17).

고전적인 레이저 빔 모듈레이션 기법으로 스캐너나 반사거울을 이용하는 방법이 사용됐다. 관성으로 인해서 그 속도는 제한적이기는 하지만, 광학적 제어방법에 비해서 구조가 간단하고 고출력의 빔을 제어할 수 있는 장점이 있다16). Mi et al. 연구에 따르면 Ti64 소재를 용접하는데, 접이식 거울이 효과적으로 사용되었음이 보고되었다. 주로 전도 용접(Conduction mode welding)에 응용이 되었는데, 용융풀이 좁고 긴 형태의 용접이나 그 반대의 형태로 자유롭게 모듈레이션이 가능하고 수 kW의 고출력 레이저 빔을 자유롭게 제어 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 횡단면 방향이나 종단면 방향으로의 전환도 쉽지만 속도의 한계가 10 ms로 일반 광학 방식이나 동적 빔 모듈레이션 기법에 비해 반응속도가 현저히 떨어지는 단점이 있다18).

전통적인 피드백제어를 효과적으로 적용하여도 일정 수준의 용접 품질 상승 효과를 거둘 수 있다. 대표적인 방법이 주파수 분석(Frequency analysis)인데, 용접 시 발생하는 다양한 형태의 방사 신호를 이용하면 용입 깊이나 용접부의 거동을 간접적으로 확인할 수가 있다 19,20). 이러한 결과는 수치해석을 이용한 레이저빔의 거동과 비교함으로써 용접부의 현상을 간접적으로 유추 할 수 있고, 용입 깊이나 온도 및 열유동 등 다양한 현상들을 이해할 수 있다.

레이저 빔의 최대 장점 중의 하나는 집중도(Focusibility) 이지만 응용 분야에 따라서는 레이저 빔을 분산시키는 기술도 필요하다. 특히 금속파우더처럼 입자가 작고 기공이 많은 제품의 경우에는 레이저 빔을 모듈레이션 시켜서 넓은 형태로 조사하는 것도 필요하다21). Bahador et al. 는 타이타늄 합금을 기본으로 하는 형상기억합 금을 파우더로 레이저로 소결하는 공정을 소개하였다 21). 통상적인 가공 방법으로는 노(furnace) 나 마이크로파 공정을 통해서 가공 하지만 레이저 소결기법도 적용이 가능함을 보여주었다. Ti-Nb 와 Ti-Ta 소결의 경우 마이크로파로 소결하는 것보다 우수한 용접성을 보여주었으며, 용접부의 품질도 좋았다.

접합을 위한 유연한 레이저 표면 전처리는 레이저 기술을 사용하여 소재를 접합하기 전에 표면을 세정공정이다. 이러한 세정공정을 통해서 재료표면에서의 오염 물질이나 산화물 제거는 레이저 용접부의 품질을 높일 수 있다22). 통상적으로 솔벤트 세척, 초음파 세척 또는 연마 세척과 같은 세척 방법을 통해 수행하는데, 일부는 레이저 열을 이용하여 표면처리를 행하는 때도 있다. 레이저는 표면층 제거, 미세 구조 생성, 용융 또는 리플로우(Reflow) 유도, 특정 표면 화학 생성에 사용 할 수 있으며 출력, 강도, 파장 등 레이저 파라미터의 선택은 재료 유형과 원하는 표면에 따라 달라진다.

레이저 용접성 개선을 위해서 진공에서 용접하는 연구가 보고되고 있다23-25). 후판용접의 경우 주로 GMAW (Gas Metal Arc Welding)이나 SAW(Submerged Arc Welding)을 중심으로 적용이 되어 왔으나, 저진공 환경하에서 레이저 용접을 수행시 후판 용접에 상당한 장점이 있는 것으로 보고되었다23). 진공하에서 용접한 사례는 40 kW의 출력으로 최대 115 mm까지 단일 용접구간으로 적용한 연구가 보고 되었다(Fig. 11).

Fig. 11

Laser welding for thick walled steel with 40 kW23)

용접 품질향상은 용접후 열처리(Post Weld Heat Treatment)를 통해서도 상당 부분 효과를 거둘 수가 있다25). Zhao et al.은 원자력 발전소 소재로 사용되 는 이종 소재 용접 후에 PWHT를 적용함으로서 기계 적 성질 향상 및 부식에 대한 저항도가 증가함을 확인 하였다. 또한 내부 잔류응력도 제거되고 소재의 인성 (Ductility) 증가와 취성감소로 전반적으로 우수한 기 계적 강도를 가지게 되었다25).

3. 결론 및 고찰

본 논문에서는 전동화 파워트레인 부품들의 용접 난해성을 해결하기 위해 레이저 빔을 이용한 다양한 기법의 연구결과를 정리하였다. 알루미늄과 구리를 기반으로 하는 소재를 동종 용접하거나 이종 용접 때에 발생 하는 여러 가지 금속 유동학적인 문제들을 해결하기 위한 레이저 빔 모듈레이션, 출력제어, 빔 제어 및 공정 모니터링에 대한 광범위한 연구 결과를 소개하였다. 레드 가시광 영역 및 근적외선 영역의 레이저빔은 구리 합금에 있어서 흡수도가 매우 낮아서 신뢰도 높은 용접 결과를 얻기가 어려운 반면, 그린 영역이나 블루 영역의 레이저는 흡수도가 매우 높은 장점이 있다. 하지만, 산업용으로 적용하기에는 여전히 높은 가격장벽과 더불어 신뢰도 검증이 숙제로 남아 있다. 펄스레이저와 연속파 레이저를 혼용하여서 용융풀을 최적제어하면 깊은 용입과 더불어 용융풀을 안정화할 수 있으며, 동축 형태의 내외부 빔을 구성하여 가우시안 형태로 깊은 용입과 링 형태의 광범위한 조사로 용접부의 높은 기계적 신뢰성을 가질 수가 있다. 이러한 형태의 빔 모듈레이션의 핵심은 링과 코어의 출력 분기비율이며, 최적의 결과는 1:1.3이나 1:1.7 이었을 때 우수한 품질을 얻는 것으로 보고되었다.

구리와 이종소재를 용접할 때에는 구리보다 흡수도가 좋은 소재를 상부에 배치하는 것이 빔 흡수에 도움이 되지만, 스패터가 과다하게 발생하고 균일한 용접 품질을 얻기가 어려운 경우, 구리를 상면에 배치하는 방법이 제시되었다. 출력을 높여야 하는 단점이 있으나 용융풀이 안정화되고 혼합비율이 높아지는 장점이 있었다.

컴퓨터 시뮬레이션은 용융풀의 거동을 알기 위해서 사용되는 유용한 도구로서 최근에 적용이 된 다양한 레 이저 빔 모듈레이션의 효과를 이해하는데 도움이 되었 다. 특히 다중물리해석은 실제 환경을 더 잘 모사할 수 있으며, 실제 환경에서 구현이 어려운 내용을 가상환경 에서 구현함으로써 용접부 품질향상에도 많은 도움이 될 것으로 기대가 된다.

레이저 빔 동적제어의 일환으로 동적 빔 쉐이핑 기술은 수 MHz 영역의 빠른 전환으로 실시간 빔 제어를 통한 고품질 용접부를 얻을 수 있는 신기술로 소개가 되고 있다. 동적 빔 쉐이핑 기술은 횡단면 제어뿐만 아니라, 시간 축 제어를 통한 종단면 방향 제어도 가능하여 다양한 문제 해결에 도움이 될 것으로 판단된다.

인공지능을 이용한 용접 부위 결함을 탐지하는 기술도 많이 연구가 되고 있는데, 용접부의 결함뿐만 아니라 용접 부의 간극도 사전 예측할 수 있으며, OCT의 적용은 용접부의 거동과 더불어 품질을 판별할 수 있는 다양한 기능들을 제공하고 있다.

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Fig. 1

Laser beam absorptivity with respect to wavelength

Fig. 2

Variously modulated laser beam profile1)

Fig. 3

Adjustment of dual laser beam3)

Fig. 4

Cross section of Fe-Cu welding and beam coupling threshold7)

Fig. 5

Wobbling patterns and period welding8)

Fig. 6

Examples of dynamic beam shaping9)

Fig. 7

IMC of Ti/Al interface12)

Fig. 8

Schematic of tmolten pool under different laser welding modes13)

Fig. 9

Schematic of experiment setup15)

Fig. 10

Processing pipeline for weld discontinuity classification16)

Fig. 11

Laser welding for thick walled steel with 40 kW23)