경량 구조를 위한 레이저빔 용접

경량 구조는 에너지 혁명, 배출가스 저감 및 자원 보호와 관련하여 차세대 핵심적 요소이다. 그러나 재료에 잘 맞는 접합 방법을 사용해야 경량 구조 원리를 적용하는 것이 성공할 수 있다.

페터 쾨니히스로이터(Peter Königsreuther)

미래의 자동차 경량구조 디자인의 핵심은 경량구조 재료를 접합할 수 있는 유연하고 안정적인 기술에 있다. Audi AG가 새로운 접근법인 알루미늄의 레이저빔 원격 용접을 개발하였다. 이 용접은 구성품 내 열 흐름을 제어할 수 있다. 용접 에지에 대해 레이저 빔을 정확하게 투사하면 열 균열 위험이 낮아지는데, 이는 침투 깊이를 정밀하게 컨트롤할 수 있기 때문이다. 부품간 갭 크기는 접합 시 확인할 수 있고, 갭은 프로세스 제어 전략을 통해 효과적으로 채울 수 있다.

다양한 장점들

프로세스 효율성이 개선된다. 용접 와이어 또는 보호 가스가 필요 없기 때문이다. 그로 인해 제작 비용도 낮아진다. 부품에 공급되어야 할 열량도 거의 절반으로 줄일 수 있어, 열로 인한 부품 변형도 감소된다. 또한 피드 속도가 빠르고 레이저 빔의 에너지 소비량이 적어서 CO2 방출도 약 25% 정도 낮출 수 있다. 특히 경량구조 디자인은 보다 짧은 플랜지로 실현할 수 있어 CO2 방출량이 적다. Audi A8 도어 프레임의 용접심이 이러한 점을 매우 잘 보여준다. Audi는 종래의 알루미늄 합금을 접합하기 위해 레이저 빔 원격 용접을 사용하는 최초의 자동차 메이커이다. Audi에서 레이저 빔 접합 분야 경량구조 개발을 담당하고 있는 얀 필립 베버팔스 박사의 말이다. “새로운 유형의 이 레이저 빔 원격 용접은 양산 라인에서 95% 정도 비용을 절감합니다.“ 얀 필립 베버팔스에 의하면 Audi는 종래의 경화 가능한 알루미늄 청동가공 합금 접합을 위한 방법을 사용하면서 최초의 프리미엄 메이커로서 독점적 판매 요소를 달성하였다고 한다.

연속적인 용접

심의 횡단면 연마: 좌측은 접촉식 프로세스 컨트롤을 이용하여 선형 에너지가 더 많이 소요됨, 중앙에서는 절반의 선형 에너지로 레이저빔 원격용접. 우측은 비교를 위해 중첩되게 두 개의 용접심 형성 (회색 – 표준 방법)

이러한 혁신적 기술을 개발함에 있어서 해결해야 할 지속적 과제는, 스틸 콤포넌트를 레이저 빔 원격 용접하는 방법을 한 프로세스 내에서 알루미늄 재료의 재료별 특성과 조합해야 한다는 점이었다. 지금까지는 획일적인 알루미늄 화합물의 레이저빔 용접은 랩 조인트의 필렛 용접인 경우에는 접촉으로 안내되는 광학 장치를 이용하여 이루어졌다. 이 경우 프로세스 시간이 길어진다. 또한 일반적으로 고합금 와이어 융가재 재료로부터 생겨나는 합금 조성에 의해 용접성이 제한된다. 합금 요소는 강도, 미세 구조, 용융풀의 다이내믹에 영향을 미친다. 스틸 콤포넌트를 산업적으로 제작하면서 레이저빔 원격 용접은 확고한 접합 기술로 발전하였다. 특히 내장된 스캐너 미러 덕분에 빔 포지셔닝이 신속하여 프로세스가 중단되는 것을 완전하게 방지할 수 있어, 생산량과 대량 생산 효율성도 현저히 올라갔다. 그러나 재료의 특성 때문에 레이저빔 원격 용접의 장점을 알루미늄 섀시에 고스란히 적용할 수가 없었는데, 가장 큰 장애물 가운데 하나는 접촉 가이드를 완벽하게 대체하는 것이었다. 콤포넌트 형태와 용접심 형상에 따라 레이저빔의 정확한 포지셔닝은 레이저 삼각 측량을 바탕으로 광학적 에지 감지를 이용하여 스캐너 미러를 통해 이루어진다. 추가로 스캐너 미러의 광학식 심 추적을 통해 고주파 진동도 적용할 수 있다. 이 고주파 진동은 부분 형상 및 프로세스 조건에 맞추어 조정할 수 있다. 또한 갭을 건너뛰고 용접심의 너비와 용접 깊이를 제거하는 데에도 이용할 수 있다.

알루미늄 합금을 레이저빔 원격 용접할 때에 존재하는 갭 크기의 기능으로 심 형성

용접 와이어 대신 광학 용접심 추적장치

용융과 안정 처리를 적절히 통제하면 정해진 접합 형상에 따라 유연한 용접심이 형성된다. 이는 구체적인 공간적 및 시간적 레이저빔 모듈레이션과 조합하여 광학적 심 추적을 가능하게 한다. 용접심을 광학적 심 추적으로 대체하면 로봇 공급 모션이 현저히 줄어들고, 제작 속도는 빨라지면서 공정 결과는 동일하다. 따라서 전체 공정 효율성이 막대하게 상승한다. 레이저빔 원격 용접은 접촉 레이저 용접에 비해 약 53%의 시간을 절감한다. Audi A8이 도어 생산을 성공적으로 시작하여 이 방법은 다른 자동차 프로젝트에도 사용하게 되었다. Audi AG는 이러한 유망한 기술 개발 덕분에 2016 레이저 테크놀로지 이노베이션 어워드에서 2등상을 수상하였다.