레이저(Laser)를 이용한 산업분야의 적용에는 크게 용접, 절단, 드릴링, 마킹, 트리밍, 패키징 등이 있다. 특수용접 부문에 속하는 레이저 용접은 발진기에서 증폭된 레이저 빛을 광학기구를 통하여 집광하고 집광된 레이저를 이용하여 두 금속을 녹여 붙이는 과정이다.
레이저 빔이 모재에 조사되면 레이저의 초점부는 높은 에너지 밀도에 의해 표면이 순간적(1~20 ms)으로 약 6,000~6,400℃ 온도로 키홀 내에서 용융, 융착 후 냉각되어 용접이 된다.
기존의 아크 용접에 비해 용접속도(1~20 Hz)가 빠르고 열 영향부가 작아 열 변형이 적다는 것과 좁고(2mm) 깊은(10mm) 용접을 가능케 해준다. 뿐만 아니라 정확하고 정밀하여 이종금속 간, 비 접촉 가공으로 자동화 적용시 유리하다.
반면 장비 가격과 정밀한 지그 장치가 필요하므로 초기 투자 비용이 크고 용접 중 모재 표면의 반사도, 모재 사이의 갭에 따라 크게 영향을 받는다는 단점이 있다. 또한 재질에 따라 고온균열이 발생할 수 있는 우려가 있다.
레이저 용접기의 기본적 조건은 빔의 출력, 속도, 초점직경 등을 적절하게 조절 저장할 수 있는 컨트롤 장치와 이를 확인 할 수 있는 Vision시스템으로 현미경, CCD 카메라장치가 필요하며 모재의 용접부위를 신속, 정확하게 제어해 줄 지그 장치가 병행되어야 한다.
He-Ne 레이저
632.8 nm의 붉은 파장을 가지는 이 레이저는 대표적인 레이저로서 최초의 가스레이저이기도 하다.
주로 간섭, 회절, 굴절 등 기초 광학 실험용으로 가장 흔히 사용되며 작은 것은 출력이 0.5mW에서 큰 것은 100mW까지의 대형레이저까지 다양한 제품이 시판되고 있다.
이 레이저의 매질은 He과 Ne의 혼합기체로서 Ne에서 레이저가 발진된다.
He은 Ne을 여과시키기 쉽게 하기 위한 것으로서 길이가 수십cm 가량의 모세관에 약 수 torr(mmHg)이하의 He과 Ne을 채우고 수천 볼트의 직류고전압을 가하여 방전시키면 전자가 He원자와 충돌하여 He이 21s와 23s의 높은 에너지 상태로 들뜨게 된다. 이 들뜬 He원자는 Ne원자와 충돌하면서 He의 에너지가 Ne에 전달된다.
충돌 후 He은 낮은 에너지 상태로 떨어지고 Ne은 각각 5s와 4s상태로 들뜨게 되는데 이들은 낮은 4p와 3p상태는 이들보다 수명이 짧아서 쉽게 아래로 떨어지므로 결국 5s와 4p사이에 밀도반전이 일어나고 4s와 3p 또는 5s와 3p사이에서도 밀도반전이 형성된다.
이 때 공진기를 선택하기에 따라서 5s와 4p사이에 적외선인 3.99um파장을 5s와 3p 사이의 632.8 nm의 붉은 파장 또는 4s와 3p사이의 1.15um를 택할 수 있다.
일반적으로는 632.8 nm의 가시광 영역의 붉은 파장만을 발진시키는 공진기를 사용하는 경우가 가장 흔하다.
아르곤(Ar) 레이저
가장 강력한 가시광 영역의 레이저로서 수백 mW의 출력에서 수십 W의 출력을 내는 대형 아르곤 레이저가 있다.
이 아르곤 레이저는 청색(488.0 nm)과 녹색(514.5 nm)에서 가장 강력한 레이저 빛이 발생되므로 조명 효과가 뛰어나서 특수조명에 많이 쓰이고 있는데 서울 올림픽 당시 여의도 63빌딩 벽면에 보인 레이저 쇼라든가, TV 쇼 등 무대조명도 이 아르곤 레이저가 이용되고 있으며 연구실에서도 아르곤 레이저는 색소레이저의 여기용으로도 많이 쓰이고 있다.
그 밖에도 351.1nm 등의 자외선을 포함하여 476.5nm, 496.5nm 등 여러 파장의 빛이 발진된다. 아르곤 레이저는 길이 약 1m, 내경 약 수nm의 작은 모세관에 수torr의 Ar을 채운 후 수 백V의 직류전압을 가하여 방전시킨다.
모세관에 흐르는 전류는 보통 수 십 A가 흐른다. 이는 Ar 1이 이온에서 레이저가 발진되므로 모세관의 전류밀도가 수 백 A/cm 이상이어야 충분히 밀도반전이 일어나기 때문이다.
따라서 높은 전류밀도때문에 방전관 벽의 온도가 매우 높아지므로 유리종류는 쉽게 변형이 일어나서 쓸모없고 흑연(garphite)이나 BeO 또는 텅스텐 판과 같은 융점이 높은 재료가 사용된다.
또한 높은 온도 상승은 냉각수를 흘려 열을 제거함으로서 억제한다. 높은 전류밀도로 관 내에 Ar은 압력 차이가 생겨 방전이 불안정하거나 꺼지게 되는데 이를 방지하기 위해 Ar이 이동할 수 있는 옆길(return path)을 만들어 주어야 한다. 방전시 이온 또는 전자가 관벽에 충돌하는 충돌 횟수가 작은 것이 바람직하므로 방전관 주위에 솔레노이드를 만들어 수 백 가우스의 자장을 축 방향으로 가함으로서 효율을 높인다.
이와 같이 아르곤 레이저는 제작하기가 쉽지 않고 10kW 이상의 전력을 쓰기 때문에 매우 고가이며 수명은 보통 5,000시간 정도이다.
탄산(Co2) 레이저
탄산 레이저는 탄산 분자의 진동준위 사이에서 10.6um의 적외선이 발진되며 효율이 높아서 용이하게 고출력을 얻을 수 있다. 이런 이점으로 강한 열작용을 이용한 금속 또는 피륙의 용접 절단 등 산업에 이용되고 있다.
약 1m 길이의 유리(pryex)관에 CO2, He, N2를 일정비로 흘리면서 10kV 정도의 직류전압을 가하면 글로우 방전이 일어난다.
밀도반전은 방전시 전자와 N2와의 충돌로 N2분자가 V"=0 에서 V"=1 의 진동준위로 들뜨게 되는데 이 들뜬 준위는 CO2 분자의 001 진동준위와 에너지 차가 작은 준위로서 두 분자 사이의 충돌로 N2분자는 에너지를 CO2분자에 제공하고 아래로 떨어진다.
이 과정으로 CO2분자가 001 준위로 들뜨게 된다. 들뜬 CO2분자의 001 진동준위와 이보다 아래에너지의 100 진동준위 사이에 밀 도반전이 형성되어 레이저 발진이 가능하게 된다.
따라서 레이저 발진은 CO2분자에서 일어나지만 N2를 첨가함으로서 001준위로의 효율적인 여기가 가능하다.
한편 He의 혼합으로 아래준위인 001 준위를 쉽사리 없앨 수 있기 때문에 밀도반전이 쉽게 일어날 수 있으므로 효율이 증대된다. 따라서 N2, He을 혼합하면 순수 CO2만 있을 때의 출력에 비해 매우 큰 출력을 얻을 수 있게 된다.
일반적으로 1m 길이의 방전관은 최적 조건에서 100W까지의 출력을 얻을 수 있다.
이 CO2 레이저는 1964년 미국의 패텔이 처음으로 연속발진에 성공했으며 현재 100kW의 대형 CO2 레이저도 개발됐다.
이같은 대형 CO2 레이저의 경우 방전관은 수십m에 이를 정도로 길이가 길기 때문에 큰 공간을 차지하는 불편함이 수반된다.
이러한 결점을 보완하기 위해 여러 가지 방안들이 모색되었는데 그 중에서도 가열된 CO2의 급팽창에 의한 밀도반전을 이룩하는 가스 동력학 방법과 횡여기 방법이 두드러진다.
가스동력학 방법으로 60kW의 연속 출력 방식을 얻은 바 있으며 횡여기 방법은 흔히 TEA CO2 레이저로 알려져 있는데 TEA Transverse Excited Atomospheric의 머리글자를 딴 단어다.
대기압 정도의 가스압력을 높은 전압으로 펄스방전을 일으켜서 밀도반전을 얻으며 1972년 출력 펄스당 200J의 에너지를 얻는 데 성공했다.
레이저 용접의 용도
정밀금형을 비롯한 사출금형, 각종 전자부품, 박판부품, 자동차부품금형, 이종금속부품, 의료기기 부품, 귀금속, 반도체, 커넥터, 핸드폰 센서류 등 마모나 파손된 부분을 레이저용접으로 원상회복이 가능하다.
■ 아크용접
금속과 금속을 접합하는 데 아크방전(放電)을 이용하는 방법으로 탄소전극(炭素電極)을 사용하는 탄소 아크용접과 금속전극을 사용하는 금속 아크용접, 비활성기체용접 등이 있다.
탄소 아크용접은 용접모재(熔接母材)와 탄소전극 사이에 아크를 발생시켜 그 속에 넣은 용접봉이 녹아 용접 부분을 채우게 되는데 아크를 이동해 나감에 따라 채운 것이 굳어져서 용접이 된다.
금속 아크용접은 용접모재와 같은 종류의 금속으로 만든 전극 사이에 아크를 발생시켜 전극 그 자체를 녹여서 접합 부분을 채워 모재를 접합하는 방법이다.
비활성기체용접에는 MIG와 TIG가 있는데 아르곤과 헬륨의 티그(TIG) 용접은 전극이 거의 소모되지 않는다. 아르곤아크·헬리아크 등은 TIG의 상품명이, 시그마라고 하는 것은 미그(MIG)<아르곤+탄산>의 일종의 상품명이다.
비활성기체용접은 주로 조선산업에서 LNG 탱크용 용접에 쓰인다.
불활성 가스 아크 용접
특수 용접부를 공기와 차단한 상태에서 용접하기 위해 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 가스와 같은 고온에서도 금속과 반응하지 않는 불활성 가스 분위기 속에서 텅스텐 전극봉 또는 와이어와 모재 사이에서 아크를 발생하여 그 열로 용접하는 방법이다.
불활성 가스 아크 용접법은 시일디드 아크 용접이라고도 하고 불활성 가스 분위기에서 텅스텐아크에 의한 열원을 사용하는 방법과 금속 아크에 의한 열원을 사용하는 두 가지의 방식으로 분류된다.
모재가 극히 엷은 것에 대해서는 용접봉을 쓰지 않고 두꺼운 판에 대해서는 용접봉을 사용한다. 현재 알루미늄 경합금 고리 및 구리 합금 스테인리스강 등의 용접에 많이 쓰여 진다.
불활성 가스 텅스텐 아크 용접법
티그(TIG) 용접이라고도 하며 이것은 텅스텐 봉을 전극으로 써서 가스 용접과 비슷한 조작 방법으로 용가제를 아크로 융해하면서 용접한다.
이 방법에서 텅스텐은 거의 소모하지 않으므로 비용극식 아크 용접 또는 비소모식 불활성 가스 아크 용접법이라고도 한다. 또한 헬륨아크 용접법, 헬리웰드법, 아르곤 아크 용접법 등의 상품명으로도 불리어 진다.
불활성 가스 텅스텐 아크 용접법에는 교류나 직류가 사용되며 그 극성은 용접 경과에 큰 영향을 끼친다. 직류 정극성에서는 음전기를 가진 전자가 모재를 세게 충격시키므로 깊은 용입을 일으키며 전극은 그렇게 가열되지 않는다. 그러나 역극성에서는 전극은 적열하게 가열되고 모재의 용입은 넓고 얕아진다.
불활성 가스 금속 아크 용접법
미그(MIG)용접 이라고도 불리는 불활성 가스 금속 아크 용접법은 용접봉인 전극 와이어를 연속적으로 보내어 아크를 발생시키는 방법으로 용극식 아크 용접법 또는 소모식 불활성 가스 아크 용접법이라고도 한다.
상품명으로는 에어코우매틱 용접법, 시그마 용접법, 필리 아크 용접법 등으로 불린다.
불활성 가스 금속 아크 용접용 전원은 직류식으로 와이어를 정극으로 하는 역극성이 채용된다. 불활성 가스 금속 아크 용접법은 전원이 정전압 특성의 직류 아크 용접기로서 가는 와이어를 써서 전류 밀도를 높이고 와이어 송급은 일정 속도 송급 방식으로 하는 특징이 있다.
원자 수소 아크 용접
2개의 텅스텐 전극 사이에 아크를 방생시키고 수소를 공급하여 분자 상태의 수소가 아크 열로서 원자 상태의 수소로 분해된 후 다시 용접면에서 분자 상태의 수소로 환원할 때 발산하는 열로써 용접부가 가열된다.
불활성 가스 아크 용접법, 전기 저항 용접법, 기타 용접법이 발전되어 널리 채용됨에 따라 토오치 구조의 복잡성, 기술적인 난점 비용의 과다 등으로 차차 응용 범위가 축소되고 있는 용접법이다.
※원자 수소 용접 장치 : 환원성 수소 가스 중에서 진행됨으로 용접부의 산화 및 질화가 방지되고 용접 조직이 좋으며 기계적 강도가 큰 장점이 있다. 용융 범위는 엷은 판재의 용접, 각종 탄소강, 주철, 주강, 구리, 합금 및 경합금 등에 비교적 쉽게 사용된다. 원자 수소 용접 장치에는 아크 용접기 수소 탱크 용접용 토오치 등이 필요하다.
탄산 아크 용접
탄산 아크 용접 방법은 아르곤(Ar) 헬륨(He) 같은 불활성가스 대신 상대적으로 가격이 싼 탄산(CO2)를 이용한 용접법이다.
CO2는 Ar, He 등과 같은 불활성 가스가 아니므로 고온 상태의 아크 중에서는 산화성이 크기 때문에 보통 피복되지 않은 용접봉을 사용할 경우 용접부에는 블로우 홀 및 그 밖의 결함이 생기기 쉽다.
이와 같은 결점을 제거하기 위하여 망간, 실리콘 등을 탈산제로 하는 망간~규소계 와이어를 사용하든가 또는 값싼 CO2+산소 등의 혼합 가스를 쓰는 탄산 산소 아크 용접법을 사용하고 있다.
