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[기술특집] 레이저 용접·보수가 금형 재료의 특성에 미치는 영향

입력 : 2020.10.23 01:13

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[헬로티]


히하라 마사히코 (日原 政彦)   히하라기술사사무소


최근의 레이저 기술의 진보가 현저해짐에 따라 레이저광의 출력이나 특징을 이용해 다기능성․다양성이 요구되는 자동차, 일렉트로닉스, 항공기, 정보통신, 의료 영역(치과용 부재 등), 금형 용접․보수, AM(적층조형, 3D 프린터에 의한 금형 부품 제조․조형 등), 장식․가식, 측정기기, 오락산업 등 많은 영역에 이용되면서 수요가 점점 증가하고 있다. 


레이저 용접․보수는 보통의 용접 작업에 비해 장치가 고가이고, 레이저 장치가 복잡하기 때문에 발전이 느렸다. 그러나 최근에는 파이버 전송장치의 진보․발전에 의해 간편화, 소형화, 작업의 자유도가 개선됐다. 


그렇기 때문에 각종 금형이나 부품, 고정도․미세부의 용접․보수를 위한 저변형 가공 및 저입열 용접이 가능해지고, 부가가치가 높은 제품과 부품 제작을 목적으로 수요가 증가하고 있다.


레이저 용접법은 레이저광을 열원으로 하고, 집광된 에너지 밀도가 높은 열원을 피가공물(금형 등)의 표면에 조사, 금속을 국부적으로 용접․응고시켜 접합하는 방법이다(그림 1).



레이저 용접이나 전자빔 용접은 에너지 밀도가 높으며, 좁고 깊은 부위를 용접하는 ‘심용입’이 가능하다. 동 그림 (b)에 나타냈듯이 레이저 용접에는 심용입형 외에 용입을 얕게 하는 열전도형도 있다. 또한 레이저 용접과 MIG(TIG) 용접의 장점을 병용한 하이브리드 용접법도 제안되고 있다〔동 그림 (c)〕.


일반적으로 레이저 용접에 사용되는 레이저 발진기에는 대출력을 얻을 수 있는 ①탄산가스 레이저(CO2+N2+He 레이저, 파장 10.6μm)와 ②가넷이나 결정을 여기 매체로 사용하는 고체 레이저의 YAG 레이저(Nd3+ : Y3+Al5+O12, 파장 1.064μm)가 있다.


CO2 레이저 가공법은 여기 매체가 기체이기 때문에 빔의 열화가 적고 고휘도의 레이저광을 얻을 수 있다. 따라서 고출력의 열원을 얻을 수 있고, 후육의 용접이나 절단에 사용된다. 레이저광은 유리에 흡수되는 파장 영역이기 때문에 미러에 의한 반사가 되돌아옴으로써 전송된다.


한편, YAG 레이저는 집광 지름이 1μm 정도로, 미러에 의한 전송 이외에 광파이버에 의한 전송도 가능해진다. 그렇기 때문에 설비나 구성부의 자유도가 높고, 다관절 로봇에 용접 토치를 설치해 3차원 형상의 가공에 이용하는 것도 가능하다. YAG 레이저는 비교적 박육의 용접에 적용된다.



표 1에 보통의 용접, 레이저 및 전자빔 용접의 열원(에너지 밀도)의 비교를 나타냈다. 레이저는 단일 파장으로 위상차가 없는 광원으로, 매우 작은 영역으로 집광할 수 있기 때문에 에너지 밀도는 보통 용접에 이용하는 가스불꽃이나 아크 열원(TIG, MIG 등)에 비해 매우 높은 열원을 얻을 수 있다.  


또한 레이저와 동일한 에너지 밀도를 가지는 전자빔 용접은 진공 중의 작업이기 때문에 피가공물의 형상이나 치수에 제약이 있다. 그렇기 때문에 용접의 작업성을 고려하면 레이저 용접이 범용성이나 자유도의 점에서 우위성을 가진다.


레이저 용접의 장점과 문제점


레이저나 전자빔과 같이 에너지 밀도가 높은 열원을 이용하는 용접에는 이하와 같은 장점과 문제점이 있다.


1. 장점

① 레이저광은 평행성이 좋고, 에너지 밀도가 높은 열원이다.

② 대기 중의 용접이 가능(전자빔 용접은 진공 중의 용접이기 때문에 장치․피가공품 크기의 자유도가 적다).

③ 고경도 재료, 고융점 재료, 세라믹스 등의 용접 및 이종 재료, 수지와의 복합재 접합이 가능.

④ 고속도 용접, 심용입 용접이 가능.

⑤ 용접 시의 열영향 영역이 매우 작고 용접 변형도 적다.

⑥ 고품질, 고정도의 용접, 미소 부분의 용접이 가능.


2. 문제점

① CO2 레이저나 YAG 레이저의 파장 범위 영역에서는 반사율이 높기 때문에 레이저의 흡수율이 실온에서는 수직 조사에서 40%로 낮고, 초기의 입열량이 투입되기 어렵다.

② 초점 심도가 낮고, 가공물의 초점 위치 어긋남에 따라 용입 깊이가 다르다. 또한 레이저 열량과 금속의 증발 반력에 의해 키홀이 형성되기 쉽다.

③ 집광 빔이기 때문에 갭 조정량(여유도)가 작다.


레이저 용접의 각종 금형에 대한 적용


표 2에 레이저 용접의 적용 영역을 나타냈다. 레이저의 집광점(용융점) 면적은 매우 작아 미세 부품 등에 적용할 수 있는 장점이 있기 때문에 각종 금형, 기계 부품, 전기 부품, 치과 용품, 안경․보석장식품 등 여러 분야에 걸친 제품의 미세 가공, 용접과 보수가 가능하다.



그림 2에 레이저 용접의 각종 금형에 대한 용접 사례를 나타냈다. 레이저 용접은 매우 미세한 영역의 형상 창성과 보수에 적합하기 때문에 재제작이 필요한 금형에 적용함으로써 보수나 형상의 회복, 변형이 적은 가공이 가능하다.



그림 3에 냉간용, 플라스틱 성형용, 열간용 공구강에서 용접 작업이 필요한 케이스 및 각 금형의 보수 사례를 나타냈다. 또한 그림 중에는 용접 보수 후의 각종 금형에 요구되는 특성도 나타냈다. 설계 변경에 따른 형상 변경, 가공 에러, 조업 중에 발생한 각종 결함 등의 보수가 금형의 주된 적용 영역이다.



또한 금형 보수의 요구 품질에는 여러 가지 것이 있다. 예를 들면 대면적의 용접․보수에는 아크 열원 타입의 용접법(TIG, MIG) 적용이 효과적인데, 미소 결함인 피트, 코너나 에지의 용접 보수에는 레이저 용접이나 전자빔 용접이 적합하다. 


레이저 용접에 의한 금형의 용접과 보수에서는 보통 빔 지름이 작고, 사용하는 용가봉(용접봉, 와이어)도 세선 와이어(0.3~1.0mm 지름 정도)이기 때문에 용접 효율이 나쁘고, 대면적의 패딩 용접 등에는 부적합하다. 또한 이러한 결점을 보완한 방법이 하이브리드 용접이다.


이것으로부터 레이저 용접은 플라스틱 성형용, 열간용, 냉간용 금형 등의 표면(캐비티부)의 미세 결함 보수에 효과적이라는 것을 알 수 있다. 더구나 방전가공으로 생기는 결함이나 부식 등으로 발생하는 미세 피트의 패딩 용접, 미세 크랙이나 고경도의 냉간 금형에 확인되는 크랙, 에지의 치핑 등 손상부의 용접 보수에 효과를 발휘한다.


금형 용접부의 특성


1. 각종 용접 결함


레이저 용접으로 발생하는 결함에는 급열-급랭에 의한 팽창․수축과 국부 구속력에 의한 비드 균열, 레이저에 의한 급격한 용융 응고로 일어나는 포로시티(기포), 용융 위치의 미스에 의한 용입 불량, 언더컷 등을 주로 볼 수 있다. 


레이저 용접의 금형 표면 안정화에는 피가공물의 예열-후열, 용접부의 청소․탈지, 결함의 발생 유무 등의 사전 검토나 검사가 필요하며, 금형 소재의 특성을 고려한 용접 방법의 선택이 중요하다.



그림 4에 일반적인 용접 작업에서 발생하는 결함의 사례를 나타냈다. 레이저 용접에서 재료 거동이나 결함 발생의 요인은 레이저 열원과 재료의 상호 작용, 고에너지 열원에 기인하는 급열-급랭 작용, 용융 과정의 금속 비등․증발인 경우가 많다. 


따라서 레이저 용접의 결함으로서는 급열-급랭에 따른 용착부의 팽창-수축에 의한 비드 균열, 기포, 빈구멍, 언더컷 등이 특징적이다. 이것이 보통 용접 시에 발생하는 결함과의 차이이다.



그림 5에 용접 시의 작업 조건․상태와 결함 발생과의 관계를 나타냈다. 레이저 용접은 고에너지의 집중 열원에 의한 용융 현상이 주체인 가공 방법이기 때문에 전기적 현상의 영향은 적지만, 다른 요인과 합쳐져 여러 가지 결함을 유발하므로 참고하기 바란다.



그림 6에 각종 금형의 용접 보수 시에 발생하는 특이적인 결함 사례를 나타냈다. 이러한 결함의 발생은 레이저 용접에서도 용착 금속의 특성이나 입열량의 차이가 있지만, 결정 변화, 잔류응력(열응력, 변태응력)의 발생, 용착부의 사용 시 변성은 기존의 용접과 동일한 거동을 나타낸다.


2. 용접부의 개선 방법



그림 7에 냉간 금형(SKD11 상당 분말공구강)의 어닐링재와 담금질-템퍼링재(64HRC)의 용접 후 경도 분포를 나타냈다. 

동 그림 (a)에 나타냈듯이 어닐링재의 용접 경계(본드 영역) 근방의 경도는 높아지지만, 그 상태의 용접부에 템퍼링 처리를 하면 경도가 저하해 소재의 경도와 동일해진다.


한편, 담금질-템퍼링 처리재는 본드 영역의 경도가 저하하는 경향을 나타낸다〔동 그림 (c)〕. 입열량이 작은 레이저 용접에서도 변화는 작지만 동일한 경향을 나타낸다. 


즉, 열처리 이력의 차이에 따라 용접 후의 용융 부분 근방의 경도가 다르기 때문에 예열-후열의 병용이나 템퍼링 처리에 의해 경도 분포를 피가공재의 본래와 동일한 상태로 처리하는 것이 용접 후의 금형 안정성․건전성을 향상시키는 하나의 방법이 된다(그림 6).


또한 담금질-템퍼링 후의 고경도 소재에 발생한 결함에 대해 레이저 용접이나 TIG(MIG) 용접을 하면, 용접부와 본래 소재 영역의 경도 차이에 의해 연마 시의 소재 표면 휘도가 다른 케이스가 있다. 제품면에 경면성을 요구하는 플라스틱 성형용이나 다이캐스트용 금형에서는 이 상태로 조업하면 제품에 흔적이 전사되는 경우가 많다.


또한 용접부에 쇼트피닝을 하면 표면에 압축응력을 부여할 수 있고, 내피로특성의 향상과 안정화에 효과가 있다. 그리고 용접 후의 공구강 시험편에 인장시험을 하면, 용접한 그대로의 시험편은 열영향부에서 크랙이 발생하지만, 템퍼링 처리 후의 시험편에서는 본래 소재 영역에서 파괴가 확인된다. 따라서 금형의 용접부 안정화에는 예열-후열 처리나 템퍼링 처리가 필요하다는 것이 밝혀졌다.


각종 금형(공구강)의 레이저 용접, 보통의 용접 보수 작업의 용접부 거동과 메인티넌스법, 보수 방법 등에 대해 설명했다. 레이저 용접은 앞으로 에너지 밀도의 향상과 레이저 용접장치의 개선, 기능성 향상, 장치의 간편화에 의해 각종 용접 보수와 표면개질 기술(레이저 담금질, 표면피막 형성 등)에 응용될 것으로 생각된다.


그러나 공구강의 미세 영역이나 기능성이 높은 용접에서도 용착부(용접부)는 용융 응고 형태를 취한다. 공구강은 매우 민감한 조직, 공기 담금질 특성을 가지는 민감한 재료이기 때문에 건전한 용접부를 얻기 위해서는 용접 금속부의 안정화 방법(예열-후열, 층간 온도의 조정, 잔류응력의 최소화 등)이나 재료특성을 이해하고 작업을 하는 것이 중요한 과제가 된다고 생각한다.


앞으로 각종 레이저 용접 방법은 3차원 적층조형 기술(AM 기술)에 응용되어, 3차원 형상의 창성(금형의 냉각회로, 복잡 형상품의 일체 성형)이 활발하게 이루어질 것으로 생각한다. 레이저 적층 기술도 층간의 용융 현상이 동반되기 때문에 형성 후의 표면 금속물성, 거동, 열응력 발생 형태 등을 잘 이해하지 않으면, 금형의 품질 향상에 효과적인 결과를 얻기 어렵다.


레이저 용접장치에 예열-후열기구나 3차원 이동이 가능한 기구를 부가하면, 조형품에 대해 온라인으로 열처리나 표면개질을 할 수 있는 등 적층 과정에서 부가가치가 높은 가공이 가능해질 것으로 생각한다. 이것에 의해 금형의 고품질․고기능화, 이 금형을 사용한 성형의 안정화가 도모될 수 있을 것이다. 


그리고 레이저 용접이나 전자빔 용접을 응용한 기능성 높은 용접과 보수가 가능해지면, 금형의 품질 향상이나 개질 방법에 적용할 수 있고 금형 표면의 창성 및 안정화 등의 기술 발전을 기대할 수 있다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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