레이저 브레이징 기술과 전망

Ungers 등은 카메라를 기반으로 하는 공정조절 시스템을 제시하였다. 공정 동안에 기계적 인자를 평가하기 위한 하드웨어기반의 알고리즘은 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술에 의해 실행되었다. CMOS 카메라는 브레이징 레이저와 광학적인 경로를 통하여 공동 축으로 통합되어있으며, 하드웨어기반의 속도측정에 대한 정확성이 높은 것으로 평가되었다. 이로 인해 브레이징속도와 같은기계적 인자의 관리뿐만 아니라 브레이징된 품질을 같은 시스템으로 판단할 수 있는 장점이 있다.

Tang 등은 알루미늄에 대하여 단일 빔과 이중 빔의 레이저 브레이징기술을 개발하였다. 통상의 AlSi12 용가와이어와 비교하여 더욱 낮은 응고범위를 가진 AlZn13Si10Cu4 용가와이어를 사용한 결과, 매우 양호한 젖음성을 나타내었다. 또한 AlSi12 와이어에 비해서 73% 이하의 더욱 낮은 입열량이 요구되었으며, 접합부에도 높은 경도값을 얻을 수 있었다. 특히 이중 빔 기술은 접합부 품질을 향상시키는데 높은 가능성을 보여주었다. 구리계 용가와이어를 이용한 아연도금강판의 레이저빔 브레이징은 우수한 접합품질과 높은 접합강도를 얻는데 효과적인 공정이므로 자동차산업, 특히 루프와 세
분된 뒷문(tailgate)과 같은 노출된 부분에 널리 응용되고 있다.

 

Heitmanek 등에 의해 제시된 레이저빔 브레이징기술은 용가재를 이용하여 레이저빔으로 2강판 사이에 빈틈(gap)을 채우는 방법이다. 아연도금강판을 브레이징을 하기 위한 연결폭도 최대 하중을 지탱할 수 있도록 최소의 연결 폭으로 구성되어야 하고, 빔 스캐닝에 대한 작업공정(온도 포함)의 안정성과 표면품질의 향상에 대한 연구가 추진되어야 할 것이다.
Al과 강의 고온접합 시에 주요한 문제점은 TIG 혹은 MIG와 같은 공정에서 기계적 성질을 해치는 취약한 금속간화합물 상의 형성이다.

 

Mathieu 등은 Al과 강의 접합 시에 85% Zn, 15% Al로 이루어진 용가와이어를 이용하여 레이저 브레이징 기술로 양호한 기계적 품질특성을 보여주었다. 마그네슘합금과 철강 이종소재에 대하여 다이오드 레이저를 사용하여 브레이징기술을 적용한 결과, 도금강판에 대한 용융필러와이어의 퍼짐성은 주석도금강판이나 니켈도금강판에서보다 아연도금강판이 가장 양호하다는 결론을 얻었다.

 

아연도금강과 초고강도강인 22MnB5강을 접합하는데 있어서 Mittelstädt 등25)은 2빔-레이저 브레이징공정과 Cu계 용가재(CuSi3Mn1)를 이용하여 기존의 용접공정에 비해서 입열량을 감소시켜 변형의 억제하고, 후공정을 간편화하고 접합부 인장강도를 확보할 수 있었다.

 

[레이저 브레이징기술 전망]

 

가열로 브레이징에서 가장 큰 이점은 브레이징 용가재를 모재 사이에 끼워넣어 접합부를 원하는 형태로 만들 수 있다. 그러나 몇 초내로 접합해야 하는 경우에는 레이저 브레이징이 유리하다.

 

레이저 브레이징 기술은 금속판의 접합에 광범위하게 사용되고 있지만 특히 자동차 산업에서 매우 높은 표면품질을 요구하는 경우에 적용되고 있지만 품질제어와 공정관찰은 필수적이다. 향후 장기적 관점에서 FPGA(Field Programmable
Gate Array)기술을 기반으로 하여 프로세싱 광학(optics)을 통하여 공정조절기술을 완전히 통합하여, 최적의 레이저출력과 브레이징와이어의 속도를 제어할 수 있는 자동적인 레이저브레이징의 공정기술이 개발되어야 할 것 이다.

2빔-레이저 브레이징공정을 이용하여 아연도금강과 초고강도강의 접합기술에 대한 검토가 필요하다. 기존의 용접공정에 비해서 입열량을 감소시켜 변형의 억제하고, 후공정을 간편화하고 접합부 인장강도를 보장할 수 있는 장점이 있다. 또한 레이저예열에 의해 높은 작업속도가 가능하여 모재 안으로의 구리확산을 방지하여 신뢰성을 더욱 높일 수 있다. 향후 아연도금강과 초고강도강의 브레이징접합기술은 제조원가를 절감할 수 있으며, 강성이 높아진만큼 차량의 감량효과가 있으므로 향후 수요가 확대될 것을 전망된다.

레이저 브레이징 시에 젖음성에 영향을 주는 인자로서 용융되지 않은 모재(화학성과 조도를 기준), 점성과 용융금속의 화학성분 및 브레이징 지역의 온도구배 등이 있으며, 이외에도 양호한 젖음성을 위하여 예열처리를 함으로써 가능하다. 향후 이러한 인자에 대해서 연구검토하여 레이저 브레이징기술을 정착해 나가야 할 것이다.

 

출 처 : 최신의 고능률 브레이징 기술개발 동향(Recent Study of Technical Development for High Efficient Brazing) /

          유호천 / 한국과학기술정보연구원 / ReSEAT 프로그램 전문연구위원