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Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.4(2015) pp7-16http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2015.33.4.7

7

이 를 이용한 소재가공기술 동향 - ICALEO 2014를 심으로 -

이 목 *,†

*포항산업과학연구원, 시스템솔루션연구그룹

Recent Trends of the Material Processing Technology with Laser- ICALEO 2014 Review -

Mokyoung Lee*,†

*System solution research group, RIST, Pohang 790-330, Korea

†Corresponding author : [email protected](Received August 20, 2015 ; Revised August 22, 2015 ; Accepted August 27, 2015)

A bstract New lasers such as high power, high brightness and short wavelength laser are using diverse industry. Also new technologies are developing actively to solve various issues such as spattering, process monitoring, deep penetration and key-hole stability. ICALEO is the international congress where recent technology for laser material processing and laser system are present. At 2014, it was held at San Diego in USA and more than 260 papers were presented from 28 country. The effect of the laser beam shape such as Gaussian like and top-hat was investigated on acoustic emission signal and pore formation in welding. Inline penetration depth was measured with ICI(Inline Coherent Imaging) technique and the data was verified with real time X-ray image on laser welding. The laser welding performance at low pressure environment was evaluated for the thick plate alloy steel. UV laser was used to weld various metals such as Cu, Aluminum, steel and stainless steel. The effect of the wavelength of the laser on the formation of the wave at the wall of the key-hole front and the absorptivity was investigated.

Key Words : ICALEO, Laser processing, Laser welding, Penetration depth, Monitoring, Quality

특집논문

1. 서 론

1917년 Albert Einstein은 논문 “On the Quantum

Theory of Radiation”에서 자기복사의 흡수, 자발

방출 여기방출에 한 확률계수에 기 한 이 의

이론 토 를 정립하 다1). 1958년 Bell Lab.에 근

무하던 Charles Hard Townes & Arthur Leonard

Schawlow는 논문 “Infrared and Optical Masers”

에서 이 발생을 이론 으로 계산하 다2). 1960년

Hughes Lab.의 Theodore H. Maiman은 합성루비

결정에 펄스형태의 래시램 를 조사하여 최 로 이

를 발생시켰다3). 그 이후로 CO2 이 , Nd:YAG

이 , 다이오드 이 등이 개발되었으며, 최근에는

출력 멀티모드 이 인 화이버 이 디스크 이

가 개발되어 다양한 산업분야에 활발히 용되고 있다.

본 고에서는 규모가 가장 크고, 논문의 수 이 가장

높은 ICALEO의 최근 발표논문을 통하여 이 가공

의 최근 동향을 알아보았다.

2. ICALEO 개요

ICALEO(International Congress on Applications

of Lasers & Electro-Optics)는 미국 이 학회(LIA,

ISSN 1225-6153Online ISSN 2287-8955

이 목

316 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

8

Fig. 1 Papers according to the conference

Fig. 2 Papers according to the technical fields

Fig. 3 Papers in LMP conference according to the sessions

Laser Institute of America)에서 개최하는 학회이

다. 학회는 매년 개최되는데, 홀수년도에는 LIA가 소재

한 미국 동부의 올랜도 인근에서, 짝수년도에는 서부의

주로 해안도시에서 열린다.

동시 개최되는 컨퍼런스는 3개이다.

- Laser Materials Processing: 용 , 단, 클래

딩 등 일반 인 제조업에서의 이 가공 기술

- Laser Microprocessing: 이 미세가공

- Nanomanufacturing: 이 나노가공

한, 이 에 한 주제별 기술 강좌 “Laser

Solutions Short Courses” 이 련 새로운

사업 탐색을 한 “Business Forum and Panel

Discussion”이 있으며, 참여기업체를 한 시회

“Vendor session”이 있다.

2014년은 33회로 독일 Laser Zentrum Hannover

의 Stefan Kaierle 박사가 조직 원장을 맡아서, 동부

San Diego 시의 Sheraton 호텔에서 열렸다.

발표건수는 포스터 65건을 포함하여 총 263건이 발

표되었다. Fig. 1은 컨퍼런스에 따른 논문수를 나타낸

것으로, 이 재료가공 (LMP) 113건, 이 미세가

공(LMF) 59건 나노 컨퍼런스 26건이었다.

Fig. 2는 발표자의 국 에 따라 논문건수를 나타낸

것으로 독일이 67건으로 가장 많았으며, 미국 42건,

국 37건, 일본 17건 랑스 16건 순이었다. LMP

컨퍼런스에서는 독일, 그리고 나노 컨퍼런스에서는

국의 발표건수가 다수를 차지하 으며, LMF 컨퍼런스

에서는 독일과 미국이 유사하 다. 한국은 5건을 발표

하여 논문수 기 8번째에 해당하 다. ICALEO가 30

십년 이상 미국에서만 개최되어 온 것을 고려하면,

이 산업에서 독일의 압도 인 시장 유를 알 수 있다.

이 재료가공 컨퍼런스에서 기술분야별 발표건수

를 정리하여 Fig. 3에 나타내었다. 2014년의 이 를

이용한 재료가공분야에서는 비철 하이 리드를 포함

하여 용 이 31건으로 가장 많았으며, 국내에서는 3D

린 으로 더 잘 알려진 “Additive manufacturing”

Russia

Italy

Netherlands

Sweden

Australia

Spain

Switzerland

Korea

UK

Finland

France

Japan

China

USA

Germany`

Plenary

LMP

LMF

Nano

Poster

0 10 20 30 40 50 60 70

Optics and Beams

New Laser Sources

Emerging Applications

Lasers in Energy Generation

Modelling and Simulation

CFRP

Drilling

Cutting

Surface Modification

Cladding

LAM(Laser Additive Manufacturing)

Welding of Non-Ferrous Materials

Hybrid Welding

Welding

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

4

3

3

7

9

6

4

7

5

5

9

13

18

20


한용 ․ 합학회지 제33권 제4호, 2015년 8월 317

9

Fig. 5 Frequency spectrums of acoustic emissions of a welding process using a Gaussian-like and a top hat beam at 4 kW laser power and 1.5 m/min welding velocity

Fig. 4 Papers in LMF and Nano conference according to the sessions

이 18건으로 그 뒤를 이었다. 표면개질 클래딩을

AM 분야에 포함시키면 이 분야가 36건으로 가장 많

아, 세계 으로 이 를 이용한 3D 린 기술에

심이 많다는 것을 알 수 있다. 최근 산업계에서는 화

이버 이 를 이용한 단기술이 이슈가 되고 있으나,

발표건수는 드릴링을 포함해도 11건에 불과하 다. 이

는 화이버 이 단은 기존 이 단기술에서 이

소스의 단순 체로도 무난히 시스템구 이 가능하다

는 것을 의미한다. 그 외에도 CFRP 가공, 모델링/시

뮬 이션, 새로운 응용 개발, 이 발진기 학계

등에 한 논문들이 발표되었다.

이 미세가공 나노 컨퍼런스에서 기술분야별

발표건수를 Fig. 4에 나타내었다. 이 미세가공 컨

퍼런스에서는 솔라셀 웨이퍼 가공/보수 등 재생에 지

분야, 투과성 폴리머/ 라스 가공, 소형 자부품조립,

이 를 이용한 재료표면 개질 이 빔 송 등

에 하여 발표되었다. 나노 컨퍼런스에서는 마이크로/

나노 단 의 패터닝 나노물질/구조의 가공에 한

연구가 진행되고 있었다. 지난 10여년간 나노기술에

한 연구가 집 되었던 을 고려하면, 나노산업에서

이 의 용은 매우 조하 다.

3. 주요 기술 동향 요약

3.1 이 용 기술

3.1.1 심용입용 에서 키홀 진동4)

독일 BIAS의 Jörg Volpp & Frank Vollersten은

두께 12mm 알루미늄합 EN AW-6082의 심용입

이 용 에서 키홀안정성 용 부 기공형성에 미치

는 이 빔강도분포의 향을 알아보았다. 이 는

Top-hat 강도분포의 8kW 화이버 이 (YLR8000S,

BPP=4.1 mm〮mrad) 가우시안 강도분포의 rod

이 (HL4006D, BPP=4.1 mm〮mrad)이었으며, 집속

에서 빔직경은 0.6 mm이었다. 키홀에서 발생하는

음향신호는 소재표면과 45도 키홀로부터 300 mm

지 에 음 감응 역 60~15,000 Hz의 마이크로폰을

설치하여 측정하 다. 용 부 기공은 두께방향으로 X선

을 조사하여 촬 한 상을 MatLab으로 처리하여 획

득하 다. Fig. 5는 이 출력 4 kW 용 속도

1.5 m/min에서 키홀에서 방출되는 주 수에 따른 음

의 세기를 이 빔 강도분포에 따라 나타낸 것이

다. 가우시안 분포의 이 로 용 하는 경우, 주 수

9 kHz 이내의 음 가 측정되었으나, top-hat 분포의

경우에는 12 kHz 이내의 음 가 측정되었다.

Fig. 6은 Fig. 5와 동일한 조건으로 용 한 알루미

늄합 용 부(용 길이 30 mm)에 한 X-선 투과

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nanomaterials and Nanostructures

Advanced Concepts in Material Processing

Spectroscopy and Spectrometry at Nanoscales

Micro/Nanoscale Patterning

3D Fabrication and Printing

Advances in Lasers and Beam Delivery

Laser Micromachining and Drilling

Medical Applications and Devices

Functional Surfaces

Laser Processing of Polymers

Processews and Application in Microelectronics

Processing of Transpatent Materials

Applications in Renewable Energy Devices

Advanced Beam Delivery for Speed and

Nano

LMF

Frequency0 3 6 9 12 kHz 18

0.05

-

0.03

0.02

0.01

00.0015

-

0.009

0.006

0.003

0

Gaussian

Top hat

이 목


10

(a) Numbers of pore

(b) Fraction of pore

Fig. 7 (a) Numbers of pore and (b) fraction of pore in aluminum welds at different beam profiles

Fig. 9 Bubble generation in AlMg3 recorded with the X-ray system. Time-step between sequential images = 1 ms.

Fig. 8 Different possible measurement cases in sample keyhole geometries.

Fig. 6 Comparison of pore occurrence in X-ray-pictures of aluminum weld seams using a Gaussian-like and a top hat beam profile at a laser power of 4 kW and 3 m/min welding velocity.

상을 나타낸 것이다. 일반 으로 X-선 상에서 기공은

두께 감소효과를 나타내어 투과되는 X-선 세기가 상

으로 증가하여 밝게 감응되는데, 사진에서는 어둡게

표 된 것으로 보아 역상변환을 한 것으로 보인다. 가

우시안(Gaussian) 형태의 이 빔을 사용한 용 부

에서는 기공이 거의 찰되지 않았으나, top-hat에서

는 다수의 기공이 찰되었다.

Fig. 7은 이 출력과 용 속도의 다양한 조합으로

형성된 용 부 단면 변화에 따른 X-선 상에서 획득

된 기공수(a)와 기공면 율(b)을 이 빔의 강도분포

에 따라 나타낸 것이다. 기공수(a)는 top-hat이 반

으로 많았으나, 기공면 율(b)은 가우시안이 상

으로 높았다. 이것은 가우시안의 경우 개수는 지만

상 으로 큰 기공이 형성되었다는 것을 의미하며, X-

선 상에서 검출이 용이하다. 그러나 Fig. 6의 사진과

는 반 의 경향을 보 다.

이 논문의 결론에서는 이 출력과 속도 변화는 키

홀진동에 향을 주지 않았으나, 키홀거동과 기공형성

이 이 빔의 강도분포에 향을 받는다고 하 음.

물리 으로 동일직경의 가우시안 빔에 비하여 top-hat

의 키홀이 안정 일 것으로 상되는데 반 의 결과를

보인 이유는 이 빔 강도의 시간 인 안정성을 고려

하지 않았기 때문으로 추측된다.

3.1.2 키홀 거동 조사5)

독일 Stuttgart 의 Meiko Boley와 캐나다 Laser

Depth Dynamics의 Paul Webster는 두께 4 mm

AlMg3 알루미늄합 (EN AW-5754) 304 스테인

리스강의 이 용 에서 키홀 깊이를 측정하 다. 사

용된 이 는 디스크 이 (TruDisk5001)이었으며,

keyholeICI ICI ICI

Weld pool cross sectional area

0 5 10 15 mm2 25

18

-

12

9

6

3

0

Weld pool cross sectional area

0 5 10 15 mm2 25

0.4

-

0.2

0.1

0

Gaussian Top Hat


한용 ․ 합학회지 제33권 제4호, 2015년 8월 319

11

Fig. 10 Matching between measured signals and longitudinalsection of the weld seam on STS304 (upper) and AlMg3 (lower).

Fig. 12 Formation of the metal vapor plume in dependence of the ambient pressure

Fig. 11 Signature of formation of a bubble: The crosses show the measured depth, while the dots indicate the average grey value behind the capillary.

집속 에서 빔직경은 0.2 mm이었다. 용 조건은 이

출력 5 kW 용 속도 3 m/min이었다. 키홀깊이

는 실시간간섭 상 (ICI, Inline Coherence Imaging)

의 경로로부터 키홀깊이를 계산하는 LDD사의 LD-

600-Al을 사용하여 측정하 다. Fig. 8에 ICI를 이용

하여 키홀깊이를 측정하는 개념을 보 다.

LD-600의 측정데이터를 검증하기 하여 이 용

을 하는 동안 1 kH의 속도로 실시간 X-선 상을

촬 하 다. Fig. 9에 이 용 시 촬 된 X-선

상을 나타내었다. 키홀확장단계(P2)에서는 형성된 키

홀의 직경이 증가하며, 키홀붕괴단계(P3, P4)에서는

키홀의 아래면이 고립되어 기공이 형성되고, 재 성장단

계(P5)에서는 기공이 분리되고 키홀이 다시 성장한다.

Fig. 10은 용입깊이 측정 신호와 용 부 단면을 일

치화하여 나타낸 것이다. 상부는 304 스테인리스강에

한 것으로 면부에 미세한 기공이 일부 형성되었으

며 용입깊이는 균일하 다. 용입깊이 측정 신호는 체

로 일정한 진폭내에서 변동하 으며, 일부 진폭을 벗어

나기도 하 다. 하부는 AlMg3 합 에 한 것으로 스

테인리스강에 비하여 상 으로 용입깊이의 변동이 컸

으며, 큰 기공이 형성되었다. 용입깊이 측정신호는 스

테인리스강에 비하여 진폭이 크고 변동이 심하 다.

Fig. 11은 키홀이 붕괴되어 기공이 형성되는 시 의

용입깊이 측정값(+)과 X-선 상의 평균밝기(원)를 비

교하여 나타낸 것이다. 용입깊이는 0.317mm에서 5mm

가량으로 가장 깊었고, 키홀이 붕괴되는 0.318~0.321

범 에서 3~3.5mm 가량으로 얕았다. 기공이 분리되

고 키홀이 다시 성장하는 0.323 근방에서 4~4.5mm

가량으로 용입이 증가하 다. 한편, 0.322 근방에서

X-선 상이 밝아진 것으로부터 기공형성을 확인할 수

있다.

논문의 결론에서는 ICI 기반 키홀깊이 측정신호와

X-선 상에서 획득한 결과와 잘 부합된다고 하 다.

3.1.3 압 이 용 6)

Braunschweig 의 Christian Börner 등은 두께

10 mm 16MnCr5강 (SAE 5115)을 압분 기에서

이 로 용 을 하 다. 사용한 이 는 최 출력 6

kW의 디스크 이 (TruDisk6001)이었으며, 코어직

경 200 μm의 섬유를 사용하여 빔을 송하여

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

time in s

0

-1

-2

-3

-4

-5

-60

-1

-2

-3

-4

-5

-6

time in s0.314 0.319 0.324

-2

-2.5

-3

-3.5

-4

-4.5

-5

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

expansion(P2) regrowth (P5)

collapse (P3,P4)bubble

p=1000 hPa p=500 hPa

p=100 hPa p=10 hPa

이 목


12

Fig. 15 Tensile strength of metal-plastic joints as a function of surface structure depth

Fig. 13 Change of the weld seam geometry depending on ambient pressure (vw = 0.5 m/min; zF = -4 mm) at (a) p=1000 hPa, P=4750 W and (b) p=10 hPa, P=2750 W.

Fig. 14 Microphotograph and etched cross section of a structured steel sheet.

거리 300 mm의 학계를 사용하 다. 집속 에서

이 빔의 직경은 0.3 mm 이었으며, Rayleigh 길이는

2.8 mm 이었다.

Fig. 12는 이 용 시 발생하는 속증기(metal

vapor plume)의 거동을 분 기 압력에 따라 나타낸

것이다. 속증기는 이 조사에 의하여 속이 증발

되어 생긴 증기와 라즈마가 혼합되어 형성되는데, 압

력이 낮은 조건에서는 키홀내부와 외부의 압력차이가

기압에 비하여 상 으로 크기 때문에 형성량이 증

가한다. 이러한 속증기는 이 빔에 한 즈역할

을 하여 이 빔을 굴 /산란시킨다. 그러나 압력이

더욱 낮은 경우에는 속증기 혹은 라즈마의 형성이

히 감소하 다.

Fig. 13은 분 기 압력에 따른 용 부 단면을 나타

낸 것이다. 분 기압력이 1,000 hPa (a)인 경우 단면

조직으로 와인컵 형상의 비드를 보이며 특히 상부는 언

더필(under-fill) 하부는 melt-through가 형성되

었다. 반면, 분 기 압력이 10 hPa (b)인 경우에는 상

으로 비드폭이 좁고, 상부의 언더필이 없었으며,

하부의 melt-through도 히 감소하 다. 이 ,

학계, 소재 용 조건( 이 출력 제외) 등이 동일

함에도 불구하고 하게 구별되는 용 비드의 형상을

보 다.

압 분 기에서 이 용 을 하는 경우 고온의

속증기 혹은 라즈마 룸의 형성이 히 감소되었

다. 키홀내부에 형성된 고온의 속증기 혹은 라즈마

는 키홀벽면에 팽창압력과 방사열을 달하여 용 비드

폭이 넓어진다. 한 열 즈 효과로 인하여 이 빔이

굴 되어 키홀깊이가 감소된다. 일반 기압조건에서

근 외선 장의 이 로 용 을 하는 경우, 불안 한

키홀내부 속증기 혹은 라즈마에 의하여 용입깊이의

변화가 심하다.

고체 이 를 이용하여 압 분 기에서 용 을 하면

용 부 품질이 향상되고, 에 지 효율이 증가되어 향후

용이 확 될 것으로 망됨.

3.1.4 속/ 라스틱 착7)

독일 Trumpf 사의 Ulf Quentin 등은 이 를 이

용하여 다양한 종류의 열가소성수지와 철강 혹은 알루

미늄합 을 합하 다. 먼 장 515nm 최 펄

스에 지 7.5 mJ의 펄스 이 (TruMicro 7240)으로

속의 표면을 구조화하고, 그것을 라스틱에 겹친상

태에서 다이오드 이 를 이용하여 속을 가열시켜

착시켰다.

Fig. 14는 속의 구조화된 표면(좌측) 합부

단면(우측)을 나타내었다. 구조화된 속의 표면에

라스틱이 융입되고, 주로 기하학 인 구조에 따른 체결

력에 의하여 강도를 나타낸다.

Fig. 15는 알루미늄 혹은 철강과 라스틱의 합부

강도를 표면 구조의 깊이에 따라 나타낸 것이다. 표면

구조의 깊이에 비례하여 합강도가 증가하 으며, 깊

(a) (b)

0 100 200 300 400 500 600 700

t(μm)

2700

2500

2300

2100

1900

1700

1500

Zugkraft u ber t

t-Aluminiumt-Stahl

StructuredSurfacer

Solidified Melt

0.7mmEtched Dross

Section

1.3mm


한용 ․ 합학회지 제33권 제4호, 2015년 8월 321

13

Fig. 16 Emission spectra of welding plume of copper, aluminum, steel and stainless steel for 515 nm green laser at laser output power 240 W, travel speed 10 mm/s, surface focus and Ar shielding

Fig. 18 Effect of defocused distance on weld bead geometry for 515 nm and 1070 nm laser welding of copper and stainless steel surface

Fig. 17 Plume induced in welding with 515 nm laser are different for copper and stainless steel

이가 0.3 mm 이상인 경우 합강도는 2.5 kN 가량

으로 일정하 다.

3.1.5 청색 이 용 8)

일본 Hitachi사의 Xudong Zhang 등은 두께 1.0

mm 동과 알루미늄 두께 3mm 연강과 스테인리스

강을 청색 이 를 이용하여 용 하 다. 사용한 이

는 장 515 nm, 빔품질(BPP, Beam Propagation

Product) 4 mm〮mrad, 최 펄스주 수 100 kHz

최 출력 300 W이었다.

Fig. 16은 용 에 키홀상부의 라즈마 룸에서

방사되는 스펙트럼을 측정한 것이다. 알루미늄과 동의

경우 반사된 이 장 (515 nm)을 제외하고는 거의

검출이 되지 않았다. 반면, 연강 스테인리스강에서

는 500~1000 nm 범 의 비교 넓은 장 역에서

검출되었다. 청색 이 로 속을 용 하는 경우 알루

미늄과 동의 속증기는 이 와 반응을 하지 않아 이

온화되지 않았고, 연강과 스테인리스강의 속증기는

이 와 반응하여 이온화되고 라즈마를 형성하 다.

Fig. 17은 동 스테인리스강을 청색 이 로 용

하는 경우 키홀주 를 심으로 CCD로 찰한 것이다.

Cu의 경우 소재 키홀 주 혹은 소재에서 반사된 이

가 찰되고 라즈마 럼은 형성되지 않았다. 스테

인리스강의 경우 키홀주 혹은 소재로부터 반사된

이 는 상 으로 약한 반면 라즈마 럼에서 산란

된 이 가 찰되었다.

Fig. 18은 Cu와 스테인리스강을 장 515 nm의

청색 이 장 1070 nm의 화이버 이 로 용

하는 경우 비 거리에 따른 용입깊이 비드폭을 나

타낸 것이다. Cu의 경우 이 출력 240 W 속도

10 mm/s에서 장 1070 nm의 화이버 이 로는 용

융물이 거의 형성되지 않았으나, 장 515 nm의 청색

이 로는 최 1mm 가량의 용입이 형성되었다. 동

일한 용 조건으로 스테인리스강을 용 하는 경우에는

양쪽 이 모두 용입이 형성되었는데, 청색 이 는

화이버 이 에 비하여 3배 가량 용입이 증가하 다.

특히, 화이버 이 용 부는 이 소재표면 부근에

치하는 경우 비드폭이 가장 넓었으나, 청색 이 용

부는 그 치에서 오히려 비드폭이 최소로 형성

되었다.

Fig. 19는 청색 이 화이버 이 용 부의 단

면을 치에 따라 나타낸 것이다. 용 조건은 이

출력 240 W, 속도 10 mm/s 치는 소재

표면을 기 으로 0 mm -3 mm이었다. Fig. 18의

그래 와 유사하게 청색 이 를 사용하는 경우

치가 소재표면(d=0 mm)인 경우 비드폭이 좁고, 소재

표면 아래 3 mm(d=-3 mm)인 경우 비드폭이 히

300 600 900

Wavelength (nm)

5000

4000

3000

2000

1000

0

Al_505nm

Cu_515nm

5000

4000

3000

2000

1000

0

Fe_515nm

SUS_515nm

이 목


14

Fig. 19 Cross section of the stainless steel weld with 515 nm and 1070 nm laser at focus mismatch 0 mm and -3 mm from the surface

Fig. 21 Local interaction geometry of laser ray-surface waves (left) and steeper profile with shadow domains (right).

Fig. 20 Wave pattern of stainless steel weld at a laser- induced melt front taken at frame rate 180 ,000fps and exposure time 5.55 μs

넓게 형성되었다. 논문에는 그 이유에 한 설명이 없

으나, 화이버 이 의 경우 비 거리가 증가하여

직경이 커지면 이 빔의 에 지 도가 낮아 소재를

용융시키지 못하는 반면, 청색 이 의 경우 흡수율이

높아 에 지 도가 낮아지더라도 소재를 충분히 용융시

키기 때문인 것으로 단된다.

3.1.6 이 흡수율9)

스웨덴 Luleå 의 Alexander F. H. Kaplan 등은

두께 2.4mm 스테인리스강을 이 로 용 하는 경우

용 진행방향의 키홀외주부근에서 이 빔의 흡수율

에 한 모델링 측정을 하 다. 이 용 시 키홀

입구의 고속촬 상에 한 분석 키홀벽면에서

이 의 국부 인 흡수모델을 바탕으로 키홀에 한 심

도있는 이해를 도모하 다.

Fig. 20은 두께 2.4 mm의 304 스테인리스강을 최

출력 15 kW 화이버 이 , 코어직경 200 μm,

거리 300 mm 집속 즈 집속 에서 빔직경 0.4

mm으로 이 출력 10 kW 용 속도 166 mm/s

의 조건으로 용 하는 경우, 용 진행 후방에서 45도

각도로 키홀 방의 융액경계면을 촬 속도 180,000

fps 노출시간 5.55 μs로 촬 한 상을 나타낸 것

이다. 사진의 우측은 상의 비(contrast)를 조정한

것이다. Fig. 21에 키홀벽면에서 이 빔의 기하학

인 상 계를 보 다. 키홀벽면의 기하학 인 형태는

소재의 특성에 따라 주기 인 굴곡이 형성되고 벽면의

과도한 돌출에 의하여 그림자 역(shadow domain)이

형성되기도 한다.

Fig. 22에 이 용 에서 키홀의 방 벽면에 형

성되는 굴곡의 형상을 이 장에 따라 비교하여 도

시하 다. Fig.에서 (a)는 이 장 1μm 10μm

에 해 Fresnel 흡수율을 입사각의 함수로 표시한 것

이다. 이 빔이 키홀 방벽면에 거의 수직하게 입사

되는 경우, 장 10 μm 이 (CO2)가 1 μm 이

(solid state)에 비하여 흡수율이 히 높다. (b)는

두께 5~15 mm 소재의 속용 에서 이 의 입사

빔을 도식 으로 나타낸 것으로, 입사빔의 각도는

1~3°이다. (c)는 두께 1~3 mm 소재의 고속용 에

서 이 의 입사빔을 도식 으로 나타낸 것으로, 입사

빔의 각도는 8~14°이다. (d)와 (e)는 장 1 μm

이 로 각각 박 과 후 을 용 하는 경우 키홀 방

벽면의 굴곡 형상을 도식 으로 나타낸 것이고, (f)와

(g)는 장 10 μm 이 로 각각 박 과 후 을 용

δ= 0 mm δ= -3 mm

Green

laser

Fiber

laser


한용 ․ 합학회지 제33권 제4호, 2015년 8월 323

15

Fig. 22 Side view sketch of the keyhole front in laser welding: (a) Fresnel absorptivity as a function of the angle of incidence for the two wavelengths 1μm and 10μm, indicating the angle and interaction regimes, (b) steep front inclination for thick sheets, (c) flatter front inclination for thin sheets, (d)-(g) absorbed laser power density along a surface wave shoulder for steep and flat front inclination and for the two wavelengths.

하는 경우 키홀 방 벽면의 굴곡 형상을 도식 으로

나타낸 것이다. 비교 두께가 얇은 소재는 장 1 μm

이 를 사용하여 고속으로 용 하는 것이 바람직하

다. 두꺼운 소재를 1 μm 이 로 용 을 하면 키홀

방벽면에 굴곡이 형성되어 키홀제어가 매우 어렵다.

반면 10 μm 이 로 용 을 하면 이 빔의 흡수

율이 높고, 키홀이 상 으로 안정되어 용 이 비교

양호하게 이루어진다.

4. 결 론

최신 이 용 기술 동향을 요약하면 다음과 같다.

1) 2014 ICALEO에서는 이 용 , 3D 린

등 총 263건의 논문이 발표되었으며, 체 논문수는

독일이 가장 많았고 나노 컨퍼런스에서는 국이 가장

많았다.

2) 이 용 시 키홀인근에서 측정한 음향방출신

호에서는 가우시안 형태가 top-hat 형태보다 키홀이

안정 이었으며, 용 부의 기공은 top-hat 형태에서

수자는 많았지만 면 율은 작았다.

3) 실시간간섭 상을 이용하여 실시간으로 용입깊이

를 측정하 으며, X-선 상으로 상 성을 검증하 다.

4) 10hPa 이하의 압분 기에서 용 을 하여, 용

입이 깊어지고, 품질 에 지효율이 향상되었다.

5) 이 로 속 표면을 구조화시키고, 라스틱을

융착시켜, 2.5kN 가량의 합강도를 얻었다.

6) 청색 이 를 이용하여 Cu를 용 하 고, 형상비

가 우수한 용입을 얻었다.

7) 키홀 방 벽면에서 굴곡을 찰하고 흡수율을

계산하여, 두꺼운 소재의 용 시 장 장 이 가 유리

한 이유를 알 수 있었다.

References

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2. A. L. Shawlow & C. H. Townes: Infrared and Optical Masers, Physical Review, 112 (6) (1958) 1940-1949

3. US 3353115 A, Ruby laser systems4. Jörg Volpp & Frank Vollertsen: KEYHOLE OSCILLATIONS

DURING LASER DEEP PENETRATION WELDING AT DIFFERENT SPATIAL LASER INTENSITY DISTRIBUTIONS, ICALEO, (2014) #601

5. Meiko Boley, Paul Webster, Andreas Heider, Rudolf Weber & Thomas Graf: INVESTIGATING THE KEYHOLE BEHAVIOR BY USING X-RAY AND OPTICAL DEPTH MEASUREMENT TECHNIQUES, ICALEO, (2014) #602

6. Christian Börner, Fabian Fischer & Klaus Dilger: HIGH

(a)

(b) (c)

(d) (e)

(f) (g)

이 목


16

QUALITY LASER WELDING BY REDUCING THE AMBIENT PRESSURE, ICALEO, (2014) #1905

7. Ulf Quentin, Marc Kirchhoff, Rüdiger Brockmann & Klaus Löffler: LASER BASED METAL AND PLASTICS JOINING FOR LIGHTWEIGHT DESIGN, ICALEO, (2014) #604

8. Xudong Zhang, Masanori Miyagi, Shinya Okamoto: FUNDAMENTAL STUDY ON WELDING PROPERTIES

OF 515NM GREEN LASER, ICALEO, (2014) #6079. Alexander F. H. Kaplan, Ramiz S. Matti: ABSORPTION

PEAKS DEPENDING ON TOPOLOGY OF THE KEYHOLE FRONT AND WAVELENGTH, ICALEO, (2014) #1907

10. Eriksson, I., Powell, J. & Kaplan, A. F. H.: Science and Technology of Welding and Joining, 16 (7) (2011) 636~641

∙이목

∙1965년생

∙포항산업과학연구원

∙ 출력화이버 이 용 ,하이 리드용

∙e-mail : [email protected]

레이저를 이용한 소재가공기술 동향e-jwj.org/upload/jwj_33_4_7_16_2031697.pdf ·...

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