[첨단 헬로티]

1. 서론

동사는 창업 이래 금형·기계 부품 등의 장수명화를 목적으로 예방보전용 표면개질장치(코팅장치) 및 보수용 패딩장치의 개발·제조·판매를 취급해 왔다.

지금까지 금형·기계 부품 등의 패딩·용접 보수는 아르곤(TIG) 용접 등의 용접 방법이 일반적이었다. 그러나 용접에서는 금형 용착 금속은 수축해 인장의 응력이 발생, 금형은 변형, 때로는 크랙이 발생한다. 동시에 용착 금속 소재를 용융하게 되어 금속의 체적은 팽창, 또한 용접 후에 금형은 냉각해 금속이 수축하기 때문에 용융 금속이 중심부로 끌려, 패딩부 주위와 금속 소재의 경계부가 치수적으로 마이너스(2번 싱크)하게 된다.

이에 열입력이 낮은 패딩 보수법이 요구된다. 동사는 방전가공의 원리를 응용한 독자의 특허 제품인 방전 피복·패딩장치 ‘데포 시리즈’를 개발, 금형·기계 부품 등에 열에 의한 불량(변형, 크랙, 2번 싱크 등)을 주지 않고 패딩 보수하는 기술을 확립했다. 또한 최근 레이저 패딩·용접장치도 자체 개발, 금형의 가공 기술 발전, 단납기화가 한층 더 진전하는 가운데 이들 보수, 보전 용도로 폭넓게 대응하고 생산성 향상과 코스트 절감을 담당하고 있다. 여기에서는 레이저 패딩·용접장치의 특징을 적용 예, 코스트 메리트 등과 함께 소개한다.

2. 레이저 패딩·용접장치 ‘TL 시리즈’, ‘스마트 레이저’

앞에서 말했듯이 지금까지 금형의 패딩·용접은 TIG 용접으로 하는 것이 일반적이었는데, 레이저 패딩·용접장치의 등장에 의해 보다 미세, 정밀한 재생 보수가 가능해졌다.

동사는 2008년에 전용의 제조공장을 건설, 보수용 레이저로서는 일본 내 유일한 메이커로서 그 보급에 노력하고 있다. 또한 같은 해에 사내에 위탁가공 부문을 설치, 여러 가지 보수, 가공을 함으로써 단순한 제조·판매에 그치지 않고 유저의 요구에 대응할 수 있게 노하우 축적도 해 왔다.

금형의 가공 기술 발전, 단납기화가 한단계 진전하는 가운데 가공 미스한 금형의 파츠, 마모부, 상처, 핀홀 등을 0.01mm 이내의 정도로 재생 보수할 수 있기 때문에 보수용으로서 금형 메이커 및 유저가 도입하는 케이스나, 보수 위탁가공업자가 보수임가공용으로서 도입하는 케이스도 많아 그 요구는 여전히 높다.

(1) 레이저 패딩·용접의 특징

레이저 패딩·용접은 일반적인 TIG 용접과 비교해 열입력이 매우 적은 예열·후열을 필요로 하지 않는 등의 특징으로 지금까지는 불가능했던 미세·정밀 패딩, 용접이 가능하다. 그림 1은 레이저 패딩·용접과 일반적인 TIG 용접의 비교를 각각의 장점, 단점을 근거로 나타낸 것이다. TIG 용접은 토치로 워크와 패딩 재료를 높은 열량으로 용융하면서 패딩·용접하기 때문에 그 처리 스피드가 빠르고 밀착 강도가 크다는 장점이 있다. 그러나 열입력이 매우 크기 때문에 워크의 변형, 2번 싱크, 응력이 발생한다. 또한 여육량이 많기 때문에 기계가공, 방전가공 등의 다듬질에 시간과 비용이 소요된다. 세밀한 부분의 패딩에는 적합하지 않다.

▲ 그림 1. 레이저 패딩·용접과 TIG 용접의 비교

이것에 대해 레이저 패딩·용접은 레이저광의 스폿 조사에 의해 국소적으로 가열 용접하기 때문에 워크에 대한 열영향이 매우 낮고, 변형, 2번 싱크, 응력 등의 데미지를 워크에 주지 않고 재생 보수가 가능하다. 부속의 마이크로스코프로 패딩·용접부를 확인하면서 작업이 가능하고, 또한 레이저의 초점 거리와 마이크로스코프의 초점이 동조하고 있기 때문에 패딩·용접 대상부에 적절한 레이저 조사가 가능하다. TIG 용접에 비해 대량으로 패딩을 할 때에는 스피드가 느리다는 결점도 있지만, 기존의 용접으로는 불가능했던 매우 정도가 높은 패딩·용접이 가능(좁은 홈, 구멍의 바닥면, 내각의 필릿 등)하고 다듬질 시간과 비용을 저감할 수 있기 때문에 금형·기계 부품 등의 보수에 최적인 기재라고 할 수 있다.

표는 레이저 패딩·용법의 주된 용도이다. 수지성형, 각종 다이캐스트, 프레스 등의 금형 보수·설계 변경에 동반하는 수정 외에 기계 부품, 정밀 부품 등의 패딩·용접, TIG 용접 등 용접 불량(2번 싱크, 핀홀 등)의 보수, 이종 금속 간의 패딩·용접 등 여러 가지 용도가 있다.

▲ 표. 레이저 패딩·용접의 주된 용도

사용하는 패딩·용접용 와이어의 사이즈는 ?0.1~1.0mm, 현재 시판되고 있는 각 강재 메이커의 제품은 거의 모두 패딩·용접이 가능하다.

(2) 패딩·용접의 방법

다음으로 레이저 패딩·용접의 방법을 설명한다. 패딩·용접부의 재질, 형상에 맞춰 출력 전류, 펄스 폭, 주파수, 빔 지름(초점 지름)을 조절해 적절한 패딩·용접 조건을 설정한다. 우선 보수 부위에 용접 결함을 방지하기 위해 와이어를 사용하지 않고 레이저만을 패딩부에 조사한다. 그 후 와이어를 넣어 끝단을 조금씩 녹도록 패딩을 한다. 2열째 이후에는 앞의 비드에 1/2 정도 겹쳐서 레이저만을 패딩부에 조사해, 마찬가지로 패딩을 한다. 마지막으로 패딩면 전체를 레이저만 조사함으로써 핀홀 등의 결함이 없는 패딩층이 완성된다. 워크의 형상, 재질에 맞는 적절한 조건으로 작업함으로써 미세·정밀한 부분의 오삭, 마모, 결손 등의 보수를 누구라도 쉽게 할 수 있다.

(3) 파이버 레이저 패딩·용접장치 스마트 레이저

스마트 레이저는 포터블하며 메인티넌스 프리, 저 러닝 코스크를 실현한 파이버 레이저 패딩·용접장치이다. 기존의 YAG 레이저 용접기와 비교해 에너지 변환 효율이 높아 소비전력을 대폭으로 저감(YAG 레이저와 비교해 1/5 이하), 빔 품질도 향상해 (M2=1.1) 보다 미세, 정밀한 가공이 가능해졌다. 포터블한 장치는 다루기 쉽고 주변기기의 조합으로 소형·정밀 부품에서 반송·분해를 할 수 없는 대형 워크까지 다양한 형상, 사이즈에 대응 가능하다(그림 2).

▲ 그림 2. 스마트 레이저 시스템

또한 파형 제어 기능을 탑재해 여러 가지 재료, 용접 조건에 대응 가능하며, 보통은 크랙이 발생하는 단단한 재료(65HRC 이상)의 크랙 방지 효과가 있어 알루미늄, 동합금 등의 용접성도 향상된다. 하나의 장치로 보수 패딩 용접, 정밀 용접(판금 용접), 표면처리(레이저 코팅) 등을 할 수 있는 장치는 타사에는 없으며, 콤팩트한 장치는 기설의 생산 라인에 도입, 생산현장에서 보수, 용접작업 등 유저의 다양한 요구에 대응한다.

3. 맺음말

레이저 패딩·용접장치는 지금까지 불가능했던 재생 보수를 그 높은 용접 성능으로 가능하게 했다. 설비를 보유하는 기업은 지금까지 외주 의뢰였던 보수를 내제화함으로써 납기의 단축은 물론, 자사에서 보수를 함으로써 그 노하우 축적이 가능하다.

동사는 앞으로도 독자의 기술을 활용해 발전시키고, 유저의 여러 가지 요구에 높은 레벨로 대응할 수 있는 제품 및 애플리케이션을 개발, 생산성 향상과 코스트 저감에 공헌하고 싶다.

고토 리츠오 (後藤 律夫), 아오시마 켄타 (靑嶋 健太)   테크노코트(주)

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.