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변화의 바람 부는 용접로봇, 新시장 개척에 나서다 -②

“용접로봇과 엔지니어링 기술의 결합이 만들어낸

                                                   고부가가치 시장”

新시장으로 가는 또 하나의 로봇 ‘레이저 용접’
새로운 시장을 개척하는 용접로봇 업계의 움직임은 또 다른 분야에서도 포착되고 있다.
기존 시장 대부분을 차지하고 있던 아크용접, 스폿용접 시장에서 ‘레이저 용접’의 활약이 커지고 있는 것이다. 이는 2009년과 2010년 상반기(1월~7월) 제조용 로봇의 용도별 생산 & 출하현황을 나타내는 <표 1>을 통해 확인할 수 있다. 용접 및 납땜 분야에서 보면 지난 2009년 한 해 동안 레이저 용접의 출하량이 1억1천7백만 원에 그친 반면, 2010년 상반기에만 1억5천만 원을 넘어섰다. 물론 전반적인 경기 상황이 좋진 로봇시장 호황기의 결과로 해석할 수 있지만, 같은 시기에서 비교한 용접 및 납땜 부분에서 차지하는 레이저 용접의 비중이 2009년 약 8%에서 2009년 상반기 약 18%까지 상승했다는 점을 간과할 수는 없다. 그만큼 레이저 용접로봇의 시장이 확대되고 있다는 이야기다.

레이저 용접과 로봇의 만남… 기대 반, 걱정 반
유난히 유럽계 로봇에서 레이저 용접로봇 시스템을 자주 만나는 배경을 독일의 레이저산업 육성정책에서 찾는 이도 있다. 독일의 이 같은 정책으로 독일 자동차 생산에는 레이저 용접이 필수적으로 들어가 이와 관련한 기술도 발전하고, 기업도 성장한다는 것이다. 실제로 레이저 용접을 적용한 유럽의 자동차들은 변형이 적고 품질이 좋다는 평을 받고 있기도 하다.

이에 비해 국내 자동차 산업에서는 아직까지 레이저 용접로봇 시스템이 적용된 사례가 많지 않은데, 레이저 용접을 적용하기 위해 필요한 전문가가 많지 않기 때문이다. 단순히 레이저만 알아서도 안 되고, 레이저와 로봇, 그리고 자동차 산업의 특징까지 파악하고 있어야 이에 대응할 수 있는데, 그만한 인력이 없는 것이다. 시스템을 설치한다고 해도 문제가 생겼을 때 해결하지 못한다면 고객사에 위험부담이 너무 커지게 된다.
특히, 레이저 용접로봇 1~2대가 일반 용접로봇 10대의 역할을 하기 위해선 지그기술이 매우 중요한 부분을 차지하는데, 지그 역시 아직까지 부족한 부분이 많다.
그럼에도 불구하고 고정도를 요하는 산업이 늘어나며 ABB, KUKA, reis 등의 로봇메이커를 중심으로 시장이 조금씩 움직이고 있다.

레이저용접, 로스트타임 감소했지만 가격문제 해결해야
최근의 레이저 용접 경향은 고속화, 심용입 또는 미세화 방향으로 가고 있다. 현재 고속?고생산성의 접합법으로써 가장 주목되는 것은 리모트용접?스캐너 용접이라고 하는 기술이다.
리모트 용접에는 스캐너(미러)를 움직이는 타입과 움직이지 않는 타입이 있다. 특히 미러를 움직이는 타입에서는 레이저의 가공점을 순간적으로 이동하는 것이 가능하여 기계동작(로봇 등)에 의한 로스트타임을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

지금까지는 빔 품질이 우수한 CO2 레이저에 의한 리모트 용접법이 실용화되었지만 최근에는 파이버 레이저나 디스크 레이저의 빔 품질이 향상되어 리모트 용접용 열원은 CO2 레이저로부터 파이버 레이저나 디스크 레이저 등의 고체레이저로 변화되고 있다.
고체레이저에 의한 리모트 용접시스템의 경우 레이저 빔을 파이버로 전송하여 다관절 로봇을 장착한 용접 헤드에 유도하여 3차원의 용접이 가능하게 되었다. 리모트 용접에서는 레이저 유기 프레임이 크게 성장하면 시료상방의 굴절률이 작게 되어 레이저 빔이 굴절하거나 초점위치가 아래쪽으로 이동하는 일이 생겨 용융부의 형상이 변화하게 되어 용입 깊이가 얕게 되는 경우가 생기므로 팬(Fan) 등으로 프레임을 억제하는 대책이 필요하다. 이후 아연도금 강판이나 고장력강의 접합기술로써 파이버전송 레이저와 로봇을 조합시킨 리모트/스캐너 용접기술의 확립이 기대되고 있다.

철강, 중공업, 전기 분야에서 깊은 용입의 용접법 개발이 기대되고 있으며 용접 변형의 저감이나 방지를 위해 레이저 용접이나 레이저?아크 하이브리드 용접법이 기대되고 있다. 레이저 용접에서는 집광 광학계의 선택과 집광 렌즈의 냉각이 용접결함을 줄이기 위해 중요하다.
유럽에서는 여객선의 제조에 하이브리드 용접법이 사용되고 있으며 일본에서도 적용이 시작되고 있다. 하이브리드 용접에서는 용착량을 얻기 위해 아크전류가 높은 조건을 사용한다. 그러나 아크력이 증가하면 용융풀의 표면이 오목하게 되고 표면 비드폭이 넓게 되어 언더필이 형성되기 쉽게 되기 때문에 최근의 하이브리드 용접에서는 와이어를 첨가 용융시키는 FLA 용접법이 개발되었다. 이 FLA 용접법은 박판에서부터 후판에 이르기까지 광범위한 적용이 기대되고 있다.

미세 용접분야에서는 과거의 스폿 용접이나 솔더링을 대신하여 저입열 레이저의 이용이 확대되고 있다. 레이저 용접에서는 고강도이며 스프링성능이나 의장성이 좋은 제품 제작이 가능해 안경 프레임을 위시하여 매우 다양한 분야의 미세 접합가공이 기대되고 있다. 미세직경의 파이버 레이저나 디스크 레이저는 약 50~100um 직경의 미소 용접부의 제작이 가능하기 때문에 금후 전자?전기기기 분야에서의 초정밀 미세 용접법으로써 펄스 YAG 레이저와 경합하면서 발전해 갈 것으로 예상되고 있다.

고품질?고기능 레이저 접합부의 제작
최근 구조물 및 부품의 경량화가 요구되어 철강 재료와 경량의 Al합금이나 Mg합금 등 이종재료의 레이저 용접법에 관한 검토가 많이 이루어지고 있다. 겹침용접법에서 철강재료 측에서 레이저를 조사하여 AL 합금판의 용융을 제어함으로써 고강도의 이음매가 고속도로 제작됨이 밝혀지고 있다. 또한 철강재료와 Mg합금의 레이저 맞대기 용접에서는 레이저 빔의 조사 위치를 조정하여 접합계면의 Mg합금만이 용융토록 하여 계면 확산 접합방식으로 고강도의 이음매가 얻어짐이 발표되어 있다. 그리고 최근에는 열전도가 좋은 Cu와 경량의 Al합금의 레이저 접합법의 개발이 요구되고 있다.
최근 초경량인 플라스틱의 이용이 증가하여 금속과 플라스틱의 접합도 요구되고 있다. 과거에는 플라스틱과 금속은 구조가 다르기 때문에 레이저 접합이 불가능한 것으로 여겨왔으나 최근 플라스틱과 금속과를 레이저로 간편하게 접합하여 고강도의 접합이 가능함이 밝혀지고 나서 이종(異種)금속 간에 플라스틱을 끼우는 이종재 접합이나 플라스틱과 세라믹의 접합도 가능함이 확인되어 금후의 전개가 기대되고 있다.

21C는 光의 시대… 레이저 이종재 용접에 기대
레이저용접은 점차 그 응용이 확대되고 있다. 고속도 용접을 위해서는 리모트 용접법이 주목되고 있으며, 깊은 용입의 용접법으로는 고출력 레이저 장치의 이용이 검토되고 있다.
또한 하이브리드 용접법에 대해서도 검토되고 있다. 보통의 열원으로는 용접이 될 수 없는 미세부의 용접에 대해서 펄스 YAG 레이저가 이용되고 있으나 향후 파이버 레이저 또는 디스크 레이저가 대신해서 이용될 수 있을 것인가 주목되고 있다. 실용화 단계에서 모니터링이나 적응제어기술의 개발은 중요하며 레이저 이종재 용접은 실용화가 기대되고 있다.
기술의 발전은 보통 관련 연구자 수와 예산액에 의존한다. 최근 유럽에서는 21세기는 「광의 시대」라고 인식되어 매우 많은 연구자나 기술자가 레이저 용접분야에 관여하고 있고 레이저 장치와 용접법의 연구개발에 많은 예산을 투입하고 있다.

‘친환경’과 함께하는 용접로봇도 또 하나의 트렌드
올해 유난히 많이 들렸던 말인 ‘친환경’. 로봇업계에서도 이를 피해갈 수는 없는 모양이다. 한 로봇메이커에서는 레이저-아크 하이브리드 용접을 예로 들며 흄(Fume) 발생이 적고 적외선, 자외선 등 유해 광선이 발생하지 않아 환경 친화적이며 산업재해를 줄일 수 있다는 점을 강조하기도 한다. 또한 기존 용접 방식에 비해 열변형이 작고 접합 강도가 뛰어나 기계적 성질을 우수하게 만들 수도 있다.
또 알루미늄, 마그네슘 등 새로운 소재에 대한 용접도 이슈가 되고 있는데, 소재에 따라 탄소발생률이 큰 차이가 나기 때문이다.
로봇에게 있어 가장 중요한 것은 생산성 향상이다. 하지만 고객들은 생산성 향상은 기본이고 그 이상의 것을 원하는 것이 현실이다. 앞으로는 품질향상과 친환경 공법을 제공하는 로봇기업에게 기회가 주어질 듯하다.

* 자료 : 김진덕, 우성문 공저 「로봇용접공학」 / 片山聖二, “ものづくりを革新するレ―ザ 溶接”, 「溶接學會誌」, 78(8), 2009, pp.682~692(한국과학기술정보연구원 김영식 전문연구위원)