리모트 레이저 용접 기술 도입으로 생산효율을 구현하는 기술
리모트 레이저 용접 기술도입으로 생산성을 높인 '신형 포드 머스탱' - 시간, 공간 및 생산성 효율을 구현하는 기술
매튜 길룬(MATTHEW GILLOON) & 크리스틴 그로스(CHRISTINE GROSS) 매튜 길룬(mgilloon@ford.com)은 MI, Dearborn 소재 포드 모터사(www.ford.com)의 용접 엔지니어이며, 크리스틴 그로스(christine.gross@ii-vi.com)는 독일 Kleinmachnow 소재 II-VI HIGHYAG(www.highyag.com)의 마케팅 커뮤니케이션 부서에 근무합니다.
레이저 재료 가공은 생산성이 필수적인 자동차 산업 부문에서 현대적인 자동화 생산방법으로 자리 잡았습니다.  특히, 리모트 레이저 용접은 이 요건을 충족합니다. 리모트 레이저 용접에서 로봇이 연속적으로 움직이는 웰딩온더 플라이(Welding on the fly)모드를 적용한 레이저 빔을 사용하는 경우, 생산성을 극대화 할 수 있고, 동시에 매우 신속하게 3차원 빔의 위치 조절이 가능합니다(그림 1, 상단 그림). 또한 용접심 간의 시간을 최소화 할 수 있으므로 기존 레이저 용접에 비해 생산 시간을 훨씬 단축시킬 수 있습니다. 여기서는 High-Volume 생산 환경에서 리모트 레이저 용접의 이점을 제시합니다: 신형 포드 머스탱(그림2, 우측 사진).
목표
포드는 신형 머스탱 모델 설계용으로 Large-scale, Single-side 접합법 개발을 목표로 세웠습니다. 충돌 성능 증대와 안전성 표준 강화를 개선하고자 하는 끊임없는 노력으로 자동차 차체 구조에서 고장력강의 사용량을 늘렸습니다.  차체 설계상에서 구현된 많은 개발 사례를 살펴보면, 루프 레일 및 A-필러 등의 분야에서 하이드로폼 튜브를 사용합니다. 이와 같은 설계를 적용할 때의 이점을 최대한 구현하려면 Single-side 접합 기술에 대한 선행 개발이 필수적입니다. 기존의 저항 용접 방식은 조인트 양쪽 면으로 접근을 요구하지만, 이러한 형태의 용접을 하기 위해서는 하이드로폼 튜브 내에 홀을 절단하게 됩니다. 이는 하이드로폼 튜브의 설계 의도에 반하는 구조적 약점을 발생시킬 수 있습니다. Single-side 접합 방식은 최대 구조적 강도를 구현하는 방법이며, 이를 통해 고객의 건강과 안전을 강화할 수 있습니다. 이로 인해 포드는 스폿 용접 방식과는 대조적인 리모트 레이저 용접을 사용하는 방향으로 전환하였습니다. 이는 II-VI HIGHYAG의 RLSK 리모트 레이저 용접 헤드(그림 3)를 사용하는 새로운 Single-side 리모트 레이저 용접 접근 방식으로, 구조적 약점을 제거하고 생산성을 높일 수 있습니다.
구현
본 프로젝트는 2012년에 착수되었고, 2015년, 포드 머스탱의 리모트 레이저 용접 공정은 연속 High-volume 생산 체제로 전환되었습니다. 리모트 레이저 용접을 할 수 있는 공간이 미시건, 디트로이트 소재 머스탱 생산 공장 4곳(총 12대)에 설치되었습니다. 이 중 2곳에서는 4대의 RLSK 용접 헤드가 차체 측면의 안쪽 어셈블리 부품을 전처리하고, 최종적으로 용접이 될 부위의 딤플을 표시합니다. 나머지 2곳에서는 8대의 용접 헤드가 차체 측면의 내부와 외부 어셈블리 부품을 용접합니다. RLSK 용접 헤드는 차체 측면의 내부 어셈블리에서 최대 2mm의 적층 두께를 가진 34개의 용접 부위를 결합합니다(그림 4a).  용착부에는 Weaving oscillation으로 스티치 용접 및 C-용접을 실시하여 두께 적층용 s-value 값을 성공적으로 달성할 수 있습니다. 또한 차체 측면 외부 어셈블리에도 리모트 레이저 용접을 실시하며, 쿠페 모델과 컨버터블 모델의 용착부는 각각 79개, 61개입니다(그림 4b). 0.7mm 용융 아연도금강판(HDGI) 차체 측면 외부 어셈블리는 다양한 재료로 용접되며, 차체 측면 내부 어셈블리의 두께는 G형 용접 설계를 사용하여 품질의 견고성을 강화합니다. 딤플링 전처리 공정 또한, 레이저 용접으로 재료를 코팅할 때 용접 품질과 견고성을 보장하는 매우 중요한 측면입니다. 아연 도금 철판을 사용하면 용접하는 동안, 재료의 피막제가 소진되므로 아연 가스가 발생하게 됩니다. 이때 발생한 아연 증기가 용융지를 통해 배출되기 때문에 두 철판 사이에 제로 갭을 사용하는 경우 내부에 기공이 형성될 수 있습니다. 이러한 기공을 방지하기 위해 두 철판 사이에 매우 작은 제어 갭을 두어 아연 가스가 방출될 수 있도록 통로를 만들어 줌으로써 두 철판을 접합할 수 있습니다. 딤플 생성 기술의 개발은 포드에게 이와 같은 박판 사이에 간극을 일관적으로 제어할 수 있도록 하였습니다. 딤플은 빠르게 펄스 형태의 레이저를 바디 사이드 내부 어셈블리에 조사함으로써 생성할 수 있으며, 금속 판 표면을 약 0.1-0.15mm 상승시킬 수 있습니다. 아연 가스를 성공적으로 방출하고, 기공을 방지하기 위해서는 딤플과 용착부 간의 일정한 간격이 매우 중요합니다. 플륨(plume) 억제도 매우 중요한 품질 관리 요소입니다. 플륨은 용융지 내부 키홀 상부에서 방출되는 플라즈마를 의미하며, 이 플라즈마는 용접 동안 레이저의 진행 경로에 위치하기 때문에 레이저 에너지를 흡수하고, 이로 인해 작업물(work-piece)로 도달하는 레이저 에너지가 감소하기 때문에 용입 깊이가 감소합니다. 이러한 플라즈마 기둥의 형태는 용접에 따라 다양하게 나타나며, 일관성이 없는 에너지 흡수율 및 용접 품질을 초래하며, 공정 상의 견고성을 감소시킵니다. 이러한 이유로 인해 포드는 플라즈마 기둥을 제어하기 위해 해결 방안을 개발했습니다. 본 솔루션은 고압 에어를 사용하여 플라즈마 기둥을 제어함으로써 레이저 빔의 경로 바깥으로 플라즈마를 꺾이게 하는 방식으로 플륨을 억제하였습니다. 이는 클램핑 장치 내부에 각 용접 위치 상부 25mm 지점에서 고압 에어를 공급하게 하는 복잡한 파이프 시스템을 설치함으로써 구현되었습니다. 이를 통해 성공적으로 플라즈마를 억제할 수 있었고, 그 결과, 양호한 용접 품질과 용입 깊이를 얻을 수 있었습니다. 포드 머스탱 모델에 대한 리모트 레이저 용접의 사용은 시간, 공간 및 생산성 측면에서 제조 효율성을 창출함으로써 린 제조(Lean manufacturing)를 더욱 향상시켰으며, 기존 저항 용접과 비교했을 때 상당히 증가하였습니다. 여기서의 효율성은 다음의 것들을 포함합니다.  △ 차체 측면 외부 어셈블리 용접부의 실제 용접 시간은 5배 단축되고, 용접부 79개에 대한 용접 소요 시간은 111초에서 22초로 줄어듭니다.△ Single-side 접근은 기존의 3개의 스테이션 사이클 대신 1개의 스테이션 사이클만으로 핸들링을 가능하게 합니다. △ 12대의 로봇 대신 오로지 4대의 용접 로봇만 필요로 합니다. △ 재료를 핸들링하는 로봇은 기존 4대에서 2대만 필요로 합니다. △ 공장 내 작업 공간 면적이 감소됩니다. 리모트 레이저 용접 공정을 수월하게 제어하기 위해, 포드는 RLSK Studio 소프트웨어의 기능을 활용하여 로봇의 모션 시퀀스와 RLSK 용접 헤드의 초점 움직임을 동기화합니다. 소프트웨어의 그래픽 유저 인터페이스에서 레이저 초점의 위치와 공정 변수가 시각화 되어 표시됩니다. 작업물 데이터의 다운로드 및 업로딩, 용접 속도 및 레이저 출력과 같은 공정 변수도 수정할 수 있습니다. 전체 프로세스 셋업은 간편하고 사용하기 쉬운 방법으로 처리됩니다 (그림 5).
결론
용접 헤드는 레이저와 작업물 간의 인터페이스이며, High-volume 생산 환경에서 중요한 요구사항인 생산성을 반드시 충족해야 합니다. 신형 포드 머스탱의 생산 공정에서 RLSK 리모트 레이저 용접을 적용하여 생산성을 크게 높였습니다. 생산 이점은, 사이클 타임 대폭 감소, 구조적 결함 제거, 공장 작업 면적 감소, 레이저 심 형상 조작 기능 및 RLSK Studio 소프트웨어의 사용자 친화적인 프로세스 제어를 포함합니다.
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회사연혁 
레이저기술
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