고성능 표면 보강 기술
레이저 클래딩(Laser Cladding)은 발전설비, 자동차, 금형, 항공 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 정밀 표면 보강 공정입니다. 특히, 내마모성, 내열성, 내식성이 요구되는 부품에 국소적으로 고성능 소재를 덧입히는 방식으로, 기존의 용접이나 도금보다 정밀하고 강력한 접합을 제공합니다.
레이저 클래딩은 기존의 용접·도금 방식으로는 어려웠던 정밀하고 강력한 표면 보강이 가능한 기술입니다. 재료 과학과 광학 공정이 결합된 이 기술은 부품 수명 연장, 정밀 보수, 신소재 접합 등 다양한 산업에서 점차 중요성이 커지고 있습니다.
이번 포스트에서는 레이저 클래딩 공정의 필요성, 공정 절차, 주요 품질 요인, 시스템 구성을 차례대로 소개해 드리겠습니다.
레이저 클래딩의 필요성
레이저 클래딩은 기존의 표면 처리 기술 대비 다음과 같은 이유로 채택됩니다:
1) 마모·부식에 강한 고기능 표면 형성
- 내마모성 합금, 세라믹 복합재 등을 국소적으로 클래딩해 핵심 부위의 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.
- 전체 소재를 고가의 재료로 만들지 않아도 비용 효율적인 성능 개선이 가능합니다.
예) 일반 탄소강 부품에 Ni-Cr 합금을 클래딩하면 부식 저항성이 대폭 향상됨.
2) 열변형이 적고, 정밀한 제어 가능
- 레이저는 고에너지 밀도를 가진 국소 열원으로, 주변부 손상이 거의 없으며 정밀한 제어가 가능합니다.
- 기존 용접 대비 열 영향부(HAZ)가 작아, 뒤틀림이나 크랙 발생이 적습니다.
3) 다양한 소재 조합이 가능
- 철강 위에 스테인리스, 코발트계 합금, 세라믹 강화재(WC) 등도 적용 가능
- 분말, 와이어 등 다양한 형태의 클래딩 재료를 사용할 수 있어 공정 유연성이 뛰어납니다.
장단점
레이저 클래딩은 기존의 용사(Spray Coating), 용접(Hardfacing), 표면 경화(Surface Heat Treatment) 등과 비교했을 때 다음과 같은 특징을 가집니다.
항목 | 용사(Spray Coating) | 레이저 클래딩 |
접합 방식 | 기계적 부착 | 금속 용융 접합 |
내구성 | 낮음 | 매우 높음 |
두께 정밀도 | 수십~수백 μm 단위 | 수~수십 μm 단위 정밀 제어 |
접합 강도 | 낮음 | 강함 (메탈 본딩) |
장점 (Advantages)
항목 | 설명 |
정밀 제어 가능 | 레이저 파워, 스캔 속도, 클레딩 두께를 μm 단위로 제어 가능 |
열영향부(HAZ)가 작음 | 빠른 가열/냉각 덕분에 기재 소재 손상이 최소화됨 |
강한 계면 접착력 | 용융에 의한 메탈-메탈 본딩으로 접착 강도가 매우 우수 |
균일한 층 형성 | 고속 스캔 및 자동화로 두께와 조성의 일관성 확보 |
다양한 재료 적용 | Ni, Co, Fe 기반 분말 외에도 세라믹 혼합, WC 등도 적용 가능 |
기존 부품 수명 연장 | 마모, 부식, 열화된 부품을 재생 가능 → 유지보수 비용 절감 |
- 고가의 터빈 블레이드에만 적용하던 내마모 코팅을, 중소형 기계부품에도 저비용으로 적용 가능하게 함
단점 (Disadvantages)
항목 | 설명 |
설비 투자 비용 높음 | 고출력 레이저, 정밀 광학계, 분말 공급 장치 등이 필요 |
공정 복잡성 | 레이저 파라미터, 분말 공급량, 스캔 패턴 등 변수 많음 |
고도 제어 기술 요구 | 열분포, 용융 깊이, 산화 방지 등 정밀 제어 필수 |
일부 형상 가공 어려움 | 깊은 내경, 복잡 형상에는 적용이 제한적일 수 있음 |
분말 비용 | 고순도 분말 원료 가격이 비쌈 (예: CoCr, Inconel 등) |
- 복잡한 곡면이나 깊은 내경부에 균일하게 클래딩하기 어려움 → 로봇 제어 또는 5축 장비 필요
공정 절차
레이저 클래딩은 다음과 같은 단계로 수행됩니다:
단계 | 내용 | 제어 요소 | 최적화 팁 |
1. 표면 준비 | 기판 세척, 연마, 전처리 | 샌딩기, 에탄올 세정 | 산화물·오염물 제거 필수 |
2. 클래딩 재료 공급 | 분말 or 와이어 형태의 재료를 공급 | 분말 피더, 와이어 피딩 장치 | 입자 크기 및 공급 속도 제어 |
3. 레이저 조사 | 레이저로 재료와 기판 표면을 함께 용융 | 파워, 스캔 속도, 빔 크기 | 적정 용융 깊이 확보 |
4. 응고 및 냉각 | 레이저 종료 후 재료가 응고되어 접합층 형성 | 냉각 속도, 열 분포 | 미세 조직 제어 |
5. 후처리(Optional) | 표면 연마, 열처리 등 | 연마기, 진공 오븐 | 표면 거칠기, 조직 안정화 |
주요 품질 요인
레이저 클래딩 공정의 품질은 아래와 같은 요소에 의해 좌우됩니다:
항목 | 설명 |
에너지 밀도 (J/cm²) | 너무 낮으면 접합 불량, 너무 높으면 기판 손상 및 기공 발생 |
스캔 속도 (mm/s) | 빠르면 접합 불충분, 느리면 과도한 용융 발생 |
분말 공급 속도 (g/min) | 과잉 공급 시 표면 거칠고, 부족 시 클래딩층 불연속 발생 |
중첩률 (Overlap) | 적절한 중첩률로 균일한 두께 확보 |
용융 깊이 및 희석율 | 기판과의 융합 깊이 및 희석율 제어가 핵심 품질 변수 |
🎯 예시: 고경도 클래딩이 필요한 경우, 희석율을 5~10% 이하로 유지하여 기판 성분이 클래딩층에 침투하는 것을 최소화해야 함
시스템 구성
레이저 클래딩 장비는 다음과 같은 구성요소로 이루어집니다. 공정의 목적과 대상 재료에 따라 선택적으로 설계됩니다:
구성 요소 | 주요 사양 | 설명 |
레이저 소스 | CW or Pulsed, Fiber/Diode 레이저 | 고출력(1~6 kW 이상) 레이저 사용 |
빔 딜리버리 광학계 | F-theta 렌즈, 동축 보호가스 노즐 | 빔 형상 제어 및 산화 방지 |
재료 공급 장치 | 분말 피더, 와이어 공급기 | 안정적인 공급 속도 제어 |
스캔 시스템 | 로봇 암, Gantry, Galvo | 부품 형상 따라 다양한 이동방식 적용 |
제어 및 모니터링 | 파라미터 제어, 비전/온도 센서 | 품질 관리 및 자동화 연동 |
- 레이저 소스: 보통 CW 파이버 레이저(1~3 kW급)가 많이 사용됩니다. 출력 안정성과 빔 품질이 우수합니다.
- 분말 피더: 보통 진동형 또는 이송가스로 분말을 공급하며, ±2% 이하의 정밀한 공급 속도가 요구됩니다.
- 노즐 시스템: 분말/가스를 클래딩부에 정확히 투사하며, 보호가스(Ar, N₂)를 통해 산화를 방지합니다.
- 스캐닝 시스템: 평면 또는 곡면을 따라 정밀하게 클래딩할 수 있도록 로봇 기반 제어 시스템이 사용됩니다.
주요 어플리케이션
어플리케이션 | 설명 |
금형 보수 | 손상된 금형 부위에 클래딩하여 원형 복원 및 내마모 강화 |
터빈 블레이드 보강 | 고온·고압 환경에서 마모되는 부위에 내열합금 클래딩 |
샤프트, 롤러 내마모 코팅 | WC-Ni, Co-Cr 합금 클래딩으로 수명 향상 |
의료기기 표면 처리 | 생체적합성 향상을 위한 타이타늄 합금 클래딩 |
해양 부식 방지 코팅 | NiCrMo 합금 등을 클래딩하여 염분 환경 대응 |
사양 예시
항목 | 일반 범위 | 설명 |
레이저 출력 | 800 W ~ 3 kW | 재료 및 클래딩 두께에 따라 조절 |
스캔 속도 | 5 ~ 25 mm/s | 지나치게 느리면 과용융 위험 |
분말 공급 속도 | 5 ~ 15 g/min | 입도(D50), 재료 밀도 고려 |
중첩률 | 30~50% | 균일한 층 형성에 중요 |
노즐 각도 | 45~90° (동축 or 측면형) | 형상/재료에 따라 선택 |
제조사 | 모델 | 출력 | 용도 |
Trumpf | TruLaser Cell 3000 | 1~5 kW CW | 정밀 금속 클래딩, 금형 보수 |
Coherent | HighLight FL Series | 1~8 kW Fiber | 대면적 금속 코팅, 고속 공정 |
Laserline | LDF Series | 최대 25 kW | 중대형 부품의 대면적 클래딩 |
Optomec | LENS 860 | Hybrid CNC 기반 | 3D 적층 및 클래딩 겸용 |
품질 관리 기술
고품질의 클래딩을 위해선 실시간 모니터링, 정밀 제어, 가공 후 검사 등의 단계에서 다양한 광학 및 포토닉스 기술이 활용됩니다.
실시간 공정 모니터링용 광학 기술
기술 | 설명 |
Coaxial Vision System | 동축 카메라를 이용하여 클래딩 위치 정렬 및 품질 확인 |
파이로미터(Pyrometer) | 용융 풀(몰텐 풀)의 온도를 비접촉으로 측정 → 온도 기반 제어 |
IR Thermography (열화상 카메라) | 용융 영역 주변의 열 분포 확인, 과열 또는 열 누락 감지 |
Melt Pool Monitoring (Melt Pool Camera) | 고속 카메라로 용융 풀의 크기, 형상 추적 → 용융 안정성 확보 |
📌 활용 예
- 용융 풀 크기가 작아지면 분말 공급 불량 → 공정 중단 또는 보정 가능
정밀 제어를 위한 광학 시스템
구성 | 역할 |
F-theta 렌즈 | Galvano 스캐너와 함께 사용하여 균일한 조사면 확보 |
Top-hat Beam Shaping Optics | 가우시안 빔을 균일한 에너지 분포로 변환 → 일정한 융착층 형성 |
Galvano Scanner or CNC Stage | 빠른 경로 제어 및 정확한 스캔 → 표면 품질 개선 |
Coaxial Nozzle Design | 레이저와 분말이 정확히 동축으로 입사되도록 설계되어 에너지 집중 향상 |
📌 활용 예
- Top-hat 빔은 중앙과 가장자리의 파워 편차를 줄여서 균일한 클래딩층 형성에 유리함
가공 후 품질 분석용 포토닉스 기술
기술 | 설명 |
광학 현미경 (OM) | 계면 결합, 클래딩층 두께 등 육안 검토 |
SEM / EDS | 미세 구조 및 화학 성분 분포 확인 |
OCT (Optical Coherence Tomography) | 비파괴적으로 단면 형상 및 두께 측정 가능 |
레이저 간섭계 / 프로파일러 | 표면 조도, 평탄도 측정에 사용 |
📌 활용 예
- OCT 기술은 비접촉 방식으로 두께 및 계면 불량 여부를 검사할 수 있어 inline 검사에 적합
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