다이렉트 다이오드 레이저 기술의 이점을 누리는 서호주 중공업 분야

Daniel Rhind는 20년 동안 표면 코팅 작업을 해 왔으며, 마모된 금속 부품을 수리하는 다른 방법에 비해 레이저 클래딩의 이점을 잘 알고 있습니다. 사실 Daniel은 레이저 클래딩에 매우 열성적이어서 웨스턴오스트레일리아주 산업에 기술의 이점을 제공하기 위해 자신의 회사인 APEX ETG를 시작했습니다.

그러나 사업주의 입장에서는 결과물의 품질만큼 비용과 생산성에도 중점을 둡니다. 즉, 성공을 지속하려면 레이저 클래딩 장비가 여러 가지 요구 사항을 충족해야 합니다.

첫째, 신속하게 클래딩해야 합니다. 이를 통해 석유 및 가스, 광업 및 건설 산업에서 매우 큰 부품의 표면 재처리를 위해 수주한 많은 작업을 고객에게 만족스러운 기간 내에 완료할 수 있습니다.

다음으로 운영 유연성이 필요합니다. 작업장에 있는 각 클래딩 시스템은 최대한 광범위한 작업을 수행하며 항시 가동되어야 합니다. 이는 생산성과 투자 수익을 극대화해 줍니다. 가동 중지 시간과 난이도를 최소화하면서 작업 간에 기계를 전환할 수 있으면 생산성이 더욱 향상됩니다.

생산성의 또 다른 큰 요소는 장비 신뢰성과 가동시간입니다. 가동이 중지된 레이저 클래더는 수익을 창출하지 못하거나 투자 비용만큼 제값을 다하지 못합니다.

마지막으로, 결과물이 고품질이어야 한다는 것은 사실상 말할 필요도 없습니다. APEX ETG의 성공은 반복되는 비즈니스에 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 광산 회사를 위해 유압 실린더를 수리하는 지속적인 프로그램이 있습니다. Daniel은 고품질 결과물, 빠른 처리 시간, 그리고 물론 합리적인 가격을 적절하게 조합하여 이러한 고객을 유지합니다. "고객의 성공은 우리의 성공이기도 합니다." Daniel의 설명입니다.

이러한 모든 요구 사항을 충족하기 위해 APEX ETG는 Coherent HighLight DD 시리즈 제품을 기반으로 하는 레이저 클래딩 시스템에 의존합니다. 해당 제품은 최대 10kW의 출력 전력을 제공하는 다이오드 레이저입니다. 넓은 범위의 치수에 걸쳐 직사각형 모양으로 쉽게 형성될 수 있는 (파이버 결합이 아닌) 자유 공간 빔을 생성합니다. 빔 전달 광학 장치를 간단히 변경하면 폭 1mm~12mm, 길이 6mm~36mm의 빔을 생성할 수 있습니다. Coherent는 가압 및 중력 공급 분말 노즐을 모두 사용하여 높은 증착률 클래딩을 지원합니다.

다이렉트 다이오드의 장점

"업계인 대부분, 특히 이 장비를 판매하는 공급업자에게 물어보면, 넓은 면적의 클래딩 작업장에 가장 적합한 도구는 파이버 결합 다이오드 레이저라고 말할 것입니다. 하나의 파이버 결합 다이오드 레이저를 선택한 다음 다양한 작업을 수행하는 데 필요한 다양한 공정 헤드에 연결할 수 있다고 할 것입니다." Daniel의 말입니다. "그러나 레이저 클래딩을 많이 해 본 입장에서 저는 그것이 정확히 잘못된 대답이라고 말할 수 있습니다. 문제는 작업 전환에서 발생합니다. 6mm 길이의 라인 빔으로 한 작업을 수행하고 다음 작업에 18mm 빔이 필요한 경우 다른 클래딩 헤드로 변경해야 합니다. 이를 위해서는 재정렬과 조정이 필요하며 시간이 걸립니다."

"일반적인 인식은, 단일 파이버 결합 다이오드 레이저 시스템과 다양한 공정 헤드를 구입하면 모든 작업이 가능하다는 것입니다. 물론 가능할 수는 있지만 빠르고 효율적으로 할 수는 없습니다. 그리고 그 장비가 전환 때문에 가동이 중지된 동안에는 돈을 벌 수 없습니다. 이는 고속의 넓은 면적 클래딩을 수행하는 능력에 제약이 됩니다." Daniel이 덧붙입니다.

"대조적으로, HighLight DD를 사용할 때는 공정 헤드의 광학 장치만 교체해 라인 치수를 변경하고 공정을 다시 시작하면 됩니다. 말 그대로 잠깐이면 끝납니다. 그리고 경제적 타당성이 있는 기간 내에 매우 넓은 면적을 클래딩할 수 있을 만큼 충분히 긴 레이저 라인을 확보할 수 있습니다."

"물론 파이버 결합 시스템에 문제가 있다는 말은 아닙니다. 저도 여러 개를 보유하고 있으며 광범위하게 사용합니다. 가치가 낮은 부품에 더 작은 면적을 클래딩하는 데 비용 효율적인 도구입니다. 하지만 흔히 장점으로 홍보되곤 하는 유연성이 부족합니다. 그리고 APEX ETG 사업의 큰 부분을 차지하게 된 넓은 면적 클래딩 작업에는 적합하지 않습니다. 경제적으로 타당성이 떨어집니다."

실제 클래딩

10kW Coherent HighLight DD 다이렉트 다이오드 레이저로 APEX ETG는 웨스턴오스트레일리아주에서 한 번도 수행된 적이 없는 클래딩 작업을 수행할 수 있었습니다. 아마 전 세계 어디에서도 수행된 적이 없었을 것입니다. 한 가지 예는 광산 굴삭기 "버킷"을 "하드페이싱"하는 것입니다. 버킷은 굴착기에서 흙을 퍼내는 거대한 국자 모양의 부분입니다. APEX ETG에 제공된 특정 버킷의 부피는 42m³로, 문자 그대로 학교 버스 크기였습니다.

이 버킷은 사용하면서 마모되는데, 나중에 새 재료로 표면을 재처리하여 계속 사용할 수 있습니다. 과거에는 이 경우 버킷에 두꺼운 크롬 카바이드/텅스텐 "마모 플레이트"를 용접하곤 했습니다. 각 플레이트는 약 3m x 1m 정도이므로 전체 버킷 표면을 덮는 데 꽤 많은 플레이트가 필요합니다.

그러나 용접 마모 플레이트에는 몇 가지 중요한 단점이 있습니다. 첫째, 시간이 많이 걸리고 노동 집약적인 공정입니다. 다음으로, 버킷에 엄청난 추가 중량이 생깁니다. 더 정확하게는 이 특정 버킷의 내마모성 플레이트 패키지에 9톤이 추가됩니다.

편평한 마모 플레이트를 버킷의 곡면에 용접하면 몇 가지 추가적인 문제가 발생합니다. 플레이트는 압력을 받고(휘어지기 때문에), 때때로 사용 중에 튀어나옵니다. 즉, 플레이트를 다시 용접하느라 굴삭기의 가동이 중지됩니다. 게다가 심각한 안전 문제가 있습니다. 플레이트가 상당한 힘으로 튀어나오기 때문입니다. 이로 인해 작업자가 다칠 가능성이 있습니다.

레이저 클래딩을 수행하기 위해 APEX ETG는 대형 로봇 플랫폼에 버킷을 장착했습니다. 이를 통해 레이저 빔이 지속적으로 움직이고 클래딩으로 전체 표면을 덮을 수 있었습니다. 이때 용접을 사용하는 일반적인 수리보다 훨씬 적은 시간이 소요되었습니다.

버킷에 적용된 클래딩 재료의 총량은 450kg이었습니다. 즉, 굴삭기는 1회 흙을 뜰 때 기준으로 마모 플레이트로 덮은 버킷에 비해 추가로 8.5톤을 떠낼 수 있습니다. 덕분에 장비의 효율이 향상되고 연료 비용이 대폭 줄어듭니다.

다이렉트 다이오드 시스템으로 적용되는 클래딩은 품질 면에서도 타협하지 않습니다. 사실 오히려 품질이 개선됩니다. APEX ETG에서 하드페이싱된 버킷은 이미 5,000시간의 작동 시간이 누적되어 있는데, 레이저 클래드 표면에 영향이 미치지 않았습니다. 또한 새 표면은 튀어나오지 않기 때문에 레이저 클래딩에서는 안전 문제가 없습니다.

"이 작업은 극단적인 예시입니다." Rhind의 말입니다. "아마도 지금까지 클래딩한 부품 중 가장 클 것입니다. 그리고 다른 어떤 기술로도 이와 같은 수준의 결과를 얻는 것은 절대 불가능합니다. 그만큼 건설, 석유 및 가스, 광업 및 기타 중공업 부문에서 일반적으로 사용되는 매우 큰 부품에 클래딩의 이점을 제공하는 고출력 다이렉트 다이오드 레이저의 탁월한 기능이 강조되는 셈입니다."

"그러나 APEX ETG의 레이저 클래딩 기능은 모든 크기와 형상의 응용 분야에 적합합니다. 이를 통해 우리는 웨스턴오스트레일리아주 내 광범위한 산업 요구에 서비스를 제공할 수 있습니다. 이 기술을 출시할 수 있었던 것은 Coherent와의 공고한 관계 덕분입니다."

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