고출력 레이저의 첨단 기술 및 중공업 분야 응용

지난 3년간 팬데믹으로 인해 산업용 레이저 수요 증가율이 둔화되었지만, 레이저 기술 개발은 멈추지 않았습니다. 특히 파이버 레이저 분야에서는 60kW 이상의 초고출력 파이버 레이저가 잇따라 출시되면서 산업용 레이저의 성능을 한 단계 끌어올렸습니다.

3만 와트 이상의 고출력 레이저에 대한 수요는 얼마나 됩니까?

다중 모드 연속 광섬유 레이저의 경우, 모듈 추가를 통한 출력 증대가 일반적인 방식으로 여겨지고 있습니다. 지난 몇 년간 매년 1만 와트씩 출력이 증가해 왔습니다. 그러나 초고출력 레이저를 이용한 산업용 절단 및 용접의 실현은 더욱 어렵고 높은 안정성을 요구합니다. 2022년에는 3만 와트급 레이저가 대규모로 레이저 절단에 사용될 것으로 예상되며, 4만 와트급 장비는 현재 소규모 적용을 위한 탐색 단계에 있습니다.

수 킬로와트급 파이버 레이저 시대에는 6kW 이하의 출력으로 엘리베이터, 자동차, 욕실, 주방용품, 가구, 차체 등 두께 10mm 이하의 판재 및 튜브형 금속 제품의 절단 및 용접이 가능했습니다. 10,000와트 레이저의 절단 속도는 6,000와트 레이저의 두 배이며, 20,000와트 레이저의 절단 속도는 10,000와트 레이저보다 60% 이상 빠릅니다. 또한 두께 제한을 넘어 50mm 이상의 탄소강까지 절단할 수 있는데, 이는 일반 산업 제품에서는 드문 일입니다. 그렇다면 30,000와트 이상의 고출력 레이저는 어떨까요?

고출력 레이저를 활용한 조선 품질 향상

올해 4월, 마크롱 프랑스 대통령은 에어버스, 다페이해운, 프랑스 전력 공급업체인 프랑스전력공사(Électricité de France) 등 기업 관계자들과 함께 중국을 방문했습니다.

프랑스 항공기 제조업체 에어버스는 중국과 총 200억 달러 규모의 항공기 160대 대량 구매 계약을 체결했다고 발표했습니다. 또한 톈진에 두 번째 생산 라인을 건설할 예정입니다. 중국조선그룹(CSHGC)은 프랑스 다페이해운그룹(DaFei Shipping Group)과 210억 위안이 넘는 규모의 초대형 컨테이너선 2형 16척 건조를 포함한 협력 계약을 체결했습니다. 중국원자력발전그룹(CNNP)과 프랑스전력공사(Électricité de France)는 타이산 원자력 발전소를 비롯한 여러 사업에서 긴밀한 협력 관계를 유지하고 있습니다.

3만~5만 와트의 고출력 레이저 장비는 100mm 이상의 강판을 절단할 수 있습니다. 조선 산업은 두꺼운 금속판을 광범위하게 사용하는 산업으로, 일반적인 상선은 선체 강판 두께가 25mm 이상이고, 대형 화물선은 60mm를 넘기도 합니다. 대형 군함이나 초대형 컨테이너선은 100mm 두께의 특수강을 사용하기도 합니다. 레이저 용접은 작업 속도가 빠르고, 열 변형 및 재작업이 적으며, 용접 품질이 우수하고, 용접봉 소모량이 줄어들어 제품 품질이 크게 향상됩니다. 수만 와트급 고출력 레이저의 등장으로 조선 산업에서 레이저 절단 및 용접의 한계가 사라지고 있으며, 미래에 기존 재료를 대체할 수 있는 큰 잠재력이 열리고 있습니다.

호화 유람선은 전통적으로 이탈리아의 핀칸티에리(Fincantieri)와 독일의 마이어 베르프트(Meyer Werft)와 같은 몇몇 조선소가 독점해 온 조선 산업의 정점으로 여겨져 왔습니다. 레이저 기술은 선박 건조 초기 단계의 재료 가공에 광범위하게 사용되어 왔습니다. 중국 최초의 국산 유람선은 2023년 말 진수될 예정입니다. 중국상선그룹(China Merchants Group)은 유람선 제조 프로젝트를 위해 난퉁 하이퉁(Nantong Haitong)에 고출력 레이저 절단 및 용접 박판 생산 라인을 포함한 레이저 가공 센터 건설을 추진하고 있습니다. 이러한 레이저 기술 적용 추세는 민간 상선 분야에도 점차 확대될 것으로 예상됩니다. 중국은 세계에서 가장 많은 조선 수주량을 보유하고 있으며, 두꺼운 금속판의 절단 및 용접 분야에서 레이저의 역할은 계속해서 커질 것입니다.

항공우주 분야에서 10kW 이상 레이저의 응용

항공우주 운송 시스템은 주로 로켓과 상용 항공기를 포함하며, 경량화가 핵심 고려 사항입니다. 이는 알루미늄 및 티타늄 합금의 절단 및 용접에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 레이저 기술은 고정밀 용접 및 절단 조립 공정을 구현하는 데 필수적입니다. 10kW 이상의 고출력 레이저의 등장은 절단 품질, 절단 효율 및 고집적 지능 측면에서 항공우주 분야에 포괄적인 발전을 가져왔습니다.

항공우주 산업의 제조 공정에는 엔진 연소실, 엔진 케이스, 항공기 기체, 꼬리 날개 패널, 벌집 구조물, 헬리콥터 주 로터 등 절단 및 용접이 필요한 부품이 많습니다. 이러한 부품들은 절단 및 용접 접합면에 매우 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.

에어버스는 고출력 레이저 기술을 오래전부터 활용해 왔습니다. A340 항공기 제작에 사용되는 모든 알루미늄 합금 내부 격벽은 레이저 용접으로 접합됩니다. 동체 외피와 스트링거의 레이저 용접 기술도 획기적인 발전을 이루어 A380에 적용되었습니다. 중국은 자체 개발한 대형 항공기 C919의 시험 비행에 성공했으며 올해 인도를 목표로 하고 있습니다. C929 개발과 같은 미래 프로젝트도 진행 중입니다. 앞으로 상용 항공기 제조에 레이저 기술이 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

레이저 기술은 원자력 발전소의 안전한 건설에 도움이 될 수 있습니다.

원자력은 새로운 형태의 청정 에너지이며, 미국과 프랑스는 원자력 발전소 건설에 있어 가장 앞선 기술을 보유하고 있습니다. 프랑스는 전력 공급의 약 70%를 원자력으로 충당하고 있으며, 중국은 초기 단계부터 프랑스와 협력해 왔습니다. 원자력 발전 시설에서 안전은 가장 중요한 요소이며, 보호 기능을 갖춘 많은 금속 부품들이 절단이나 용접 작업을 필요로 합니다.

중국이 자체 개발한 레이저 지능형 추적 MAG 용접 기술이 톈완 원자력 발전소 7호기와 8호기의 강철 라이너 돔과 배럴에 대량 적용되었습니다. 현재 최초의 원자력 발전소용 관통 슬리브 용접 로봇이 개발 중입니다.

레이저 개발 동향에 발맞춰 테유는 초고출력 레이저 CWFL-60000을 출시했습니다. 파이버 레이저 칠러 .

테유는 레이저 개발 동향에 발맞춰 초고출력 파이버 레이저 칠러인 CWFL-60000을 개발 및 생산했습니다. 60kW 레이저 장비용 안정적인 냉각 시스템 이 제품은 독립적인 이중 온도 제어 시스템을 통해 고온의 레이저 헤드와 저온의 레이저 소스를 모두 냉각할 수 있어 레이저 장비에 안정적인 출력을 제공하고 고출력 레이저 절단기의 빠르고 효율적인 작동을 효과적으로 보장합니다.

레이저 기술의 획기적인 발전은 레이저 가공 장비 시장을 크게 확대시켰습니다. 치열한 시장 경쟁에서 앞서나가기 위해서는 적합한 장비가 필수적입니다. 항공우주, 조선, 원자력 등 첨단 산업 분야의 혁신과 고도화에 대한 요구가 증가함에 따라 후판 가공 수요가 늘어나고 있으며, 고출력 레이저는 이러한 산업 발전을 가속화하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 향후 3만 와트 이상의 초고출력 레이저는 풍력, 수력, 원자력, 조선, 광산 기계, 항공우주 및 항공 등 중공업 분야에서 주로 사용될 것으로 예상됩니다.