펄스 Nd:YAG레이저를 이용한

電氣모터 積層코어의 熔接性에 관한 硏究

A Study on the Weldability of Laminated Stator Cores

for Electric Motor by Pulsed Nd:YAG Laser

指導敎授 金 鍾 道

韓 國 海 洋 大 學 校 大 學 院

機 關 시 스 템 工 學 科

李 昶 濟

本 論文을 李昶濟의 工學碩士 學位論文으로 認准함

主 審 工學博士 李 明 勳 ㊞

副 審 工學博士 金 允 海 ㊞

副 審 工學博士 金 鍾 道 ㊞

2005年 12月 26日

韓國海洋大學校 大學院

機關시스템工學科

李 昶 濟

- i -

목 차

Abstract

1. 서 론 ··························································································································· 1

1.1 연구배경 ···················································································································· 1

1.2 연구목적 ···················································································································· 4

2. 이론적 배경 ················································································································ 6

2.1 모터 적층코어용 규소강판의 물성과 적용현황 ············································· 6

2.1.1 적층코어용 규소강판의 재료 및 자기적 특성 ··············································· 6

2.1.2 적층코어용 규소강판의 분류 및 적용현황 ··················································· 13

2.1.3 기존의 모터용 적층코어의 고정방법 ···························································· 21

2.1.4 레이저를 이용한 모터용 적층코어의 고정방법 ··········································· 24

2.2 Nd:YAG레이저의 발진원리와 특성 ································································· 26

2.2.1 Nd:YAG레이저의 발진원리 ············································································· 26

2.2.2 Nd:YAG레이저의 특성 ····················································································· 33

3. 실험장치 및 방법 ·································································································· 39

3.1 실험재료와 펄스 Nd:YAG레이저 용접장치 ··················································· 39

3.1.1 실험재료 ·············································································································· 39

3.1.2 펄스 Nd:YAG레이저 용접장치 ······································································· 41

3.2 실험방법 ·················································································································· 50

3.2.1 기존 모터의 적용사례와 고정부의 분석방법 ··············································· 50

3.2.2 규소강판의 레이저 비드용접법과 분석방법 ················································ 53

3.2.3 적층코어의 레이저 엣지(Edge)용접법과 분석방법 ····································· 55

- ii -

3.2.4 레이저용접현상의 고속도 관찰방법 ······························································ 58

4. 실험결과 및 고찰 ·································································································· 61

4.1 종래의 적층코어 고정방법과 문제점 ······························································ 61

4.1.1 적층코어의 기계적 고정방법과 문제점 ························································ 61

4.1.2 적층코어의 아크용접법과 문제점 ·································································· 72

4.2 규소강판의 레이저 비드용접 특성 ·································································· 87

4.2.1 집광광학계의 비초점 거리변화에 따른 용입 특성 ····································· 87

4.2.2 인가전압 및 주파수 변화에 따른 용접 특성 ··············································· 90

4.2.3 펄스폭 변화에 따른 용접 특성 ······································································· 93

4.3 규소강판 적층코어의 레이저 엣지(Edge)용접 특성 ···································· 95

4.3.1 집광광학계의 비초점 거리변화에 따른 용입 특성 ····································· 95

4.3.2 인가전압의 변화에 따른 용입 특성 ······························································· 98

4.3.3 펄스폭 및 주파수변화에 따른 용접 특성 ··················································· 102

4.4 아크용접부와 레이저용접부의 특성 비교 ···················································· 109

4.4.1 용접부의 특성 ·································································································· 109

4.4.2 경도분포 특성 ·································································································· 111

4.4.3 인장시험 특성 ·································································································· 113

4.5 레이저 용접현상의 분석 및 결함의 발생 메카니즘 ································· 118

4.5.1 용접부의 조성분석 ·························································································· 118

4.5.2 레이저용접현상의 분석 ·················································································· 126

4.5.3 결함의 발생원인과 메카니즘 ········································································ 132

5. 결 론 ······················································································································· 134

참고문헌 ························································································································ 137

- iii -

A Study on the Weldability of Laminated Stator Cores

for Electric Motor by Pulsed Nd:YAG Laser

Chang-Je, Lee

Department of Marine System Engineering

Graduate School of Korea Maritime University

Abstract

The laser joining technology is one of the most important subject today to

be studied, and intensive researches and developments are presently

undertaken world widely. There were some successful examples that the

laser welding was introduced into production line. However, the spread of

laser welding is not sufficient in many industries. There are several reasons

why it is difficults to penetrate the laser welding into production lines.

There still left many problems to be in high power oscillator. Moreover,

there are significant problems in the peripheral equipment such as the beam

delivery and condensing optics, work table and robot, and control system.

Namely, the immature peripheral systems restrict to extract the full potential

of laser, and hence the laser welding is not flexible process. Therefore, laser

welding is only used in mass-production lines.

In this paper will be described the results of welding of stator core for

- iv -

electric motor.

Several kind of welding methods used for fixing the stator core for

electric motor. At the beginning an arc welding was employed but the

rolled core was wet with oil and degreasing was necessary before welding.

However, the oil between the laminated core was very difficult to remove

and the formation of weld defect was a serious problem. Then, the

resistance projection welding was used and the problems were slightly

improved but it was not able to meet the demand to reduce the thickness

of rim to make a lighter weight generator.

Therefore, heat source of pulsed Nd:YAG laser was introduced to welding

of the stator cores. The advantages of Nd:YAG laser welding were the

elimination of degreasing before welding and machining after welding as

well as the increase in productivity due to high speed welding. The reason

why degreasing is unnecessary is because that oil film evaporates perfectly

before metal melts and a kind of surface cleaning take place. The weld bead

was sound and the actual strength of it was strong enough.

- 1 -

1. 서 론

1.1 연구배경

최근 구조물의 사용 환경이 더욱 가혹해짐에 따라 각종 구조물 및 기기의 고

성능 및 고품질화가 어느 때보다도 요구되고 있으며, 비행기와 원자로 등의 정

밀대형 구조물에서부터 자동차, 모터 및 IC부품에 이르기까지 고정도의 가공기

술이 요망되고 있다. 더욱이, 21세기 들어 세계는 급속한 글로벌화로 인한 제품

수명의 단축과 기술 평준화에 따른 무한 경쟁시대로 돌입함에 따라 그 정도는

더욱더 가속화되고 있다.

이에 따라 기존 가공기술인 아크, 저항용접 및 플라즈마, 전자빔용접 등은 지

속적으로 개량․진보되고 있으며, 마찰교반용접등과 같은 혁신적인 기술이 속

속 실용화되고 있다.

한편, 레이저 가공은 대기 중에서 고파워밀도를 이용하여 어스펙트 비(aspect

ratio: 폭 대 깊이의 비)가 큰 용입이 얻어지므로, 특별한 이음새구조를 필요로

하지 않고, 또한 용접변형도 적다는 특징뿐만 아니라, 에너지의 원거리 전송이

가능하고, 시간․공간의 우수한 제어성능으로 인해 재료가공기술에 큰 변혁을

가져왔다. 이와 같은 특징으로 인해, 아크용접이나 전자빔용접을 대체하는 방법

으로서, 전자부품, 기기, 정밀부품, 철강 프로세스라인용 판 이음이나 조관, 자

동차 차체, 전장품의 조립 등에 적용되고 있으며, 또한 이종의 열원을 접목한

하이브리드 기술(hybrid technology)과 같이 효율을 높이는 새로운 용접법의 개

발도 진행되고 있어, 이후 더욱더 적용확대가 기대되고 있다. 특히, 최근에 이

르러 Nd:YAG레이저의 고출력화가 이루어짐으로서, 그 실용화가 더욱 가속화되

고 있으며, 광화이버(optical fiber)를 이용한 빔의 전송이 가능하다는 장점을 이

용하여 자동화라인으로 적용이 빠르게 이루어지고 있어, 제조공정에 유연성이

확대되고 있다.

최근, 현대산업에 있어서 가장 중요한 요소 중의 하나인 모터의 소형경량화

- 2 -

는, 매년 진행되는 기기의 소형경량화 중에서, 더욱더 그 요구도가 높아지는 것

과 동시에 모터의 구조나 납기의 면에 있어서도, 특수화나 짧은 납기화 등과

같은 고객의 요구는 점점 다양화되어, 모터의 생산은 다른 제품과 마찬가지로

다품종․소량생산에 의한 단일제품의 생산량감소라고 하는 경향이 부득이하게

진행되고 있다. 뿐만 아니라 각종 극한의 환경에도 투입되는 경우가 빈번해지

고 있어, 모터의 신뢰도 또한 어느 때보다도 주목받고 있다.

보통, 모터의 구조부품 중에서 모터의 핵심구조물인 적층코어는 주로 기계적

인 방법과 용접을 이용하여 고정되어 왔다. 기존의 방법은 생산단가가 낮고 그

방법이 간단하며 이미 검증된 프로세스라는 이점이 있지만, 외주환부를 고정할

수 있는 최소두께나 고정강도의 제약에 의해, 소형경량화를 곤란하게하고 있는

요인이 되고 있다. 또한, 적층코어의 외각에 별도의 가공형상을 주거나 가공 후

후처리공정이 필요하여, 부품완성까지의 선행기간(lead time) 및 생산의 유연성

면에 있어서 문제점이 제기됨에 따라, 레이저를 이용한 적층코어의 용접이 대

두되기 시작했다. 레이저가 적용됨에 따라서, 프레임은 기존의 무거운 주조제조

방식에서 탈피하여 제품의 경량화와 다품종․소량생산에 따른 개개의 주형틀이

필요하지 않는 등의 장점이 있어 코스트다운(cost down)효과를 얻을 수 있을

뿐만 아니라, 코어의 경우 외주환부의 폭이 4mm이하에서도 용접할 수 있어 제

품의 소형경량화가 가능하며, 여러 크기의 코어가 혼재한 공정라인에서 초점거

리의 변화만으로 그 대응이 가능하여 제조공정에 유연성을 부여할 수 있게 되

었다.

그러나 국내의 산업기술 전반에 걸쳐 기반기술이 취약하여 아직까지 각종 가

공기술의 선진화가 미비한 실정이며, 모터의 제조기술 또한 아직은 기존의 기

술을 답습하는 수준에 머물고 있다. 반면 이미 선진국에서는 레이저를 이용한

각종 모터의 제조가 이루어지고 있으며, 고정밀도의 서버 모터에서부터 일반적

인 모터의 전 부품의 생산에 적용되고 있는 실정이다. 이로 인한 제품의 신뢰

성 및 생산성의 향상으로 인한 기술의 격차는 더욱 벌어지고 있는 것이 현실이

다.

- 3 -

더욱이, 국내 모터제조공정에서는 일부 소형 모터를 제외한 대부분의 업체에

서 실용되고 있지 않으며, 관련 분야에서 일부 실험이 이루어지는 것에 지나지

않고 있다. 이러한 원인에는 산업분야에서의 안이한 경쟁의식과 첨단열원에 대

한 식견부족, 고정도의 고속․저입열 용접에 따른 용접지배인자의 제어가 어려

운데 있다.

따라서, 국내 모터제조 기술에 있어서 고속․고품위의 레이저 용접공정을 통

한 제품의 신뢰성 향상과 생산성의 효율화를 꾀하여 소량 다품종 또는 대량 소

품종의 급변하는 시장의 요구에 보다 빨리 대응할 수 있는 신개념의 공정기술

구축이 어느 때 보다 절실하다.

- 4 -

1.2 연구목적

본 연구의 목표는 저입열․고정도․고품위의 고속용접이 가능한 펄스

Nd:YAG 레이저를 이용하여 가공품의 변형 제로화와 공정의 축소에 의한 제품

의 신뢰성 및 생산성 향상과 그에 따른 경쟁력제고에 있다.

기존의 모터 제조공정에서는 규소강판으로 적층한 코어의 고정방법으로 아크

와 같은 열원을 이용하여 제조되어 왔다. 그러나 아크용접의 경우 적층판상에

내재되어 있는 기름성분 등을 제거하는 별도의 탈지공정을 필요로 하였으며,

이러한 공정을 거치더라도 완전한 제거가 어려워 용접공정에 기공등의 결함발

생원인을 제공하였으며, 더구나 적층코어의 과입열로 인하여 변형되는 문제를

야기 시킬 수 있었다. 또한 가공 후의 후처리 공정이 필요하였을 뿐만 아니라

과입열을 피하기 위한 별도의 설계공정이 요구되어, 급변하는 시장의 요구에

대응하기 어려웠다.

따라서 본 연구에서는, 용접공정 전 모터코어부 적층판의 기름 등에 의한 오

손의 영향을 받지 않는 가공법을 개발하여 현장에 적용함과 동시에, 가공후에

는 불필요한 공정을 생략 가능하게 함으로서 공정속도의 향상과 제품의 신뢰성

및 생산성의 비약적인 향상을 가져올 수 있는 전기모터 적층코어의 용접기반기

술 구축에 그 목적이 있다.

이를 위해 연구의 진행은 다음과 같이 행하였으며, 그 결과에 근거하여 문제

점에 대한 총괄적인 검토와 해결책을 제시하였다.

(1) 기존 모터들을 수집 및 분석

기존의 현장에서 사용되고 있는 모터를 제조 메이커별 수집하고 각 공정별

로 분류한 후, 각각의 제조공정을 분석하고 시험편을 제작하여 단면관찰과 경

도분석 및 인장강도시험을 통해 제품의 세부적인 평가를 행하였다.

(2) 레이저를 이용한 모터제조의 분석

모터제조공정에 레이저용접을 적용할 경우의 이점에 대하여 조사 및 분석

- 5 -

을 행하였다.

(3) 모터 코어의 기초 재료인 규소강판의 레이저용접 특성

모터 코어용 규소강판(0.5mmt)에 비드용접(bead welding)을 실시하여 초점

거리(fd), 인가전압(V), 펄스폭(τp) 및 주파수(Hz)에 따른 용접특성을 분석하였

다.

(4) 적층된 코어의 레이저용접 특성

비드용접을 통한 규소강판의 용접특성을 바탕으로 적층된 코어에 레이저용

접을 실시하여 초점거리(fd), 인가전압(V), 펄스폭(τp) 및 주파수(Hz)에 따른

용접특성을 분석하여, 레이저용접시의 용접지배인자를 추출하고, 시편을 제작

하여 단면관찰과 경도분석 및 인장강도시험을 통해 용접부를 평가하였다.

(5) 적층코어의 레이저용접부 분석

적층코어의 아크용접부와 레이저용접부를 전자현미경을 통해 관찰하고

EDX분석을 행하여 용접부와 모재간의 성분변화 차이를 분석하고, 규소강판

에 레이저를 이용한 비드용접과 적층부의 용접을 고속도 카메라로 촬영해 동

적거동을 가시화하여 형상에 따른 용접특성을 분석하였다.

- 6 -

2 이론적 배경

2.1 모터 적층코어용 규소강판의 물성과 적용현황

2.1.1 적층코어용 규소강판의 재료 및 자기적 특성

(1) 적층코어용 규소강판의 재료적 특성

1882년 영국의 R. Hardfield에 의해 자성이 우수한 규소첨가강이 발견된 이

래 1903년 독일에서 공업적으로 규소강판을 생산하기 시작하였으며, 이후 규소

강판은 모터 코어의 주 재료로 대부분의 전기기기에 사용되고 있어 전기강판이

라는 명칭으로 더 잘 알려져 있다.

이러한 모터 코어의 적층재로 사용되는 규소강판은 연질 자성재료의 일종으

로서 Fe에 소량의 Si를 첨가하여 제조한 강판이며, 가격이 싸고 여러 자기특성

이 뛰어나 전기기기의 코어에 주로 사용되고 있다. 이러한 적층코어용 규소강

판의 충족조건은 다음과 같다.

a. 투자율이 높고 포화자속밀도가 높을 것.

b. 철손(core loss)이 적을 것.

c. 사용 중에 자기적 성질의 변화가 적을 것.

d. 자화에 의한 치수변화가 적을 것.

e. 박판을 적층하여 사용할 때 층간저항이 높을 것.

f. 적층성, 용접성 등의 가공성이 좋을 것

g. 평탄도 등 형상이 좋을 것.

규소강판의 자기적 성질은 Si의 함유에 의해 전기저항이 증가하고 와류손, 이

력손 및 시효가 감소한다. 특히 결정립의 크기에 따라서 자성이 달라져 보자력

(Hc)은 결정립의 크기에 반비례하므로 큰 결정립일수록 보자력(Hc)이 작아진다.

이 때문에 실용되고 있는 재료는 순도를 높이고 결정립을 크게 하고 있다. Fig.

2.1에 Fe-Si 평형상태도 및 규소강의 γ변태영역을 (a) 및 (b)에 각각 나타낸다.

그림에 나타난 것과 같이 저탄소강에 Si가 3%이상 함유되면 변태가 없어져, 풀

- 7 -

림온도를 높여 결정립을 크게 하여 이력손의 감소와 저자속밀도에서 투자율 증

대를 얻을 수 있다. 그러나 Si량을 증가시키면 가공이 곤란해지고 포화자속밀도

가 낮아지는 결점도 있기 때문에 현재 생산되고 있는 규소강판은 Si 3% 이하의

냉간압연강판이 주류를 이루고 있다.

한편, 규소강판 중의 불순물은 자성을 약화시킨다. Fig. 2.2는 규소강판의 이

력손에 미치는 불순물의 영향을 나타내는데 C, S, O, Mn, N 등은 이력손을 크

게 하므로 이들의 함량을 낮게 하여야하며, 특히 C는 극소량으로도 매우 크게

영향을 미치므로 규소강판에는 저탄소강이 사용되고 있다.

(2) 적층코어용 규소강판의 자기적 특성

모터의 코어로 사용되는 규소강판은 자기적인 영향을 많이 받기 때문에 에너

지의 손실을 발생시킨다. 이러한 손실 중 70~80%는 코어를 감싸고 있는 동선

(wire)에서 발생하는 동손(copper loss)이고 나머지 20~30%가 코어 자체에 의한

철손이다. 동손의 경우 차지하는 비중은 높지만 이들 동선자체의 특성을 통해

감소시키기는 극히 어려운 반면 철손의 경우에는 코어재료의 자기특성 개선과

구조변경으로 자체의 손실을 줄일 수 있으며, 동시에 동선의 사용량을 줄여 동

손에 의한 손실도 줄일 수 있다. 때문에 모터에서 철손을 감소시키는 것은 매

우 중요한 일이다.

이러한 철손에는 이력손(hysteresis loss)과 와전류손(eddy current loss)이 있

다. 우선, Fig. 2.3과 같이 자성을 지닌 물질에 자계를 걸면, 내부의 자속밀도가

증가하다가, 다시 자계를 "0"으로 없애도 내부 자속이 완전히 "0"이 되지 않는

히스테리시스 현상이 발생한다. 이 현상은 전기나 기계 등의 여러 영역에서 나

타나고 있으며 물질의 특성이 비선형이라는 것과 일맥상통한다. 히스테리시스

현상으로 인해 외부의 자계를 계속 (+), (-)로 번갈아 걸어주면, 코어 속을 통과

하는 자속에 의해 자기분자 상호간에 마찰을 일으켜 손실이 발생하는데, 이것

이 이력손이다. 이력손은 교류로 자화할 때는 매 초 교류 주파수의 배만큼 철

에 열손실이 일어나며, 이때의 열손실은 Fig. 2.4에 나타낸 것과 같이 히스테리

- 8 -

시스 루프의 내부 면적과 같다.

다음으로, Fig. 2.5 (a)나 Fig. 2.5 (b)에 나타난 것과 같이 자기장이 도체판을

통과하거나 판 위를 자석이 이동하여 시간에 따라 판 위 특정위치의 자계가 변

화할 때 렌츠 및 페러데이법칙에 의해 자기장이나 자석의 이동방향을 방해하는

방향으로 도체에 전압이 발생하고, 분포된 전압차이로 인해 전류의 흐름이 생

긴다. 이때 가장 짧은 형태의 전류흐름이 원이므로 빙글빙글 도는 형태로 전류

가 발생한다. 이러한 와전류(eddy current)에 의해 도체판에 전류가 흐르면 판

의 저항에 의해 H=I2R의 에너지손실(Joule Loss)이 필연적으로 발생되며, 이것

이 와전류손이다.

이 중 와전류에 의한 손실을 적게 하기 위하여 Fig. 2.6과 같이 철심을

0.5mm 내외의 박판으로 적층하면 와전류가 발생하는 면적이 줄어들어 와전류

손에 의한 열손실을 줄일 수 있다. 그러나 이는 수백 Hz의 낮은 주파수에서 사

용되고 있으며, 수 kHz에서 수십 kHz의 고주파수에서는 좁은 공간에서도 와전

류를 발생시키기 때문에 페라이트(MO·Fe2O3 - M은 2가 금속)로 된 가루의 표

면을 산화시킨 후 금형으로 압착하여 만든 제품이 되고 있다. 후자의 경우는

고가이기 때문에 고급 전기기기에만 사용되고 있다.

- 9 -

10 20 30 50 70 90wt %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100at % SiFe

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

℃

1430(1528)

(1381)

αα′769

α″

Fe5Si3=η

(FeSi)=ε

(FeSi)=ζ

Magn.Transf.

←Fe

3Si

←Fe

5Si 3

←FeSi

←FeSi 2

?

10 20 30 50 70 90wt %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100at % SiFe

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

℃

1430(1528)

(1381)

αα′769

α″

Fe5Si3=η

(FeSi)=ε

(FeSi)=ζ

Magn.Transf.

←Fe

3Si

←Fe

5Si 3

←FeSi

←FeSi 2

?

(a) Phase diagram in the Fe-Si

α+γ(0.01%C)

α+γ(0.07%C)

α

α

γ

1 2 3 4 5 6

Si content [%]

1500

1400

1300

1200

1000

900

800

700

600

Tem

pera

ture

[℃

]

α+γ(0.01%C)

α+γ(0.07%C)

α

α

γ

1 2 3 4 5 6

Si content [%]

1500

1400

1300

1200

1000

900

800

700

600

Tem

pera

ture

[℃

]

(b) γ transformation domain of ferrosilicon

Fig. 2.1 Phase Change of ferrosilicon with Si content

- 10 -

P

C

S

O Mn

0.04 0.08 0.12 0.16 0.200

1400

1000

600

200

0

-400

Impurity [%]

Hys

tere

sis

loss

Wh

[erg

/cm

3/c

ycle

]

P

C

S

O Mn

0.04 0.08 0.12 0.16 0.200

1400

1000

600

200

0

-400

Impurity [%]

Hys

tere

sis

loss

Wh

[erg

/cm

3/c

ycle

]

Fig. 2.2 Effect of impurity on hysteresis loss of Silicon Steel sheet

B

H

Bm

Bm

Grade is real permeabilityμ

B

H

Bm

Bm

Grade is real permeabilityμ

Fig. 2.3 Hysteresis loop

- 11 -

B

H

BmB

H

Bm

Energy form source

(a)

B

H

BmB

H

Bm

Energy loss

Energy returned to source

(b)

Fig. 2.4 Schematic illustration of hysteresis loss

Eddy Current

Magnetic field

(a) Through magnetic field

Eddy Current

Movement direction of magnet

(b) Move magnetic field

Fig. 2.5 Schematic illustration of eddy Current generation

- 12 -

Singular core

Eddy current

Magnetic field

Current

Eddy current

Magnetic field

Current

(a) Singular core

Laminated core

Magnetic field

Current

Magnetic field

Current

(b) Laminated core

Fig. 2.6 Singular core and Laminated core with effect of a magnetic field

- 13 -

2.1.2 적층코어용 규소강판의 분류 및 적용현황

(1) 적층코어용 규소강판의 분류

Fig. 2.7은 규소강판의 제조공정으로 크게 산세공정, 냉간압연, 풀림 그리고

절연코팅의 과정으로 나누어진다. 먼저 산세공정은 열연강대를 스케일 브레이

커 및 염산탱크에 통과시켜 최종냉연제품의 표면결함의 원인인 산화물 피막을

제거시키는 공정이고, 냉간압연공정은 용도에 맞는 두께와 재질의 확보를 위한

공정으로 40%~90%의 통상입하율로 진행되며, 균일한 두께 및 형상 제어로 자

동두께 제어, 자동형상 제어 등의 첨단제어 기기 등을 이용한다. 풀림공정은 냉

간압연 시 경화된 강재의 재질을 연화시키기 위한 공정이며, 급속가열 및 급속

냉각을 통하여 심가공용에서 고장력강까지 생산하는 생산성이 뛰어난 제조방법

으로서 상자풀림과 연속풀림 방법을 이용한다. 이후 완전풀림에 의해 결정방향

을 정렬한 방향성 규소강판과 0.3~3.0%정도의 가벼운 냉간압연인 조질압연을

거친 무방향성 규소강판으로 분리된다. 마지막으로 절연코팅공정은 전기강판을

가공, 적층하여 철심으로 사용 시 가공성 개선 및 강판의 두께 자승에 비례하

는 와전류손실을 최소화하기 위해 연속 코팅기(Coater)를 이용하여 강판상하에

절연 코팅액을 도포하는 공정이다.

이상과 같이 제조된 규소강판은 무방향성 규소강판과 방향성 규소강판으로

분류된다. Fig. 2.8에서 나타내는 것과 같이 규소강 결정립의 3결정방향에 대해

측정하면 [100]방향은 매우 자화하기 쉬워서 매우 낮은 자화력으로도 포화시킬

수 있으나, [111]방향에서는 가장 자화하기 어렵다. 이와 같이 결정방향에 따라

자화정도가 달라지므로 제조공정에서 압연과 풀림을 적당히 조절하여 그 목적

을 달성한다.

무방향성 규소강판은 결정의 방향이 일정하지 않게 되어 있어 Fig. 2.9에 나

타난 것과 같이 자기특성의 방향성이 적다. 무방향성 규소강판은 Si를 약 3%함

유한 고급품과 Si를 거의 쓰지 않는 저급품이 있다. 이 강판은 발전기나 전동기

등의 회전기에 많이 쓰이며, 대형 회전기용에는 저철손의 고급품이, 소형 회전

기에는 다소 철손이 커도 높은 자속밀도를 갖고 값이 싼 저급품이 사용된다.

- 14 -

방향성 규소강판은 Fig. 2.10(a)에 나타난 것과 같이 [100]방향이 압연방향에

평행하게, 또 (110)면이 압연면에 평행하게 배열되어 있어 압연방향의 자기 특

성이 매우 우수하다. 이 강판은 1회 강냉연법으로 만들고 탈탄풀림은 850℃이

하에서 10~15분간, 습수계 중에서 실시하여 탈탄과 1차 재결정을 시킨다. 이후

건조수소 중, 1150~1250℃에서 완전풀림을 실시하여 탈황과 2차 재결정을 시킨

다. 마지막으로 표면에 고급의 절연 클래스(glass)피막을 생성시키고 그 위에 장

력효과가 있는 인탄계(燐炭系) 피막을 형성시키면 압연방향에 외부장력이 작용

하는 효과가 생겨 철손이 감소하고 여자전류, 소음도 감소시킬 수 있다.

2방향성 규소강판은 방향성 규소강판 보다 더욱 이상적인 배열을 갖게 한 것

으로 Fig. 2.10(b)에 나타난 것과 같이 자화용축([100])이 압연방향과 그 직각방

향의 양쪽에 평행하게 되어 저철손, 고투자율의 특성이 나타나게 한 것으로 변

압기 철심으로 많이 사용되고 있다. 그러나 방향성 규소강판보다 제조가 어렵

고 고가이다.

(2) 적층코어용 규소강판의 적용현황

방향성 규소강판은 강판의 압연방향으로 자화가 용이하도록 제조하여 압연방

향으로 우수한 자기특성을 가지므로 저철손, 고투자율이 요구되는 대형, 중소형

변압기의 철심으로 주로 사용되며, 대형 발전기의 철심 용도로도 사용된다. 고

급 방향성 규소강판(PH-Core)은 일반 방향성 규소강판(PG-Core) 보다 저철손,

고자속밀도 특성을 갖는 제품으로 변압기 고효율화 정책에 대응한 제품이다.

그 사용용도로는 중․대형 변압기, 배전용 변압기, 리엑터, 소형 전원용변압기,

대형 회전기등이 있다.

무방향성 규소강판은 강판의 방향과 관계없이 균일한 자기특성을 가지므로

대형 회전기에서부터 소형 정밀모터에 이르기까지 다양한 철심재료로 사용되

며, 소형 변압기의 철심으로도 많이 사용된다. 무방향성 규소강판은 적층, 전단

가공 후 그대로 사용 가능한 Fully-Processed 제품(PN-Core)과 적층등 철심을

성형한 후 응력제거 풀림을 해야만 사용할 수 있는 Semi-Processed 제품

- 15 -

(PNS-Core)으로 구분되며, 사용용도는 중․대형 회전기, 범용모터, 컴프레서용

모터, 소형 정밀모터, 중소형 변압기, 리엑터, 소형 전원변압기, 안정기, 용접기

용 변압기등이 있다. 규소강판의 규격별 사용용도를 Table 2.1에 나타내며,

Table 2.2, Table 2.3 및 Table 2.4는 종류별 무방향성 규소강판의 기계적 성질

및 점적율의 대표치를 나타낸다.

- 16 -

Hot coil

Pickling line

Cold rolling

Annealing

Insulating coating

Skin pass rolling

PN-Core

PNS-Core

(a) Non-oriented Silicon Steel Sheet

PH-Core

PG-Core

Hot coil

Insulating coating

Primary annealing

Pickling line

Cold rolling

Annealing

Full annealing

(b) Grain-oriented Silicon Steel Sheet

Fig. 2.7 Manufacturing process of Silicon Steel sheet

- 17 -

(a) Crystal orientation of Silicon Steel

and difficult magnetization

[100]

[110]

[111]

Magnetization [Oe]

Magnetic f

lux

density

[kG

]

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5

10

15

20[100]

[110]

[111]

Magnetization [Oe]

Magnetic f

lux

density

[kG

]

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5

10

15

20

Orientation μmax B Hc[100] 624,000 13,400 0.028

[110] 78,000 10,400 0.043

[111] 1,930 2,130 0.106

(b) Crystal orientation of Silicon Steel single crystal and

magnetization curve

Fig. 2.8 Magnetization characteristics of Silicon Steel

- 18 -

Fig. 2.9 Non-oriented Silicon Steel Sheet

(a) Grain-oriented Silicon Steel Sheet

(b) Two grain-oriented Silicon Steel Sheet

Fig. 2.10 Grain-oriented Silicon Steel Sheet

- 19 -

Kind of

silicon steel

Classification

of motor

Grain-oriented Non-oriented

PH-Core PG-Core PN-Core PN-Core PNS, PL-Core

PNH

-Core

PNM

-Core

23PH-

Core

-35PH178

27PG158

-5PG218

35PN320

-35PN455

50PN370

-50PN510

35PN560

50PN595

-50PN890

50PN1015

50PN1650

50PNS760

-50PNS12

70

50PL615

-50PL790

Large

Rotating Machine◉ ◉

Medium

Rotating Machine◉ ◉ ◉ ◉ ◉

General use

A.C motor◉ ◉

Hermetically sealed

motors◉ ◉

Small motors &

intermittent service

A.C motors

Large power

transformers◉ ◉

Medium power

transformers◉ ◉ ◉

Distribution

transformers◉ ◉

Reactors ◉ ◉ ◉Small power

transformers◉ ◉ ◉ ◉ ◉ ◉ ◉

Instrument

transformers◉ ◉ ◉

Stabilizer ◉ ◉ ◉ ◉ ◉ ◉Welding

transformers◉ ◉ ◉ ◉

Magnetic switch

Core◉ ◉

Table 2.1 Electrical usage

- 20 -

GradeThickness

(mm)

Tensile strength

(N/mm2)Yield Point

(N/mm2)Elongation

(%) Hardness(Hv1)

Lamination

Factor

(%)L C L C L C

35PN320

35PN345

35PN380

35PN455

35PN560

0.35

502

530

520

470

450

519

538

530

480

470

403

410

380

330

300

410

430

390

340

315

19

22

24

29

30

20

24

25

30

31

200

190

185

165

145

97.5

97.5

97.5

97.5

97.5

50PN370

50PN395

50PN445

50PN510

50PN595

50PN760

50PN890

50PN1015

50PN1270

50PN1650

0.50

540

517

500

470

431

402

392

363

353

353

560

528

509

480

441

412

402

382

382

363

440

398

370

333

294

274

274

272

272

265

450

398

380

343

304

284

284

284

284

272

18

24

28

30

30

34

36

37

38

38

19

24

29

31

29

36

37

38

39

40

200

192

184

172

165

135

130

125

123

120

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

98.0

L is the specimen taken in the longitudinal rolling direction, while C is taken

perpendicular to the rolling direction.

Table 2.2 Mechanical Properties and Lamination Factor of PN

Non-oriented Silicon Steel Sheet

GradeThickness

(mm)

Tensile strength

(N/mm2)Yield Point

(N/mm2)Elongation

(%) Hardness(Hv1)

Lamination

Factor

(%)L C L C L C

50PN320

50PN345

50PN380

50PN455

0.50

380

372

372

372

385

375

375

375

317

314

314

314

320

315

315

315

34

35

35

35

33

34

34

34

120

115

115

115

97.0

97.0

97.0

97.0

L is the specimen taken in the longitudinal rolling direction, while C is taken

perpendicular to the rolling direction.

Table 2.3 Mechanical Properties and Lamination Factor of PNS

Non-oriented Silicon Steel Sheet

GradeThickness

(mm)

Tensile strength

(N/mm2)Yield Point

(N/mm2)Elongation

(%) Hardness(Hv1)

Lamination

Factor

(%)L C L C L C

50PNH600

50PNM7000.50

408

440

416

450

260

313

270

323

35

30

36

31

132

168

97.0

98.0

L is the specimen taken in the longitudinal rolling direction, while C is taken

perpendicular to the rolling direction.

Table 2.4 Mechanical Properties and Lamination Factor of PNH &

PNM Non-oriented Silicon Steel Sheet

- 21 -

2.1.3 기존의 모터용 적층코어의 고정방법

와류손을 최소화하기 위해 적층된 규소강판 코어는 권선작업 후, 모터 프레

임에 삽입을 하기위해 고정되어야 한다. 그러나 이는 제조공정 중 가고정(假固

定) 공정에 불가하기 때문에 설계상의 강도는 그다지 중요하지 않다. 따라서 적

층된 코어를 고정하기 위한 다양한 방법들이 이용되고 있다.

그 중 가장 쉽고 간단하게 고정할 수 있는 방법은 Fig. 2.11에 나타낸 것과

같은 기계적인 고정방법이다. 이러한 기계적인 고정법은 특별한 가공구조나 설

비를 요하지 않을 뿐만 아니라, 적층성형 후 바로 고정할 수 있다는 장점이 있

다. 또한 공정속도가 빠르고 공정자체의 결함이 없는 등의 장점이 있다. 그 대

표적인 방법으로는 리벳과 클립 및 핀을 이용한 방법이 주류를 이루고 있으며,

현재도 소형모터를 중심으로 널리 적용되고 있다. 그러나 기계적인 고정법은

리벳이나 핀이 코어의 전체 하중을 지탱해야 할 뿐만 아니라, 외주환부폭이 작

아지면 고정을 위한 구멍이나 홈 가공 및 가공부의 강도는 설계개선만으로 어

려워, 그 적용에는 구조상의 한계가 있다.

따라서 구조 설계상의 제약이나 충분한 강도를 만족시키기 위해 용접을 이용

한 고정법이 고려되었다. Fig. 2.12는 용접을 이용한 고정방법을 나타낸다. 아크

를 이용한 적층코어의 고정법은 신뢰성 향상과 더불어 기계적인 고정법으로는

곤란한 큰 하중을 지탱할 수 있으며, 고정부의 강도가 개선되어 보다 열악한

환경에서도 충분한 강도를 보장하게 되었다.

그러나 아크에 의한 용접은 프레스성형시 유착되는 기계유와 규소강판의 절

연피막등으로 인한 결함의 발생이 문제시 되어, 결함제어를 위한 전․후 처리

공정의 추가가 뒤따를 뿐만 아니라, 아크열에 의한 열영향으로 인해 외주환부

의 대응범위는 한계가 있다. 이에 따라 열집중성이 좋으며, 표면코팅막에 의한

결함이 적은 프로젝션 용접(projection welding)이 도입되었다. 프로젝션용접은

용접점의 신뢰도가 높고, 작은 용접점과 빠른 용접속도를 갖는다는 장점이 있

다. 하지만 외주환부폭이 4mm 이하로 줄어들면서 프로젝션용접은 스패터를 유

발하는 등의 문제점으로 그 한계를 드러냈다.

- 22 -

(a) With rivet (b) With clip

(c) With pin (d) With pin

Fig. 2.11 Schematic illustration of mechanical fixing

- 23 -

(a) A welding

(b) A projection welding

Fig. 2.12 Schematic illustration of fixing by welding

- 24 -

2.1.4 레이저를 이용한 모터용 적층코어의 고정방법

적층코어의 고정을 위한 기존의 다양한 방법들은 문제점과 한계를 가지고 있

다. 특히, 기존의 고정법으로는 달성하기 어려운 4mm이하의 폭을 갖는 코어의

외주환부 용접이 가능해 소형․경량화라는 지속적인 시장의 요구에 부합할 수

있다.

때문에 레이저를 이용한 적층코어의 고정법이 검토되었다. 레이저용접을 이

용한 방법은 Fig. 2.13에 나타나는 것과 같이 적층판의 원주 외각을 그림과 같

이 용접하는 것이다. 이 경우 가공속도가 빠를 뿐만 아니라 레이저빔의 높은

고파워밀도에 의해 적층성형 중 유착되는 윤활유의 제거공정을 생략 할 수 있

으며, 특히 아크용접과 같이 열변형에 의한 후가공, 또는 용접을 위한 특별한

형상이나 조건을 요하지 않기 때문에 설계상의 편의를 제공할 수 있다.

더욱이 제조라인에 레이저장비를 설치하여 직경이 다른 코어라도 취급할 수

있다. 즉 레이저장비를 사용한다고 하더라도 직경이 다른 코어의 용접에는 문

제가 없어, 직경의 차이에 대한 조절은 Fig. 2.14와 같이 초점렌즈의 위치변경

만으로 손쉽게 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 소품종 다량생산에 따른 모터 프

레임의 주형틀 제작에 따른 비용절감과 경량화를 위해 강판을 사용한 프레임

제작에도 적용되고 있다. 또한, 척층강판의 성형완성도를 높이기 위해서도 레이

저가 도입되고 있는 추세이다. 이와 같이, 레이저가공장비는 제조라인에 있어서

광범위한 부품 생산에 유연성을 줄 수 있다.

- 25 -

Fig. 2.13 Fixing by laser

Fig. 2.14 Compatibility for handling a wide variety of parts

- 26 -

2.2 Nd:YAG레이저의 발진원리와 특성

2.2.1 Nd:YAG레이저의 발진원리

(1) 레이저의 발진원리

레이저는, 1958년 A.L.Schawlow와 C.H.Townes 등이 광의 증폭에 관한 논문

을 발표해 가능성을 예언한데서 시작되어, 1960년 Maiman이 루비를 발진매질

로 해서 레이저 발진에 성공했다. 그 후 십수년 동안 새로운 레이저매질이 발

견되어, 새로운 파장을 얻기에 이르고 있다. 그러나 수많은 레이저 중에서 공업

적으로 실제 이용되고 있는 레이저는 얼마 되지 않는다.

특히 YAG레이저는 공진기의 구조가 간단하고, 광화이버를 통한 빔의 원거리

전송이 가능하다는 등의 장점이 있을 뿐만 아니라, 매질을 투과할 수 있어 광

학계의 구조를 간소화 할 수 있고, 특별한 장치 없이 수중용접을 할 수 있는

등, 그 응용범위는 점점 확대되고 있다. 다음에 YAG레이저의 발진원리를 서술

한다.

YAG레이저는 기본적으로는 4준위 레이저이다. 여기광을 흡수하여 기저상태

에서부터 20,000cm-1 전후의 상부에 있는 강한 흡수대 [E3]로 여기되면, 광을 방

출하지 않고 급속으로 4F3/2 준위 [E2]로 떨어지게 된다. 이 사이의 체류시간은

약 230μS로 비교적 길다. 이것에 반하여 레이저 천이의 하준위인 4I11/2 준위

[E1]은 기저상태 4I9/2 준위 [E0]로부터 약 2,000cm

-1의 높이에 있어, 빈 상태로

되기 때문에 상준위의 원자수와 하준위의 원자수의 열평형상태가 역전하여,

4F3/2 준위와

4I11/2 준위와의 사이에서 반전분포가 생긴다. 그 결과 1.06㎛의 강

한 근적외광을 발생한다. 이것은 상준위 4F3/2 준위 [E2]로부터 하준위 4I11/2 준

위 [E1]로 천이할 때, 이 사이의 에너지 차 [E2-E1]에 의한 자연방출과 반전분포

에 의한 유도방출된 레이저이다. 이를 Fig. 2.15와 Fig. 2.16에 나타낸다.

4I11/2 준위는 기저상태 4I9/2 준위로부터 충분한 거리가 있는 위쪽으로, 광을

방출하지 않는 비방사천이하기 때문에, 네오디뮴 이온의 분포는 적다. 그 때문

에 기저상태에서의 여기가 조금이라도 준위 사이의 반전분포를 형성하기 쉽다.

- 27 -

4준위 YAG레이저의 발진 효율이 높은 것은 이 때문이다.

특수한 방법을 이용하면, 4F3/2 →

4I11/2 준위 사이에서의 천이에 대응하는 파

장 1.35㎛ 및 4F3/2 → 4I9/2 준위 사이에서의 천이에 대응하는 0.914㎛의 레이저

발진이 가능하고, 이 성질을 이용하여 한대의 장치에서 다수의 파장을 새로 바

꾸어 사용하는 YAG레이저도 일부에는 있다. 특히 파장 1.3㎛의 발진광은 광화

이버에 대한 손실과 분산이 적은 파장역이기 때문에 통신용으로 기대되고 있

다.

(2) 레이저의 구조

① 레이저의 매질

YAG레이저는, 1964년에 미국의 bell연구소에서 J.E.Geusic 등에 의해 발명되

었던 것으로, Nd3+(네오디뮴 3가 이온)을 활성 이온으로써 포함하는 YAG결정

(Y3Al5O12: Yttrium Aluminium Garnet)이 광여기에 의해 얻어지는 파장 1.06㎛

의 가장 강력한 근적외광을 발진하는 고체 레이저이다. YAG는 입방정의 결정

구조를 가지며 융점은 1950℃이다. 또한 경도는 모스경도 8~8.5로 높으며, 굴절

율도 n=1.8로 높은 무색투명한 결정이다.

통상의 YAG로드(rod)는 직경 3~8mm, 길이 50~80mm의 봉(棒)상의 것이 이

용되고 있다. 양 끝단은 파장 λ의 10분의 1(λ/10) 정도로 경면연마하여 그 위

에 무반사 코팅을 행한다. 여기광이 로드 전체에 흡수되도록 측면은 불투명하

게 만든다. YAG의 결정은 통상, 원재를 이리듐(Ir)제의 도가니에 넣고, 녹여서

종결정을 회전시키면서 매시 0.5~0.6mm라고 하는 극히 느린 속도로 성장시키

는 방법(초크랄스키법 - Czochralski single crystal growth)으로 만들어진다. 여

기에 네오디뮴 3가 이온으로 소량(중량비 대비 약 0.75%) 도프(dope)한 것을 레

이저 매질로써 이용하고 있다. 도프한 YAG결정은 연보라색을 띈다.

② 레이저의 여기원

YAG레이저는 광여기에 의해 발진한다. YAG로드의 광여기에 대한 흡수대는,

- 28 -

Fig. 2.17과 같이 0.6㎛의 가시역과 특히 0.75㎛, 0.81㎛ 부근의 근적외역 대에서

강한 피크를 보인다.

YAG로드의 여기용 광원으로는 이하의 것이 있다.

a. 요오드-텅스텐 램프(I-W 램프)

b. 칼륨 수은 램프(K-Hg 램프)

c. 크세논(Xe) 아크(arc) 램프

d. 크립톤(Kr) 아크 램프

e. GaAsxP1-x 발광 다이오드

이 중 크립톤 아크 램프가 비교적 장수명으로 고휘도(輝度) 발광이 가능하여

널리 이용되고 있다. 기본적으로 램프의 점등 형태에 따라서, 펄스 점등의 경우

에는 펄스 여기 레이저, 연속 점등의 경우에는 CW(Continuous Wave) 여기 레

이저로 구분할 수 있다.

③ 레이저의 구조

YAG레이저에서의 공진기의 기본구성은, YAG로드, 여기램프, 전반사미러와

출력미러와 관련한 광학계, 여기광을 효율좋게 YAG로드에 집광하는 집광기의

반사판 및 램프 여기용 전원이다. 가느다란 여기용 램프로부터 발출되는 여기

광은 주위의 모든 방향으로 방출되므로, 광이 손실되는 결점을 가지고 있다. 따

라서 가장 기본적인 YAG레이저는, 여기 램프와 YAG로드를 서로 평행하게 설

치하여 단면이 타원형인 관모양의 집광기 내의 2개의 초점위치에 각각 설치한

다. 또한 집광기 내면은 고반사 코팅이 되어있어 여기용 램프로부터 발광된 여

기광은 타원의 한쪽 초점위치에 있기 때문에 다른 방향의 초점위치에 있는

YAG로드에 집중 조사되는 구조로 되어있다. 광이 집광하여 램프에 조사되면

YAG로드는 여기되어 경면 연마된 양 단면방향으로 광이 방출된다. 집광기로

는, ⅰ. 구면형 집광방식, ⅱ. 타원통형 집광방식, ⅲ. 원통형 집광방식, ⅳ. 이중

타원통형 집광방식, ⅴ. 회전 타원체형 집광방식 등, 몇 가지 종류가 있고, 각각

집광효율을 높이기위해서 고안된 방식으로 통상 황동 등에 의해 형상을 만들고

- 29 -

내면을 경면 마무리한 후, 금도금 또는 금증착을 행하는 경우가 많다. Fig. 2.18

은 YAG레이저 발진기의 기본적구조를 나타낸다.

공진기는 전반사미러(rear mirror)와 부분투과미러(output mirror 혹은 output

coupler)의 2장으로 구성된 안정형공진기로 구성되어 있고, 발진된 레이저는 2

장의 미러 사이를 왕복하는 것으로 증폭(amplification)된다. 통전된 여기램프는

강력한 여기광을 조사하고, 주위로 방사된 광은 반사판에 반사되어 YAG로드에

집광한다. 그 결과, YAG매질 중의 원자를 여기하여 레이저를 발진한다. 증폭에

의해 일정값을 넘은 일부는 출력미러로부터 투과광으로서 외부로 발진된다. 로

드 단면에 미러 대신에 코팅하는 예도 있다. 전자의 구성이 다양한 부가기능에

대응할 수 있으므로, 보다 일반적으로 이용되고 있다.

YAG레이저는 발진파장이 1.06㎛이므로 광학계에 글래스렌즈(glass lens)를 사

용할 수 있고, 통상 미러도 글래스의 기판상에 투전률이 다른 2종류의 막(TiO2,

SiO2 등)을 1/4파장의 두께로 교대로 겹쳐 놓는 것에 의해 소정의 반사율을 가

진 광학계를 제작할 수가 있다.

레이저발진을 정지할 때는 램프광원을 차단하든지 기계적으로 광로를 차단하

는 셔터를 설치한다.

- 30 -

20

15

10

5

0

(Absorption band) Excited state[E3]

4F9/24F7/24F5/24F3/2 [E2]

4I15/2

4I13/2

4I11/2

4I9/2

[E1]

[E0]

Laser(~1.06μm)

Energ

y (X

10

3cm

-1)

2,000cm-1

20

15

10

5

0

(Absorption band) Excited state[E3]

4F9/24F7/24F5/24F3/2 [E2]

4I15/2

4I13/2

4I11/2

4I9/2

[E1]

[E0]

Laser(~1.06μm)

Energ

y (X

10

3cm

-1)

2,000cm-1

Fig. 2.15 YAG laser energy level and laser transition

- 31 -

[E2]

[E1]

[E0]

Non-radiative transfer

(Shallow level) Residence time: about 230μS

Spontaneous emission- ( E2-E1 )

Stimulated emission- inverted population

(Deep level) Residence time: about 1μS

(Ground state)

Energ

y le

vel

Laser

(Absorption band) [E3]

Excited

Non-radiative transfer

[E2]

[E1]

[E0]

Non-radiative transfer

(Shallow level) Residence time: about 230μS

Spontaneous emission- ( E2-E1 )

Stimulated emission- inverted population

(Deep level) Residence time: about 1μS

(Ground state)

Energ

y le

vel

Laser

(Absorption band) [E3]

Excited

Non-radiative transfer

Fig. 2.16 Laser transition of laser pumping mechanism

- 32 -

0.4 0.6 0.8 1.0

Wavelength (μm )

Absorp

tion rate

0.4 0.6 0.8 1.0

Wavelength (μm )

Absorp

tion rate

Fig. 2.17 Absorption spectrum by light pumping of YAG rod

Fig. 2.18 Basic formation of YAG laser resonator

- 33 -

2.2.2 Nd:YAG레이저의 특성

YAG레이저는 파장의 관계 때문에 금속표면에서의 반사율도 작고 CO2레이저

로는 비교적 곤란하다고 여겨왔던 구리, 알루미늄 등의 고반사 재료의 가공에

도 위력을 발휘하고 있다. 또한 단파장이기 때문에 집광성이 우수하고 미세가

공에 적합하여, 전자부품의 소형화에 따른 고밀도화, 고집적화에 대응한 마이크

로 가공의 수요와 더불어 종래법에 대체하는 신가공법으로써 주목되고 있다.

다만 비금속 재료의 가공은 일반적으로 곤란했지만, 최근에는 고출력으로도 화

이버 전송이 가능하게 되어 보다 유연한 자동화 프로세스에 적합한 고정도(精

度) 가공이 기대되고 있다.

그러나, 전기입력에서부터 레이저출력까지의 변환효율은 겨우 2~3%로, 가공

용 YAG레이저는 전원용량이 수 kW에서부터 수십kW나 되지만, 변환효율이 낮

은 만큼 열로 변환되는 양이 증가하기 때문에, 이에 걸맞은 냉각기와 큰 전원

이 필요하게 된다. 이 때문에 상당히 컴팩트한 레이저 헤드를 가짐에도 불구하

고 헤드를 분리한 형태로 장치화되어 있는 것이 많다.

다음에 YAG레이저의 일반적인 장점을 서술한다.

① 집광이 용이하다.

Fig. 2.19에 나타는 것과 같이, 직경D, 파장λ의 코히런트(coherent)한 광을 초

점거리f의 이상적인 렌즈로 집광하면, 집광스폿의 직경d는 다음과 같이 나타낼

수 있다.

× λ

예를 들면, f=100mm, d=20mm, λ=1㎛로서 계산하면, 집광스폿의 직경은 약

12㎛로 작아, 대단히 정밀한 절단이나 천공가공을 할 수 있다. 레이저파워를

W=1,000로 하면, 초점에서는 1㎠당 레이저파워밀도(W/)는 약 109W/㎠의 높

은 값이 되므로, 아무리 융점이 높은 재료라도 순간적으로 증발해 버린다.

Table. 2.5에 각종열원의 파워밀도 비교를 나타낸다. 가스염이나 아크등의 열

- 34 -

원에 비해서, 레이저빔이 높은 것을 알 수 있다. 전자빔도 레이저빔과 마찬가지

로 에너지밀도가 높지만, 진공 중에서 밖에 활용할 수 없고, X선 발생의 위험성

이나 자장의 영향을 받기 쉬운 등 실용상의 제약이 많다. 그러나 레이저빔은

대기 중에서 활용을 할 수 있는 유일의 실용적인 고파워밀도 열원이다.

② 에너지를 멀리 전송 할 수 있다.

레이저빔은 거의 확산되지 않고 멀리 전송하는 것이 가능하다. 레이저빔의

확산각 는 다음 식으로 주어진다.

× λ

이들을 회절한계의 확산각이라 한다. 또한 진공 중에서 감쇠하지 않고, 멀리

떨어진 곳에 에너지를 전송하는 것이 가능하므로, 공장의 레이아웃 등에 큰 자

유도를 줄 수 있다. 또한, 1대의 레이저발진기를 사용해 몇 대 워크스테이션으

로 가공을 행하는 것도 어렵지는 않다. Fig. 2.20은 멀티스테이션(multiple

-station) 가공의 일례를 나타낸다. 가공부품을 셋팅하고 있는 사이에 다른 부품

을 가공할 수 있기 때문에 큰 폭으로 능률을 향상시킬 수 있다. 광통신과 같이

광화이버를 활용하면, 더욱 편리하게 된다. 예를 들면 방사능이 높은 영역, 사

람이 오를 수 없는 높은 곳, 유해가스발생지역 등의 위험한 장소뿐만 아니라,

혈관으로도 레이저빔은 입사할 수 있다. 통상의 기계가공에서는 공장에 공구가

설치되어 있고, 그곳에 부품을 가지고 가는 것을 생각하면, 레이저빔의 편리함

을 알 수 있다.

③ 비접촉 가공이다.

비접촉식 가공이라는 것도 매우 유리한 성질이다. 이 때문에 다이아몬드와

같은 초경재로도 간단하게 구멍을 뚫는 것이 가능해, 전혀 마모하지도 않는다.

비접촉의 또 하나의 효과는 가공부에 이물이 혼입하는 걱정이 없기 때문에, 클

린(clean)한 가공을 할 수 있다. 또한, 공구와 공작물의 접촉으로 인한 소음이

- 35 -

없기 때문에 공장의 작업환경이 좋아질 뿐만 아니라, 과밀주택지역에서도 주야

를 묻지 않고 조용한 작업이 가능하다.

④ 다품종 소량생산․자동가공에 적합하다.

소비자의 요구는 실로 다양하다. 때문에 이들에 맞추어 다품종소량의 생산체

제로 전화되고 있다. 펀치프레스 등의 기계공구는 대량생산 일 때에는 능률이

좋지만, 약간의 형상변화만으로도 새롭게 “형”을 만들지 않으면 안되기 때문에,

형의 추가 제작비용뿐만 아니라, 별도의 작업공간 확보도 요구된다. 이점은 레

이저가공에서는 부품의 형상이 가변해도, 소프트웨어의 변경만으로 즉석해서

대응할 수 있다.

레이저가공기는 파워밀도, 조사시간 등을 재현성 좋게 바꾸는 것이 가능하고,

또한, 소모공구를 교환할 필요가 없기 때문에 장시간 완전자동운전을 하는 것

이 가능하다. 또한, 가공조건의 프로그래밍도 자동적으로 할 수 있기 때문에,

숙련공의 양성이 필요 없는 것도 매력의 하나이다.

⑤ 열영향이 거의 없다.

열영향이 거의 없기 때문에, 용접이나 절단을 해도 거의 열변형이 생기지 않

는다. Fig. 2.21은 레이저용접과 아크용접변형의 비교를 나타낸다. 아크용접 등

에서는 용접 후에 변형되거나 정형․기계가공 등의 공정이 필요하지만, 이들을

생략하는 것이 가능하다. 더욱이 플라스틱, 고무 등의 저융점재료를 실장하는

완성품에 가까운 단계에서도, 용접이나 천공 등의 공정이 가능하다. 이 때문에

제품설계의 자유도가 넓다.

⑥ 분위기의 제약이 크지 않다.

진공 중이나 가압분위기는 물론, 어떤 가스분위기 중에서도 가공이 가능하다.

또한, 투명재료를 통과하는 특수한 분위기에 있는 피가공재도 외부에서 가공이

가능하다. 예를 들면, 유리 넘어의 시계문자판의 마킹, 진공으로 봉한 유리관

- 36 -

내부의 용접, 수중에 있는 철판의 천공 및 용접이 가능하다.

이상과 같이 레이저빔에는 많은 장점이 있어, 이제까지 없는 뛰어난 장점이

있다. 그러나 실제에는 다음에 서술한 것과 같은 문제점도 포함하고 있다.

① 고가이다.

레이저가공기는 가스절단, 아크, 플라즈마 제트 등의 기존의 가공법과 비교하

면, 상당히 고가이다. 또한, 러닝코스트(running cost)도 결코 싸지는 않다. 그러

나 수년 사이에 레이저가공기는 상당히 코스트다운(cost down)이 되었지만, 한

층 더 레이저가공기술이 보급되려면 한층 더 저가격화가 요망된다. 레이저가공

기는 고가로, 발진효율도 낮기 때문에, 기본적으로는 부가가치가 높은 가공에

한정된다.

② 안정성이 불충분하다.

레이저빔은 강력한 파워빔이며, 레이저파워업의 속도에 광학부품이 충분히

추종하지 못하고 있다. 이점은 현미경이나 망원경 등의 미약한 광을 다루는 기

존의 광학분야와 조금 다르다. 특히 강한 레이저빔에 노출된 광학부품은 코팅

등이 손상되기 쉽고, 장기간에 걸쳐서 재현성 좋은 레이저가공을 하려면, 품질

관리를 확실히 하지 않으면 안된다. 파워빔용 광학부품의 개발은 레이저가공에

부과된 중요한 과제이다.

③ 레이저에 적합한 설계 및 재료개발이 필요하다.

레이저는 초점스폿직경이 작기 때문에, 예를 들면 용접 등에서는, 아크용접보

다도 재료의 그루브가공을 정밀하게 할 필요가 있다. 또한 냉각속도가 빠르기

때문에 탄소강에서도 경화하기 쉬다. 또한, 레이저용접부의 온도가 높기 때문

에, 저융점의 합금은 증발에 의해서 없어지기 쉽다. 따라서, 이제까지의 가공법

을 단순히 레이저로 대체하는 것만으로는 잘 진행되지 않는 것이 많아, 레이저

- 37 -

용접에 적당한 설계변경이나 재료개발이 필요하다.

Fig. 2.19 Condensing of laser by lens

Heat source for processing of kind Power density (kW/㎠)

Gas Flame (Oxyhydrogen Flame) ~3

Light Beam (Xenon Ramp) 1~5

Open Arc Discharge ~15

Plasma Jet 50~100

Electron BeamPulse >104

C.W >103

Laser BeamPulse >10

4

C.W >103

Table. 2.5 Power density of heat source for typical material processing

- 38 -

Laser

Laser

Fig. 2.20 Multiple-station processing with laser

(a) Laser welding

(b) Arc welding

Fig. 2.21 Comparison of weld distortion formed by laser and

arc heat source

- 39 -

3. 실험장치 및 방법

3.1 실험재료와 펄스 Nd:YAG레이저 용접장치

3.1.1 실험재료

본 연구에 사용된 레이저 용접용 재료는 약 0.3%의 규소(Si)가 함유된 무방향

성 규소강판 PN60(JIS: 50A1300)으로 두께가 0.5mmt인 일반적인 모터용 규소강

판이며, 그 화학적 조성을 Table 3.1에 나타낸다.

우선 재료평판상에 형상인자를 배제한 비드용접을 실시하여 규소강판의 레이

저용접특성을 검토하였다. 그리고 모터코어형상으로 재단된 규소강판을 적층한

후, 레이저의 가공인자 변화에 따른 적층코어의 엣지(edge)용접 특성을 각각 분

석하였다. 이때 규소강판에 코팅된 절연피막은 페놀수지(phenolic resin)와 산화

크롬(Cr2O3)을 혼합하여 도포한 것으로, 비점(boiling point)이 276℃로 매우 낮

은 페놀은 급속증발하여 험핑(humping)이나 기공을 발생시키는 주요인자로 작

용할 것으로 판단된다. Table 3.2에 규소강판에 코팅된 절연피막의 주요성분인

페놀수지와 크롬 및 규소강판의 주요성분인 철(Fe)과 규소(Si)의 물리적 성질을

나타낸다.

- 40 -

Element

Material

Si C Mn P S Fe

PN60 0.36% 0.005% 0.32% 0.098% 0.0087% bal.

Table 3.1 Chemical compositions of Non-oriented Silicon Steel Sheet

Physicalconstant

Element

Density

(g/m3)

Boiling point

(℃)

Melting point

(℃)

Phenolic resin 0.825(200℃) 276 83.5~84

Cr 7.10 2,672 1,875

Fe 7.86 1,530 2,754

Si 2.42 1,410 2,355

Table 3.2 Physical constant of insulation coating layer

- 41 -

3.1.2 펄스 Nd:YAG 레이저 용접장치

본 연구에 사용된 레이저용접기는 플래시램프(flash lamp) 여기방식의 펄스

Nd:YAG 레이저이다. 레이저 용접장치의 평균출력(Ea)은 800W이고, 피크파워

(Pp)는 20kW이다. 본장치의 주요사양을 Table 3.3에 정리하여 나타내었으며,

Fig 3.1에는 Nd:YAG 레이저 용접장치의 사진을 나타내었다.

Nd:YAG 레이저 용접장치의 빔모드(beam mode)는 TEM00이며, 펄스 에너지

는 최대 150J이다. 용접장치는 3축 CNC와 연동되어 X축 및 Y축으로는 시편을

이송하였으며, Z축에는 레이저 집광헤드(condensing head)를 장착하여 용접을

실시하였다. 집광광학계의 초점길이(fd)는 76mm이며, 노즐끝단에서 시편까지의

작동거리(working distance)는 5.2mm이다. 그리고 동축 실드가스 노즐(coaxial

shield gas nozzle)를 사용하여 20ℓ/min의 Ar으로 용접부를 실드하였다. 또한

미러 반대편에 카메라가 설치되어있어 용접 중 모니터링이 가능하다. Fig. 3.2

에 집광광학계의 사진 및 개략도를 나타내었다.

레이저빔의 펄스파형은 컨트롤러의 출력오더(output oder)와 여기램프의 응

답속도에 영향을 받는다. 레이저의 출력오더와 그에 따른 펄스파형을 Fig. 3.3

에 나타낸다. 우선, Pre-Changing구간에서 여기램프에 공급될 전원을 콘덴서

(condenser)에 충전한 후, Pre-Dischanging 오더에 의해 여기램프에 전원을 공

급한다. 그리고 Pulse domain구간을 지나, 다시 Pre-Dischanging에 의해서 인

가된 전원이 차단된다. 그러나, 출력명령에 즉각 대응하지 못하고 지연된 여기

램프의 응답은 Reset 신호에 의해 방전이 완료된다. 때문에, 펄스의 출력파형은

완전한 구형(矩形)이 아니다.

Fig. 3.4은 실험에 사용된 펄스 Nd:YAG 레이저 용접장치의 출력특성을 나타

낸다. 펄스폭(τp)변화에 따른 평균에너지는 Fig. 3.4(a)에서와 같이 전압별로 τp

=2~3ms까지 급속하게 증가한 후, 평할한 값을 보였다. 그리고 τp=6ms부터 점

차로 감소하는 양상을 보였다. 피크파워는 Fig.3.4(b)에 나타낸 것과 같이 전압

별로 τp=2~3ms에서 최대값을 나타낸 후, 펄스폭 증가에 따라 차츰 감소하는

모습을 보였다. 따라서 평균에너지와 피크파워의 상관관계는 다음과 같다. 펄스

- 42 -

폭이 τp=1~3ms 구간에서는 증가함에 따라 평균에너지와 피크파워가 동시에 증

가하였으며, τp=3~6ms구간은 평균에너지의 감소 없이 피크파워만 감소하는 구

간으로, 펄스폭의 변화만으로 평균에너지변화 없이 피크출력을 제어할 수 있는

구간이다. 이는 재료가공시 키홀의 제어를 용이하게 해줄 것으로 기대된다. τp

=6ms 이후부터는 평균에너지와 피크파워 둘 다 출력이 감소하였으며, 이러한

출력의 감소는 여기램프와 방전컨덴서의 출력한계 때문으로 추정된다.

Fig 3.5, Fig. 3.6 및 Fig. 3.7은 주파수변화에 따른 각 펄스폭별 출력특성을

나타낸다. Fig. 3.4에서와 같이 펄스폭이 τp=1ms일 때는 평균에너지나 피크파워

모두 비슷한 출력을 나타내지만, 40~60Hz사이의 구간은 출력이 떨어지는 모습

을 보이고 있다. Fig. 3.6 및 Fig. 3.7에 나타난 것과 같이 펄스폭이 τp=3ms와

τp=6ms일 때는 주파수 60Hz및 40Hz에서부터 출력이 감소는 모습을 보였는데,

이는 여기램프의 응답속도의 한계에 기인한 것으로 사료된다. 또한 Fig. 3.6에서

전압이 200V일 때 Fig. 3.5와 유사한 모습을 보이고 있는데, 주파수 40~60Hz 구

간에서 12J이하의 에너지를 갖는 경우에 나타나는 하강현상으로 장비의 특성에

기인한 것으로 판단된다.

- 43 -

Laser type Pulsed Nd:YAG Laser

Maker HanBit Laser Co.,Ltd.

Model PF-800

Wavelength 1,064㎚

Average power (Ea) 800W

Peak power (Pp) 20kW

Frequency Single~100Hz

Pulse width 80㎛~20ms

Fiber core dia. 400㎛~1,000㎛

Cooling Air cooled chiller

Power consumption 3φ 200V±10% 60Hz 40kVA

Class Class Ⅳ Laser product

Interworking CNC Samsung FARA SNC-32

Table 3.3 Specification of pulsed Nd:YAG laser

Laser

CNC machine

Condensing head

Monitoring equipment

- 44 -

Coaxial camera

Shield gas hose

Fixture

(a) Photo of condensing head

(b) schematic illustration of condensing head

Fig. 3.2 Photo and schematic illustration of

condensing head

- 45 -

Pre ChargingPre Charging

Pre DischargingPre Discharging

Pulse domainPulse domain

Pre DischargingPre Discharging

ResetReset

Pulse formPulse form

Fig. 3.3 Pulse form according to output oder in laser equipment

- 46 -

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

50Hz

Avera

ge e

nerg

y, E

a(J

)

Pulse width, τp(ms)

(a) Average energy, Ea(J)

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

50Hz

Peak

pow

er, P

p(k

W)

Pulse width, τp(ms)

(b) Peak power, Pp(kW)

Fig 3.4 Property of laser power according to pulse width

- 47 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=1ms

Avera

ge e

nerg

y, E

a(J

)

Frequency, Hz

(a) Average energy, Ea(J)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=1ms

Peak

pow

er, P

p(k

W)

Frequency, Hz

(b) Peak power, Pp(kW)

Fig 3.5 Property of laser power according to hertz in τp=1

- 48 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=3ms

Ave

rage e

nerg

y, E

a(J

)

Frequency, Hz

(a) Average energy, Ea(J)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=3ms

Peak

pow

er, P

p(k

W)

Frequency, Hz

(b) Peak power, Pp(kW)

Fig 3.6 Property of laser power according to hertz in τp=3

- 49 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=6ms

Ave

rage e

nerg

y, E

a(J

)

Frequency, Hz

(a) Average energy, Ea(J)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

2

4

6

8

10

12

14

16

200V 220V 240V 260V

τp=6ms

Peak

pow

er, P

p(k

W)

Frequency, Hz

(b) Peak power, Pp(kW)

Fig 3.7 Property of laser power according to hertz in τp=6

- 50 -

3.2. 실험방법

3.2.1 기존 모터의 아크용접 적용사례와 용접부의 분석방법

기존의 모터코어 고정사례를 분석하기 위해, 각 관련 업체들을 방문하여 완

성품의 형태로 모터를 수집한 후, 모터들을 분해하여 코어만을 취했다. 그리고

모터코어의 고정방법별로 크게 기계적인 고정법과 용접에 의한 고정법으로 분

류하였다. 그 대표적인 모터들 중 일부의 외관 및 사양을 Fig. 3.8에 나타낸다.

기계적인 방법에 의한 고정법은 관련업체 중 한곳을 방문하여 고정방법에 따

른 문제점과 그 사례를 수집한 후, 완성된 모터코어의 가공정도와 재료의 경도

를 측정하였다.

용접에 의한 고정법은 Fig. 3.9에 나타낸 것과 같이 수집된 모터코어의 용접

부를 절단한 후, 비드가 안정적으로 얻어지는 용접끝단 30mm지점에서 횡단면

(transverse section) ⓐ를, 그리고 연속하여 용접진행방향으로 종단면

(longitudinal section) ⓑ를 각각 채취하였다.

다음으로, 채취된 각 시험편을 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester)로

몰딩(molding)한 후 120grit의 실리콘카바이트 연마지(SiC paper)로 절단면을

충분히 연마했다. 그리고 400grit, 1000grit, 1500grit 마지막으로 2000grit의 순으

로 연마하였다. 그 후 0.3㎛의 알루미나 파우더(alumina powder)로 경면연마

(polishing)를 실시하였다.

연마가 끝난 시험편은 불산(HF) 40%+질산(HNO3) 20%+글리세린(glycerin)

40%의 혼합 부식액에 10초간 부식시켰다. 그리고 메탄올로 초음파 세정한 후

금속광학현미경으로 관찰하여 용입깊이 및 결함발생의 정도 등을 관찰하였다.

그 후 용접부에서의 경도를 측정하여 각 부위별 경도분포를 조사하였으며, 또

한 인장시험을 실시하여 적층된 판과 판 사이의 용접강도를 측정하였다.

- 51 -

(a) Pump for water supply

Model PW-K043D

Energy

Consumption 790W(220V)

(b) Circulating Pump for

hot water

Model PH-KO43D

Output of

power40W

Energy

Consumption 100W(100/200V)

(c) Cup moto

Type UGC MED-15 AA2

Output of

power

1.5kW(83.5㎏․㎝)7.5kW(418㎏․㎝)

Energy

Consumption

1.5kW(158V,11.2A)7.5kW(158V,55A)

(d) HICO 3φ induction

motor

Type TEFC

Output of

power11kW

Voltage 440V, 60HzCurrent 19.7A

Fig. 3.8 Variety motors used to experiment

- 52 -

A

(a) Appearance of the laminated core

(b) sampling of specimen

Fig. 3.9 Appearance of the laminated core and sampling

of specimen

- 53 -

3.2.2 규소강판의 레이저 비드용접

Fig. 3.10(a)는 레이저의 비드용접(bead welding)사진으로 형상인자를 배재한

비드용접을 실시하여 재료와 레이저빔과의 상호관계를 분석하였다. Fig. 3.10(b)

는 레이저의 비드용접 모식도를 나타내고 있다. 비드용접 시 입열에 의한 박판

의 변형을 방지하기위하여, 시험편과 용접지그를 지지대와 볼트로 고정하였다.

비드용접시 시편의 관통조건에서는 에너지에 따른 용입깊이의 측정을 위하여

시험편 두장을 겹치기용접(lap welding)하였으며, 용접변형에 의한 두판 사이의

간극변화를 없애기 위해 동일한 방법으로 고정하였다. 피용접 시험편의 크기는

60mm×125mm×0.5mmt로 하였으며, 용접 전 시험편의 표면을 메탄올로 탈지하

였다.

단면관찰용 시험편은 Fig. 3.11에 나타낸 것과 같이, 재현성을 확보하기 위해

비드가 안정적으로 얻어지는 레이저빔 조사 후 60mm진행된 시점에서 횡단면

(transverse section) ⓐ를, 그리고 연속하여 용접진행방향으로 종단면

(longitudinal section) ⓑ를 각각 채취하였다. 그리고 50㎛간격으로 횡단면을 4

회 연마하여 그 평균값을 취하였다.

비드의 천이영역(transition ranges)을 조사하기 위해 비초점거리(fd)에 따른 용

입깊이를 정의한 후 인가전압(V) 및 주파수(Hz)를 다양하게 변화시키면서 용입

현상과 결함발생 경향에 대한 기초자료를 확보하였다.

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Condesing head

Welding jig

(b) Schematic illustration of bead welding

Fig. 3.10 Photo and Schematic illustration of bead

welding

Fig. 3.11 Sampling of specimen in bead welding

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3.2.3 적층코어의 레이저 엣지(Edge)용접

Fig. 3.12(a)은 레이저의 엣지용접사진으로 적층된 규소강판에 엣지용접을 실

시하여, 그 용접특성을 검토하였다. Fig.3.12(b)는 레이저 엣지용접의 모식도를

나타내고 있다. 재단된 규소강판을 적층한 후, 적층부에 간격이 생기거나 용접

시 용접변형에 의한 적층판 사이의 간극변화를 없애기 위해 양측을 지지한 후

볼트로 고정하였다. 피용접 시험편은 4mm의 외주환부폭을 갖는 80mm×80mm

×0.5mmt의 크기로 재단하였으며, 기존의 아크용접과 달리 입열과 변형을 고려

한 용접개소의 프로젝션(projection)부를 두지 않았다. 재단된 시험편은 60mm의

두께로 적층하여 엣지용접을 하였으며, 용접 전 시험편의 표면 및 적층부를 메

탄올로 탈지하였다.

단면관찰용 시험편은 Fig. 3.13에 나타낸 것과 같이, 재현성을 확보하기 위해

비드가 안정적으로 얻어지는 레이저빔 조사 후 25mm진행된 시점에서 횡단면

(transverse section) ⓐ를, 그리고 연속하여 용접진행방향으로 종단면

(longitudinal section) ⓑ를 각각 채취하였다. 그리고 2mm간격으로 횡단면을 4

회 취하여 그 평균값을 사용하였다.

적층된 규소강판을 변형없이 충분한 강도를 얻을 수 있는 레이저가공인자를

도출하기 위해, 비초점거리(fd)에 따른 용입깊이를 정의한 후 인가전압 및 펄스

폭 그리고 주파수를 다양하게 변화시키면서 용입현상과 결함발생 경향에 대한

자료를 확보하였다.

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Condesing head

Welding jig

(b) Schematic illustration of edge welding

Fig. 3.12 Photo and Schematic illustration of

edge welding

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Fig. 3.13 Sampling of specimen in edge welding

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3.2.4 레이저용접현상의 고속도 관찰방법

적층코어의 레이저용접시 재료표면에서 발생하는 유기 플라즈마의 동적 거동

을 관찰하기 위해, 고속도 카메라를 이용하여 가시화 하였다. 본 관찰에 사용된

고속도 카메라는 Digital color CCD sensor's scanning Type을 채용하고 있으

며, 최고 촬영속도는 10,000FPS(Frame Per Second)로, 이때의 최소 셔터타임

(shutter time)은 50㎛이다. 고속도 카메라의 주요사양을 Table 3.4에 정리하여

나타냈으며, Fig. 3.14에 그 계측 시스템의 사진과 모식도를 나타내었다.

실험시 카메라의 시야각(viewing angle)과 해상도를 고려하여 촬영속도를

5,000FPS로 하였으며, 레이저용접시 유기하는 플라즈마의 동적거동을 관찰하기

위해 편광필터(polarizing filter)를 사용하여 플라즈마의 반사광을 제거하였다.

그리고 ND(neutral density)필터 No.4를 사용하여 플라즈마 전파장대역의 색온

도(color temperature)를 1/4로 낮추어, 조리개에 의한 피사계 심도를 얕게 함

으로서 플라즈마에만 최대한 초점을 맞추었다.

레이저용접현상의 관찰시 카메라와 시편의 각도는 15°, 거리는 1.4m를 유지

하여 용융지에서 비산하는 스패터로부터 충분한 안전거리 두고, 유기 플라즈마

의 동적 거동을 관찰하였다. 그리고 비드용접과 엣지용접시의 플라즈마를 관측

하여, 형상인자에 의한 상관관계와 유기 플라즈마의 거동을 분석하였다.

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Model FASTCAM Super 10KC

Maker PHOTRON Co.,LTD.

Sensor 210 watts with lights

Gray scale 658×496 pixels (512×480 displayed)

Lens mount 256 levels

Scanning speed 30~10,000 FPS

Tripod mount C-Mount. 1/3 Format

Operating temp. 1/4~20 and 3/8~16 standard ANSI hole pattern

Storage temp. 0℃ to 35℃ & -20℃ to 70℃ (no condensation)

Power 12 VDC (240V)

Table 3.4 Specification of high speed video camera

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Camera

Condesing head

Welding jig

(a) Experimental photo

(b) Schematic illustration of observation system

Fig. 3.14 Experimental photo and Schematic illustration of

high speed video observation system

- 61 -

4. 실험결과 및 고찰

4.1 종래의 적층코어 고정방법과 문제점

4.1.1 적층코어의 기계적 고정방법과 문제점

(1) 적층코어의 기계적 고정방법

적층코어의 기계적인 고정방법 중 리벳(rivet)을 이용한 방법은 가장 널리 사

용되는 것으로 사료된다. 본 실험을 위해 수집된 모터의 적층코어에서 기계적

인 방법으로 고정된 것 중에서 가장 높은 비율을 차지하고 있었다. 리벳고정의

모식도 및 사진을 Fig. 4.1에 나타낸다. 이 방법은 고정방법이 간단할 뿐만 아

니라, 고정 뒤 후가공이 필요 없어, 아직도 소형모터에서 널리 이용되고 있는

것으로 판단된다. 그러나 모터 코어의 적층판수가 증가하면 리벳만으로 고정하

기에는 강도가 충분하지 않을 뿐만 아니라, 리벳헤어(rivet hair)부분과 몸통

(rivet body)의 연결부가 매우 취약하기 때문에 어느 정도의 힘으로도 쉽게 파

단될 수 있다. 때문에, 큰 내구성을 요구하지 않는 소형모터에 주로 사용되는

것으로 판단되나, 간혹 중형모터의 코어에서도 발견되었다.

클립(clip)을 이용하여 적층코어를 고정하는 방법은 코어를 클립으로 고정한

후 고정부위에 접착용 레진(fixable resin)를 채우는 것으로, 일부 제조사에서 발

견되고 있다. 클립고정의 모식도 및 사진을 Fig. 4.2에 나타낸다. 특히 일부 소

형 공기압축기용 모터에서 지속적으로 발견되고 있으나 이는 특정 제조사에 의

해 수급된 것으로, 그 비율에 큰 의미를 두기는 어렵다. 그러나 소형이기는 하

지만 많은 진동과 부하를 수반하는 공기압축기용 모터에 채용된다는 점에서 어

느 정도 신뢰성을 가지고 있다고 판단된다. 그러나 코어 고정부의 접착용 레진

만 제거하면 고정핀과 코어가 쉽게 분리되어, 소형모터 이외에는 사용하기 어

려울 것으로 판단된다.

핀을 이용한 고정법은 주로 소형가전제품에서 많이 발견되는 형태로 핀고정

의 모식도 및 사진을 Fig. 4.3에 나타낸다. 적층코어와 핀사이의 압착력으로 고

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정되기 때문에 리벳고정과는 그 메카니즘�