클린 레이저 시스템을 적용한 도막제거 효율 및 건전성 평가

2.1 레이저 시스템 개요

레이저를 이용한 강재에 대한 표면처리는 발진방식에 따라 pulse 방식과 CW(continuos wave) 방식으로 구분할 수 있다^[6]. 이 연구에 적용한 레이저 시스템은 YSM-1000C으로 연속적으로 레이저 빛을 조사하는 CW 방식이며, Table 1에 상세한 성능을 나타내었다.

Table 1.

Laser performance

클린 레이저 시스템을 이용한 실험을 위해 Fig. 1과 같은 레이저 컨트롤 및 레이저 스캔 장치로 구성된 실험 환경을 구축하였다.

Fig. 1.

Clean laser equipment

클린 레이저 시스템의 레이저 스캔 범위는 500×500(mm), 연직방향 이동은 100 mm가 가능하며, 레이저 스캔 속도는 최대 200 mm/sec의 성능을 가지며, 또한 레이저 출력도 조절이 가능하도록 제작되었다.

2.2 실험 목적

실험에서는 일반 환경 중방식 도장 실험편에 클린 레이저를 사용하여 도막 제거 후에 제거된 도막두께 및 조도값을 측정하고, 육안으로 표면을 관찰하였다. 이를 통하여 클린 레이저의 표면처리 적합성, 표면처리 최적 조건 및 도막제거 효율을 정량적으로 산출하기 위한 제안식을 도출하였다. 그리고 인장시험을 통해 클린 레이저 표면처리에 대한 건전성을 평가하였다.

실험에 있어서 클린 레이저와 관련된 문헌조사를 통해 클린 레이저 표면처리에 대한 각각 실험의 정량적인 목표값을 설정하여 진행하였다. 각 실험들의 목표값을 Table 2에 나타내었다. 실험편의 도장두께는 약 215 μm이고 경제적으로 도막을 제거한다고 판단했을 때 이 두께를 2회 정도로 완전히 제거되는 것으로 하여, 1회 도막두께 감소량이 100 μm - 150 μm가 되도록 목표값을 설정하였다. 그리고 표면조도는 KCS 14 31 40: 2019 도장^[7]을 참고하여 클린 레이저 표면처리 후 표면조도값이 25 μm - 75μm가 되도록 하였다.

Table 2.

Two experimental target values

2.3 실험편 제작

실험편의 강종은 SS235, 제원은 길이 300 mm, 폭 100 mm, 두께 5 mm를 적용하였으며, 도장기준은 실제 강교량 도장에 적용되는 기준으로 일반환경 중방식도장을 적용하였다. 실험편은 KCS 14 31 40: 2019 도장^[7]을 참조하여 제작하였다. Fig. 2에 실험편 사진을 나타내었고 Table 3에 도장기준을 나타내었다. Table 6에 제시된 클린 레이저 사용 횟수 0회 결과(클린 레이저를 표면처리하기 전 실험편의 도막두께)를 통해 일부 실험편의 도장 두께는 실험편 제조과정에서 시방서 규격과 약간의 오차가 발생한 것을 알 수 있다. 또한 도장을 실시하지 않은 실험편 부분에서의 표면조도 측정값은 75 μm 전·후 정도로 KCS 14 31 40: 2019 도장^[7]의 기준값(25 μm - 75 μm)의 상한치 정도의 표면조도로 나타났다.

Fig. 2.

Specimen configuration

Table 3.

Manufacturing conditions for heavy-duty coating specimens in general environments

2.4 실험조건

클린 레이저 시스템을 이용한 도막제거 실험은 레이저 출력, 레이저 스캔 폭 및 레이저 스캔속도를 영향인자로 하였으며, Table 4에 상세한 내용을 나타내었다. 레이저 주파수는 50 kHz로 고정하여 실험을 실시하였다.

Table 4.

Experimental matrix

매개변수는 레이저 사양에 맞추어 설정하였으며, 도막두께 측정 실험은 다른 실험보다 많은 측정값이 필요하여 레이저 파워를 500 W - 1,000 W까지 100 W 단위로 세분화하여 실험을 실시하였다. 실험편명은 No. 1 - No. 19까지 매개변수에 따라 명명하였으며, Table 5에 나타내었다.

Table 5.

Name of specimens according to test parameters

2.5 실험종류 및 측정방법

이 연구에서는 클린 레이저에 의한 도막 제거 효율 및 성능을 조사하기 위해, 도막두께 측정, 표면조도 측정, 클린 레이저 사용 후의 강재 표면 관찰을 실시하였다. 그리고 표면처리 후에 실험편의 안정성을 확인하기 위해 추가로 인장시험을 실시하였다.

2.5.1 도막두께 측정방법

클린 레이저 실험을 통해 레이저 출력, 레이저 스캔 폭, 레이저 스캔 속도 및 제거 도막량의 관계를 검토하고 클린 레이저에 의해 목표량 이상의 도막두께가 제거되는가의 여부를 확인하였다. 실험에서 도막두께는 Fig. 3에 나타낸 도막두께 측정기를 사용하여 측정하였다. 클린 레이저 적용 횟수에 따른 잔존 도막두께를 3회 측정하고, 이들의 평균을 도막두께로 하였다. Table 6에 도막두께 측정값을 나타내었다.

Fig. 3.

Measuring equipment

Table 6.

Remaining coating thickness based on the number of cycles(Unit: μm)

3.1 도막두께 측정 결과 및 분석

클린 레이저 실험을 통해 레이저 출력, 레이저 폭 및 레이저 스캔 속도와 도막두께 변화와의 관계를 정리하였다. 도막두께 측정결과를 Table 6에 나타내었다.

도막두께 측정 결과 레이저 폭이 35 mm일 경우(실험편 No. 1 - No. 8), 실험편 No. 7을 제외한 모든 실험체는 1회에서 목표값 110 μm 이상의 도막이 제거되었고, 2회의 클린 레이저 사용으로 도막이 하도까지 제거되었다.

레이저 폭이 70 mm 이상인 경우(실험편 No. 9 - No. 18), 레이저 속도 10 mm/s에서는 110 μm 이상의 도막이 제거되지 않아, 도막 하도까지 제거하는데 3회 이상의 작업이 필요하였다. 레이저 속도가 5 mm/s인 경우에는 레이저 파워가 600 W 이상일 때 110 μm 이상의 도막이 제거되었다.

Table 7에 클린 레이저 실시횟수에 따른 도막두께 감소량을 나타내었다.

Table 7.

Removed coating thickness based on the number of cycles(Unit: μm)

Fig. 4에 클린 레이저 1회 실시에 따른 레이저 출력 변화에 대한 도막두께 감소량을 나타내었다. 동일 레이저 속도 5 mm/s인 경우, 동일 레이저 출력시에 레이저 폭이 35 mm인 경우가 70 mm인 경우에 비하여 도막두께 감소량이 크게 나타났다. 또한 레이저 출력이 증가할수록, 레이저 폭이 작을수록 도막두께 감소량이 크게 나타났으나, 출력 900 W 이상에서는 레이저 출력증대 및 레이저 폭 감소의 효과가 도막두께 감소량에 미치는 영향이 명확하게 나타나지는 않았다.

Fig. 4.

Graph of reduction in coating thickness according to the change of laser power

그리고 도막두께 감소량과 레이저 출력, 레이저 속도 및 레이저 폭의 영향인자와의 관계를 나타낼 수 있는 일부 실험편을 대상으로 이들 관계를 정리하여 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5.

Graph of reduction in coating thickness according to changes in laser speed and laser width

레이저 폭 35 mm, 레이저 속도 5 mm에서 레이저 출력 500 W(실험편 No. 1), 1.000 W (실험편 No. 6)의 실험편을 기준으로 하여 레이저 폭을 2배 증가시킨 경우(실험편 No. 9, No. 14) 및 레이저 속도를 2배 증가시킨 경우(실험편 No. 7, No. 8)에 대한 도막두께 감소량을 비교하였다. 레이저 폭 및 레이저 속도의 2배 증가에 따라 도막두께 감소량은 레이저 출력 500 W일 경우에 33 % 및 40 % 감소하였으며, 레이저 출력 1,000 W의 경우에 60 % 및 64 %로 감소하였다. 이 결과로부터 레이저 폭과 레이저 속도가 증가하게 되면 도막두께 감소량이 감소되며, 또한 레이저 출력이 클수록 도막두께 감소량도 더 커지는 것으로 나타났다.

이로부터 도막두께 감소량은 단위면적당의 레이저 출력강도와 관계를 갖는 것을 알 수 있으므로 3가지 영향인자인 레이저 출력, 레이저 폭, 레이저 속도의 영향을 반영할 수 있는 정량적인 평가가 필요할 것으로 판단된다.

3.2 표면처리효율과 도막두께 감소량의 관계

3가지 영향인자와 도막감소량의 관계에 대한 Park et al.의 선행연구^[4]에서는 도막두께의 변화와 영향인자(레이저 출력, 레이저 스캔 폭 및 스캔 속도)의 관계는 레이저 출력이 증가할 때 도막 제거율이 증가하고, 레이저 스캔 폭 및 스캔 속도가 증가할 때 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 3.1절의 연구결과와 동일한 것을 알 수 있다. 따라서 선행연구에서는 이러한 결과를 반영하여 클린 레이저 작업횟수에 따른 도막두께 변화 예측 모델을 보정계수를 도입하여 나타내었다. 그러나 선행연구에서 제시한 보정계수로는 3가지 영향인자와 도막두께 감소량과의 정량적 평가에는 어려움이 있는 것으로 판단된다.

따라서 이 연구에서는 3가지 영향인자와 도막두께 감소량과의 정량적인 관계 및 평가식을 제안하기 위하여 도장의 표면처리효율(EST: efficiency of surface treatment)로 3가지 영향인자와 도막두께 감소량과의 관계를 평가하였다.

표면처리효율을 나타내는 EST는 식 (1)과 같이 정의하였다.

Table 8에는 클린 레이저 표면처리 실험에서 적용된 설정값의 단위를 나타내었으며, Table 9에는 각 실험편에 대해 클린 레이저 적용에 따른 도장의 표면처리효율인 EST​(W/mm²)를 산출하여 나타내었다. Fig. 6에 표면처리효율 EST와 클린 레이저 적용횟수를 반영한 측정 도막두께 감소량과의 관계를 나타내었다. 표면처리효율과 도막두께 감소량의 관계는 결정계수 R² = 0.972의 매우 높은 상관관계를 갖는 것을 알 수 있다. 그래프에서 실선으로 나타낸 안쪽의 데이터는 잔존 도막량이 130 μm이상인 경우를 대상으로 2회 클린 레이저 작업을 실시한 데이터를 나타내었다. 클린 레이저 작업횟수에 관계없이 도막두께 감소량은 표면처리효율에 의해 충분히 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 향후 클린 레이저에 의한 도막두께 감소량은 식 (2)에 의해 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

• 여기서, y: removed coating thickness(μm)
• 　　　  x: EST(W/mm²)

Table 8.

Unit value of each variable

Table 9.

EST(W/mm2) value of each specimen

Fig. 6.

Graph of the relationship between EST and the thickness of the removed coating when a clean laser was used 1 or 2 times

3.3 표면조도 측정 결과

재도장 시 표면처리 후의 표면조도는 도장의 품질과 연계되는 중요한 영향인자이다. KCS 14 31 40: 2019 도장^[7]에 따르면 표면처리된 강판의 표면조도는 25 μm - 75 μm를 만족하여야 한다. 이러한 것을 반영하여 연구에서는 클린 레이저를 적용한 강재 도장 실험편 중에서 레이저 출력이 500 W, 1,000 W인 경우를 대상으로 표면조도를 측정하였다. Table 10에 표면조도 측정결과를 나타내었다.

Table 10.

Surface roughness measurement result of specimen

Table 10의 자료를 기초로 하여 Fig. 7에 표면처리효율과 노출 강재 표면의 최종 표면조도와의 관계를 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 것과 같이 표면처리효율의 크기와 표면조도와는 유의한 관계가 없는 것으로 나타났다. 그리고 일부 실험편(No. 9, No. 14)의 최종 표면조도는 KCS 기준을 만족하지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Graph of relationship between final residual coating thickness and roughness value

Fig. 8에 잔존 도막두께와 클린 레이저 실시횟수에 따른 단계별 표면조도와의 관계를 나타내었다. 표면처리효율 및 클린 레이저 실시횟수에 따라 도막두께 감소량, 즉 잔존 도막두께가 달라진다. 그림에서 알 수 있는 것과 같이 하도까지 완전히 제거되어 강재 표면이 노출된 일부 실험편(No. 9, No. 14)을 제외하면, 클린 레이저 실행 단계별 실험체 표면의 측정 표면조도는 모두 KCS 기준을 만족하고 있는 것으로 나타났다. 그리고 클린 레이저 실행횟수 증가에 따라, 즉 잔존 도막두께가 작을수록 표면조도가 시방기준의 상한인 75 μm에 가까워지는 것을 알 수 있다. 이것은 실험편의 강재 표면이 노출되는 경우, 최초 도장시의 블라스팅에 의한 표면조도가 노출되는 것에 의한 영향으로 판단된다.

Fig. 8.

Graph of relationship between remaining coating thickness and roughness value

3.4 클린 레이저 실행에 따른 실험편 표면상태 조사

도장을 위한 표면처리의 제청도는 1985년 미국에서 제정된 SSPC 표준 및 1976년 스웨덴에서 제정된 SIS 표준이 대표적인 국제표준이다. 이 표준은 일반적으로 4가지 등급으로 분류된다. Table 11 및 Fig. 9에 4가지 등급의 표면처리 상태를 나타내었다.

Table 11.

Surface treatment grade table

Fig. 9.

4 surface treatment grade photos

강교 보수도장의 표면처리는 준나금속 세정(SSPC-SP10)에 따르는 것을 기본으로 하고, 하도의 대부분이 양호한 상태일 경우 동력공구 세정(SSPC-SP3)에 따르도록 되어 있다. 준나금속 세정(SSPC-SP10) 표면처리 기준은 육안으로 관찰 시, 기름, 그리스, 먼지, 밀스케일, 녹, 구도막, 산화물, 부식생성물, 기타 이물질이 없어야 한다. 단, 녹, 밀스케일, 또는 구도막의 얼룩(때)에 의하여 발생된 가벼운 색바램이나 흔적의 합이 고루 펴져 있으되 5 %를 초과해서는 안 된다^[7].

연구에서는 준나금속 세정 표면등급(SSPC-SP10)과 클린 레이저를 실행한 실험편 표면의 등급을 비교분석하였다. 표면상태 조사는 조도 측정 시험에서 사용한 실험편을 대상으로 하였다.

Figs. 10-11에 클린 레이저 출력을 각각 500 W 및 1,000 W로 하여 실험한 4개 및 5개의 실험편 표면상태를 나타내었다. 사진을 보면 실험편 No. 15 및 No. 18을 제외한 나머지 실험편은 표면이 깨끗하고, 제거되지 않은 도장이 전체 면적의 5 % 미만이므로 SSPC-SP10 등급을 만족하는 것을 알 수 있다. 실험편 No. 15 및 No. 18의 경우는 제거되지 못한 도장이 전체 면적의 5 % 이상 남아있어 SPC-SP10 등급에 도달하지 못하였다. 이로부터 클린 레이저 실행에 따른 강재 표면처리 등급은 기준을 충분히 만족하는 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

Photo of specimens with laser power of 500 W

Fig. 11.

Photo of specimens with laser power of 1,000 W

JIS 기준(Z 2358: 2019)^[8]에서는 레이저로 녹 등을 제거한 후 강재 표면의 오염도를 측정하는 방법으로 처리면의 상태를 색상 견본과 비교하는 간단한 육안법 및 광전 색채계에서 처리면의 색채를 정량적으로 측정하는 색채 계법이 제정되어 있다. Table 12에 JIS 규정에서 제시한 육안법의 5단계 견본을 나타내었다.

Table 12.

Sample 5 steps of the visual method

Figs. 10-11에서의 표면사진과 JIS 기준을 비교한 결과, 모든 실험편의 색상 및 표면의 산화을 고려하면 3번 등급 견본의 색상에 유사한 것으로 판단되어 앞에서 기술한 SSPC 기준과도 부합하는 것을 알 수 있다.

3.5 인장시험 결과

인장시험에 사용된 실험편은 SS235 강재로 2절에서 제시된 실험편(300 mm × 100 mm × 5 mm)과 동일하며, 레이저 표면처리 전 시험편과 레이저 출력이 가장 높은 1,000 W, 레이저 주파수 50 kHz, 레이저 속도 5 mm/s, 레이저 폭 35 mm의 클린 레이저 표면처리 후 실험편을 대상으로 인장시험을 실시하여 클린 레이저 표면처리 전 및 표면처리 후에 대한 건전성을 비교하였다. 인장시험에서는 시편의 제원과 시험 시간을 고려하여 변위속도는 4 mm/min을 적용하였다. Fig. 12에 인장시험 결과로서 하중-변위 곡선을 나타내었다.

Fig. 12.

Load-displacement curves of tensile tests

하중-변위 곡선으로부터 클린 레이저 표면처리 전 실험편의 최대하중은 200.7 kN(인장강도 401.5 MPa)이며, 클린 레이저 표면처리 후 실험편의 최대하중은 202.3 kN(인장강도 404.6 MPa)로 나타났다. 인장시험의 결과로부터 클린 레이저 표면처리 전과 후의 최대하중 및 인장강도의 차이는 거의 나타나지 않는 것을 확인하였다. 이로부터, 클린 레이저 표면처리 전과 후의 강재의 기계적 성질은 변화가 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Fits-Gerald et al.의 연구^[5]와도 일치하는 것이다. 추가적으로 Fits-Gerald et al. 연구^[5]에서는 클린 레이저 실행은 피로강도에 영향을 주지 않는 것을 확인하고 있어 클린 레이저의 활용성을 확인하고 있다. 향후 이 연구에서 적용된 클린 레이저 시스템에 대한 실증실험과 경제성 분석 및 환경에 대한 영향 분석 등의 연구가 뒷받침되어야 할 것으로 사료된다.