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문제 정의
- 본 연구에서는 경량구조용 재료로서의 고강도 A1 합금인 비열처리형인 A5083합금과 열처리 형 합금인 A7N01 합금에 대하여 레이저 용접을 적용하였을 경우, 우수한 용접성과 기계적 성질을 확보할 수 있는 용접기술을 확립하기 위한 일환으로, 우선 용융특성 및 기공감수성에 미치는 합금의 종류와 용접 조 건의 영향에 대하여 정량적으로 검토하고자 하였다.
제안 방법
- 적정한 보호가스의 종류와 유량을 선정하기 위하여, Ar가스와 He가스를 대상으로 가스의 종류 및 유량에 따른 용접 비드형상을 조사하여 보았다. A5083합금을 대상으로 출력을 3~5kW, 용접속도를 lm/min으로 용접하여 비 교하였다.
- X-Ray 투과 시험에서는 작은 기공이 검출되지 않기 때문에, 용접 선 방향으로 절단한 횡단 면에 대해서 광학현미경으로 조사하여 보았다.
- 로 표시된 것은 완전용입, O로 표시된 것은 부분 용입된 것을 나타낸다. 기공수는 길이 10mm의 횡단면 비드로부터 측정하고, 수/mm?로 나타내었고, 체적률은 화상분석에서 얻었진 기공의 면적을 측정면적으로 나누어 면적 비로 평가하였다.
- 기본적인 용접 조건은 Table 2와 같다. 보호가스의 종류 및 유량을 선정하기 위해서, Ar과 He의 2종류 가스에 대하여 유량을 30~70 2/min로 변화시켰다. 이때의 용접 조건은 용접속도를 lm/min 로 고정시키고, 레이저 출력을 3kW 및 5kW로 하였다.
- 14는 A7N01 합금의 기공 발생 감수성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 여기서 막대로 표시한 것은 크기별로 정량화 결과이고, 크기의 분류는 중간 정도 크기를 0.4~ 0.8mm로 정하고 이보다 적은 것과 큰 것 3종류로 분류하였다. 그림에서 원(・, O)으로 표시한 것은 총 기공 수와 총체적률을 나타내고, .
- 6은 용접 조건에 따른 용입 깊이를 정량화하여 출력 및 용접속도별로 정리한 것이다. 용 입 깊이는 11곳의 비드 단면으로부터 측정하여 평균값으로 정량화하였다. A5083합금의 경우(a), 4kW 및 5kW에서는 용입 깊이에 미치는 용접속도의 영향이 거의 없지만, 6kW 및 7kW에서는 용접속도가 증가할수록 용입 깊이가 감소하고, 6kW에서 그 감소폭이 큰 것을 알 수 있다.
- 용융특성에 영향을 미치는 인자 중에 가장 영향이 큰 것은 출력과 용접속도일 것으로 예상되어, 레이저 출력을 4~7kW, 용접속도를 1~ 4m/min로 변화시켜 비드언플레이트 용접한 후, 용융특성으로 비드 외관 및 용입 깊이를 검토하여 보았다.
- 용접부의 외관은 실체현미경을 사용하여 관찰하였다. 용융특성은 용접선 방향과 용접선 방향에 수직인 방향으로 시편을 절단하여 Image analyzer로 용입 깊이를 측정하였다.
- 이때의 용접 조건은 용접속도를 lm/min 로 고정시키고, 레이저 출력을 3kW 및 5kW로 하였다. 용입 특성과 기공에 미치는 용접 조건 및 합금 종류의 영향을 검토하기 위하여 레이저 출력을 4, 5, 6, 7kW로, 용접속도를 1. 2, 3.
- 용접구조용 재료로 주로 사용되는 A1 합금인 A5083 및 A7N01 합금을 연속 C6 레이저로비드언플레이트 용접을 행하여, 용융특성 및 기공감수성에 미치는 합금의 종류와 레이저 출력, 용접속도 등과 같은 용접 조건의 영향에 대해서 검토하여 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 용접부의 외관은 실체현미경을 사용하여 관찰하였다. 용융특성은 용접선 방향과 용접선 방향에 수직인 방향으로 시편을 절단하여 Image analyzer로 용입 깊이를 측정하였다.
- 6㎛) 가 공장치 (Advanced Materials Proce sing Institute, Kinki, Japan)를 사용하였다. 용접은 모재를 12O(L)xlOO(W)x4(T)mm 크기로 절단하여, 사포(#400)로 연마하고, 아세톤 세척을 한 후, 압출 방향에 평행하게 CW-CO2 레이저 로 비드용접 (Bead on plate)을 행하였다. 기본적인 용접 조건은 Table 2와 같다.
- 우선 CO2 레이저 용접부의 기공 발생 정도를 조사하기 위하여, 7N01 합금을 대상으로 X-ray 투과 시험으로 측정하여 보았다. Fig.
- 가스를 사용하는 경우, 비드 표면이나 내면에 A1N이 생성되어 언더 커드가 가 발생하기 쉬운 것으로 알려져 있다. 적정한 보호가스의 종류와 유량을 선정하기 위하여, Ar가스와 He가스를 대상으로 가스의 종류 및 유량에 따른 용접 비드형상을 조사하여 보았다. A5083합금을 대상으로 출력을 3~5kW, 용접속도를 lm/min으로 용접하여 비 교하였다.
대상 데이터
- 모재는 비열처리용 합금인 Al-Mg계의 A5083 합금과 열처리용 합금인 Al-Zn-Mg계 A7N01 합금을 사용하였고, 화학 조성은 Table 1과 같다. 단A7N01 합금은 T5 열처리된 것을 사용하였다.
- 모재는 비열처리용 합금인 Al-Mg계의 A5083 합금과 열처리용 합금인 Al-Zn-Mg계 A7N01 합금을 사용하였고, 화학 조성은 Table 1과 같다. 단A7N01 합금은 T5 열처리된 것을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 레이저 장치는 5축 3차원 가공기인 50kW급 CO2 레이저(Y =10.6㎛) 가 공장치 (Advanced Materials Proce sing Institute, Kinki, Japan)를 사용하였다. 용접은 모재를 12O(L)xlOO(W)x4(T)mm 크기로 절단하여, 사포(#400)로 연마하고, 아세톤 세척을 한 후, 압출 방향에 평행하게 CW-CO2 레이저 로 비드용접 (Bead on plate)을 행하였다.
성능/효과
- 마이크로 포커스 X선 투과 영상장치를 이용하여 A5083합금의 키홀의 거동과 기공의 생성거동을 검토한 연구보고에 의하면, 키홀은 대단히 격렬하게 팽창과 수축을 반복하므로, Fig. 15의(a) 와 같이 키홀선단에서 기포가 발생하고, 생성된 기포는 용융지 내에서 빠른 용융금속의 흐름에 따라 상부 쪽으로 이동하면서 서로 합체하여 성장하거나, 이동 중에 이미 응고된 고체벽에 트랩되어 기공으로 잔류하고, 일부는 용융지 표면으로 부상하여 소멸되는 것으로 확인 되었다. 또한 출력이 낮고, 용접속도가 빠른 조건에서 얻어지는 부분 용 입 용접부에서는 루트부가가장 응고속도가 빠르므로, 이곳에서 기포가 쉽게 트랩될 것으로 생각된다.
- 용 입 깊이는 11곳의 비드 단면으로부터 측정하여 평균값으로 정량화하였다. A5083합금의 경우(a), 4kW 및 5kW에서는 용입 깊이에 미치는 용접속도의 영향이 거의 없지만, 6kW 및 7kW에서는 용접속도가 증가할수록 용입 깊이가 감소하고, 6kW에서 그 감소폭이 큰 것을 알 수 있다. 특히 7kW의 l~2m/min 에서, 6kW의 lmm/min에서 관통용접되는 것을 알 수 있다.
- 특히 7kW의 l~2m/min 에서, 6kW의 lmm/min에서 관통용접되는 것을 알 수 있다. 한편, A7N01 합금의 경우(b), 4kW 및 5kW에서는 용접속도가 빠를수록 용입 깊이도 급격히 감소하는 경향이 있다. 특히 7kW에서는 용접속도와 관계없이 거의 관통 용접에 이르고, 6kW의 1~2m/min의 용접속도에서는 관통용접되고, 3m/min 이상의 용접속도에서는 속도가 증가할수록 용입 깊이가 감소한다.
- 1) 보호가스로서는 Ar가스보다 He가스를 사용한 경우, 비드 외관이 더 균일하며 깊은 용입 깊이를 얻을 수 있었다.
- 2) 출력이 증가할수록, 용접속도가 느릴수록 용입 깊이가 증가하였고, A7N01 합금이 A5083 합금보다 용입 특성이 우수하였다. 이것은 7N01 합금이 증기압이 높은 Zn, Mg의 량이 많기 때문인 것으로 생각되었다.
- 3) 기공감수성에 미치는 용접 조건의 영향은 뚜렷한 상관관계가 없었다. A5083합금의 경우, 용입 깊이가 깊은 고출력, 저속도에서는 기공의 수는 적으나, 큰 기공들이 많아 체적률이 높았고, A7N01 용접부의 경우 완전용 입 조건에서는 기공의 체적률이 낮고, 특히 출력이 높을수록 기공 체적률이 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 8은 출력을 7kW로 일정하게 하고, 용접속도를 1~4m/min으로 변화시킨 경우의 X-ray 투과 사진과 그 사진에서의 결함 부위를 스케치한 것이다. 이것으로부터 출력이 낮을수록, 용접속도가 빠를수록, 기공 발생률이 증가하는 것을 알 수 있다.
- 특히 7kW에서는 용접속도와 관계없이 거의 관통 용접에 이르고, 6kW의 1~2m/min의 용접속도에서는 관통용접되고, 3m/min 이상의 용접속도에서는 속도가 증가할수록 용입 깊이가 감소한다. 이상의 결과로부터 출력이 증가할수록, 용접속도가 느릴수록, 용입 깊이가 증가하고, A7N01 합금이 5083 합금보다 용입이 잘 되는 것을 알 수 있다.
- 이것은 후술하는 용입 깊이 와도 관계가 있다. 즉, 완전용입된 비드는 대체로 양호한 비드이고, 부분 용입된 비드는 대체로 불량한 비드인 것으로 구별되었다.Fig.
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