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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 점용접이 나 CW Nd：YAG 레이저로 적용이 어려운 특수 부위, 즉 용접시공시 밀봉특성을 요 구한다던지, 최외각에 노출되기 때문에 열 변형이나 열영향이 발생하지 않아야 할 부 분의 적용을 위해 펄스형 레이저의 장점인 적은 열변형, 쉬운 입열량 제어, 중첩도 조 절을 통해 아연도금 강판의 다양한 이음부 에 적용하여 용접부 건전성 확보를 위한 연구를 하였다.
제안 방법
- 다양한 조건으로 제작된 용접부를 광학 현미경 및 전자주사 현미경을 이용하여 각 이음부의 용입형상 및 미세조직을 관찰하 였고, EDS 분석을 통한 용접금속내의 아연성분 유입여부를 확인하였다. 또한 경도 및 인장시험을 통하여 용접부가 가지는 인 장하 중 특성 및 연신율 등의 기계적 성질 을 평가하였으며, 에릭슨 시험 및 굽힘 시 험을 통하여 레이저 용접으로 확보 가능한 성형성을 평가하였다.
- 다양한 조건으로 제작된 용접부를 광학 현미경 및 전자주사 현미경을 이용하여 각 이음부의 용입형상 및 미세조직을 관찰하 였고, EDS 분석을 통한 용접금속내의 아연성분 유입여부를 확인하였다. 또한 경도 및 인장시험을 통하여 용접부가 가지는 인 장하 중 특성 및 연신율 등의 기계적 성질 을 평가하였으며, 에릭슨 시험 및 굽힘 시 험을 통하여 레이저 용접으로 확보 가능한 성형성을 평가하였다.
- 7(T)mm로 준비하였다. 용접에 적용한 이음부는 겹치기 이음부(lap joint), 가장자리 이음부(edge joint) 및 가장자리 맞대기 이음부(edge butt joint) 그리고 접 촉형 용접이 음부(kissing weld joint)로 구 성하여 실험하였으며, 각 이음부에 대한 초점위치 제어를 통하여 스패터 (spatter) 발생 최소조건 도출, 인장하중을 만족하는 용접부 최소 유효 단면적 도줄 등에 대하여 연구하였다. 용접에 사용된 레이저는 800W급의 펄스 레이저 (모델명:HBLPF800)를 사용하였으며, 레이저 발진기에서 발진된 빔은 SKStep Index) 600㎛(직 경)의 광섬유를 통하여 전송되어 초점길이 125mm의 집속렌즈를 통하여 재료에 조사 되었다.
- 예비 실험을 통하여 다양한 이음부에 대해 용접시 소요되는 펄스당 에너지 (J/pulse)조건 및 적정 용접속도를 도출하였다. 각 이음부에 적용된 레이저 변수 및 출력조건 등을 Table 1에 나타내었다.
- 실험시의 모든 공정은 CNC 장비를 이용하여 용접 속도, 초점위치 등의 가공변 수를 정확히 제어하였으며, 본 연구에 적 용된 시스템 구성 및 이음부의 형태를 아 래의 Fig.2 및 Fig. 3에 도식화 하여 나타내었다.
- 특히 겹치기 이음부에서 발생되는 문제는 상판과 하판이 겹쳐지는 아연도금층에서 열원에 의한 아연증기 발 생이며, 아연의 증발온도가 강판의 용융온 도보다 낮기 때문에 먼저 발생하게 되는 아연증기에 의한 용접성 약화가 용접성 저 하의 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 수백여 개 강판의 조합으로 이루어지는 차 체에서 기존의 점용접부나 CW Nd：YAG 레이저 용접에서 적용되고 있는 겹치기 이 음부를 기본이음부로 하여 용접성 및 용접 속도 향상을 위해 다양한 이음부에 대해 적용하였다.
- 레이저 조사시 가장 넓은 아연 접촉 면 적을 가지는 본 이음부는 현재 CW 레이 저의 높은 평균줄력특성으로 고속용접이 가능하며, 용접특성에 대한 검증이 이미 확보되어 점용접의 대체 공정으로 일부 산 업현장에서 이미 적용되고 있다. 본 이음 부에 대한 펄스형 레이저의 용접 실험은 점 간격이 2.3mm인 BI prism이 장착된 트 윈스폿(twin spot) 용접장치를 이용하여 20mm 용접선 내에서 레이저 점용접을 실 시하여 정적 인장하중을 측정하였으며, 갭 〈gap)의 존재 여부에 따른 용접특성 즉, 동 일 출력 내에서 상판과 하판에 임의의 하중으로 압착시키거나 또는 0.2mm의 눈금 자(scale bar)를 사용하여 다양한 갭형성범 위에서 용접하여 단면검사를 실시하였다.
- 헴플렌지를 레이저 용접한 후 굽힘 시 험을 통하여 용접부가 가지는 성형성을 평 가하였다. Fig.
- 펄스형 Nd：YAG 레이저를 이용한 헴플 렌지 적용검토를 위해 용접후 단면검사를 통한 열영향부 범위를 관찰하였다. Fig.
- Nd：YAG 레이저는 광섬유로의 전송이 가능하므로 로봇 등의 장치에 연동되어 사 용될 경우 높은 자유도 확보가 가능하다. 본 용접은 기존의 점용접부 및 현재 그 적 용이 확대되고 있는 CW 레이저에서 적용 되고 있는 겹치기 이음부에 대해 광섬유 전송에 따른 높은 자유도 확보가 가능한 특징을 이용하여 이음부의 모서리부분을 용접하였다. 본 이음부는 구조상 다른 이 음부와 비교하여 레이저빔과 아연도금층과 의 접촉을 최소화시킨 형태(겹치기 이음부 대비 약 11%)로 겹치기 이음부에서 사용된 펄스당 에너지와 비교하여 약 76% 정도 감소시킨 저에너지 투입으로도 용접금 속의 형성이 가능하였으며, 저입열 고반복 에 따른 약 3.
- ) 효과를 얻을 수 있었다. 제 작된 시편의 용접부 분석 결과, 형성된 용 접금속의 최소 유효 용접선 길이는 Fig. 12에서 나타내듯이 약 0.35mm로 요구되는 인장하중특성의 충족이 예상되며, 시편구 조상 정적 인장하중이 측정이 어려운 관계로 샤르피 충격 시험기(Charpy impact test)* 통해 동적 성형 특성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시편은 차체에 적용 되고 있는 아연도금강판으로 다양한 이음 부 제작을 위해서 시편의 크기를 30(W) X 100(L) x 0.7(T)mm로 준비하였다. 용접에 적용한 이음부는 겹치기 이음부(lap joint), 가장자리 이음부(edge joint) 및 가장자리 맞대기 이음부(edge butt joint) 그리고 접 촉형 용접이 음부(kissing weld joint)로 구 성하여 실험하였으며, 각 이음부에 대한 초점위치 제어를 통하여 스패터 (spatter) 발생 최소조건 도출, 인장하중을 만족하는 용접부 최소 유효 단면적 도줄 등에 대하여 연구하였다.
- 용접에 적용한 이음부는 겹치기 이음부(lap joint), 가장자리 이음부(edge joint) 및 가장자리 맞대기 이음부(edge butt joint) 그리고 접 촉형 용접이 음부(kissing weld joint)로 구 성하여 실험하였으며, 각 이음부에 대한 초점위치 제어를 통하여 스패터 (spatter) 발생 최소조건 도출, 인장하중을 만족하는 용접부 최소 유효 단면적 도줄 등에 대하여 연구하였다. 용접에 사용된 레이저는 800W급의 펄스 레이저 (모델명:HBLPF800)를 사용하였으며, 레이저 발진기에서 발진된 빔은 SKStep Index) 600㎛(직 경)의 광섬유를 통하여 전송되어 초점길이 125mm의 집속렌즈를 통하여 재료에 조사 되었다. 용접시 스패터 및 흄(fume)의 발생을 고려하여 용접장치의 하단부에 cross-jet을 설치하여 비산물로부터 렌즈를 보호하였다.
데이터처리
- 7에 본 이음부의 단면 및 표면형상과 이음부의 인장하중치를 나타내었다. 이음 부의 동적 성능을 평가하기 위해서 에릭 센 시험 (Erichsen test)을 실시 하였으며 , Fig. 8에 그 결과를 나타내었다. Fig.
성능/효과
- Table 2에 겹치기 이음부를 기준으로 본 실험에서 얻고자 하는 용입깊이 및 용 접시 레이저빔에 접촉하게 되는 아연도금층의 접촉면적을 계략적으로 표시하였으며, Fig 4에 각 이음부에 적용한 용접속도 를 나타내었다. 각 이음부별로 목적하고자 하는 용입깊이의 차이와 이음부의 구조 특성에 따라 용입깊이의 차이를 보일 수 있 지만, 본 실험에서는 아연도금층 접촉 면 적이 가장 적은 가장자리 맞대기 이음부에서 가장 빠른 고속의 용접이 가능하였다.
- 2mm 눈금자를 사용하여 갭을 형성시킨 용접부의 단면 검사 결과 용접부의 형성은 모재표면보다 움푹 들어가서 형성되는 경향을 나타내고 있었다. 형성된 용접금속자 체는 비교적 안정적 이였으며, 상판과 하 판의 겹침부에서 기공 및 균열의 발생은 거의 관찰되지 않았으나, 미접합된 부분을 일부 관찰할 수 있었다. 반면 Fig.
- 반면 Fig. 5의 (b) 와 같이 갭이 없도록 임의의 하중을 주어 용접한 시편의 경우, 상판과 하판의 겹침 부에서 아연도금층에 의한 영향으로 점용 접부의 표면비드에서는 스패터에 의한 드 릴링 현상이 일부 관찰되었으며, 단면 분 석결과 루트부 및 용접금속의 중심부에서 일부의 시편에서 기공이 관찰되었다. 인 장하중 시험결과, 겹치기 이음부의 용접부 위가 가지는 정적 인장하중은 Fig.
- 5의 (b) 와 같이 갭이 없도록 임의의 하중을 주어 용접한 시편의 경우, 상판과 하판의 겹침 부에서 아연도금층에 의한 영향으로 점용 접부의 표면비드에서는 스패터에 의한 드 릴링 현상이 일부 관찰되었으며, 단면 분 석결과 루트부 및 용접금속의 중심부에서 일부의 시편에서 기공이 관찰되었다. 인 장하중 시험결과, 겹치기 이음부의 용접부 위가 가지는 정적 인장하중은 Fig. 5에서 보듯이 약 520kgf 정도로 목적하였던 인장 하중수치인 42아kgf를 상회하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 아연도금 강판의 용접시공시 가장 큰 불량 요인으로 작용하는 아연도금층과 레 이저빔의 접촉 면적이 겹치기 이음부에 비해 약 1/3수준인 본 이음부는 점용접에 비해 적은 펄스에너지로도 용접이 가능하였다. 가장자리 이음부의 용접 시험결과, 점 용접에서 일부 관찰되던 비드의 함몰 또는 드릴링 현상은 완전히 제거가 가능하였으며, 상판의 가장자리부가 완만하게 용융된 미려한 표면비드를 얻을 수 있었다.
- 아연도금 강판의 용접시공시 가장 큰 불량 요인으로 작용하는 아연도금층과 레 이저빔의 접촉 면적이 겹치기 이음부에 비해 약 1/3수준인 본 이음부는 점용접에 비해 적은 펄스에너지로도 용접이 가능하였다. 가장자리 이음부의 용접 시험결과, 점 용접에서 일부 관찰되던 비드의 함몰 또는 드릴링 현상은 완전히 제거가 가능하였으며, 상판의 가장자리부가 완만하게 용융된 미려한 표면비드를 얻을 수 있었다. 가장 자리 이음부의 경우 겹치기 이음부에 비해 펄스에너지를 약 73% 정도로 감소시킬 수가 있었으며, 펄스형 레이저의 특징인 높은 첨두출력을 이용하여 약 550W의 출력으 로 1500mnVmin.
- 가장자리 이음부의 용접 시험결과, 점 용접에서 일부 관찰되던 비드의 함몰 또는 드릴링 현상은 완전히 제거가 가능하였으며, 상판의 가장자리부가 완만하게 용융된 미려한 표면비드를 얻을 수 있었다. 가장 자리 이음부의 경우 겹치기 이음부에 비해 펄스에너지를 약 73% 정도로 감소시킬 수가 있었으며, 펄스형 레이저의 특징인 높은 첨두출력을 이용하여 약 550W의 출력으 로 1500mnVmin.의 속도로 용접이 가능하였다.
- 의 속도로 용접이 가능하였다. 용접부 단면 분석결과, 유효용접선이 0.35mm 이상 형성되면 목적하고자 하는인장하중을 만족하는 것으로 관찰되었다. Fig.
- 8의 (a)와 (b)에 파단 전 및 파단후의 시험편 형상을 각각 나타내었다. (b) 화살표 부근 이 본 성형능 실험시 최대 변형률을 갖는 부위로 용접비드와 평행하게 파단 됨을 관 찰할 수 있었다. 이러한 결과는 본 실험에서 형성된 용입깊이에 관련된 결과로 모재 의 1/2정도 형성된 낮은 용입깊이에 기 인 한다.
- 18mm의 범위 안 에서 결정립의 조대화가 멈춘 것으로 관찰 되었다. 따라서 헴플렌지에 펄스형 Nd：YAG 레이저를 적용할 경우, CW 레이 저에 비해 최소의 입열을 통한 용접이 가 능하기 때문에 열변형 문제에서 보다 유리 하며, 펄스 중첩도 조절을 통한 밀봉용접 특성도 얻을 수 있었다. 본 용접부가 차체 에 적용될 경우, 절단된 강판의 모서리를 완만하게 용융시키는 것이 가능하게 되므 로 기존에 행해지던 기계가공 공정 등의 후공정 감소에 따른 생산원가 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 최외각의 재료에는 열변형이나 열영향이 거의 없는 용접부형성이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 용접은 기존의 점용접부 및 현재 그 적 용이 확대되고 있는 CW 레이저에서 적용 되고 있는 겹치기 이음부에 대해 광섬유 전송에 따른 높은 자유도 확보가 가능한 특징을 이용하여 이음부의 모서리부분을 용접하였다. 본 이음부는 구조상 다른 이 음부와 비교하여 레이저빔과 아연도금층과 의 접촉을 최소화시킨 형태(겹치기 이음부 대비 약 11%)로 겹치기 이음부에서 사용된 펄스당 에너지와 비교하여 약 76% 정도 감소시킨 저에너지 투입으로도 용접금 속의 형성이 가능하였으며, 저입열 고반복 에 따른 약 3.3배 정도의 용접속도 향상 (2000mm/min.) 효과를 얻을 수 있었다. 제 작된 시편의 용접부 분석 결과, 형성된 용 접금속의 최소 유효 용접선 길이는 Fig.
- 실험 결과 용접부는 최대인장변형과 최대 압축변형을 가지는 부분에서 연신 및 압축을 통하여 파괴나 균열 등이 보이지 않고 용접부 특성을 그대로 유지하고 있었다. 이음부 구조상 갭 의존도는 상대적으로 높은 편이나 용접시 갭 관리가 확보된 다면 표면 품질유지가 상대적으로 용이하며 레이저 빔과 아연도금층과의 접촉면적 이 작기 때문에 동일 출력에서 속도 향상 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 정도의 용접속도로도 안정적인 비드의 형성이 가 능하였다. 이는 겹치기 이음부에 비해 약 2배 정도 속도 향상 결과이며, 용접에 필요한 펄스당 에너지도 약 1/2배 수준으로 감소시킬 수 있었다. 본 이음부에 대해 다양한 중첩도를 주어 용접 시험한 결과, 약 64%정도 이상의 중첩도를 갖게 되면 밀봉 특성을 유지하는데 문제가 발생하지 않는 용접부 형성이 가능한 것으로 나타났다.
- 이는 겹치기 이음부에 비해 약 2배 정도 속도 향상 결과이며, 용접에 필요한 펄스당 에너지도 약 1/2배 수준으로 감소시킬 수 있었다. 본 이음부에 대해 다양한 중첩도를 주어 용접 시험한 결과, 약 64%정도 이상의 중첩도를 갖게 되면 밀봉 특성을 유지하는데 문제가 발생하지 않는 용접부 형성이 가능한 것으로 나타났다.(Fig.
- (1) 펄스형 Nd：YAG 레이저의 경우 높은 첨두 출력을 이용한 용접공정으로 입 열량 제어가 용이하여 이음부의 특성에 맞게 출력을 조절하여 열변형을 최 소화시킬 수 있었다.
- (2) 다양한 이음부에 대해 연구한 결과, 겹 치기 이음부에서는 요구되는 인장하중 값을 상회하는 결과를 얻을 수 있었으 며, 아연증기 배출이 용이한 구조인 가 장자리 이음부나 가장자리 맞대기 이 음부에서는 모서리의 날카로운 부분이 둥글게 가공된 미려한 비드표면과 연 신율 및 요구 인장하중 등 기계적 성 질을 만족하는 결과를 나타냈다.
- (3) 밀봉특성을 요구하는 부위에 적은 열 변형을 가지는 펄스 레이저 심용접을 적용할 경우, 완전 밀봉 및 용접부의 부드러운 표면으로 인한 후처리 공정의 감소 및 생산원가 절감의 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- (4) 펄스형 Nd：YAG 레이저의 평균출력을 증가시키게 되면 CW Nd：YAG 레이저 에 비해 낮은 평균출력에서도 유사한 속도의 고속도용접이 가능하였다.
- 17에 나타내었다. 모재의 결정립에 비해 열영향부의 결정립 크기는 3~5배 정도의 성장을 관찰할 수 있었으며, 열방출이 비교적 용이한 용접금 속 루트부나 표면에서는 모재와 비교하여 결정립 크기 변화는 크게 나타나지 않은 것으로 관찰되었으며, 결정립이 조대해진 열영향부에서 기계적 성질의 감소를 예측 할 수 있다. Fig.
후속연구
- 따라서 헴플렌지에 펄스형 Nd：YAG 레이저를 적용할 경우, CW 레이 저에 비해 최소의 입열을 통한 용접이 가 능하기 때문에 열변형 문제에서 보다 유리 하며, 펄스 중첩도 조절을 통한 밀봉용접 특성도 얻을 수 있었다. 본 용접부가 차체 에 적용될 경우, 절단된 강판의 모서리를 완만하게 용융시키는 것이 가능하게 되므 로 기존에 행해지던 기계가공 공정 등의 후공정 감소에 따른 생산원가 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 최외각의 재료에는 열변형이나 열영향이 거의 없는 용접부형성이 가능할 것으로 판단된다.
- 실험 결과 용접부는 최대인장변형과 최대 압축변형을 가지는 부분에서 연신 및 압축을 통하여 파괴나 균열 등이 보이지 않고 용접부 특성을 그대로 유지하고 있었다. 이음부 구조상 갭 의존도는 상대적으로 높은 편이나 용접시 갭 관리가 확보된 다면 표면 품질유지가 상대적으로 용이하며 레이저 빔과 아연도금층과의 접촉면적 이 작기 때문에 동일 출력에서 속도 향상 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
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