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문제 정의
- )용액을 사용하여 에칭하였다. 용융후 냉각시 용접부의 상변화와 생성물의 유무를 관찰하기 위하여 X선 회절시험을 하였고 EDS분석은 모재와 용접부의 합금원소의 양과 분포양상을 알아보기 위해서 수행하였다.
- 실험에 사용된 두 재료의 열전도도 차이에 중점을 두고 좀 더 효율적인 용접을 하기 위해서 실험을 통하여 얻은 레이저빔 줄력, 주사속도와 문헌에서 찾은 물리적 특성값을 고려하여 간단히 열전도에 관한 프로그램을 만들었다. 이 프로그램은 용접 특성을 조사하기보다는 온도분포만을 관찰하기 위한 목적으로 만들었다. 레이저빔 조사시 재료가 용융되지 않는 조건 하에 강판에서의 온도 분포를 관찰하고 이를 근거로 오프셋(off-set)을 결정하였다.
가설 설정
- 경계조건은 대류, 복사 및 moving heat source를 고려하였다. 그러나 간략하게 하기 위해서 상수 값을 온도에 변하지 않는다는 가정 하에 일정한 값으로 설정하였으며, 바닥으로 빠져나가는 열도 1000 W/m2K 일정하게 하였다.
- 금속의 경우에 온도가 상승할수록 레이저빔의 흡수율은 증가한다. 그러나 본 실험에서는 열 분포도만을 확인하기 위해서 온도에 따라 변하지 않는다는 가정 하에 흡수계수는 0.5 상수로 놓았다. 열 분포해석 크기는 레이저 조사시 국부적인 온도분포를 고려하여 X축 10cm, y축 7.
제안 방법
- 1. 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 서로 다른 금속의 열전도 분포와 실험을 통하여 최적의 오프셋(Off-set)량을 도출하였다. 그 값은 SCP강판 쪽으로 0.
- 본 실험에서 이산화방정식을 얻기 위해서 유한체적법 (Finite Volume Method) 을 사용하여 제어체적에 적분을 하였다. FVM해석은 3차원을 적용하였으며, 3차원 열전도 방정식은 다음과 같다.
- 모재, 열영향부 및 용접부의 경도변화를 측정하기 위하여 미세경도기를 사용하여 모재에서 열영향부와 용접부의 경도를 측정하였다. lOOOgf의 하중 하에서 0.2mm의 측정간격으로 Vickers 경도 값을 측정하였다. 그리고 용접된 시편의 파단위치와 연신율, 인장강도 항복강도값을 알아보기 위해서 인장실험을 수행하였다.
- 경계조건은 대류, 복사 및 moving heat source를 고려하였다. 그러나 간략하게 하기 위해서 상수 값을 온도에 변하지 않는다는 가정 하에 일정한 값으로 설정하였으며, 바닥으로 빠져나가는 열도 1000 W/m2K 일정하게 하였다.
- 이러한 용접방법은 용접 불량으로도 이어질수가 있다. 그래서 본 연구에서는 양호한 용접결과를 얻기 위해 이룬적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 레이저 빔 위치를 중심축으로부터 어느 정도 이동시켜야 하는지를 계산하고, 실제적으로 실험적 오프셋 (off-set)위치를 결정 하려고 한다. Fig.
- 5cm로 하였다. 그리고 다른 인자 레이저 출력, 빔크기, 레이저 속도는 예비 실험을 통하여 얻은 값을 참고로 하여 사용하였다.
- 2mm의 측정간격으로 Vickers 경도 값을 측정하였다. 그리고 용접된 시편의 파단위치와 연신율, 인장강도 항복강도값을 알아보기 위해서 인장실험을 수행하였다. 인장시편은 ASTM subsize type E8~78의 소형판상으로 제작하였으며 용접부가 인장방향 에 수직한 것과 인장방향에 수평한 것 두 가지 종류로 만들어서 실험을 하였다.
- 1은 레이저 용접의 모식적인 그림을 나타낸다. 레이저 재료가공은 많은 내적요인과 외적요인을 고려해야 되는데 일단 재료와 레이저가 결정이 되면 내적요인은 거의 결정이 되므로 외적요인을 적절히 조절하여 레이저 용접의 최적조건을 반복실험 (trial and error)과 컴퓨터 시뮬레이션을 병행하여 실시하였다.
- 이 프로그램은 용접 특성을 조사하기보다는 온도분포만을 관찰하기 위한 목적으로 만들었다. 레이저빔 조사시 재료가 용융되지 않는 조건 하에 강판에서의 온도 분포를 관찰하고 이를 근거로 오프셋(off-set)을 결정하였다.
- 맞대기(butt) 용접을 위해 시편을 300x100 mm의 크기로 절단한 후 허용 간격을 없애기 위하여 용접되는 면을 밀링가공 하였다. Table 2는 실험시편으로 선택한 재료에 대한 물리적, 화학적 및 전기적 성질을 비교한 것이다.
- 모재, 열영향부 및 용접부의 경도변화를 측정하기 위하여 미세경도기를 사용하여 모재에서 열영향부와 용접부의 경도를 측정하였다. lOOOgf의 하중 하에서 0.
- 실제 실험시 오프셋 (off-set) 량이 ±0.2mm를 넘으면 용접이 불량하기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션은 Off-set 가능성이 있는 -0.2mm~ +0.2mm 까지 프로그램을 실행하였다. (+)로 표시한 것은 SCP강 쪽으로 Shift된 것을 나타내고, (-)로 표시한 것은 STS304쪽으로 이동(Shift)된 것을 나타내었다.
- 실험에 사용된 두 재료의 열전도도 차이에 중점을 두고 좀 더 효율적인 용접을 하기 위해서 실험을 통하여 얻은 레이저빔 줄력, 주사속도와 문헌에서 찾은 물리적 특성값을 고려하여 간단히 열전도에 관한 프로그램을 만들었다. 이 프로그램은 용접 특성을 조사하기보다는 온도분포만을 관찰하기 위한 목적으로 만들었다.
- 3에 나타내었다. 액압성형성 시 험은 레이저 용접된 시편을 금형에 장착하고 용접시편이 파단될 때까지 유압을 가한 뒤 파단된 돔(Dome)의 높이를 측정하여 성형성을 평가 하였다.
- 액압성형성 시험(bulge test)를 수행하고 높이 게이지 (height gauge)를 이용하여 돔의 높이 (dome height를 측정하였다. Table 6의 결과를 보면 용접된 시편 돔의 높이 (dome height)는 모재에 비해 약 52.
- 그러나 STS304 강쪽의 열영향부는 관찰하기 힘들었다. 용접구역을 확대하여 lath형 마르텐사이트로 사료되는 조직들을 관찰 할 수 있었다. 이것은 레이저용접 특성의 하나인 빠른 냉각으로 인해 확산될 시간적 여유가 없어서 마르텐사이트로 변태했기 때문이다.
- 용접부 비드의 형상과 용접부 조직의상 을 관찰하기 위해서 용접 시편의 단면을 채취하여 연마후 Aqua regia (20ml HNO3, 60ml HC1)용액을 사용하여 에칭하였다. 용융후 냉각시 용접부의 상변화와 생성물의 유무를 관찰하기 위하여 X선 회절시험을 하였고 EDS분석은 모재와 용접부의 합금원소의 양과 분포양상을 알아보기 위해서 수행하였다.
- 2는 레이저빔 조사시의 시편과 레이저빔이 주사되는 것을 도식적으로 나타내고 있다. 용접은 효율성을 고려하여 중심부로부터 오프셋(off-set)을 주어 용접을 실시하였다. 파장이 짧은 Nd:YAG 레이저는 플라즈마의 영향이 적어서 보호가스 (Shielding gas)는 사용하지 않고 공기만을 불어주었다.
- Schaeffler diagram에서 추정된 용접부의 상은 마르텐사이트일 것으로 예상하였다. 위의 결과를 확인하기 위해 XRD분석을 실시하였으며, 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 레이저 용접의 결과를 보면 Schaeffler diagram에서의 예측과 같이 7-오스테나이트 첨단(peak)은 나타나지 않고 마르텐사이트 첨단(peak) 만이 관찰되었다.
- 컴퓨터 시뮬레이션과 Nd-YAG 레이저를 이용하여 SCP강판과 STS304강판을 용접하여 기계적 특성과 미세조직을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 재료는 0.8mm두께 의 SCP강판과 STS304강판을 사용하였다. 그리고 이 금속들을 광전원자 방출분광 분석기를 이용하여 성분분석을 하였으며, :1 결과는 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 재료는 성형성과 비용면에서 우수한 SCP강판과 내식성이 양호하고 고온에서 우수한 기계적 성질을 갖는 STS304강판을 선택하였다. 특히 STS304 강판은 고온 산화성이 적고, 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리등의 광범위한 부식 환경에 사용이 가능하여 자동차 배기계의 자재관(flexible pipe), 열교환기, 수송용기, 식품 용기 등에 사용된다.
- 용접은 맞대기(butt) 용접으로, 자생용접 autogeneous welding)을 하였고 실험에 사용한 레이저는 고등기술연구원 0AE)의 3kw급 연속파 (Continuous Wave) Nd:YAG 레이저로 제원은 Table 3에 나타내었다. Fig.
- 그리고 용접된 시편의 파단위치와 연신율, 인장강도 항복강도값을 알아보기 위해서 인장실험을 수행하였다. 인장시편은 ASTM subsize type E8~78의 소형판상으로 제작하였으며 용접부가 인장방향 에 수직한 것과 인장방향에 수평한 것 두 가지 종류로 만들어서 실험을 하였다. 용접부가 인장 방향에 수직한 시편은 용접의 건전성을 조사하기 위한 것이고, 용접부가 인장 방향에 평행한 시편은 용접부의 인장강도를 조사하기 위한 것이다.
데이터처리
- 8mm두께 의 SCP강판과 STS304강판을 사용하였다. 그리고 이 금속들을 광전원자 방출분광 분석기를 이용하여 성분분석을 하였으며, :1 결과는 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 본 실험에서 이산화방정식을 얻기 위해서 유한체적법 (Finite Volume Method) 을 사용하여 제어체적에 적분을 하였다. FVM해석은 3차원을 적용하였으며, 3차원 열전도 방정식은 다음과 같다.
- 위의 대수방정식을 풀기 위해서 가우스-자이달(Gauss Seidel Method) 방법을 사용하여 해를 얻었으며, 시간간격 (#)은 레이저의 열원이 한번에 두개 이상의 y방향의 격자를 지날 수 없다는 조건에서 안정적인 시간간격을 사용하기 위해 0.5를 곱하였다.
성능/효과
- 3. 수직한 방향의 인장시험 결과 모재에서 파단이 일어나 용접의 건전성을 확인할 수 있었고 수평한 인장시험결과 연신율이 모재대비 약 84%로 상당한 연신율을 보여주었다.
- 일반적으로 생산현장에서 레이저 용접 후 성형하는 경우 보고에 의하면 실제 생산 공정에서 용접된 시편의 기계적 특성치가 모재의 80%이상이 요구된다.4)그러나 본 실험에서는 이 값에 너무 못 미치는 약 52.3% 정도를 나타내었다.
- 4. 미세조직 관찰결과 lath형 마르텐사이트가 관찰되었고 이로 인하여 경도값, 인장등 기계적 성질이 향상된 것으로 사 료된다.
- 두 가지의 경우 가시적인 결과로는 어느 것이 더 균일하게 분포 되었는지 판단하기 어려웠다. 그래서 실험을 병행하여 비드형상을 비교하였으며, 비드형상 비교 결과 오프셋 (off-set)(+0.1)의 경우가 가장 양호하게 나타내었다. 비드형상 비교사진은 Fig.
- 8%, 용접선에 평행하게 인장한 시편은 447%로 모재대비 84%를 상회하는 만족할 만한 성형성을 보여주었다. 또한 용접선에 수직한 방향으로 인장한 경우에는 모재에 비해 51.1% 정도의 연신율로서 수평인장의 경우보다 성형성은 떨어지나 모재에서의 파단 결과로 볼 때, 용접이 잘 되어서 접합의 정도가 양호함을 보여주고 있다.
- 9에 나타내었다. 레이저 용접의 결과를 보면 Schaeffler diagram에서의 예측과 같이 7-오스테나이트 첨단(peak)은 나타나지 않고 마르텐사이트 첨단(peak) 만이 관찰되었다. 그러나 마르텐사이트상 Q'(b.
- 그러나 이것을 현실적으로 구분하기는 상당히 어렵기 때문에 본 실험에서는 α와 α'상을 모두 α상으로 표기하였다. 마르텐사이트와 페라이트가 XRD로 구분하기 어렵다는 것을 제외하고는 Schaeffler diagram의 예즉과 잘 맞는다는 것을 알 수 있었다.
- 성형성을 가장 잘 대표하는 연신율의 경우, SCP강은 50.65%, STS304는 55.8%, 용접선에 평행하게 인장한 시편은 447%로 모재대비 84%를 상회하는 만족할 만한 성형성을 보여주었다. 또한 용접선에 수직한 방향으로 인장한 경우에는 모재에 비해 51.
- 실험을 통하여 레이저에 의한 용접의 최적조건을 설정할 수 있었으며 레이저의 장점을 이용하여 용접부를 제어함으로써 좋은 기계적 성질을 얻었다.
- 8에 Creq 와 Nieq을 Schaeffler diagram 으로 나타내었다. 용접부를 Schaeffler diagram에 나타냄으로써 주요 성분이 마르텐사이트 구역에 있는 것을 알 수 있었고 한 곳에 몰려 있지 않고 약간 분산되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이것은 레이저용접이 레이저빔 하에서 용탕이 매우 높은 온도이나 표면 장력구배에 의한 혼합이 이루어질 정도로 급냉 과정 중에 충분한 시간이 있지 않아서 이런 결과가 나온 것으로 생각된다5)
- 용접부를 포함한 시편의 인장결과를 비교해 볼 때, 모재에 비해 항복강도는 상승하고 연신율은 감소하는 경향이 나타났다. 이는 레이저 용접후 생성되는 비드(bead)의 경도가 모재에 비해 매우 크고 거의 변형이 없기 때문이다.
- 용접부의 경도값을 보면 전체적으로 모재보다 높은 경도값을 가지는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 경도값이 증가하는 것은 마르텐사이트의 생성과 입자의 미세화, C의 고용강화등으로 설명된다.
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