[논문]레이저-회전 아크 하이브리드 용접공정의 개발

김철희; 채현병; 이창우; 김정한; 이세헌

[국내논문] 레이저-회전 아크 하이브리드 용접공정의 개발
Development of Laser-Rotating An Hybrid Welding Process 원문보기

大韓溶接學會誌 = Journal of the Korean Welding Society, v.24 no.1, 2006년, pp.88 - 92

김철희 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 채현병 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 이창우 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 김정한 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 이세헌 (한양대학교 공과대학 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Laser-rotating arc hybrid welding was introduced by combining $CO_2$ laser and rotating gas metal arc welding. While the arc rotation enhances the weld pool motion, it reduces the undercut formation which is one of most critical weld defects in the conventional laser-arc hybrid welding. This research investigated the bead characteristics according to the welding parameters such as frequency of rotation, welding voltage, shielding gas composition and interspacing distance between laser and we. The welding parameters were selected to reduce spatter generation and ensure sound weld beads fur bead welding and butt welding with various joint gaps. Gap bridging ability was improved, such that the sound weld beads were achieved for butt joint with up to 2mm joint sap, with no adjustment of CTWD(Contact tip-to-workpiece distance) and electrode diameter.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 회전아크를 적용한 레이저-아크 하이브리드 용접공정에서 공정변수에 따른 용접비드 특성을 파악하였으며, 또한 다양한 간극의 맞대기 용접에 적용하였을 경우 간극 대응력을 검토하고자 하였다.

제안 방법

레이저는 모재에 수직으로 조사되고, 회전토치는 모재에 일정한 각도로 기울어져 장착되었다. 아크가 레이저에 일정한 거리로 선행하여 진행하고, 정해진 회전반경과 회전수로 GMA 전극이 회전하도록 장치되었다.
실험에서는 12kW급 CO2 레이저와 500A 급 인버터 용접기를 용접전원으로 이용하였으며, 두께 8mm의 조 선용 A 그레이드 강재에 비드용접과 맞대기 용접을 수행하였다. 아크가 회전하지 않는 하이브리드 용접실험에서 선정한 공정변수를 기준으로 공정변수의 변화에 따른 용접비드 형상을 관찰하였으며⁴⁾ 본문에 별도로 언급되지 않은 경우의 용접조건은 Table 1과 같다.
회전아크 용접의 장점인 간극대응력을 확인 하기 위하여 간극이 2mm까지 존재하는 맞대기 용접부에 회전 아크를 적용하였다. Fig.
3) 용접전압, 보호가스 조성, 레이저-아크 간 거리에 따른 용접 비드를 관찰하였다. 아크 회전에도 불구하고 과도한 용접전압에 의한 용접결함은 개선되지 않았다.
1) 레이저를 모재에 수직으로 조사하고 아크회전 장치를 기울인 형태의 레이저-회전 아크 용접공정을 비드용 접과 맞대기 용접에 성공적으로 적용하였다.

대상 데이터

중공축형 모터를 이용한 아크회전 장치를 이용하였으며(1), CO2 레이저헤드와 아크 회전장치를 조합한 하이 브리드 용접헤드의 사진은 Fig. 2와 같다.
실험에서는 12kW급 CO2 레이저와 500A 급 인버터 용접기를 용접전원으로 이용하였으며, 두께 8mm의 조 선용 A 그레이드 강재에 비드용접과 맞대기 용접을 수행하였다. 아크가 회전하지 않는 하이브리드 용접실험에서 선정한 공정변수를 기준으로 공정변수의 변화에 따른 용접비드 형상을 관찰하였으며⁴⁾ 본문에 별도로 언급되지 않은 경우의 용접조건은 Table 1과 같다.

성능/효과

(2) 레이저-아크간 거리가 2mm 이하인 경우에는 레이저 키홀에서 발생한 플라즈마의 유동에 의하여 용적의 이행이 편향되어 비드의 비대칭성이 나타났다. 또한 6mm이상인 경우에는 비드의 경계에서 용융이 충분하지 않아 언더컷이 발생하였다^4,⁵⁾
(3) 간극이 존재하는 맞대기 이음부의 용접에서 1mm 이하의 간극을 가진 경우에는 용접전류와 전압과 같은 아크 용접공정변수의 조절로 양호한 용접비드를 얻을 수 있었다. 그러나 간극이 1.
회전아크 용접의 장점인 간극대응력을 확인 하기 위하여 간극이 2mm까지 존재하는 맞대기 용접부에 회전 아크를 적용하였다. Fig. 8과 같이 고정된 CTWD와 1.2mm 와이어를 이용해서도 언더필이 발생하지 않는 용접비드 형성이 가능함을 확인하였다.
2) 회전 토치를 모재에 기울여 아크 회전을 구현함에 따라 회전 주파수에 따른 비드 폭의 증가는 크게 나타나지 않았다. 이는 회전주파수 증가에 따른 원심력의 증가와 스패터량 증가가 상쇄되기 때문으로 사료된다.
아크 회전에도 불구하고 과도한 용접전압에 의한 용접결함은 개선되지 않았다. 보호가스조성에서 C₆함량이 부족할 때, 그리고 레이저-아크간 거리가 과소하거나 과대할 때 나타났던 언더컷은 회전아크 적용에 따라 용융 풀의 유동이 활발하게 이루어진 것에 의해 감소됨을 확인하였다.
4) 간극이 있는 맞대기 용접에서 레이저-회전아크 하이 브리드 용접을 적용하면 간극에 대한 대응력이 크게 향상되어 2mm의 간극에서도 CTWD를 변화시키거나 와이어 지름을 크게 하지 않아도 양호한 용접부를 얻을 수 있었다.

참고문헌 (11)

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C.-H. Kim, S.-J. Na: A study on Horizontal Fillet Welding by Using Rotating Are, Journal of The Korean Welding Society, 21-3 (2003), 296 301 (in Korean)

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