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문제 정의
- 산업화가 고도화되면서 소비자는 고기능성의 제품을 원하고 제조회사들은 소비자의 요구를 맞추기 위해서 다양한 가공 방법으로 기능이 다른 여러 종류의 재료로 제품을 생산하고자 한다. 특히 과거의 전통적인 용접으로는 만족할 수 있는 정밀한 금속 접합이 어려워 레이저 용접으로 대체하고 있다.
제안 방법
- Fig. 4는 레이저 출력과 초점거리를 P=i600W, z=0으로 고정하고 레이저 빔 이송속도를 변화 시켰을 때 용입 폭과 용입 깊이를 관찰하기 위해 비드형상을 관찰하였다. Fig.
- SM45C의 용접 특성과 STS304의 용접특성을 비교하기 위해 출력을 2KW 초점 면의 위치는 시편 표면보다 0.5皿1 아래인 z=-0.5imi에서 레이저빔의 이송속도 변화에 따른 비드 단면의 변화를 bead on plate로 실험하여 Fig. 3에 나타내었다. 이때 사용한 보호 가스는 Ar이 고 유량은 4 C/min으로 일 정 하게 유지하였다.
- STS304와 SM45C를 NdrYAG 레이저로 용접 하였으며 이 경우 보호 가스는 불활성 가스인 아르곤 (Ar)을 이용해 공기와 차단하여 용접 시 산화되는 것을 방지하는 한편 플라즈마를 제거하도록 하였다. 아르곤 가스의 유량은 3~4C/min로 하였다.
- STS304와 SM45C를 위에서 설명한 용접 공정변수 결정을 위한 예비 실험을 기본으로 하여 레이저빔의 이송속도를 0.8m/min, 0.85m/min, 0.9m/min로이종 용접하였다. 이종 용접한 용접 단면은 Fig.
- STS304와 SM45C의 레이저 빔의 이송 속도에 따른 입열량을 확인하고 용접 단면의 조직을 촬영하여 레이저 이종 용접의 최적의 공정 변수를 찾았다. 이를 다시 인장 강도와 경도를 확인해서 이종 용접 시용접 금속의 정확한 물리적 값을 확인했다.
- 9m/min에서 추가적으로 실험을 하였다. 결과의 객관성을 유지하기 위해서 기존의 실험조건과 같은 조건으로 용접하여 컷팅, 인장 테스트까지 같은 조건으로 실험을 하였다. Fig.
- 때문에 재료와 파장은 결정되어있다. 그러나 레이저 빔으로 이종 용접할 때 공정 변수로는 레이저빔의 출력, 빔의 이송속도, 초점거리를 변화시키면서 실험하였다. 이종 용접한 후 용융비드 모양, 용접 단면의 미세조직을 관찰한 후 인장강도 실험하여 최적의 용접 공정변수를 제시하였다.
- SM45C는 피로강도가 높고 열처리하면 마모에 강한 성질이 있어 내연기관이나 공작기계의 주요 부품으로 사용한다. 두 금속 최적의 용접조건을 결정하기 위해 비드 온 플레이트(bead on plate)를 실시하였다. 비드 온 플레이트 실험 결과로부터 용융용접 시 고온균열이나 기공 등 결함이 생기지 않는 조건을 찾았다.
- 이렇게 맞대기 용접한 시편을 최소한의 열 영향과 정확한 절단을 위해서 와이어 컷팅을 하였다. 또한 모재와 이종 용접한 부분의 인장력을 비교하기 위해 STS304와 SM45C 모재를 각각 인장 시편규격으로 와이어 컷팅 했다. 이렇게 와이어 컷팅한 인장시편 5개를 인장 테스트 하였다.
- 레이저 공정변수 변화에 따른 용접 단면을 관찰하기 위해 정밀금속 절단기로 용접시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 CuSoi 10mg + Hcl 50皿 + H2 0 5(h戒로 에칭하였다. 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경으로 관찰하였다.
- 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경으로 관찰하였다. 레이저 빔을 금속 시편에 직접 조사하는(bead on plate) 방식과 맞대기 용접후 용접 단면을 절단하여 전자 현미경으로 용입 깊이를 측정하였다. 용접 시 용접속도의 변화에 따른 종횡비(aspect ratio)와 맞대기 용접시 최적의 용접조건을 찾기 위해 공정변수를 변화시키면서 레이저 용접실험을 했다.
- 아르곤 가스의 유량은 3~4C/min로 하였다. 레이저 용접을 위한 레이저 빔 이송속도와 용접비드의 관계를 연구하기 위해 레이저 출력을 1600W와 2000W로하고 초점거리 z=0으로 하여 용접공정 변수를 연구했다.
- 이때 이종 용접한 금속과 모재를 비교하여 용접 후 금속의.물리적 인 성질변화를 알아보기 위해 모재 즉, STS304와 SM45C를 같은 조건으로 컷팅하여 인장 실험하여 그 결과를 비교하였다.
- Om/min ~ lOm/minS. 변화시키면서 용접 비드면과 비드 폭을 측정하였다.
- 시편은 공작대에 부착된 지그에 고정시키고 용접 헤드에서 나오는 He-Ne 레이저광(적색)을 이용하여 용접위치를 확인하였다. 용접위치의 허용오차는 0.
- 1mm 이하로 유지하였다. 시편을 지그로 단단히고정시켜 용접 중 열팽창에 의한 변형이 발생하지 않도록 하였다. 이는 산업 현장에서 용접 시 작업의 편의성 때문에 지그나 클램프 등으로 고정하는 것과 같은 현상을 재현하기 위함이기도 하다.
- 0 5(h戒로 에칭하였다. 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경으로 관찰하였다. 레이저 빔을 금속 시편에 직접 조사하는(bead on plate) 방식과 맞대기 용접후 용접 단면을 절단하여 전자 현미경으로 용입 깊이를 측정하였다.
- 두께는 각각 3mm이다. 용접 시 시편 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤으로 세척한 후, 레이저 용접 공정 변수를 변화 시켜 가면서 실험하였다. 각 시편의 물리적 화학적 성분은 Table 1 와 Table 2 에 나타내었다.
- 레이저 빔을 금속 시편에 직접 조사하는(bead on plate) 방식과 맞대기 용접후 용접 단면을 절단하여 전자 현미경으로 용입 깊이를 측정하였다. 용접 시 용접속도의 변화에 따른 종횡비(aspect ratio)와 맞대기 용접시 최적의 용접조건을 찾기 위해 공정변수를 변화시키면서 레이저 용접실험을 했다.
- 9m/min으로 변화하면서 용접한 시편을 인장 시편의 규격으로 와이어 컷팅하여 인장 테스트를 하여 결과값을 나타내었다. 이때 이종 용접한 금속과 모재를 비교하여 용접 후 금속의.물리적 인 성질변화를 알아보기 위해 모재 즉, STS304와 SM45C를 같은 조건으로 컷팅하여 인장 실험하여 그 결과를 비교하였다.
- 9m/min으로 변화를 주어서 세 번을 용접 하였다. 이렇게 맞대기 용접한 시편을 최소한의 열 영향과 정확한 절단을 위해서 와이어 컷팅을 하였다. 또한 모재와 이종 용접한 부분의 인장력을 비교하기 위해 STS304와 SM45C 모재를 각각 인장 시편규격으로 와이어 컷팅 했다.
- 이를 다시 인장 강도와 경도를 확인해서 이종 용접 시용접 금속의 정확한 물리적 값을 확인했다. Fig.
- 이종 용접에 앞서 STS304와 SM45C의 각각 최 적의 용접조건을 결정하기 위해 예비실험을 하였다. 출력을 1.
- 그러나 레이저 빔으로 이종 용접할 때 공정 변수로는 레이저빔의 출력, 빔의 이송속도, 초점거리를 변화시키면서 실험하였다. 이종 용접한 후 용융비드 모양, 용접 단면의 미세조직을 관찰한 후 인장강도 실험하여 최적의 용접 공정변수를 제시하였다.
대상 데이터
- STS304와 SM45C를 이종 용접한 같은 조건의 공정 변수로 용접하여 인장 시편을 만들었다. 우선 100mx200mx3m(두께)의 시편을 맞대기 해서 출력 P=1600W, 초점거리 z=0, 보호 가스 Ar의 압력은 4 g/min으로 하고 빔 이송속도는 0.
- 본 연구에 이용한 Nd:YAG 레이저의 파장은 1.06 如이고, 최대출력은 2.8kW이다. 평균유효출력은 2kW인 연속파(continuous wave : CW)이고, 레이저빔은 직경이 600网인 광섬유를 통해서 전달한다.
- 다르다. 본 연구에서는 Nd:YAG 레이저(파장 1.06㎛)를 이용하여 STS304와 SM45C를 이종 용접하였기. 때문에 재료와 파장은 결정되어있다.
- 사용된 시편으로는 STS304와 SM45C이며 시편의 두께는 각각 3mm이다. 용접 시 시편 표면의 이물질을 제거하기 위해 아세톤으로 세척한 후, 레이저 용접 공정 변수를 변화 시켜 가면서 실험하였다.
- 또한 모재와 이종 용접한 부분의 인장력을 비교하기 위해 STS304와 SM45C 모재를 각각 인장 시편규격으로 와이어 컷팅 했다. 이렇게 와이어 컷팅한 인장시편 5개를 인장 테스트 하였다.
성능/효과
- STS304는 Fig. 6에 나타낸 것처럼 본 실험 조건에서는 이송속도가 증가함에 따라 입열량이 감소함을 보여준다. Fig.
- 변형률과 인장 강도는 SM45C에 레이저빔이 전달되는 열영향부의 크기에 따라 영향을 받고 있다. 레이저 빔의 이송 속도를 0.85m/min 로 하여 이종 용접했을 경우 SM45C의 모재보다 변형률과 인장강도가 증가하였고 STS304의 모재 보다는 인장강도는 감소하였으나 변형률은 약간 증가 하였다. 이것은 STS304에 포함되어 있는 Ni과 Cr 및 SM45C의 주성분인 C 성분이 혼합되어 나타난 현상으로 판단된다.
- 횡축은 용단 단면의 횡축으로 이종 용접의 중심부를 0으로 하여 왼쪽은 SM45C, 오른쪽은 STS304의 모재이다. 레이저빔의 이송속도를 0.8m/min, 0.85m/min, 0.9 m/min 로 변화시키면서 용접했을 때 경도 값은 탄소 성분이 상대적으로 많은 SM45C 부근의 경도 값이 컸다. 용접부의 경도 값은 모재에 비하여 3배 정도 크게 나타났다.
- 두 금속 최적의 용접조건을 결정하기 위해 비드 온 플레이트(bead on plate)를 실시하였다. 비드 온 플레이트 실험 결과로부터 용융용접 시 고온균열이나 기공 등 결함이 생기지 않는 조건을 찾았다.
- 전체적으로 SM45C의 경우 레이저빔을 시편 표면에 조사 하였을 때 STS304보다 표면에 흡수하여 전달되는 열량이 많아 용접 폭이 열영향부를 고려했을 때 상대적으로 크다. 그러나 STS304는 레이저빔이 표면에 조사 되었을 때 주위로 열을 빠르게 전달하기 때문에 용접 폭은 레이저빔의 이송 속도가 작을 때를 제외하고는 작고 용입 깊이가 큰 용접 결과를 나타내고 있다.
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