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문제 정의
- 1에서 F)가 변화함에 따라 시험편 표면에서 레이저 빔의 직경이 변화하게 된다. 레이저 빔의 직경은 레이저 강도 (intensity; J-cm'2-sec4)°11 영향을 미치기 때문에, 초점위치에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 관찰하기 위한 실험을 수행하였다. 클래딩 헤드를 일정한 속도로 위쪽으로 이동시키면서(즉 초점위치를 -15mm에서 + 15mm로 변화시키면서), 동시에 수평으로 이동하는 양극 산화된(anodizing) Al 판재 위에 레이저 펄스를 연속으로 조사하여 조사흔적의 직경을 측정하였다.
- 본 연구에서는 용착효율을 높이기 위하여 레이저 클래딩 변수들이 용착효율에 미치는 영향을 분석하였으며, 클래딩 변수들의 최적화를 수행하였다. 레이저 클래딩 변수들은 매우 다양하며, 많은 변수들의 영향을 적은 실험으로 체계적으로 분석하기 위하여 통계적인 실험 및 분석기법인 다꾸찌(Taguchi) 실험계획법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 저출력 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용한 레이저 클래딩의 가능성을 확인하였으며, 용착효율에 미치는 변수들의 영향을 분석하였다. 실험결과를 바탕으로 새로운 레이저 클래딩 헤드를 설계 제작하였으며, 용착효율을 높이기 위한 최적조건을 도출하였다.
- 확보할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 최대 평균 출력 400W의 저출력 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용하여 Co 합금의 레이저 클래딩을 목적으로 하고 있다. 펄스 레이저는 많은 장점을 제공한다.
제안 방법
- 1에서는 레이저 클래딩 변수들의 위치를 도식적으로 보여준다. 각 클래딩변수들에 대한 실험조건 범위에 대해서도 예비실험을 통해 적절한 범위를 결정하였다.
- 8g/sec를 사용하였다. 그러나 클래딩 단위길이당 분말송급량을 0.06g/mm로 일정하게 유지하기 위하여, 각 분말송급속도에 대하여 시험편의 이송속도를 각각 6.7, 10.0, 13.3mm/sec로 달리 설정하였다. 레이저 출력은 펌핑전압, 펄스 폭 및 펄스 주파수를 조합하여 조절할 수 있다.
- 현재 사용하는 레이저 클래딩 헤드는 분말송급각도를 40° 이하로 설정하기 어려웠다. 따라서 분말송급각도를 20°로 더욱 작게 설정할 수 있는 레이저 클래딩 헤드를 새로이 설계 제작하였다. Fig.
- 사용하여 정확히 조절하였다. 또한 실험의 오차를 줄이기 위하여 시험편의 이송, 모든 가스의 공급, 레이저의 발진, 분말의 송급 등 모든 클래딩 실험은 NC 프로그램을 사용하여 자동으로 이루어지도록 하였다.
- 레이저 출력은 펌핑전압, 펄스 폭 및 펄스 주파수를 조합하여 조절할 수 있다. 레이저 발진조건은 펌핑 전압은 260V로 일정하게 두고, 레이저 펄스 폭과 펄스 주파수를 상대적으로 변화시켰다. Table 2에서 3개의 레이저 발진 조건은 펄스 폭과 펄스 주파수의 조합에 무관하게 평균 출력이 약 293W로 일정하도록 설정하였다.
- 레이저 클래딩 변수들로서는 예비실험을 통해 레이저 클래딩의 용착효율에 영향을 많이 미친다고 생각되는 ① 보호가스 종류, ② 레이저 발진조건, ③ 분말송급속도, ④ 분말송급각도, ⑤ 분말송급위치, ⑥ 레이저 초점 위치의 6 종류를 선택하였다. Fig.
- 레이저 클래딩 실험은 L18 직교배열표를 사용한 다꾸찌 실험계획법을 사용하였다. L18 직교배열표는 1 개의 2 수준 변수와 7 개의 3 수준 변수를 동시에 실험할 수 있으며, 교호작용이 모든 열에 고르게 분산되어 교호작용의 영향이 가장 적은 직교배열표이다'7).
- 레이저 클래딩 용착효율은 singleTine과 multi-line 클래딩에 대해 독립적으로 혹은 평균값에 대해 분석하였으며, 이들에 대한 S/N y](signal to noise ratio) 를 분석하였다. 용착효율은 클수록 좋기 때문에 S/N 비는 망대특성에 따라 다음의 식에 의해 분석하였다.
- 1mm 의 오차인자는 산업현장에서 클래딩하는 경우 중첩 간격은 다소 변화될 수 있음을 고려하였다. 레이저 클래딩실험 결과를 평가하기 위한 특성치로는 용착효율을 사용하였다. 용착효율은 {(클래딩된 분말의 양)/(공급한 분말의 양)}*100 으로 정의된다.
- Table 5에서는 분산분석 결과와 새로운 레이저 클레딩헤드를 사용하여 설정한 최적의 클래딩 조건을 보여 준다. 새로운 클래딩 헤드를 사용한 확인실험은 single- line 클래딩에 대해서만 수행하였다. 앞의 실험 결과에서 용착효율은 multi-line 클래딩이 singleTine 클래딩에 비해 전체적으로 약간 높았으나, 각 클래딩 변수의 효과는 singleTine 클래딩과 거의 같은 경향을 보였다.
- 실험결과를 바탕으로 새로운 레이저 클래딩 헤드를 설계 제작하였으며, 용착효율을 높이기 위한 최적조건을 도출하였다. 연구결과 도출된 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 실험의 적합성을 판단하기 위하여 3 수준의 2 개 열(column)에는 변수를 배치하지 않고 에러 (error) 로 남겨 두었다. 실험순서는 난수표를 사용하여 무질서하게 하였다. L18 직교배열표에서 한 조의 실험은 18 회의 클래딩 실험으로 이루어진다.
- 클래딩 실험은 (1) singleTine 클래딩과 (2) 10 회의 multi-line 클래딩의 2 종류를 수행하였으며, Fig. 4에서 클래딩 방법을 보여준다. multi-line 클래딩 실험에서 중첩간격은 1.
- 레이저 빔의 직경은 레이저 강도 (intensity; J-cm'2-sec4)°11 영향을 미치기 때문에, 초점위치에 따른 레이저 빔의 직경 변화를 관찰하기 위한 실험을 수행하였다. 클래딩 헤드를 일정한 속도로 위쪽으로 이동시키면서(즉 초점위치를 -15mm에서 + 15mm로 변화시키면서), 동시에 수평으로 이동하는 양극 산화된(anodizing) Al 판재 위에 레이저 펄스를 연속으로 조사하여 조사흔적의 직경을 측정하였다. 조사 흔적의 직경을 간접적으로 레이저 빔의 직경으로 고려하였다.
대상 데이터
- 레이저 클래딩을 위한 모재로는 STS304 스테인레스강 판재를 25mmw x 50mm1 x 3.0mm'의 치수로 절단하여 사용하였다. 클래딩용 합금 분말은 고온에서 내마모 및 내부식성이 우수한 Co계 합금 분말을 사용하였다.
- 하였다. 분말송급 노즐의 내경은 1.4mm를 가지며, 분말송급 가스로는 Ar 가스를 사용하였다. 이때 분말송급을 위한 Ar 가스의 유량은 모든 실험에서 2.
- 분말송급장치는 Sulzer Metco사의 Twin-10 모델을 사용하였으며, 디스크 회전속도에 의해 분말송급량을 조절할 수 있다. 균일한 분말송급속도를 유지하기 위하여 분말 hopper에 추가적으로 예열장치를 부착하여 50℃로 일정하게 유지하였다.
- 0mm'의 치수로 절단하여 사용하였다. 클래딩용 합금 분말은 고온에서 내마모 및 내부식성이 우수한 Co계 합금 분말을 사용하였다. Co 합금 분말은 water atomizing0)] 의해 제조되어 구형형상이며, 입도는 45 ~ 75㈣의 범위에 있었다.
- 클래딩을 위한 레이저 장치는 flash lamp pumping 에 의한 펄스형 Nd:YAG 레이저(한빛레이저 모델 510PW)를 사용하였으며, 최대 400W의 평균 출력을 갖는다. 공진기로부터 발생된 레이저 빔은 코어 직경 600㎛의 광섬유(optical fiber)에 집속되어 전송되며, collimator와 집속렌즈를 통하여 시험편의 표면 혹은 표면 위의 정해진 위치에 집속된다.
데이터처리
- 6의 그래프에서는 클래딩 변수들의 영향을 정성적으로 보여준다. 각 클래딩 변수들이 용착효율에 미치는 영향을 좀 더 통계학적이고 정량적으로 분석하기위하여 분산분석 (ANOVA, analysis of variance)을 실시하였다. Table 5에서는 용착효율의 평균값과 S/N 비에 대해 분산분석한 결과를 나타낸다.
이론/모형
- 1) 저출력 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용한 클래딩 과정에서 용착효율에 미치는 변수들의 영향을 통계적인 분석기법인 다꾸찌 방법을 사용하여 정량적으로 분석하였다.
- 클래딩 변수들의 최적화를 수행하였다. 레이저 클래딩 변수들은 매우 다양하며, 많은 변수들의 영향을 적은 실험으로 체계적으로 분석하기 위하여 통계적인 실험 및 분석기법인 다꾸찌(Taguchi) 실험계획법을 사용하였다. 분석된 결과들을 바탕으로 새로운 레이저 클래딩 헤드를 설계 제작하였으며, 새 클래딩 헤드를 사용하여 용착효율을 크게 향상시킬 수 있었다.
- Table 2에서 3개의 레이저 발진 조건은 펄스 폭과 펄스 주파수의 조합에 무관하게 평균 출력이 약 293W로 일정하도록 설정하였다. 레이저 평균 출력의 측정은 Ophir Optornics사의 레이저 빔 분석기인 BA500-V1 모델을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 3에서는 디스크 회전속도 설정값과 분말송급속도 사이의 관계를 보여 준다. (분말송급속도, g/sec) = 0.0087 + 0.0501*(회전속도 설정값)의 직선적인 관계식을 얻었으며, 이때 결정계수, r2 = 0.99997으로 매우 직선적인 관계가 잘 만족하였다. 이것은 회전속도 설정값에 의해 분말 송급속도를 정밀하게 설정할 수 있다는 것을 의미한다.
- 2) 레이저 클래딩 용착효율에는 분말송급위치가 가장 큰 영향을 미쳤으며, 다음으로 분말송급각도가 큰 영향을 미쳤다. 분말송급위치를 시편 표면에 위치시키고, 분말송급각도는 작게 할수록 용착효율을 증가시킬 수 있었다.
- 3) 분석결과를 바탕으로 새로이 설계 제작한 레이저 클래딩 헤드를 사용하여 용착효율을 12.2%로 크게 향상시킬 수 있었다.
- 반면 분말송급위치가 모재 표면에서 가장 멀리 4mm에 위치하며, 분말송급각도가 70°로 가장 큰 경우 용착효율이 가장 작은 것으로 나타났다. Fig.
- 분말송급위치를 시편 표면에 위치시키고, 분말송급각도는 작게 할수록 용착효율을 증가시킬 수 있었다. 분말송급속도레이저 이송속도에 의해 나누어진 값)와 레이저 초점위치는 용착효율에 거의 영향을 미치지 않았다.
- 분말송급위치가 모재의 표면에 있고, 분말송급각도가 50°로 가장 작은 경우 용착효율이 가장 큰 것으로 나타났다. 반면 분말송급위치가 모재 표면에서 가장 멀리 4mm에 위치하며, 분말송급각도가 70°로 가장 큰 경우 용착효율이 가장 작은 것으로 나타났다.
- 분말송급위치는 가능한 모재의 표면에 일치시킬 때 용착효율이 가장 높았으며, 분말송급각도는 작을수록 용착효율이 높았다. 보호가스는 Ar을 사용하고, 레이저 발진조건은 260V/1.
- 미쳤다. 분말송급위치를 시편 표면에 위치시키고, 분말송급각도는 작게 할수록 용착효율을 증가시킬 수 있었다. 분말송급속도레이저 이송속도에 의해 나누어진 값)와 레이저 초점위치는 용착효율에 거의 영향을 미치지 않았다.
- 분산분석 결과들을 바탕으로 레이저 클래딩에서 가장 중요한 변수는 분말송급각도와 분말송급위치임을 알 수 있었다. 분말송급위치는 가능한 모재의 표면에 일치시킬 때 용착효율이 가장 높았으며, 분말송급각도는 작을수록 용착효율이 높았다.
- 레이저 클래딩 변수들은 매우 다양하며, 많은 변수들의 영향을 적은 실험으로 체계적으로 분석하기 위하여 통계적인 실험 및 분석기법인 다꾸찌(Taguchi) 실험계획법을 사용하였다. 분석된 결과들을 바탕으로 새로운 레이저 클래딩 헤드를 설계 제작하였으며, 새 클래딩 헤드를 사용하여 용착효율을 크게 향상시킬 수 있었다.
- 새로운 클래딩 헤드를 사용한 확인실험은 single- line 클래딩에 대해서만 수행하였다. 앞의 실험 결과에서 용착효율은 multi-line 클래딩이 singleTine 클래딩에 비해 전체적으로 약간 높았으나, 각 클래딩 변수의 효과는 singleTine 클래딩과 거의 같은 경향을 보였다. Table 6에서는 새 클래딩 헤드를 사용하여 얻어진 용착효율을 보여준다.
- S/N 비의 분산분석 결과는 용착효율의 분산분석 결과와 비교하여 큰 차이는 보이지 않았다. 역시 분말송급각도와 분말송급위치가 가장 영향을 미쳤으며, 보호가스 종류와 레이저 발진조건은 약간 영향을 미쳤으며, 분말 송급속도와 초점위치는 현재의 실험조건 범위 내에서 거의 영향이 없었다.
- 즉 S/N 비가 큰 레이저 클래딩 조건이 오차에 덜 민감하며, 용착효율이 우수한 조건에 해당한다. 용착효율과 S/N 비 모두 분말의 분사노즐각도와 분말송급위치에 큰 영향을 받는 반면, 분말송급속도와 레이저 초점위치에는 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. multi-line 클래딩에서의 용착효율이 항상 single-line 클래딩에서보다 높은 데 이것은 multi-line 클래딩에서의 예열효과 때문으로 보인다.
- Table 6에서는 새 클래딩 헤드를 사용하여 얻어진 용착효율을 보여준다. 용착효율은 평균 12.2%로 상당히 높은 결과를 얻었으며, 표준편차도 0.14%로 매우 낮았다. 이것은 Table 3에서 얻어진 어떠한 single- line 클래딩 조건에 대한 용착효율보다도 높은 값에 해당한다.
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