[논문]레이저 위빙을 이용한 Al 6k21-T4 합금의 용접 강도 향상

김병훈; 강남현; 박용호; 안영남; 김철희; 김정한

doi:10.5781/kwjs.2009.27.4.049

레이저 위빙을 이용한 Al 6k21-T4 합금의 용접 강도 향상
A Study to Improve Weld Strength of Al 6k21-T4 Alloy by using Laser Weaving Method 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.27 no.4, 2009년, pp.49 - 53

김병훈 (부산대학교 재료공학부) , 강남현 (부산대학교 재료공학부) , 박용호 (부산대학교 재료공학부) , 안영남 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 김철희 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 김정한 (한국생산기술연구원 정밀접합팀)

Abstract ▼ AI-Helper

For Al 6k21-T4 alloy, linear laser welding produced the lower shear-tensile strength than the base metal. This study improved the shear-tensile strength by using the weaving laser at the optimized welding condition, i.e., 2mm weaving width and 25Hz frequency. The large weaving width increased the weld width, therefore improving the joint strength. For the specimen of low strength, the porosity was distributed continuously along the intersection between the plates and fusion line. However, for the optimized welding condition, large oval-shaped porosities were located only in the advancing track of the concave part. Regardless of the welding condition, solidification cracking was initiated at the intersection and propagated through small porosities in the weld part. furthermore, the concave part had more significant porosity in the weld and HAZ, respectively than the convex part. The continuity of porosities played a key role to determine the strength. And, the weaving width was an important parameter to control the strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고밀도 열원을 이용한 레이저용접에 위빙 모드를 적용하여 기공과 크랙의 문제를 개선하고자 알루미늄 겹치기 용접부의 용접특성을 평가하였다.
본 연구에서는 6K21-T4 알루미늄 합금의 겹치기 용접부의 용접특성을 평가하기 위하여 모재 및 직선 용접, 위빙 용접 시편의 전단인장 강도를 측정 비교하였다. 위빙 용접 시 위빙 폭 및 주파수를 공정 변수로 하여 이에 따른 전단인장 강도의 변화를 파악하기 위해 3 차원 엑스선 비파괴 검사 및 용접부 단면 검사를 통하여 기공 및 크랙을 관찰하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
용접 공정 후 각 시편에 대해 전단 인장 시험을 실시하였다. 직선 레이저 용접 시편도 제작하여 위빙 용접의 영향에 대해 연구하였으며, 위빙 용접조건에 따른 용접부 크기, 결함 및 용접 강도 등에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.

제안 방법

각 용접조건에서 전단인장 강도의 차이가 큰 시편 (No. 1, 5, 8)을 선정하여 직선 용접 시편과 함께 비파괴 3차원 엑스선 촬영을 통해 시편 내부의 결함을 확인하였고, 각 용접시편의 미세조직 관찰을 위해 Table 3와 같은 에칭법을 사용하였다.
Table 2는 각기 다른 위빙용접 공정변수를 적용한 시편을 나타낸다. 용접 공정 후 각 시편에 대해 전단 인장 시험을 실시하였다. 직선 레이저 용접 시편도 제작하여 위빙 용접의 영향에 대해 연구하였으며, 위빙 용접조건에 따른 용접부 크기, 결함 및 용접 강도 등에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
3). 용접방향과 기공의 위치와의 연관성을 규명하기 위하여 Fig. 5와 같이 시편 표면을 매크로 에칭하여 용접방향을 파악하였다. 그 결과 위빙이 오목하게 들어왔다가 볼록한 부분으로 옮겨 가는 부분, 즉 용접 입열이 중첩되어 가장 높은 입열량을 가지는 곳에서 큰 크기의 기공이 발생함을 알 수 있었다.
위빙 용접 시 위빙 폭 및 주파수를 공정 변수로 하여 이에 따른 전단인장 강도의 변화를 파악하기 위해 3 차원 엑스선 비파괴 검사 및 용접부 단면 검사를 통하여 기공 및 크랙을 관찰하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

레이저 광학장치는 프로그램 포커싱 옵틱(PFO)을사용하였으며 레이저 초점 거리는 590mm이다. 레이저 헤드는 6축 로봇에 연결하여 조정하기 용이하도록 사용하였다.
레이저 헤드는 6축 로봇에 연결하여 조정하기 용이하도록 사용하였다. 레이저 용접기는 4kW급 디스크 레이저를 사용하였으며 1축 테이블을 이용하여 용접을 진행하였다.
박판 겹치기 용접을 위하여 가로길이, 세로길이, 두께가 각각 50mm, 100mm, 1mm인 6K21-T4 시편을 사용하였으며, 겹침 여유를 30mm로 하였다. Table 1 에는 6K21-T4 알루미늄 합금의 화학적 조성 을 나타내었으며, Fig.

성능/효과

1) 인장강도 측정 결과, 용접부의 인장강도가 모재에 비해 현저하게 낮은 값을 가졌다. 그러나 직선 용접과 위빙 용접을 비교하면 위빙 용접의 경우 더욱 높은 인장강도 결과를 보였다.
2) 기공 관찰 결과, 전단인장 강도값이 높은 시편에서 기공의 연속성, 즉 기공 발생 빈도가 감소하는 경향이 관찰되었다. 또한 레이저 위빙 시 오목한 부분, 즉 입열량이 가장 큰 부분에서 큰 크기의 기공이 두드러지게 관찰되었으나, 볼록한 부분에는 기공이 없는 건전한 용접부가 생성되어 전반적으로 기공의 연속성이 감소하였다.
5번 시편을 자세히 분석하면 기공의 연속성보다는 용접 방향에 따라 기공의 분포 및 크기가 일정한 경향성을 가지고 있는 것을 알 수 있다(Fig. 3). 용접방향과 기공의 위치와의 연관성을 규명하기 위하여 Fig.
위빙 조건에 상관없이 모든 시편에서 기공이 관찰되었으며 위치는 용접 비드와 모재의 겹치기 경계부에서 주로 관찰되었다. 5번 시편을 제외한 시편에서 비교적 작은 크기의 기공이 연속적으로 분포되어 거시적으로 연결된 모양을 가지고 있었으며, 이러한 기공의 연속성은 직선용접에서 가장 뚜렷하게 나타났다. 5번 시편이 최대 전단인장 강도값을 가지는 것을 보면 기공의 연속성이 전단인장강도 특성을 저하시키는 요인으로 작용한 것으로 판단된다.
2, Table 4). 각각의 전단인장 강도값을 비교했을 때, 모재에 비해 용접부의 전단인장 강도값이 낮음을 알 수 있었다. 하지만 위빙 용접과 직선 용접을 비교했을 경우, 위빙 용접시의 전단인장 강도값이 직선용 접시의 값에 비해 다소 높음을 알 수 있었다.
또한 레이저 위빙 시 오목한 부분, 즉 입열량이 가장 큰 부분에서 큰 크기의 기공이 두드러지게 관찰되었으나, 볼록한 부분에는 기공이 없는 건전한 용접부가 생성되어 전반적으로 기공의 연속성이 감소하였다. 결론적으로 위빙 용접 조건을 최적화하여 용접부폭이 넓어지면 전단인장 강도값이 증가하는 결과를 나타내었다.
5와 같이 시편 표면을 매크로 에칭하여 용접방향을 파악하였다. 그 결과 위빙이 오목하게 들어왔다가 볼록한 부분으로 옮겨 가는 부분, 즉 용접 입열이 중첩되어 가장 높은 입열량을 가지는 곳에서 큰 크기의 기공이 발생함을 알 수 있었다. 기공이 발생하는 부분은 Fig.
관찰되었다. 또한 레이저 위빙 시 오목한 부분, 즉 입열량이 가장 큰 부분에서 큰 크기의 기공이 두드러지게 관찰되었으나, 볼록한 부분에는 기공이 없는 건전한 용접부가 생성되어 전반적으로 기공의 연속성이 감소하였다. 결론적으로 위빙 용접 조건을 최적화하여 용접부폭이 넓어지면 전단인장 강도값이 증가하는 결과를 나타내었다.
모재의 인장 강도 시험 결과 7.3kN의 값을 나타내었고 직선 레이저 용접 시편의 전단인장 강도값은 3.4kN, 위빙 레이저 용접 시편의 경우는 평균 3.9kN의 값을 가졌다(Fig. 2, Table 4). 각각의 전단인장 강도값을 비교했을 때, 모재에 비해 용접부의 전단인장 강도값이 낮음을 알 수 있었다.
6과 같다. 실험 결과 전단 인장 강도값이 가장 큰 5번 시편의 용접부 폭이 가장 크게 나타났고, 전단인장 강도값의 순으로 8번 시편의 용접부 폭이 그 다음으로 큰 값을 나타내었으며, 전단 인장 강도값이 가장 낮은 1번 시편과 직선용접 시편의 용접부 폭이 가장 좁은 것으로 나타났다. 따라서 전단 인장 강도값은 위빙용접 변수에 따라 생성된 용접부의 폭에 비례하는 것으로 판단된다.
그러나 직선 용접과 위빙 용접을 비교하면 위빙 용접의 경우 더욱 높은 인장강도 결과를 보였다. 위빙 폭 및 주파수에 따라 최적의 용접조건을 구하였으며, 동일 주파수에서는 위빙 폭이 큰 시편이 전단인장 강도특성이 우수하였고, 동일위빙 폭에서는 주파수에 따라 전단인장 강도값의 뚜렷한 경향을 찾을 수 없었다.

참고문헌 (7)

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B.E. Peddle and C.A. Pickles : Carbide and Hardness Development in the Heat-Affected Zone of Tempered and Postweld Heat-treated 2.25Cr-1Mo Steel Weldments, Journal of Materials Engineering and Performance, 9-5 (2000), 477-488

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Y. Kim and H. Park : A Study of Heat Input Distribution on the Surface during Torch Weaving in Gas Metal Arc Welding, International Journal of Korean Welding Society, 4-1 (2004), 23-29

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Byungsik Ahn, Dongwon Oh and Gwangsu Kim : Effect of Weaving Width in FCAW on the Weld Metal Mechanical Properties, Summary Book of KWS (1988), 115-117 (in Korean)

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