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문제 정의
- 대부분의 연구자들은 공구강을 중심으로 연구를 집중하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 플라스틱 성형용 금형강인 KP-4M 의 레이저보수용접에 대한 최적의 공정변수 특성을 분석하고자 한다.
- 본 연구는 금형 사용 중 발생할 수 있는 결함과 금형 제작시 발생된 결함에 대해 레이저빔에 의한 보수용접방법을 연구했고, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구목표는 플라스틱 성형용 금형강인 KP- 4M 의 미소균열이나 마모가 발생하였을 경우의 보수용접에 대한 최적의 공정을 연구하는 것이다. 보수용접의 최적공정변수를 결정할 때 사용하는 용가재(Filler Metal)로는 AWS 규격으로'크롬-몰리 브덴강용 와이어 ER80S-G 를 사용하였다.
가설 설정
- 여기서 Hi 은 용가재가 용융되어 시편 표면에 부착된 높이이다. H2는 용가재가 용융되어 모재에 용입된 깊이를 나타내고, W는 용융 폭이다. 그리고 용가재와 모재의 용융 때문에 발생한 외부원은 열영향부(HAZ: Heat Affected Zone)를 나타내고 있다.
제안 방법
- /H! (상부 비드면의 높이/ 용입깊이)와 입열량을 계산하여 용융특성과 비교해 선정했다.
- 중요한 변수로 언급하였다. 그러므로 본 실험에서는 레이저빔과 용가재을 동시에 조사 (irradiated)하는 방법을 선택하였고, Fig. 2 에서처럼레이저빔이 이동하는 전면에서 용가재를 공급했다. 단, 용가재의 공급시간은 레이저빔이 조사된 후약 0.
- 그리고 보수용접 후 용가재가 용융되어 시편 표면에 부착된 높이를 약 2.0 mm 로 만들기 위해 와이어의 공급위치는 시험편 표면으로부터 약 2 mm 로 유지시킨 후 실험을 진행했다. 본 예비실험 결과에 따르면 용가재의 공급위치를 2 mm 이하(0, 1 mm)로 유지시켰을 때 시험편에 공급되는 용가재가 보수용접 후 용융체적이 증가된 육성중과 서로 부딪치는 현상이 나타났다.
- 10 은 레이저빔과 와이어 공급장치와 시험편의 모식도이다. 그림에서 와이어와 레이저빔의 비초점 거리를 모재의 표면에서 기준위치를 정하여 두 가지 공정을 변화시켜 실험을 진행하였다.
- 레이저 보수용접 후 용융특성은 각각의 공정변수를 변화시켜 실험을 진행했을 때 용가재가 모재에 용입된 형상 및 기하학적인 보수용접부에 대해 고찰했다. 실험결과를 정량적으로 분석하기 위해 본 연구에서는 Fig.
- 레이저 보수용접성 평가를 고찰하기 위해 각각의 공정변수에 대해 용융단면을 분석하였다. 이와 함께 최적 공정변수는 H2/H! (상부 비드면의 높이/ 용입깊이)와 입열량을 계산하여 용융특성과 비교해 선정했다.
- 1에서 보는 바와 같이 피드와이어 공급 장치인 와이건은 지그를 제작하여 임의로 각도를 조절할 수 있도록 하였다. 레이저 보수용접은 피드 와이어 건(KD7000)을 용접헤드에 부착시켜 레이저빔과 용가재가 동시에 이동하도록 실험장치를 구성하였다. 피드와이어의 일정한 공급각도는 45° 이며, 와이어건에 부착된 각도조절 장치를 이용하여 고정시킨 후 실험하였다.
- 레이저빔의 출력은 800W 에서 l, 500W 까지 100W 씩 증가시키면서, 레이저빔과 용가재을 시편에 조사시켰다. 이때 용접속도(Vw)와 용가재 공급속도(VQ는 각각 0.
- W/H? 는 용가재 가 모재 에 용융되어 수평방향으로 확산되는 정도를 나타낸다. 본연구에서 플라스틱 성형용 금형강의 보수용접에서 가장 적합한 조건은 Hj/H] » 1 인 공정을 최적의 공정조건으로 결정하였다.
- 상부 비드면 높이와 용입 깊이 (Penetration depth)의 비은 H2/H1 로 표현하였고, 용융깊이에 대한 용융폭의 비는 각각 W/Hj 와 W/H2 로 설정한 후 형상학적인 분석에 대해 연구했다.
- 실험결과를 정량적으로 분석하기 위해 본 연구에서는 Fig. 3과 같은 형상학적인 특성에 대한 고찰을 진행했다. 여기서 Hi 은 용가재가 용융되어 시편 표면에 부착된 높이이다.
- 앞선 연구결과를 토대로 레이저 보수용접 성에 관한 평가 및 최적 공정변수를 선별하기 위해 금형 강에 반경이 2 mm 인 드릴을 이용하여 임의로 외부결함을 발생시킨 후 결함부위를 보수용접실험을 수행하였다.
- 용가재의 공급속도와 레이저빔의 이송속도를 일정하게 유지시킨 후 레이저빔 출력을 변화시켜 실험하였다. 이때 모재와 보수용접층의 기하학적 단면과 내부결함 등을 관찰하여 최적의 공정조건을 결정하였다.
- 이때 모재와 보수용접층의 기하학적 단면과 내부결함 등을 관찰하여 최적의 공정조건을 결정하였다. 이때 보수용접부의 기하학적인 단면 형상비를 고찰하였고, 모재와 경도시험을 통해 최적 공정조건을 제시한 후 가상의 외부결함이 발생된 부위를 보수용접조건을 적용하였다.
- 이때 모재와 보수용접층의 기하학적 단면과 내부결함 등을 관찰하여 최적의 공정조건을 결정하였다. 이때 보수용접부의 기하학적인 단면 형상비를 고찰하였고, 모재와 경도시험을 통해 최적 공정조건을 제시한 후 가상의 외부결함이 발생된 부위를 보수용접조건을 적용하였다.
- 조사시켰다. 이때 용접속도(Vw)와 용가재 공급속도(VQ는 각각 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 m/min 으로 변화 시켜 실험을 진행했다.
- 이때 레이저빔의 비초점거리는 +2 mm (focal length: 200 mm)이다. 추후 본 실험은 예비실험을 통해 얻어진 자료를 토대로 용접속도(VQ와 용가재 공급속도(⑰를 동일하게 유지시킨 후 레이저 빔출력을 변화시켰다.
- 레이저 보수용접은 피드 와이어 건(KD7000)을 용접헤드에 부착시켜 레이저빔과 용가재가 동시에 이동하도록 실험장치를 구성하였다. 피드와이어의 일정한 공급각도는 45° 이며, 와이어건에 부착된 각도조절 장치를 이용하여 고정시킨 후 실험하였다.
대상 데이터
- 06 ㎛의 파장을 가지는 연속파형 Nd:YAG 로서 평균 유효 출력이 2 kW 인 연속파형(CW : continuous wave)이다. 레이저용접 헤드의 광학계는 초점거리 F = 200mm 이며, 렌즈의 직경 d=60 mm 인 F# (F numberF/D)가 3.33 인 렌즈를 사용하였다. 본 연구에 실험장치의 구성도는 Fig.
- 것이다. 보수용접의 최적공정변수를 결정할 때 사용하는 용가재(Filler Metal)로는 AWS 규격으로'크롬-몰리 브덴강용 와이어 ER80S-G 를 사용하였다.
- 따라서 기존의 플라스틱 성형강인 SM 재와 SCM 재 등으로서는 이러한 요구특성을 충분히 만족할 수 없기 때문에 근래에 개발된 플라스틱 금형강인 KP-4M 이 널리 쓰이고 있다. 시험편으로 사용된 KP-4M 은 진공 탈 가스 처리된 강괴로 단조해서 재질의 청정도가 높고 기공과 성분의 편석이 없으며 내부 응력이 제거되어 금형가공 때 일어나는 변형이 적다는 특성을 가지고 있다.9加
- KP-4M 을 사용하였다. 시험편의 크기는 100 mm(L) X 100 mm(W) XU)mm(T)이 고, 표면은 밀링후 성형연마 공정을 통해 표면 가공하였다. 보수용접 전 시험편의 표면은 이물질을 제거하기 위해 아세톤으로 세척하였다.
- 실험에 사용된 레이저는 1.06 ㎛의 파장을 가지는 연속파형 Nd:YAG 로서 평균 유효 출력이 2 kW 인 연속파형(CW : continuous wave)이다. 레이저용접 헤드의 광학계는 초점거리 F = 200mm 이며, 렌즈의 직경 d=60 mm 인 F# (F numberF/D)가 3.
- 실험에 사용된 시편은 플라스틱 성형용 금형 강인 KP-4M 을 사용하였다. 시험편의 크기는 100 mm(L) X 100 mm(W) XU)mm(T)이 고, 표면은 밀링후 성형연마 공정을 통해 표면 가공하였다.
- 실험에 사용된 용가재는 플라스틱 성형용 금형 강인 KP-4M 의 보수용접 참고자료에서 언급한 AWS 규격 크롬-몰리브덴강용 와이어 [ER 80S-G]로서 직경이 φ1.0mm 을 선정하였다.
성능/효과
- 3) 레이저 보수용접에 대한 최적의 공정을 결정하기 위해 Hj/Hj 비와 용융단면 조직상태, 입 열량에 관해 상호관계를 규명하였다. 그 결과로서 KP-4M 의 레이저 보수용접시 최적 공정은 H2/H! 비가 1 인 공정과 입열량 범위가 65 ~ 75 J/mnj 에서 가장 안정적인 보수용접성을 가졌다.
- 4) 외부결함 발생부위에 레이저 보수용접실험을 진행한 결과 와이어가 공급되는 위치 즉, 공급 방향에서 용착부족 현상이 발생하였다. 이러한 용착 부족 현상은 레이저 출력과 용접속도변화에 따라 내부기공과 함께 커지는 경향이 나타났다.
- 그 결과로서 모재 지점의 경도 값은 약 HV = 255 이었고, 열 영 향부의 경도값은 대략 HV = 600 ~ 650 정도로 경도값이 증가 했다. 시험편 표면에 형성된 육성층의 경도값은 평균적으로 HV = 450 - 500 사이로 모재의 열 영향부보다 경도값이 낮은 것을 알 수 있었다.
- 5 보다 크면 용융된 용가재가 모재에 지나치게 용입되어 모재에 취성이 발생하거나 열전달에 의한 변형 영역이증가될 수 있다. 두 번째로 W/H1 의 비가 1 보다 크면 레이저빔에 의한 열전달 때문에 HAZ 영역이 증가함을 의미 한다. W/H? 는 용가재 가 모재 에 용융되어 수평방향으로 확산되는 정도를 나타낸다.
- 시험편 표면에 형성된 육성층의 경도값은 평균적으로 HV = 450 - 500 사이로 모재의 열 영향부보다 경도값이 낮은 것을 알 수 있었다. 레이저 출력이 높아지면 열영향부가 넓어지고 경도값도 조금씩 높아지는 것을 알 수 있었다. 입열량을 변화시켜 용융부의 면적이 변화될 때 용융단면과 모재와의 경계부위인 HAZ 의 영역이 달라졌다.
- 그리고 와이어 침투부 끝단에서 표면과 내부의 불순물이 기화된 기포가 증발하지 못하고 포획되어 기공이 형성되는 것을 볼 수 있다. 반면 1, 300 W - 1,500 W 범위는 보수용접부의 침투된 깊이가 상부에 형성된 육성비드의 높이의 비가 일정하고 안정적임을 알 수 있고, 모재와의 융착력이좋음을 확인할 수 있다.
- 이것은 레이저 출력이 낮아짐에 따라 입열량도 충분하지 않으므로비드면의 높이가 높고 용융 폭은 작아져 1에 가깝게 나오는 것을 알 수 있었다. 반면 레이저빔이고 출력으로 증가하면 입열량이 충분하기 때문에비드면 높이는 낮아지고 용융 폭은 넓어져 종횡비 값이 낮아지는 것을 알 수 있었다.
- 특히 용가재의 공급방법에서 가공특성이 많이 달라진다. 본 연구에서 얻어진 결과는 레이저빔과 용가재을 동시에 조사(irradiated)하는 방법이 가장 적절하였다. 다만 용가재의 공급시간은 레이저 빔이 조사된 후 약 O.
- 0 mm 로 만들기 위해 와이어의 공급위치는 시험편 표면으로부터 약 2 mm 로 유지시킨 후 실험을 진행했다. 본 예비실험 결과에 따르면 용가재의 공급위치를 2 mm 이하(0, 1 mm)로 유지시켰을 때 시험편에 공급되는 용가재가 보수용접 후 용융체적이 증가된 육성중과 서로 부딪치는 현상이 나타났다. 그러므로 와이어의 공급 위치는 시험편 표면으로부터 약 +2 mm 로 유지하였다.
- /H! 비가 1 인 공정과 입열량 범위가 65 ~ 75 J/mnj 에서 가장 안정적인 보수용접성을 가졌다. 이때 레이저빔의 출력과 용접속도와 용가재의 공급속도가 각각 1, 300 W, 0.
- 시험편 표면에 형성된 육성층 높이(出)은 기존의 1회 보수용접을 실시한 결과와 유사하였고, 용융 폭과 HAZ 가 약 10% 증가하였다. 반대로 H2 의 크기는 거의 차이가 나타나지 않았다.
- 650 정도로 경도값이 증가 했다. 시험편 표면에 형성된 육성층의 경도값은 평균적으로 HV = 450 - 500 사이로 모재의 열 영향부보다 경도값이 낮은 것을 알 수 있었다. 레이저 출력이 높아지면 열영향부가 넓어지고 경도값도 조금씩 높아지는 것을 알 수 있었다.
- 용접속도와 용가재(와이어) 공급속도가 0.5 m/min 으로 일정할 때 에너지밀도가 작은 출력범위인 800 W - 1,000 W 에서는 와이어가 모재에 충분히 용입되지 못해 모재 표면에 얹혀 있는 형상을 나타났다. 그러나 에너지밀도가 증가했을 때 즉, 레이저빔 출력이 1, 100 W~ 1, 200 W 사이에서는비드면의 높이는 높지만 침투 깊이가 작아 불안정하고 모재와의 융착력이 좋지 않음을 확인할 수 있다.
- 이와 같은 결과 보수용접 후 시험편 표면에 육성층의 높이에 따라 레이저빔과 와이어의 조사 위치(높이)를 판단하는 중요한 변수임을 알 수에 있었다. 그러므로 추후 연구에서는 레이저 보수용접 시 육성층의 높이와 최적의 공정변수의 상호관계를 규명하고자 한다.
- 레이저 출력이 높아지면 열영향부가 넓어지고 경도값도 조금씩 높아지는 것을 알 수 있었다. 입열량을 변화시켜 용융부의 면적이 변화될 때 용융단면과 모재와의 경계부위인 HAZ 의 영역이 달라졌다. 이와 함께 HAZ 는 모재와 용융부의 급격한 온도구배 때문에 모재와 용융 부에 비해 큰 경도값을 가지는 것으로 판단된다.
- 첫 번째 공정은 레이저 출력이 1, 300 W 에서 용접속도와 피드와이어 공급속도가 0.5 m/min 로느리게 진행할 경우 다른 공정에 비해 통계적 수치가 작게 나타났다. 그러나 H] 의 크기 면에서는 레이저 출력이 1, 400 W 로 가장 크고 용접속도와 피드 와이어 공급속도가 빠르게 진행했을 때 가장 작은 비드 폭을 유지하고 있다.
후속연구
- 그러므로 추후 연구에서는 레이저 보수용접 시 육성층의 높이와 최적의 공정변수의 상호관계를 규명하고자 한다.
- 그러므로 이러한 현상을 제거해주는 것이 매우 중요할 것으로 판단된다. 추후 연구에서는 이런 단점을 보완하기 위해 레이저 표면경화 열처리 방법을 이용해 보수용접부의 안정적인 조직을 확보하기 위한 연구를 진행할 계획이다.
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