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문제 정의
- 본 연구에서는 오스테나이트 계인 STS304, 페라이트계인 STS4304 냉연강판인 SCP1-S와의 이종금속 레이저 용접을 실시하여 두 금속간의 용접성을 실험하고자 한다. 따라서 본 실험에서는 실험 테이터를 최적화하기 위해서 출력은 3kW로 고정하였고, 입열량에 따른 영향을 살펴보기 위해 2~7m/min까지 lm/min 단위로 속도를 증가시켜가며 용접 후 비드 외관 및 단면 형태를 관찰하여 여러가지 변수들을 복합적으로 고려하여 설정하였다.
- 선택하였다. 성형성과 비용 면에서 우수한 SCP1-S 강판과 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인레스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다. 이런 서로 다른 금속들간의 이종용접 방법은 물리적인 성질에 대한 영향을 고려해주어야 한다.
가설 설정
- ② 고밀도 열원으로 용입 깊이가 깊고 비드 폭이 좁다.
제안 방법
- Nd:YAG 레이저빔을 이용하여 냉연강판과 스테인레스강판(STS304, STS430)의 이종재료의 적절한 용접조건을 찾기 위해 레이저의 용접 속도, 보호가스 종류와 유량을 변화시키면서 맞대기 용접을 하였다.
- 경도계로는Digital Vicker's Hardness tester를 사용하였으며, 적용 하중은 lkgf(HV 1)로 설정하였다. 경도는 상판 기준 하부 0.5mm 아래에서 0.3mm 간격으로 열영향을 받지 않는 모재까지 충분한 범위를 측정하였다.
- 이와 같이 시편 준비가 끝난 후 에칭액으로는 Killer's 왕수를 사용하였다. 교반조건으로는 CuCb를 1.5g 칭량해서에틸알콜 33ml + H20 33mC + 염산(36%) 33ml을 서로교반하여 제조하였으며 에칭은 면봉을 이용하여 에칭 시간은 수 분간 지속하였다. 용입 깊이, 너비 및 gap의 실제 사이즈, 미세 조직은 광학현미경, 금속현미경을 이용하여 분석하였다.
- 용접 전 이물질 및 불순물에 의한 불량 가능성을최소화시키기 위해 시험편 전체를 아세톤으로 세척을 하였으며, 이음부 관리를 통해 No gap 상태를 최대한 유지하였다. 그리고 1.2mm 두께의 강판 맞대기용접 시 허용 gap 수준이 어느 정도인지 파악하기 위해 인위적 gap 실험도 실시하였으며 그 수준은 로 0.1 단위로 변화시켜가며 용접하였다. Fig.
- 금속학적 특성을 조사하기 위하여 각 용접부의 조직을 광학현미경으로 관찰하였고 용접부의 신뢰성을 평가 하였다. 또한 경도시험, 인장시험을 통하여 용접부의 기계적 특성을 규명하였다.
- 따라서 본 실험에서는 실험 테이터를 최적화하기 위해서 출력은 3kW로 고정하였고, 입열량에 따른 영향을 살펴보기 위해 2~7m/min까지 lm/min 단위로 속도를 증가시켜가며 용접 후 비드 외관 및 단면 형태를 관찰하여 여러가지 변수들을 복합적으로 고려하여 설정하였다.
- 하였다. 또한 경도시험, 인장시험을 통하여 용접부의 기계적 특성을 규명하였다.
- 우선 입열량에 따른 영향을 살펴보기 위해 2~7m/min 까지 lm/min 단위로 속도를 증가시켜가며 용접 후 비드 외관 및 단면 형태를 관찰하였다. 또한 보호가스에 따른 영향을 확인하기 위하여 레이저용접 시 주로 사용되는 불활성가스인 He 또는 Ar을 이용하여 용접하였다. 각각의 보호가스는 노즐 직경 4mm로 레이저빔을 뒤따라가도록 공급하였고그 유량은 10~30C/min으로 10l 기준으로 변화시켜가며 용접하였다.
- 용접의 위치를 제어한 후 프로그램을 이용하여 자동 용접하도록구성하였으며, 이를 통해 맞대기용접 또는 BOP 용접을 실시하였다. 또한 보호가스에 따른 용접성에 대해 확인하기 위해 직경 4mm의 구리 노즐을 장착하였으며, 포커싱 위치 바로 뒤에서 60°의 각도로 레이저빔을 따라가도록 공급하였다.
- 0mm/min로 하였다. 레이저용접 후 용입 형상의 마크로 및 마이크로 분석을 위해 용접방향에 수직으로 비드단면을 절단기로 절단한 후 마운팅(hot mounting) 하였다. 마운팅된 시편의 비드의 절단면을 샌드페이퍼로 #100, #400, #1000 및 #2(X)0번의 순서로 연마 후 최종적으로 Diamond suspension 입도 6, ㎛으로 마무리 연마하였다.
- 용입 깊이, 너비 및 gap의 실제 사이즈, 미세 조직은 광학현미경, 금속현미경을 이용하여 분석하였다. 마지막으로 각각의 이종용접 시편 및 각 재료의 BOP 용접시편에 조합에 따른 경도를 확인하였다. 경도계로는Digital Vicker's Hardness tester를 사용하였으며, 적용 하중은 lkgf(HV 1)로 설정하였다.
- 2(mm)이다. 맞대기용접 실험 시 버(bun) 의 영향을 최소화하기 위해 용접 이음면을 밀링 정삭가공을하였다.
- 5g 칭량해서에틸알콜 33ml + H20 33mC + 염산(36%) 33ml을 서로교반하여 제조하였으며 에칭은 면봉을 이용하여 에칭 시간은 수 분간 지속하였다. 용입 깊이, 너비 및 gap의 실제 사이즈, 미세 조직은 광학현미경, 금속현미경을 이용하여 분석하였다. 마지막으로 각각의 이종용접 시편 및 각 재료의 BOP 용접시편에 조합에 따른 경도를 확인하였다.
- 각각의 보호가스는 노즐 직경 4mm로 레이저빔을 뒤따라가도록 공급하였고그 유량은 10~30C/min으로 10l 기준으로 변화시켜가며 용접하였다. 용접 전 이물질 및 불순물에 의한 불량 가능성을최소화시키기 위해 시험편 전체를 아세톤으로 세척을 하였으며, 이음부 관리를 통해 No gap 상태를 최대한 유지하였다. 그리고 1.
- 레이저 헤드는 YASKAWA 6-axis 로봇에 장착하여 사용하였으며 초점위치는 재료 상부표면에 일치하도록 하였다. 용접의 위치를 제어한 후 프로그램을 이용하여 자동 용접하도록구성하였으며, 이를 통해 맞대기용접 또는 BOP 용접을 실시하였다. 또한 보호가스에 따른 용접성에 대해 확인하기 위해 직경 4mm의 구리 노즐을 장착하였으며, 포커싱 위치 바로 뒤에서 60°의 각도로 레이저빔을 따라가도록 공급하였다.
- 초점위치는 시험편 표면을 기준으로 하였으며, 출력은 3kW로 고정하였다. 우선 입열량에 따른 영향을 살펴보기 위해 2~7m/min 까지 lm/min 단위로 속도를 증가시켜가며 용접 후 비드 외관 및 단면 형태를 관찰하였다. 또한 보호가스에 따른 영향을 확인하기 위하여 레이저용접 시 주로 사용되는 불활성가스인 He 또는 Ar을 이용하여 용접하였다.
- 2는 맞대기용접(butt welding)의 모식도이다. 이종금속 재료의 레이저용접 용접성을 평가하기 위해 용접이 완료된 시험편을 Fig. 3과 같이 4부분으로 나누어 인장시험 부분은 KS B 0801의 판재 인장시험규격 13B 호에 따라 와이어커팅 가공하여 인장시험을 실시하였다. 나머지 부분의 시험편은 초경팁 원형톱을 이용하여 절단하여 시험편을 채취하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 Lamp-Pumped 여기방식의 CW(continuous wave) Nd:YAG 레이저를 사용하였다. 본 장치의 최대 출력은 4kW로 빔 품질(beam quality)은 25mm・mrad이며 6개의 공진기(cavity)를 가지고 있다.
- 본 연구에서 재료는 우리 생활과 밀접한 자동차, 가전제품, 건축자재 등에서 광범위하게 사용되는 냉간압연강판의한 종류인 SCP1-S와 표면이 미려하고 녹이 슬지 않는 스테인레스강판을 선택하였다. 성형성과 비용 면에서 우수한 SCP1-S 강판과 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인레스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 스테인레스강판과 냉연강판의 이종금속 용접성을 확인하는 것으로서 냉연강판은 SCP1-S이며, 스테인 레스강판은 오스테나이트계인 STS304와 페라이트계인 STS430을 사용하였다. 실험 판재는 120(mm)x70(mm) 사이즈로 두께는 1.
- Nd:YAG 레이저를 사용하였다. 본 장치의 최대 출력은 4kW로 빔 품질(beam quality)은 25mm・mrad이며 6개의 공진기(cavity)를 가지고 있다. 발진기의 최대 효율을 사용하기 위해 최대 출력인 3kW로 고정하여 실험하였다.
- STS430을 사용하였다. 실험 판재는 120(mm)x70(mm) 사이즈로 두께는 1.2(mm)이다. 맞대기용접 실험 시 버(bun) 의 영향을 최소화하기 위해 용접 이음면을 밀링 정삭가공을하였다.
이론/모형
- 마지막으로 각각의 이종용접 시편 및 각 재료의 BOP 용접시편에 조합에 따른 경도를 확인하였다. 경도계로는Digital Vicker's Hardness tester를 사용하였으며, 적용 하중은 lkgf(HV 1)로 설정하였다. 경도는 상판 기준 하부 0.
- 발진기의 최대 효율을 사용하기 위해 최대 출력인 3kW로 고정하여 실험하였다. 레이저 헤드는 YASKAWA 6-axis 로봇에 장착하여 사용하였으며 초점위치는 재료 상부표면에 일치하도록 하였다. 용접의 위치를 제어한 후 프로그램을 이용하여 자동 용접하도록구성하였으며, 이를 통해 맞대기용접 또는 BOP 용접을 실시하였다.
- 시험절차는 KS B 0802에 명 시된 절차를 준수하였으며 시험방식으로는 변위제어방식을 사용하였다 . 이때의 시험속도는 5.
성능/효과
- 8은 용접부의 경도값을 그래프화 한 것이다. 경도값을 보면 전체적으로 모재보다 높은 경도값을 가졌고, 열영향부의 경도는 낮아졌다. 용접 중 용융과정을 거치면서 조직이 연화되었기 때문으로 사료된다.
- 5는 용접부의경도값을 그래프화 한 것이다. 경도값을 보면 전체적으로 모재보다 높은 경도값을 가지는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험조건에서 냉연강판과 스테인 레스강판의 이종용접은 레이저 출력 3kW, 용접 속도 4m/min, 보호가스가 He을사용했을 때 최적의 용접 조건인 것으로 판단된다.
- 인장강도를 비교해보면 모두 SCP1-S 시편 평행부에서 파단이 일어났다. 이종금속의 용접성이 좋은 것으로 나타났다.
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