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문제 정의
- 이에 본 논문에서는 레이저 충격 피닝에 의한 투명 보호층과 불투명 흡수층에 따른 금속 표면의 잔류응력 및 표면 경도를 측정하였고 특히, 투명보호층과 레이저 파워조건을 달리하였을 경우 레이저 충격 피닝에 의한 금속 표면에 잔류응력 특성이 어떻게 영향을 미치는지 검토하였다.
제안 방법
- 따라서 Ψ 틸트 (Tilt) 는 45도 이내로 하여 응력값을 측정하였다. 0°, 15°, 30°, 45° 만 측정한 것이 아니라 측정의 편차를 최소화하고 정확한 값을 확인하고자 O~45도 까지 Ψ 틸트를 7 포인트를 측정하여 기울기를 구하였다.
- 06㎛ 이고 초점거리 190mm인 집속 렌즈를 사용한다. Fig. 4와 같이 X-Y 테이블 위에 수조를 설치하였고 시험편은 수조 내에 잠기게 하여 X-Y 이 송기의 모터 구동에 의하여 레이저빔이 시험 편 표면에 조사되도록 하였다.
- Nd:YAG 레이저 빔을 조사하여 실험한 결과로서 X-선 회절법(XRD)에 의한 금속 표면의 잔류응력과 마이크로 경도시험 기로 표면 경도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 SM45C1 사용하여 Nd:YAG 레이저로 레이저 충격 피닝을 통해 투명보호층과 불투명 흡수층에 따른 레이저 파워를 달리하여 금속 표면의 잔류응력과 표면 경도를 측정하였고, 적정한 레이저 충격 피닝을 통해 금속 표면에서 압축 잔류응력이 생성되어 금속 표면 상태가 개선되는 특성에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이용하였다. 엑스선 회절 분석기(PANalytical, Xpert PRO)를 사용하여 잔류응력을 측정하였다. 잔류응력 측정은 스트레인 게이지의 표점거리를 재료의 격자면 간격 d로 대신한 격자변형률 Ad/d의 변화량에 기초를 두고 있다.
- 1과 같이 고에너지 레이저 펄스빔을 금속표면에 조사 시켜 강한 충격파를 발생시킨다. 이러한 충격파를 금속 표면에 전달하기 위해서, 우선 금속 표면을 물로 보호하고, 또한 금속표면에 알루미늄 테이프와 같은 물질을 입혀 열로 변한 에너지로부터 금속 표면에 열영향이 나타는 것을 막아주는 방법을 사용한다. 레이저 에너지로부터 시험 편 표면에 열 영향을 받아 인장 잔류응력이 발생되는 것을 막아주는 역할을 한다.
- 표면 경도 측정을 위해 본 연구에서는 레이저 충격 피닝을 한 시험 편들의 표면 경도 값을 마이크로 경도 시험기(SIMADZU, JP/HMV-2)를 사용하여 980mN의 인가하중으로 경도를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시험편은 일반 공작기계나 금형에 사용되어지는 SM45C이다. 시험 편의 크기는 Fig.
- 본 연구에 이용된 Nd:YAG 레이저는 Table 2와 같이 파장은 1.06㎛ 이고 초점거리 190mm인 집속 렌즈를 사용한다. Fig.
- SM45C이다. 시험 편의 크기는 Fig. 3과 같이 20x20x5mm로 제작하였고 밀링가공한 면을 그대로 열처리는 하지 않았다. 시험편은 레이저 충격 피닝 전에 불순물을 제거하기 위해 아세톤으로 표면을 세척하였다.
데이터처리
- 레이저 충격 피닝을 한 후 취득한 시험 편 표면의 잔류응력과 표면 경도는 상용통계 프로그램인 Minitab®을 이용하여 데이터를 분석하였다. Table 3의 시험 편들을 수조 내에 투명 보호층 인 물에 5mm 잠기게 한 후 레이저 충격 피닝의 변수를 달리하여 투명보호층과 불투명 흡수층에 따른 레이저 충격 피닝 후 금속 표면의 잔류응력을 X-선 회절법에 의해 측정한 결과가 Table 7과 Fig.
이론/모형
- 잔류응력 측정을 위해 본 연구에 사용된 방법은 X-선 회절법을 이용하였다. 엑스선 회절 분석기(PANalytical, Xpert PRO)를 사용하여 잔류응력을 측정하였다.
성능/효과
- (1) Nd:YAG 레이저를 사용하여 시험편을 수조에 투명 보호층인 물과 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프를 사용하여 레이저 파워 조건과 투명보호층인 물의 변수를 달리하여 레이저 충격 피닝 후 X-선 회절법으로 시험편의 잔류응력을 측정한 결과 명확한 잔류응력의 차이를 확인할 수 있었다.
- (2) 레이저 충격 피닝 시 레이저 파워 조건과 투명보호층인 물을 5mm, 10mm로 달리하였을 경우에도 레이저 파워가 적정한 경우는 압축 표면 잔류응력이 발생하였고 레이저 파워가 과도하여 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프 및 시험편표면 이 용융되는 부분에서는 레이저 빔의 높은 에너지의 열영향으로 인하여 인장 표면 잔류응력이 발생하였다. 이것은 어느 정도 수준 이상의 레이저 파워가 조사될 경우 레이저 충격 피닝의 효과가 감소됨을 알 수 있다.
- (4) 금속 표면에 알루미늄 테이프와 같은 물질을 입혀 열로 변한 에너지로부터 금속 표면에 열영향이 나타나는 것을 막아주고, 인장 잔류응력이 발생되는 것을 막아 주는 역할을 하는데 알루미늄 테이프와 시험 편표면이 용융됨으로 인해 시험편 표면에 직접 플라즈마로 인한 상변화되는 현상이 발생되는 것으로 여겨지며 고온의 플라즈마와 함께 표면의 금속이 용융되었고 그것으로 인해 표면 경도가 상대적으로 높고 또한, 인장 잔류응력이 발생된 것으로 사료된다.
- 2Mpa。] 다. 4번 시험편과 같이 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프 와시혐편표면이 완전히 용융되는 부분에서는 레이저빔의 높은 에너지의 열영향으로 인하여 높은 인장 잔류응력이 발생됨을 알았다. 레이저 충격 피닝이 되지 않은 1번 시험편과 비교 하여 보면 명확하게 잔류응력의 차이를 확인할 수 있다 Fig.
- 8의 경우는 5번 시험 편에서 9번 시험 편까지의 표면 경도를 측정한 결과이다. 5번 시험 편에서 6번 시험편까지는 불투명 테이프와 시험 편의 표면이 용융되지 않은 상태로 레이저 충격 피닝을 하지 않은 1번 시험편과 거의 유사한 표면 경도를 나타내었고 7번 시험 편은 불투명 흡수층인 알루미늄테이프와 시험편표면의 용융이 산재된 부분으로서 시험 편의 표면 경도가 상승함을 알 수 있었다. 특히, 8번 시험편과 9번 시험편은 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프 및 시험편 표면이 완전히 용융되는 부분에서는 레이저빔의 높은 에너지의 열 영향으로 인하여 매우 높은 표면 경도를 나타내고 있다.
- 7과 같다. 결과에서 보듯이 5번 시험 편은 레이저 파워가400mj의 경우 압축 잔류응력 284.2Mpa을 나타내고 있고, 6 시험편의 레이저 파워가 410mJ의 경우 압축 잔류응력 288.5Mpa, 7번 시험 편의 700mJ의 경우 인장 잔류응력 531.68Mpa, 8번 시험편의 2000mJ의 경우 인장 잔류응력 1085.6Mpa, 9번 시험편의 2200mJ의 경우 인장잔류응력 1174.3Mpa 이다.
- 결과에서 보듯이 레이저 충격 피닝을 하지 않은 1 번 시험편은 거의 0 Mpa의 잔류응력을 나타내고 있고, 2번 시험편의 레이저 파워가 120mJ의 경우 압축잔류응력 141.1Mpa, 3번 시험편의 180mJ의 경우 압축잔류응력은 316.8Mpa이다. 4번 시험 편의 220mJ의 경우 인장잔류응력 384.
- 9 는 투명보호층인 물을 5mm와 10mm 조건으로 하고 레이저 충격 피닝을 하지 않은 1번 시험편과 2번 시험편에서 9번 시험 편까지 레이저 파워조건을 달리하여 레이저 충격 피닝을 한 후 X-선 회절법으로 잔류응력을 측정한 결과를 비교하여 보면 잔류응력의 차이점을 뚜렷하게 확인 할 수 있었다. 레이저 충격 피닝을 한 후 투명보호층인 물의 변수를 달리 하였을 경우에는 10mm일 경우가 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프가 녹지 않는 범위에서 레이저 파워를 높일 수 있었고 이것은 투명보호층인 물의 범위가 5mm 조건이었을 경우보다 안정된 범위에서 사용할 수 있음을 알았다. Fig.
- 그런데, 7번 시험편은 불투명 흡수층인 알루미늄 테이프와 시험편 표면의 용융이 산재된 부분으로서 인장 잔류응력이 발생하였다. 특히, 8번 시험편과 9번 시험편은 불투명 흡수층인 알루미늄테이프 와 시험편표면이 완전히 용융되는 부분에서는 레이저 빔의 높은 에너지의 열영향으로 인하여 매우 높은 인장 잔류응력이 발생됨을 알았다.
후속연구
- 넓어지고 있다. 금속 표면에 압축 잔류응력이 생성되어 금속표면상태가 개선되는 특성을 실험적으로 알았기에 레이저 충격 피닝의 프로세스 제어가 가능하도록 변수를 최적화하면서 피로 손상 억제를 위해 개선된 금속표면의 상태를 확인하고, 레이저 충격 피닝으로 생성된 금속 표면의 압축 잔류응력이 미치는 영향을 정량화하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
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