본 연구는 레이저를 이용한 스테인리스강의 용접성 평가에 대한 연구이다. 사용된 금속인 스테인리스 스틸은 녹 및 열적변형이 우수하여 다양한 적용 분야를 가지고 있다. 본 연구는 50 W 레이저 열원에 자기장을 적용하여 스테인리스 스틸에 기계적 성질을 향상 시키는데 목적을 두고 있다. 이에 따른 기계적 성질을 분석하기 위하여 수치적 해석, 인장강도, 형상 및 미세조직, 경도 시험 등을 수행하였다. 결과적으로 수치적 해석을 통한 금속 용융점에서의 속도 증가, 인장강도 약 16 MPa 상승, 용융부에 섞임, 경도 약 7 Hv 상승으로 기계적 성질이 향상 되었다.
본 연구는 레이저를 이용한 스테인리스강의 용접성 평가에 대한 연구이다. 사용된 금속인 스테인리스 스틸은 녹 및 열적변형이 우수하여 다양한 적용 분야를 가지고 있다. 본 연구는 50 W 레이저 열원에 자기장을 적용하여 스테인리스 스틸에 기계적 성질을 향상 시키는데 목적을 두고 있다. 이에 따른 기계적 성질을 분석하기 위하여 수치적 해석, 인장강도, 형상 및 미세조직, 경도 시험 등을 수행하였다. 결과적으로 수치적 해석을 통한 금속 용융점에서의 속도 증가, 인장강도 약 16 MPa 상승, 용융부에 섞임, 경도 약 7 Hv 상승으로 기계적 성질이 향상 되었다.
We have conducted a study on stainless steel laser-welding materials by using a laser beam for the evaluation. Stainless steel used in a rust and excellent thermal deformation has a variety of application. In this study, to improve the mechanical properties of stainless steel, a 50 W laser thermal s...
We have conducted a study on stainless steel laser-welding materials by using a laser beam for the evaluation. Stainless steel used in a rust and excellent thermal deformation has a variety of application. In this study, to improve the mechanical properties of stainless steel, a 50 W laser thermal source is used and magnetic fields are applied, on the basis of suggestions. The mechanical properties and performance are evaluated by performing a numerical analysis, tensile test, and shape, microstructure, and hardness test. The results show that the mechanical properties of improve increased speed the melting pool, tensile strength of 16 kPa rise, run into the melting zone and hardness 7 Hv.
We have conducted a study on stainless steel laser-welding materials by using a laser beam for the evaluation. Stainless steel used in a rust and excellent thermal deformation has a variety of application. In this study, to improve the mechanical properties of stainless steel, a 50 W laser thermal source is used and magnetic fields are applied, on the basis of suggestions. The mechanical properties and performance are evaluated by performing a numerical analysis, tensile test, and shape, microstructure, and hardness test. The results show that the mechanical properties of improve increased speed the melting pool, tensile strength of 16 kPa rise, run into the melting zone and hardness 7 Hv.
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문제 정의
(8) 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인리스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다.(9) 레이저 용접에는 여러 가지 가공변수들이 존재하며 레이저빔 출력과 빔 이송 속도가 가장 중요한 요인으로 작용한다.
모델은 Fig. 4 와 같이 강판 중심을 자석으로 고정시키고, 열에 의해 용융된 재료에 자기장을 주었을 때 일어나는 속도를 보고자 한다.
(9) 레이저 용접에는 여러 가지 가공변수들이 존재하며 레이저빔 출력과 빔 이송 속도가 가장 중요한 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 오스테나이트계인 STS304 에 자기장을 적용하여 레이저 용접성을 실험하고자 한다. 실험에 사용된 레이저는 램프여기(lamp-pumped)방식의 CW(continuous wave) 파이버 레이저를 사용하였다.
본 연구의 목적은 자기장을 이용하여 용융지의 일반적인 형상을 조정하여 기계적인 성질을 상승시키는 것으로서 스테인리스 스틸 STS304 와 자석을 사용하였다. 실험 시험편은 20 mm × 20 mm 사이즈로 두께는 1 mm 이다.
제안 방법
또한 보호가스에 따른 용접성에 대해 확인하기 위해 직경 4 mm 의 구리 노즐을 장착하였으며, 포커싱 위치 바로 뒤에서 60°의 각도로 레이저빔을 따라가도록 공급하였다.
용입 및 미세형상을 분석하기 위해 용접방향에 수직으로 비드단면을 와이어커팅기로 절단한 후 마운팅(hot mounting) 하였다. 마운팅된 시편의 비드의 절단면을 샌드페이퍼를 이용하여 #100~#1200 까지 #100단위로 증가시켜가며 연마 후 최종적으로 다이야몬드 서스펜션(Diamond suspension) 입도 1 ㎛으로 마무리 연마하였다. 이와 같이 시편 준비가 끝난 후 에칭액으로는 killer`s 왕수액를 사용하였다.
Table 1, 2 는 STS304의 화학적 조성 및 기계적 특성을 나타낸다. 맞대기용접 실험 시 버(burr)의 영향을 최소화하기 위해 용접 이음면을 밀링 정삭가공을 하였다. 자석은 자속밀도값으로 정의하여 가우스 3000G 로 고정된 자석을 이용하였다.
시험편은 STS304 를 사용하였고, 비드 온 플레이트 방식으로 용접을 실시하였다. 본 실험의 공정변수에 따른 용접 특성을 파악하였고, 레이저 출력을 50 W 용접 속도 1 mm/s 보호가스는 N2 를 30 ℓ/min 로 분사하여 사용하였으며, 갭은 0.3 mm 로 고정하여 실험을 하였다. 용접 조건 변화에 따른 용접부의 결함, 용입과 비드 형상을 조사하여 용접성을 평가하고, 용접 결함을 제어할 수 있는 용접 기술과 이론적 배경을 구축하였다.
자기장이 용접에 미치는 미세용접 형상을 알아보기 위해 파이버 레이저를 이용하여 스테인리스 강판(ST304)을 용접 하였다. 본 실험조건에서 일반적인 레이저 용접과 자기장을 이용한 레이저 용접을 비교분석 하였다. 레이저의 에너지, 용접속도, 보호가스 등의 변수를 고정하여 절단면 조직형상, 인장시험, 내부 경도시험을 통하여 자기장 효과를 검증 할 수 있었고, 기계적 성질이 개선되는 특성을 보였다.
실험에 사용된 레이저는 램프여기(lamp-pumped)방식의 CW(continuous wave) 파이버 레이저를 사용하였다. 실험 데이터를 최적화하기 위해서 여러 가지 변수들을 복합적으로 고려하여 설정하였다. 시험편은 STS304 를 사용하였고, 비드 온 플레이트 방식으로 용접을 실시하였다.
용융금속에서 유동에 관한 최종식을 유도하기 위하여 자성체 모델의 일부분을 kff로 표현하였다.(12)
절단면 및 조직 형상분석은 광학현미경으로 사용하였다. 용입 및 미세형상을 분석하기 위해 용접방향에 수직으로 비드단면을 와이어커팅기로 절단한 후 마운팅(hot mounting) 하였다. 마운팅된 시편의 비드의 절단면을 샌드페이퍼를 이용하여 #100~#1200 까지 #100단위로 증가시켜가며 연마 후 최종적으로 다이야몬드 서스펜션(Diamond suspension) 입도 1 ㎛으로 마무리 연마하였다.
3 mm 로 고정하여 실험을 하였다. 용접 조건 변화에 따른 용접부의 결함, 용입과 비드 형상을 조사하여 용접성을 평가하고, 용접 결함을 제어할 수 있는 용접 기술과 이론적 배경을 구축하였다. 용접부의 미세 조직과 경도의 상관관계를 분석하였고, 인장시험을 통하여 용접부의 신뢰성과 기계적 특성을 규명하였다.
용접 조건 변화에 따른 용접부의 결함, 용입과 비드 형상을 조사하여 용접성을 평가하고, 용접 결함을 제어할 수 있는 용접 기술과 이론적 배경을 구축하였다. 용접부의 미세 조직과 경도의 상관관계를 분석하였고, 인장시험을 통하여 용접부의 신뢰성과 기계적 특성을 규명하였다.
보호가스는 노즐 직경 4 mm 로 레이저빔을 뒤따라가도록 공급하였고 그 유량은 10 ℓ/min 고정하였다.용접성을 평가하기 위해 용접이 완료된 시험편은 와이어커팅 가공하여 인장시험, 경도시험, 미세형상 등을 분석하였다.
초점위치는 재료 상부표면에 일치하도록 하였다. 용접의 위치를 제어한 후 프로그램을 이용하여 자동 용접하도록 구성하였으며, 이를 통해 맞대기용접을 실시하였다. 또한 보호가스에 따른 용접성에 대해 확인하기 위해 직경 4 mm 의 구리 노즐을 장착하였으며, 포커싱 위치 바로 뒤에서 60°의 각도로 레이저빔을 따라가도록 공급하였다.
자기장이 용접에 미치는 미세용접 형상을 알아보기 위해 파이버 레이저를 이용하여 스테인리스 강판(ST304)을 용접 하였다. 본 실험조건에서 일반적인 레이저 용접과 자기장을 이용한 레이저 용접을 비교분석 하였다.
대상 데이터
현재 레이저 용접이 상용화된 것은 테일러드 블랭크 용접을 이용한 자동차용 섀시, 외관의 제조이다. 1985 년 독일의 Audi, 일본 Nissan 자동차에서 1998 년 일본 전 공장에 도입하였다. 이 기술은 이전에 점용접에 비해 강판 소요량을 줄임으로서 생산성을 향상시키고 차체를 경량화 시켰다.
에칭은 면봉을 이용하여 시간은 수초간 지속하였다. 경도시험에 사용된 경도시험기는 월퍼트 윌슨 인스트로먼트 사의 402MVD 를 사용하였으며, 적용하중은 50 gf(Hv 1)로 설정하였다.
레이저 빔의 이송속도는 10 mm/s 고정하여 용접하였다. 또한 보호가스는 레이저용접 시 주로 사용되는 불활성 가스인 N2 를 이용하여 용접하였다. 보호가스는 노즐 직경 4 mm 로 레이저빔을 뒤따라가도록 공급하였고 그 유량은 10 ℓ/min 고정하였다.
본 실험에서 램프여기 방식의 CW 파이버 레이저를 사용하였다. 본 장치의 최대 출력은 50 W 를 가지고 있다.
본 연구 모델은 Fig. 1 과 같이 길이 40 mm, 높이가 1 mm 인 STS304 강판 및 길이 2 mm, 높이가 6 mm 인 자석으로 구성되어 있다. Fig.
본 연구에서 실험재료는 우리 생활과 밀접한 자동차, 가전제품, 건축자재 등에서 광범위하게 사용되는 냉간압연강판의 한 종류인 STS304 표면이 미려하고 녹이 슬지 않는 스테인리스강판을 선택 하였다.(8) 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인리스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다.
실험 데이터를 최적화하기 위해서 여러 가지 변수들을 복합적으로 고려하여 설정하였다. 시험편은 STS304 를 사용하였고, 비드 온 플레이트 방식으로 용접을 실시하였다. 본 실험의 공정변수에 따른 용접 특성을 파악하였고, 레이저 출력을 50 W 용접 속도 1 mm/s 보호가스는 N2 를 30 ℓ/min 로 분사하여 사용하였으며, 갭은 0.
실험 시험편은 20 mm × 20 mm 사이즈로 두께는 1 mm 이다.
본 연구에서는 오스테나이트계인 STS304 에 자기장을 적용하여 레이저 용접성을 실험하고자 한다. 실험에 사용된 레이저는 램프여기(lamp-pumped)방식의 CW(continuous wave) 파이버 레이저를 사용하였다. 실험 데이터를 최적화하기 위해서 여러 가지 변수들을 복합적으로 고려하여 설정하였다.
인장시험에 사용된 인장시험기는 인스트론 사에 5800 series 로 수행되었으며, 최대 200 kN 의 용량을 갖는 재료시험기 이다. 시험절차는 KS B 0802에 명시된 절차를 준수하였으며 시험방식으로는 변위제어방식을 사용하였다.
이론/모형
본 연구에서는 점성층류유동에 대한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 지배 방정식으로 사용하였다.
인장시험에 사용된 인장시험기는 인스트론 사에 5800 series 로 수행되었으며, 최대 200 kN 의 용량을 갖는 재료시험기 이다. 시험절차는 KS B 0802에 명시된 절차를 준수하였으며 시험방식으로는 변위제어방식을 사용하였다. 이때의 시험 속도는 5.
용융금속의 자기장 영향을 해석하기 위하여 자기장의 세기 H (A/m), 자기장의 밀도 J (A/m2)를 맥스웰 방정식을 이용하여 정의할 수 있다.
최종적으로 점성층류유동에 대한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 지배 방정식으로 적용할 수 있다.
성능/효과
(1) 수치적 해석 결과로 자기장 영향 및 세기에 따라 유체의 속도가 약 0.14 mm/s 증가 하였다.
(2) 자기장을 이용하였을 때 열영향부 및 열적 변형이 간접적으로 차이가 났다.
(5) 자기장을 이용하였을 때 기계적 성질이 향상 하였다.
(8) 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인리스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다.(9) 레이저 용접에는 여러 가지 가공변수들이 존재하며 레이저빔 출력과 빔 이송 속도가 가장 중요한 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 오스테나이트계인 STS304 에 자기장을 적용하여 레이저 용접성을 실험하고자 한다.
11~13 은 ´200, ´500, ´1000 로 관찰한 용입 및 절단면에 미세형상이다. 3 회에 걸쳐 실험한 결과로 미세형상을 보았을 때 자기장을 이용한 것은 열적변형이 적게 일어났다. 본드부 경계에서만 조직이 미세하게 조대화 되었을 뿐, 구분할 정도의 열영향 구역이 보이지 않았다.
14 은 인장시험 결과에 대한 그래프이다. 각각 10 개의 시험편을 인장시험 한 결과 평균 약 16 kPa 정도의 차이를 보였다. 이는 자기장과 열영향에 따라 오스테나이트화된 재질이 급랭 되면서 조밀한 마르텐사이트가 되었기 때문이라고 사료된다.
15 은 경도시험 결과에 대한 그래프이다. 경도값을 보면 전체적으로 모재보다 높은 경도값을 가졌고, 열영향부의 경도는 높아졌다. 용접 중 용융과정을 거치면서 조직이 연화되었기 때문으로 사료된다.
본 실험조건에서 일반적인 레이저 용접과 자기장을 이용한 레이저 용접을 비교분석 하였다. 레이저의 에너지, 용접속도, 보호가스 등의 변수를 고정하여 절단면 조직형상, 인장시험, 내부 경도시험을 통하여 자기장 효과를 검증 할 수 있었고, 기계적 성질이 개선되는 특성을 보였다. 접합공정을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이저 용접이 상용화된 제조 분야는?
(2) 이러한 장점 때문에 여러 분야에서 급격히 실용화되고 있고 이종 재료의 용접에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 레이저 용접이 상용화된 것은 테일러드 블랭크 용접을 이용한 자동차용 섀시, 외관의 제조이다. 1985 년 독일의 Audi, 일본 Nissan 자동차에서 1998 년 일본 전 공장에 도입하였다.
스테인리스강판의 재료적 특성은?
본 연구에서 실험재료는 우리 생활과 밀접한 자동차, 가전제품, 건축자재 등에서 광범위하게 사용되는 냉간압연강판의 한 종류인 STS304 표면이미려하고 녹이 슬지 않는 스테인리스강판을 선택 하였다.(8) 고온 산화성이 적고 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리 등의 부식에 내식성이 우수한 스테인리스강판을 레이저용접으로 접합하고자 한다.(9) 레이저 용접에는 여러 가지 가공변수들이 존재하며 레이저빔 출력과 빔 이송 속도가 가장 중요한 요인으로 작용한다.
자기장이 용접에 미치는 미세용접 형상을 알아보기 위해 파이버 레이저를 이용하여 스테인리스 강판(ST304)을 용접하여 얻은 실험의 연구 결과는?
(1) 수치적 해석 결과로 자기장 영향 및 세기에 따라 유체의 속도가 약 0.14 mm/s 증가 하였다.
(2) 자기장을 이용하였을 때 열영향부 및 열적 변형이 간접적으로 차이가 났다.
(3) 인장시험에서 약 16kPa 정도의 차이가 발생한다.
(4) 경도시험에서 약 7Hv 정도 차이가 발생한다.
(5) 자기장을 이용하였을 때 기계적 성질이 향상 하였다.
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