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문제 정의
- 따라서 본 기고에서는 실제 다이아몬드공구 블레이드에 사용되는 소결체를 He, Ar 및 N2의 보호가스와 유량 등의 변수를 조정하며 Nd:YAG 또는 CO2 레이저를 이용하여 용접하였고, 각각의 보호가스 및 그 유량이 소결체와 탄소강의 이종재료 용접 시 접합강도 및 기공분율 그리고 전반적인 용접성에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다.
제안 방법
- 소결체에서 분말의 소결은 실제 절삭을 수행하는 다이아몬드가 포함된 본드(bond) 층과, 금속 샹크(shank)와의 용접성을 좋게 하는 블랭크(blank) 층으로 구성되어 있으며, 이를 동시 소결하게 되는 구조를 갖는다. 따라서 본 실험에서는 2층의 구조를 갖는 직사각형의 소결체를 800℃에서 250kgf의 힘을 180초 동안 가해 제작하였다. 소결체는 40mm × 11mm × 2.
- . 따라서 이들 보호가스의 플라즈마 제거 정도에 따른 용접효율 증진 효과를 보기위해 D/W 값을 측정하였으며, 또한 냉각효과를 살펴보기 위해 경도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타내었다. 결과는 완전 용입 조건에서 용입 깊이가 샹크의 두께를 기준, 1.
- , 이러한 기공의 종류는 소결체 내부에 존재하던 2~3%의 미세 기공이 용융과정에서 성장된 경우와 함께 용융금속의 급속한 기화에 의해 발생되는 경우로 구분하였다. 따라서 이러한 접합강도 시험결과가 기공분율과 어떤 관계가 있는지 확인하기 위하여 Fig. 5와 같이 시편의 횡단면 및 종단면을 준비하여 이미지분석 S/W를 이용해 정량적으로 측정하였고, 그 결과는 Fig. 6 및 Fig. 7과 같다. 정량적 분석 결과 접합강도가 우수하게 나타나는 Ar에서의 기공분율이 약 10% 정도로 가장 높았으며, He의 기공분율은 5~7% 정도로 기공 발생 측면에서 가장 우수한 결과를 나타냈다.
- 레이저 두 종류를 사용하였다. 또한 보호 가스로는 He, Ar 및 N2를 사용하였으며 구리 노즐 직경 4mm로 레이저 빔을 뒤따라가도록 공급하였다. 용접속도는 예비실험을 통하여 적절한 비드 외관이 형성되는 속도로 고정하였으며 적용 보호가스의 형태와 유량을 10, 20 및 30L/min으로 변화시켜가며 용접하였다.
- 3과 같이 굽힘강도 시험을 실시하였다. 또한 비커스 경도시험과 같은 기계적 특성 분석과 함께 비드 종단면 및 횡단면의 시편 준비를 하고 이미지분석 S/W를 이용해 종횡비(D/W) 값, 용융면적 뿐만 아니라 기공의 크기 및 분포를 정량적으로 측정하였다.
- 선행 시험을 거쳐 적절한 출력과 속도를 도출한 후 보호가스의 종류 및 유량에 따른 영향을 파악하기 위해 Ar, N2 및 He 가스를 각각 적용하여 시편을 제작하였다. 이후 보호가스가 접합강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 굽힘강도 시험을 하였으며 그 결과는 Fig.
- 또한 보호 가스로는 He, Ar 및 N2를 사용하였으며 구리 노즐 직경 4mm로 레이저 빔을 뒤따라가도록 공급하였다. 용접속도는 예비실험을 통하여 적절한 비드 외관이 형성되는 속도로 고정하였으며 적용 보호가스의 형태와 유량을 10, 20 및 30L/min으로 변화시켜가며 용접하였다. 용접된 시편은 EN13236의 규정에 따라 Fig.
- 이상의 실험으로 보호가스에 따른 다이아몬드공구 소결체의 Nd:YAG 및 CO2 레이저 용접성에 미치는 보호가스의 영향을 정량적으로 평가할 수 있었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 따라 보호가스의 종류 및 유량에 따른 소결체용접특성을 확인하기 위해 No gas, N2 및 Ar 가스를 각각 적용하였다. 이때 적용된 용접조건은 출력 2.
- 및 He 가스를 각각 적용하여 시편을 제작하였다. 이후 보호가스가 접합강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 굽힘강도 시험을 하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다. 독일 안전기준 협회(DSA) 규정에 의하면 다이아몬드공구 블레이드의 최소 접합강도를 600MPa로 규정하였으며 대부분의 시험조건에서 Ar>N2>He 순으로 강도 기준을 만족하였다.
대상 데이터
- 2와 같이 이종두께 맞대기용접을 실시하였다. 샹크는 탄소함량이 0.36wt%인 JIS G 3311 SCM 435를 사용하였으며 이의 비커스 경도는 약 420Hv이다. 본 실험에 사용된 소결체 및 샹크의 주성분은 Table 1과 같다.
- 소결체는 40mm × 11mm × 2.8mm의 크기로 제작하였으며 샹크의 두께는 1.8mm로 하였고, 이를 Fig. 2와 같이 이종두께 맞대기용접을 실시하였다.
- 한편 본 연구에 사용된 레이저는 3kW Nd:YAG 레이저 및 CO2 레이저 두 종류를 사용하였다. 또한 보호 가스로는 He, Ar 및 N2를 사용하였으며 구리 노즐 직경 4mm로 레이저 빔을 뒤따라가도록 공급하였다.
이론/모형
- 용접속도는 예비실험을 통하여 적절한 비드 외관이 형성되는 속도로 고정하였으며 적용 보호가스의 형태와 유량을 10, 20 및 30L/min으로 변화시켜가며 용접하였다. 용접된 시편은 EN13236의 규정에 따라 Fig. 3과 같이 굽힘강도 시험을 실시하였다. 또한 비커스 경도시험과 같은 기계적 특성 분석과 함께 비드 종단면 및 횡단면의 시편 준비를 하고 이미지분석 S/W를 이용해 종횡비(D/W) 값, 용융면적 뿐만 아니라 기공의 크기 및 분포를 정량적으로 측정하였다.
성능/효과
- (1) Nd:YAG 레이저의 경우 접합강도 측면에서 적절한 유량을 사용 시 Ar이 최적의 보호가스로 판명되었으며, He의 경우 30L/min 이상의 유량 사용 시 보호 가스에 의한 효과를 기대할 수 있었다. 반면 CO2 레이저에서는 Ar 가스 사용 시 과도한 플라즈마 발생으로 인해 용입이 일어나지 않았으며, N2 가스를 사용하여 적절한 품질을 도출할 수 있었다.
- (2) 접합강도의 증가는 보호가스의 유량의 증가에 비례하였으며, 이는 기공분율, 경도 및 비드 폭의 증가에도 기인하였다.
- (3) 보호가스의 종류에 따라 소결체의 기공발생 및 강도 등의 용접 특성에 차이가 났으며, 이들의 영향은 보호가스 자체의 특성에 의해 결정되는 플라즈마 제거 효율 및 기타 여러 가지 복합적 원인에 기인한다.
- 8m/min의 조건에서 유량은 15ℓ/min을 적용하였다. 각각의 실험결과는 Fig. 10과 같이 N2 사용 시 가장 양호한 비드 외관을 확보할 수 있었다. 그러나 N2 가스는 금속과 반응하는 활성 가스로서 용융 금속과 반응하여 내부에 기공을 발생시키게 되는 단점이 있다.
- 9에 나타내었다. 결과는 완전 용입 조건에서 용입 깊이가 샹크의 두께를 기준, 1.8mm로 동일하다고 할 때 가스의 종류와 상관없이 유량의 증가에 따라 비드 폭이 증가하여 결과적으로 D/W 값은 약간 감소하는 경향을 보였으나 용융부의 최고 경도 값은 반대로 증가되는 현상을 나타낸다. 이러한 결과는 보호가스 유량의 증가로 인해 플라즈마가 더욱 효과적으로 제거되면서 용융금속의 양을 증가시켜 D/W 값은 감소되나, 샹크와 소결체의 희석정도가 증가됨에 의해 소결체의 블랭크 층에 혼재되어 있던 코발트(Co) 성분 및 샹크의 탄소 성분이 용융부 내로 더 많이 유입되어 경도 상승을 가져온 것으로 판단된다.
- 마지막으로 N2 가스의 유량에 따른 용접성을 비교하기 위해 동일한 용접조건에서 유량을 30ℓ/min까지 10ℓ 씩 변화시켜가며 용접한 결과, 유량의 증가에 따라 전체적으로 외관이 양호해 지는 것을 확인하였으며, 최소 20ℓ/min 이상에서 충분한 보호가스 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 독일 안전기준 협회(DSA) 규정에 의하면 다이아몬드공구 블레이드의 최소 접합강도를 600MPa로 규정하였으며 대부분의 시험조건에서 Ar>N2>He 순으로 강도 기준을 만족하였다. 시험 결과는 또한 보호가스 유량의 증가에 따라 접합강도가 향상되는 결과를 얻었으나, He을 사용한 경우 일부 안전기준을 만족하지 못하였다.
- 8mm로 동일하다고 할 때 가스의 종류와 상관없이 유량의 증가에 따라 비드 폭이 증가하여 결과적으로 D/W 값은 약간 감소하는 경향을 보였으나 용융부의 최고 경도 값은 반대로 증가되는 현상을 나타낸다. 이러한 결과는 보호가스 유량의 증가로 인해 플라즈마가 더욱 효과적으로 제거되면서 용융금속의 양을 증가시켜 D/W 값은 감소되나, 샹크와 소결체의 희석정도가 증가됨에 의해 소결체의 블랭크 층에 혼재되어 있던 코발트(Co) 성분 및 샹크의 탄소 성분이 용융부 내로 더 많이 유입되어 경도 상승을 가져온 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과들을 종합할 때 가스의 종류 및 유량은 플라즈마 제거에 의한 용접효율 증가와 함께 용융량의 증가 및 용접부의 냉각효과를 동반하여 접합강도에 영향을 미치는 기공분율의 증가에도 불구하고 서로의 영향을 상쇄, 최종적인 접합강도가 증가하게 되는 것으로 판단된다. 또한 보호가스 종류에 따라 특성이 달리 나타나는 가장 근본적인 이유는 레이저와 재료의 상호작용에 의해 필연적으로 발생하는 플라즈마와 보호가스의 플라즈마 제거 능력 및 레이저 빔과의 반응 등 여러 복합적인 원인에 기인한 것으로 판단된다.
- 7과 같다. 정량적 분석 결과 접합강도가 우수하게 나타나는 Ar에서의 기공분율이 약 10% 정도로 가장 높았으며, He의 기공분율은 5~7% 정도로 기공 발생 측면에서 가장 우수한 결과를 나타냈다. 또한 Fig.
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