[논문]레이저 드릴링을 통한 강판 가공 시 응력 모델링

이우람; 김주한

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.7.857

레이저 드릴링을 통한 강판 가공 시 응력 모델링
Stress Modeling of the Laser Drilling Process in Carbon Steel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.7, 2013년, pp.857 - 864

이우람 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 김주한 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
AI-Helper

레이저 정밀 가공은 고품질의 집속 광에너지를 이용하여 재료를 미세하게 가공하는 특수 가공으로 정밀 제조 분야에 적용되고 있다. 그러나 레이저 가공 시 열적 효과로 인해 재료 특성을 저하 시킬 수 있다. 또한, 압연 강재 및 강판의 경우 공정 단계에서 강한 압력으로 제작하기 때문에 반드시 잔류응력이 존재한다. 하지만 압연 강재에 존재하는 잔류응력의 양은 정량적인 예측이 불가능하다. 이러한 잔류응력이 존재하는 재료의 레이저 가공 시 레이저에 의한 부가적인 응력 발생 및 재료에 미치는 열적 영향의 예측 및 평가는 정밀 가공에 있어서 반드시 고려해야 하는 사항이다. 본 연구에서는 레이저 홀 가공 시 발생되는 온도 및 응력을 유한요소 해석과 실험적 방법으로 분석하였다. 재료의 열응력을 예측하기 위해 레이저 홀가공 실험을 수행하여 가열 및 냉각 등의 대한 결과를 도출하였다. 또한 냉각 시간에 따른 응력의 변화를 파악하였고 유한요소 해석으로 예측된 응력을 홀드릴링 응력 측정 기법에 의해 도출된 응력과 비교 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A laser machining process has been applied in many manufacturing fields and it provides an excellent energy control for treating materials. However, a heat effect during laser machining can deteriorate material properties. Specifically, a thermally induced stress can be a problem in laser-machined structures on a metal surface. In this study, temperature and stress on cold-rolled carbon steel sheet machined with laser hole drilling were explored in an experimental approach and a numerical method. Stresses by temperature gradients inside the materials were generated in fast cooling. The stresses were measured by using a hole-drilling method and the material properties of carbon steel (SCP1-S) were obtained in the experiment. It was found that the stress predicted from the numerical analysis was in agreement with the stresses measured by using the hole-drilling method. The analysis can be applied for evaluating structure characteristics machined with a laser.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 SCP1-S 의 레이저 홀가공 시 발생되는 온도 및 응력을 예측 및 평가하기 위한 목적으로 유한요소적 해석과 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 자동차 내•외장재에 많이 사용되는 냉간압연강판인 SCP1-S를 대상으로 하여 레이저 홀가공 시 발생되는 온도 및 응력을 유한요소 해석과 실험적 방법으로 분석하였다.

가설 설정

레이저 빔이 조사된 부분을 기준으로 왼쪽 부분을 해석 및 측정하였다. 응력해석을 위해 재료는 등방성(isotropic)으로 가정하였고, 항복거동은 폰미세스(Von-Mises) 항복조건을 사용하였다.⁽⁹⁾ 또한, 외적구속은 일반적으로 레이저 홀가공에 사용되는 구멍에 평행한 면을 구속조건으로 하였다.

제안 방법

(1) 레이저 홀가공 공정 시 냉각 및 가열되는 위치에 대해 온도 측정 실험을 수행하여 각각의 위치에서의 온도 분포 검증하였다.
이에 본 연구에서는 자동차 내•외장재에 많이 사용되는 냉간압연강판인 SCP1-S를 대상으로 하여 레이저 홀가공 시 발생되는 온도 및 응력을 유한요소 해석과 실험적 방법으로 분석하였다. 강판재의 열응력을 예측하기 위해 레이저 홀가공 실험을 수행하여 가열 및 냉각 등의 대한 결과를 도출하였다. 또한 냉각 시간에 따른 응력의 변화를 파악하였고 유한요소 해석으로 예측된 응력을 홀드릴링 응력 측정 기법에 의해 도출된 응력과 비교 검증하였다.
레이저 홀 드릴을 통해 용융된 부분의 평행한 면을 구속하였고, 열의 주된 손실은 전도, 대류, 복사에 의해서 이루어지는데 복사에 의한 영향은 무시하였다. 대류에 의한 손실은 윗면과 아랫면에 자연대류 계수를 설정하였고, 열전도 계수는 본 열전달 해석에 가장 중요한 변수이므로 온도에 따른 함수로 다음과 같은 값을 사용하였다(Table 2).⁽¹²⁾
금속의 용융 온도는 일반적으로 1000 ℃ 이상이기 때문에 열전대의 측정온도 범위를 벗어난다. 따라서 선행연구⁽¹⁵⁾ 및 실험⁽¹⁶⁾ 을 통하여 열전대의 부착위치를 설정하였다. 열전대는 0 ~ 1500 ℃ 범위의 온도를 측정할 수 있는 B-type을 사용 하였고, 선행 연구⁽¹⁵⁾의 결과를 토대로 용융된 부분을 중심으로부터 0 ~ 10 ㎜ 까지 1 ㎜ 간격으로 부착하였다.
강판재의 열응력을 예측하기 위해 레이저 홀가공 실험을 수행하여 가열 및 냉각 등의 대한 결과를 도출하였다. 또한 냉각 시간에 따른 응력의 변화를 파악하였고 유한요소 해석으로 예측된 응력을 홀드릴링 응력 측정 기법에 의해 도출된 응력과 비교 검증하였다.
레이저를 통한 가공에 있어서 열응력에 대한 효과를 예측하기 위해서 강판의 레이저 드릴링시 발생되는 온도분포를 유한요소적 방법으로 구하여 열응력을 계산하였다. 또한 이 결과를 통해 기계적 홀 드릴링 기법을 이용한 응력 측정 결과와 비교 분석하여 실제 레이저 가공 시 재료 내부에 분포하는 응력을 분석하였다. 실제 가공된 재료의 내부 응력은 재료가 원래 가지고 있는 응력과 가공에 의해 발생된 응력의 합으로 구해질 수 있다.
레이저 홀 드릴을 통해 용융된 부분의 평행한 면을 구속하였고, 열의 주된 손실은 전도, 대류, 복사에 의해서 이루어지는데 복사에 의한 영향은 무시하였다. 대류에 의한 손실은 윗면과 아랫면에 자연대류 계수를 설정하였고, 열전도 계수는 본 열전달 해석에 가장 중요한 변수이므로 온도에 따른 함수로 다음과 같은 값을 사용하였다(Table 2).
레이저를 통한 가공에 있어서 열응력에 대한 효과를 예측하기 위해서 강판의 레이저 드릴링시 발생되는 온도분포를 유한요소적 방법으로 구하여 열응력을 계산하였다. 또한 이 결과를 통해 기계적 홀 드릴링 기법을 이용한 응력 측정 결과와 비교 분석하여 실제 레이저 가공 시 재료 내부에 분포하는 응력을 분석하였다.
유한요소 해석에 있어서는 열에 의한 변형에 대한 응력분포 변화를 해석하였다. 또한, 열전달 및 응력의 해석을 위하여 상용 유한요소프로그램인 컴솔(Comsol)⁽⁴⁾ 을 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 금속은 냉간압연강판(cold rolled carbon steel sheet)의 한 종류인 SCP1-S를 사용하였다(Table 3). 레이저 조사 후 N 2가스를 이용하여 20 ml/min 로 60~300 sec까지 60 sec 간격으로 냉각 시간을 증가시켜 가며 시험편을 제작하였다.
⁽⁹⁾ 또한, 외적구속은 일반적으로 레이저 홀가공에 사용되는 구멍에 평행한 면을 구속조건으로 하였다. 해석모델에서의 요소분할(mesh generation)은국부적이며, 레이저 드릴링으로 인해 온도구배가 심한 구멍 주변은 깊이 y 방향 요소의 크기는 1 mm 로 보다 세밀하게 mesh 하였고, 가공부와 열영향부 에서 멀어질수록 온도 구배가 작기 때문에 요소의 크기를 증가시켰으며, 요소수는 2000 개이고, 절점 수는 2610 개이다. 모델의 형상을 Fig.

데이터처리

응력 측정의 결과에 대한 정밀도를 높이기 위해 1 mm 간격으로 스트레인 게이지를 부착하였다. 또한, 10 개의 시험편을 측정하여 도출된 평균값을 그래프화 하였다. 측정된 응력에 대하여 유한요소해석을 통해 예측된 응력과 홀드릴링 기법을 이용한 측정에 대한 결과를 비교하여 Fig.

이론/모형

유한요소 해석에 있어서는 열에 의한 변형에 대한 응력분포 변화를 해석하였다. 또한, 열전달 및 응력의 해석을 위하여 상용 유한요소프로그램인 컴솔(Comsol)⁽⁴⁾ 을 사용하였다. 유한요소 해석시 필요한 경계조건으로서 초기의 온도는 Table 1과 같다.
본 유한요소 해석에서는 시간 증분 Δt를 결정하는데 있어서 자동시간 추정 알고리즘을 사용하였다.
홀가공 공정 실시 전 온도 측정 부의 열전대는 레이저 점용접 후 접착제를 이용 하여 부착하였다. 수집된 온도는 데이터 수집 보드(National Instruments, DAQ-9174)를 이용하여 처리하였다.
재료의 가공시 물질 제거로부터 형성되는 응력을 실험적으로 측정하기 위해 홀드릴링(Hole-drilling) 기법을 이용하였다. 응력 측정의 결과에 대한 정밀도를 높이기 위해 1 mm 간격으로 스트레인 게이지를 부착하였다.

성능/효과

(2) 냉각 시간에 따른 응력 분포를 평가하기 위해 실험적 연구를 적용하여 금속 내부 잔류응력 분포를 홀드릴링 기법을 이용하여 측정한 결과, 빠른 냉각 속도(60 sec) 공정 시 재료 내부의 온도구배로 인해 응력이 가장 크게 발생하였다.
(3) 유한요소 해석을 수행한 결과 일반 가공에 비해 재료가 내부응력을 가지고 있는 경우 레이저의 열에너지에 의해 가공 후 잔류응력이 홀 가공 주변에서 상당수 상쇄됨을 확인할 수 있었다.
⁽⁴⁾ 또한 압연강판의 열간가공 후, 용체화(Solid solution heat treatment)와 인공시효처리(Artificial aging)를 통해 최적의 기계적 성질을 얻을 수 있다.⁽⁵⁾ 열처리를 통해 재료표면에 발생된 압축잔류응력은 재료의 피로 강도 향상 및 응력부식을 방지하는 등의 장점을 갖지만, 절삭가공 시에는 재료에 상당한 변형을 야기시켜 치수 정밀도가 감소하는 문제가 발생된다.⁽⁶⁾ 또한, 압연 강재 및 강판의 경우 공정 단계에서 강한 압력으로 제작하기 때문에 반드시 잔류응력이 존재한다.
5 는 해석 결과와 실험 결과를 비교한 그래프이다. 3 mm 부분을 시작으로 온도의 차이가 발생하였으며, 실험에서 용융된 부분(10 mm)을 제외시키고, 9 mm 에서 가장 큰 온도가 측정되었으며 최고 온도는 해석(2670 ℃), 실험(1441 ℃) 이며, 약 1231 ℃ 차이가 발생하였다. 실제 해석에 있어 2000 ℃ 이상에서는 상의 변화가 예상되며 이에 대한 물성치도 온도에 따라 매우 급격하게 변하므로 2000 ℃ 이상에서 유한요소 해석의 결과는 큰 의미를 갖지 않는다.
실제 해석에 있어 2000 ℃ 이상에서는 상의 변화가 예상되며 이에 대한 물성치도 온도에 따라 매우 급격하게 변하므로 2000 ℃ 이상에서 유한요소 해석의 결과는 큰 의미를 갖지 않는다. 레이저 드릴링에 의한 홀부근의 온도 분포의 특징은 용융된 주위에서 상당히 급격한 온도의 변화를 나타내었으며, 용융된 주위의 먼 곳(1~5 mm)보다 급격한 온도 변화를 갖는 것으로 분석되었다.
9는 60 – 300 sec까지의 실험적 결과를 보여준다. 비교 결과, 시험편 내부를 중심으로 4 mm 부근에서 압축응력이 가장 크게 발생하였다. 공정후 자연냉각 되는 시간이 길어질수록 압축응력은 점차 감소하는 경향을 나타내었다.
8에 나타내었다. 측정 결과, 시험편 내부를 중심으로 약 4 mm 지점 부근에서 압축응력이 가장 크게 발생하였으며, 60 sec기준으로 냉각 시간이 길어짐에 따라 압축응력은 점차 감소하는 경향을 나타낼 것으로 추정된다. 그리고 해석과 측정된 응력의 완화되는 경향이 유사함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 정밀 가공은 어떤 기술인가?	레이저 정밀 가공은 고품질의 집속 광에너지를 이용하여 재료를 미세하게 가공하는 특수 가공 기술이다. 기계적 가공 공정은 공구가 가공을 수행함과 동시에 재료와 접촉하기 때문에 열이나 마모에 의하여 재료의 열적 영향이 발생하며 이에 따라 공구의 수명이 제한적이다.
	열처리를 통해 재료표면에 발생된 압축잔류응력의 장점은 무엇인가?	(4) 또한 압연강판의 열간가공 후, 용체화(Solid solution heat treatment)와 인공시효처리(Artificial aging)를 통해 최적의 기계적 성질을 얻을 수 있다.(5) 열처리를 통해 재료표면에 발생된 압축잔류응력은 재료의 피로 강도 향상 및 응력부식을 방지하는 등의 장점을 갖지만, 절삭가공 시에는 재료에 상당한 변형을 야기시켜 치수 정밀도가 감소하는 문제가 발생된다.(6) 또한, 압연 강재 및 강판의 경우 공정 단계에서 강한 압력으로 제작하기 때문에 반드시 잔류응력이 존재한다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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