[논문]강의 레이저-아크 하이브리드 용접시 공정변수에 따른 비드용접특성 (I) - 보호가스 유량 및 레이저 아크간 거리의 영향 -

김종도; 명기훈; 송무근; 오재환; 서정

doi:10.5781/jwj.2015.33.2.85

강의 레이저-아크 하이브리드 용접시 공정변수에 따른 비드용접특성 (I) - 보호가스 유량 및 레이저 아크간 거리의 영향 -
The characteristics of bead welding on steel with process parameter during the laser-arc hybrid welding(I) - Effect of flow rate of shield gas and distance between laser and arc - 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.2, 2015년, pp.85 - 90

김종도 (한국해양대학교 기관공학부) , 명기훈 (한국해양대학교 대학원 기관공학과) , 송무근 (한국해양대학교 대학원 기관공학과) , 오재환 (세화산업) , 서정 (한국기계연구원 부산레이저기술지원센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently many studies for improvement of productivity and automation of process are in progress, and among others, laser-arc hybrid welding that combined laser and arc has attracted much attention. Since parameters by interactions as well as the parameters of each heat source should be considered, There are a lot of hardship in actual application, even though many researches have been done so far. Therefore in this study, bead welding was done to examine the effects of the flow rate of shield gas and the distance between laser and arc during laser-arc hybrid welding. As for hybrid heat source, disk laser and MIG were used. As experiment result, sound bead and weld with no defect were formed when the flow rate of front and rear shield gas were respectively 20 l/min and 15 l/min, and deep penetration was done at DLA=3 mm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실험에서 사용한 재료는 두께 8 mm의 일반구조용 압연강재인 SS400과 두께 10 mm의 조선용 강판인 AH36이다. SS400은 가공성 및 경제성 등으로 인하여 주요부품을 제외하고 보조 부재로 널리 사용되고 있으며, 특히 용접성이 좋기 때문에 하이브리드 용접시 재료와 열원 사이의 상호작용에 대해 알아보기 위해 사용하였다. 용접 와이어는 연강 및 50kg급 고장력강용인 직경 1.
따라서 본 연구에서는 하이브리드 용접의 변수중 보호가스의 유량 및 레이저-아크간 거리를 변화시켜 비드 용접을 실시하였으며, 각 변수에 따른 용접특성을 파악하고 실제 맞대기 용접시 적용할 최적의 용접조건을 도출하고자 하였다.
또한 Matsuda¹⁰⁾ 및 Kutsuna¹¹⁾ 등은 아크에 의해 형성된 용융지의 가장 깊은 부분에 레이저가 조사되도록 D_LA를 유지해야만 최대 용입 깊이를 얻을 수 있다고 보고하고 있다. 따라서 용융지의 형상에 영향을 미치는 전류를 변화시켜 DLA에 따른 용입특성을 검토하였다.

제안 방법

전면 및 이면 보호가스의 유량을 각각 변화시켜 산화가 일어나지 않고 건전한 비드가 형성된 조건을 도출하였다. 사전 실험을 통해 도출된 실제 사용하고자 하는 용접 전류 및 속도 그리고 최적의 보호가스 조건에서 레이저-아크 간 거리(D_LA)를 변화시켜 실험을 실시하였으며, 용입깊이 및 비드안정성을 평가함으로써 최적의 D_LA를 선정하고자 하였다. 모든 실험은 아크 선행으로 진행되었다.
맞대기 용접시에는 관통용접을 목적으로 하기 때문에 이면 용융금속의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스를 사용하여 대기로부터 차폐할 필요가 있다. 이면 비드를 실드하기 위해 지그 아래쪽에 노즐을 설치하여 불활성 가스를 공급하였으며, 가스의 와류 및 융액에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 반대쪽을 개방하여 가스가 고착되지 않고 흐를 수 있도록 하였다.
8 %의 Ar 가스를 사용하여 대기로부터 차폐되었다. 전면 및 이면 보호가스의 유량을 각각 변화시켜 산화가 일어나지 않고 건전한 비드가 형성된 조건을 도출하였다. 사전 실험을 통해 도출된 실제 사용하고자 하는 용접 전류 및 속도 그리고 최적의 보호가스 조건에서 레이저-아크 간 거리(D_LA)를 변화시켜 실험을 실시하였으며, 용입깊이 및 비드안정성을 평가함으로써 최적의 D_LA를 선정하고자 하였다.

대상 데이터

실험에서 사용한 재료는 두께 8 mm의 일반구조용 압연강재인 SS400과 두께 10 mm의 조선용 강판인 AH36이다. SS400은 가공성 및 경제성 등으로 인하여 주요부품을 제외하고 보조 부재로 널리 사용되고 있으며, 특히 용접성이 좋기 때문에 하이브리드 용접시 재료와 열원 사이의 상호작용에 대해 알아보기 위해 사용하였다.
용접 열원으로는 최대출력 6.6 kW의 CW 디스크 레이저와 펄스 모드의 MIG를 사용하였다. 광학계의 초점 길이는 223 mm이며, 비초점 거리(f_d)는 -3 mm로 설정하였다.
SS400은 가공성 및 경제성 등으로 인하여 주요부품을 제외하고 보조 부재로 널리 사용되고 있으며, 특히 용접성이 좋기 때문에 하이브리드 용접시 재료와 열원 사이의 상호작용에 대해 알아보기 위해 사용하였다. 용접 와이어는 연강 및 50kg급 고장력강용인 직경 1.2 mm의 SM-70을 사용하였다. Table 1에 모재와 와이어의 화학적 조성을 나타낸다.

성능/효과

동일한 이유로 이면에 험핑 비드가 형성된 20 l/min과 25 l/min의 조건에서 덧살 높이가 감소하였다. 0 l/min의 조건에서 이면 비드폭이 넓게 형성되었고 유량이 점점 증가함에 따라 이면 비드폭이 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 관통 용접시 전면뿐만 아니라 이면비드 방향으로도 강력한 플라즈마가 분출되기 때문이며, 0 l/min의 경우에는 플라즈마의 형성이 더욱 격렬하기 때문에 플라즈마의 복사열에 의해 비드폭이 넓어지며, 유량이 증가함에 따라 플라즈마 형성이 억제되어 이면 비드폭이 점점 감소하는 것으로 판단된다.
1) SS400에 대해 전면 보호가스 유량을 변화시킨 결과, 유량이 부족할 경우 용접부 내에 기공이 발생하고 비드외관에 많은 스패터가 부착된 것을 확인할 수 있었으며, 유량이 과도하게 많을 경우에는 비드가 불균일하게 형성되었다. 20 l/min의 유량을 사용한 경우 용접부 내에 결함이 존재하지 않고 균일한 비드가 형성되었다.
2) SS400에 대해 이면 보호가스 유량을 변화시킨 결과, 이면 보호가스 유량이 부족하거나 과도할 경우 각각 이면에 산화 및 험핑비드가 발생하였다. 15 l/min의 유량을 사용하였을 때 이면에 산화 및 험핑비드가 발생하지 않는 건전한 용접부가 형성되었다.
3) 가장 깊은 용입을 나타내는 D_LA는 용융지의 형상에 영향을 미치는 용접 전류 및 속도에 따라 변화하였으며, D_LA=3 mm에서 용입이 깊고 안정적인 용접부가 형성되었다.
4) AH36에 대해 360 A의 전류를 사용하여 D_LA를 변화시킨 결과, D_LA가 가까울 경우 전면 비드에 험핑이 발생하였으며, 속도가 빠를 경우 험핑이 발생하는 D_LA 구간이 더욱 넓게 나타났다. 험핑이 발생하는 조건보다 D_LA를 더욱 증가하였을 때 험핑이 억제되는 것을 확인하였다.
7에 나타낸다. 가장 깊은 용입은 v=2m/min 에서 D_LA = 2 mm, v = 3 m/min에서는 D_LA = 3 mm 에서 나타났으며, 이를 통해 동일한 전류조건에서 속도가 증가할수록 깊은 용입이 나타나는 DLA가 멀어지는 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
2는 보호가스 유량에 따른 용입특성을 나타낸 것으로, 0 l/min일 때에는 레이저에 의해 형성된 강력한 플라즈마로 인해 레이저 빔의 흡수율이 떨어져 다른 조건에 비해 용입 깊이가 얕았으며, 형성된 플라즈마의 복사열에 의해 비드폭은 넓었다. 보호가스 유량이 5~10 l/min으로 증가함에 따라, 플라즈마의 형성이 억제되어 비드폭은 감소하였으며, 레이저빔의 흡수율이 증대되기 때문에 용입 깊이는 증가하는 경향을 나타냈다. 10~20 l/min의 경우에는 비드폭이 지속적으로 감소하는 반면 용입깊이는 큰 변화가 없었다.
또한 용융지가 대기와 완전하게 차폐되지 못해 대기 중 기체가 용융금속 내로 용해된 후 금속의 응고시 가스를 점차 방출하기 때문에 용접부 내부에 기공이 형성되었다. 보호가스 유량이 점차 증가함에 따라 용접부 내부에 기공이 존재하지 않고, 비드가 점점 미려해지는 것을 확인할 수 있었다. 25 l/min의 유량에서는 과도하게 높은 보호가스의 압력으로 인해 용융지가 직접적으로 영향을 받아 불균일한 비드가 형성되었다.
1에 나타낸다. 보호가스를 사용하지 않았을 때의 비드외관을 보면, 비드가 불균일하고 주위에 많은 스패터가 부착된 것을 확인할 수 있다. 이는 산화반응으로 인해 용융금속의 점도가 낮아진 상태에서 레이저에 의한 증발 압력 및 아크 압력에 의해 용융금속이 격렬히 비산하면서 스패터가 발생하고, 이로 인해 아크가 불안정해져 불균일한 비드가 형성된 것으로 판단된다.
실험을 통한 최적의 D_LA는 240 A의 경우 2 mm에서 가장 깊은 용입을 나타내었지만 그래프에 보이는 바와 같이 1 mm에서 용입의 감소폭이 크기 때문에 임계값을 고려하여 D_LA가 3 mm일 때가 가장 적합하다고 판단된다. 300 A의 경우 역시 4 mm에서 용입깊이가 가장 깊었지만 5 mm에서 급격한 용입감소를 보이기 때문에 3 mm가 더욱 적합하다고 판단된다.
이러한 결과를 통해 최적의 D_LA는 살펴보면, 240 A의 경우 2 mm에서 가장 깊었지만 1 mm에서 용입의 감소폭이 크기 때문에 D_LA= 3 mm가 적합하다고 판단되며, 300 A의 경우 용입은 4 mm에서 가장 깊었지만, 5 mm에서 급격한 용입 감소로 인해 D_LA = 3 mm를 사용하는 것이 더욱 적합하다고 판단된다.
이러한 험핑비드는 하이브리드 용접시 빠른 용접 속도로 인해 아크가 레이저 조사점 쪽으로 치우치게 되고, 이때 레이저에 의해 발생한 플라즈마의 높은 압력이 아크 플라즈마에 영향을 미치기 때문에 아크가 불안 정해져 형성되는 것으로 사료된다. 이를 근거로 v = 2.5 m/min의 경우 v = 2 m/min보다 더욱 빠른 속도로 인해 아크의 치우침 현상이 더욱 커지게 되어 레이저에 의해 발생한 플라즈마의 압력에 영향을 받기 쉽기 때문에 v = 2 m/min의 경우보다 더욱 D_LA를 멀리하여야 안정되고 미려한 비드가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
5 m/min에서는 2~3 mm의 조건에서 험핑비드가 형성되었다. 험핑비드가 형성되는 조건보다 DLA를 더욱 증가시켰을 때 비드가 점점 안정화 되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 험핑비드는 하이브리드 용접시 빠른 용접 속도로 인해 아크가 레이저 조사점 쪽으로 치우치게 되고, 이때 레이저에 의해 발생한 플라즈마의 높은 압력이 아크 플라즈마에 영향을 미치기 때문에 아크가 불안 정해져 형성되는 것으로 사료된다.
구간이 더욱 넓게 나타났다. 험핑이 발생하는 조건보다 D_LA를 더욱 증가하였을 때 험핑이 억제되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저-아크 하이브리드 용접은 무엇인가	레이저-아크 하이브리드 용접은 두 용접 프로세스를 동시에 사용함으로써 상호 간의 시너지 효과를 통해 효율을 극대화 하는 용접법이다1). 하이브리드 용접은 저입열, 빠른 용접속도 및 깊은 용입과 같은 레이저 용접의 장점과 높은 효율 및 갭 브릿지 효과와 같은 아크 용접의 장점을 모두 가진다2-4).
	레이저-아크 하이브리드 용접이 조선 산업에 적용 가능한 이유는 무엇인가	조선 산업에서 사용하는 용접부재의 용접 길이는 대부분 12 m이상으로, 절단면 및 이음새의 정밀도가 정확하지 않을 경우 레이저만으로는 접합이 곤란하지만, 하이브리드 용접을 사용한 경우에는 용가재에 의해 갭 허용치가 증가하기 때문에 용접이 가능하다.
	하이브리드 용접의 장점은 무엇인가	레이저-아크 하이브리드 용접은 두 용접 프로세스를 동시에 사용함으로써 상호 간의 시너지 효과를 통해 효율을 극대화 하는 용접법이다1). 하이브리드 용접은 저입열, 빠른 용접속도 및 깊은 용입과 같은 레이저 용접의 장점과 높은 효율 및 갭 브릿지 효과와 같은 아크 용접의 장점을 모두 가진다2-4).

참고문헌 (11)

Ming Gao, Xiaoyan Zeng and Qianwu Hu : Effect of gas shielding parameters on weld penetration of $CO_2$ laser-TIG hybrid welding, Journal of Materials Processing Technology, 184(1-3) (2007), 177-183

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S. Tetsuo, M. Yasuo, K. Taizo, U. Tomoyuki and U. Yuji : Research on laser arc hybrid welding of HT780 Steel, Journal of the Japan Welding Society, 29(4) (2011), 248-257 (in Japanese)

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G. Campana, A. Fortunato, A. Ascari, G. Tani and L. Tomesani : The influence of arc transfer mode in hybrid laser-MIG welding, Journal of Material Processing Technology, 191 (2007), 111-113

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Cheol-Hee Kim, Hyun-Byung Chae, Jun-Ki Kim and Jeong-Han Kim : Welding Phenomena in Laser-GMA Hybrid Welding Process with and without Arc Rotation, Journal of KWS, 24(3) (2006), 15-21 (in Korean)
Liu Zhongjie : $CO_2$ laser-MAG hybrid welding of 590MPa high strength steel, Journal of The Japan Welding Society, 24(1) (2006), 17-25 (in Japanese)

상세보기
Ming Gao, Shuwen Mei and Zemin Wang : Process and joint characterizations of laser-MIG hybrid welding of AZ31 magnesium alloy, Journal of Materials Processing Technology, 1338-1346 (2012)
J. Tusek and M. Suban : Hybrid welding with arc and laser beam, Sci. Technol. Weld. Joining, 308-311 (1999)
Liming Liu, Minghua Chen : Effect of electric arc on laser keyhole behavior based on direct observation during low power pulsed laser-arc hybrid welding process, Optics and Lasers in Engineering, 51 (2013), 1153-1160

상세보기
Jing-bo Wnag and Hitoshi Nishimura : Study of improvement of gap tolerance in laser-MIG arc hybrid welding of aluminium alloy, Journal of Light Metal Welding, 46(10) (2009), 447-458
J. Matsuda, A. Utsumi and M. Hamasaki : TIG or MIG arc augmented laser welding of thick mild steel plate, Joining and Materials, 1, No. 1(1988), 31-34

상세보기
M. Kutsuna and L. Chen : Interaction of both plasmas in $CO_2$ laser-MAG hybrid welding of carbon steel, Proceeding of SPIE, 4831(2003), 357-362

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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