[논문]보호가스 종류에 따른 고출력 레이저 용접특성

안영남; 김철희

doi:10.5781/jwj.2015.33.4.17

보호가스 종류에 따른 고출력 레이저 용접특성
The Effect of Shielding Gas Composition on High Power Laser Welding Characteristics 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.4, 2015년, pp.17 - 23

안영남 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 김철희 (한국생산기술연구원 용접접합그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Laser-gas metal arc hybrid welding has been considered as an alternative process of gas metal arc welding for offshore pipe laying. Fiber delivered high power lasers which enable deep penetration welding were recently developed but high power welding characteristics were not fully understood yet. In this study, the influence of shielding gas composition on welding phenomena in high power laser welding was investigated. Bead shapes, melt ejection and dropping were observed after autogenous laser welding with 100% Ar, Ar-20% $CO_2$, Ar-50% $CO_2$, and 100% $CO_2$ shielding gas. Process parameter window was widest with Ar-50% $CO_2$ shielding gas and the penetration was deepest with 100% $CO_2$ shielding gas. The melt dropping was not observed when Ar-50% $CO_2$ or 100% $CO_2$ shielding gas was supplied.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구의 목적은 해저파이프라인 건설을 위한 레이저-아크 하이브리드 용접의 적용성을 검토하기 위한 선행연구로서 고출력 레이저용접에서 보호가스 종류에 따른 용접 특성을 파악하고자 한다. 실제로 아크용접에서는 Ar-CO₂ 혼합가스가 주로 사용되므로 이에 대응하기 위하여 본 연구에서는 100 % Ar, Ar-CO₂ 20 %, Ar-CO₂ 50 %, CO₂ 100 %의 보호가스를 사용하여 용입깊이, 이면비드의 형상 등을 비교 및 검토하였다.

가설 설정

초점위치는 앞서 언급되었듯이 깊이 방향 –3 mm로고정하여 실험을 진행하였다.

제안 방법

25 mm 두께의 소재를 대상으로 초점위치는 모재의 깊이방향으로 가장 깊은 –7 mm부터 +1 mm까지 변경하면서 실험을 진행하였으며 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
고출력 레이저용접에서 초점위치는 비드의 폭과 용입깊이를 결정짓는 중요한 변수로 본 실험에서는 먼저 초점위치에 따른 용입특성을 평가하였다. 25 mm 두께의 소재를 대상으로 초점위치는 모재의 깊이방향으로 가장 깊은 –7 mm부터 +1 mm까지 변경하면서 실험을 진행하였으며 그 결과를 Fig.
5 mm이다. 다양한 레이저용접 변수 중 예비실험을 통하여 초점위치를 결정하였으며, 후속실험에서 초점위치를 고정하고 타 공정변수의 영향을 검토하였다.
본 논문의 모든 후속실험에서는 이상의 결과들을 참고로 하여 초점위치는 용입 깊이 및 비드 안정성이 양호한 –3 mm로 결정하였다.
본 연구의 목적은 해저파이프라인 건설을 위한 레이저-아크 하이브리드 용접의 적용성을 검토하기 위한 선행연구로서 고출력 레이저용접에서 보호가스 종류에 따른 용접 특성을 파악하고자 한다. 실제로 아크용접에서는 Ar-CO₂ 혼합가스가 주로 사용되므로 이에 대응하기 위하여 본 연구에서는 100 % Ar, Ar-CO₂ 20 %, Ar-CO₂ 50 %, CO₂ 100 %의 보호가스를 사용하여 용입깊이, 이면비드의 형상 등을 비교 및 검토하였다.
용접에서 보호가스의 역할은 앞서 설명하였듯이 언더컷, 블로우홀 등의 용접결함 뿐만 아니라 용입깊이와 같은 비드 형성특성에도 중요한 역할을 하므로 본 실험에서는 레이저 출력, 용접속도에 따라 보호가스 종류별로 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 레이저의 출력범위는 7~10 kW (0.

대상 데이터

본 연구에 사용한 재료는 두께 12.7 mm의 API X65강판 이였으며, 화학적 조성과 기계적 특성을 Table 1과 2에 각각 나타내었다. 실험에 사용한 레이저는 최대출력 12 kW급 디스크 레이저였으며, 레이저 빔은 200μm 직경 파이버로 전송한 후 초점거리 280 mm의 광학계로 소재에 조사되었다.
용접에서 보호가스의 역할은 앞서 설명하였듯이 언더컷, 블로우홀 등의 용접결함 뿐만 아니라 용입깊이와 같은 비드 형성특성에도 중요한 역할을 하므로 본 실험에서는 레이저 출력, 용접속도에 따라 보호가스 종류별로 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 레이저의 출력범위는 7~10 kW (0.5 kW 간격)이었으며 용접속도 범위는 0.75~1.5 m/min(0.25 m/min 간격)이었다. 초점위치는 앞서 언급되었듯이 깊이 방향 –3 mm로고정하여 실험을 진행하였다.
실험에 사용한 레이저는 최대출력 12 kW급 디스크 레이저였으며, 레이저 빔은 200μm 직경 파이버로 전송한 후 초점거리 280 mm의 광학계로 소재에 조사되었다.

성능/효과

1. 용입깊이에 미치는 초점위치의 영향에서는 –3 mm 근처에서 용입이 가장 깊었으며 +1 mm 이상에서는 험핑비드가 발생되는 경우도 관찰 되었다.
2. 이면비드 품질불안정 요소의 하나인 드롭핑 현상은 Ar 또는 Ar-20 % CO₂를 사용한 용접에서 발생 되었으나 CO₂와 Ar-50 % CO₂의 경우는 그러한 현상이 발견되지 않았다.
3. 보호가스가 용입특성에 미치는 효과를 알아보기 위한 실험에서 CO₂를 보호가스로 사용한 경우 모든 조건에서 용입이 가장 깊게 측정되었으며, Ar은 용입 깊이가 얕거나 혼합가스와 비슷한 특성을 보였다.
4. 각각의 보호가스에 대해 건전한 이면비드가 형성되는 용접영역은 Ar-50 % CO₂ 보호가스에서 가장 넓게 형성되었다.
5. 실험에 적용된 용접조건 범위 내에서, 부분용입에서 완전용입으로 바뀌거나 완전용입에서 이면비드 분출로 바뀌는 구간이 존재하였는데 Ar-50 % CO₂를 사용할 경우는 그러한 구간이 발견되지 않았다.
Ar-20 % CO₂ 혼합가스를 보호가스로 사용한 실험에서는 Ar 또는 CO₂ 단독 보호가스를 사용한 경우의 특성이 모두 나타났다. 최고 출력인 10 kW에서는 100 % CO₂ 보호가스와 마찬가지로 모든 용접속도에서 분출이 발생되었다.
8은 이면비드가 건전하게 형성된 적정 용접영역의 정리된 결과를 보여준다. CO₂를 보호가스로 사용한 경우 레이저 출력이 낮은 구간에서부터 적정 용접영역이 형성되었으며 Ar을 보호가스로 사용하면 Ar-CO₂혼합가스를 썼을 때 보다 용접속도가 낮은 쪽에 적정 용접영역이 존재하는 것으로 나타났다. 또 Ar-50 % CO₂혼합가스를 보호가스로 사용한 경우 용접속도를 기준으로 할 때 가장 넓은 적정 용접영역이 존재하는 것을 알 수 있다.
CO₂를 보호가스로 사용한 경우 레이저 출력이 낮은 구간에서부터 적정 용접영역이 형성되었으며 Ar을 보호가스로 사용하면 Ar-CO₂혼합가스를 썼을 때 보다 용접속도가 낮은 쪽에 적정 용접영역이 존재하는 것으로 나타났다. 또 Ar-50 % CO₂혼합가스를 보호가스로 사용한 경우 용접속도를 기준으로 할 때 가장 넓은 적정 용접영역이 존재하는 것을 알 수 있다.
3은 Ar 보호가스를 사용한 실험결과이다. 레이저 출력 7 kW에서는 적용한 모든 용접속도에서 부분 용입을 보이며 안정된 용입현상을 보였다. 레이저 출력이 7.
75 m/min에서 이면비드에서 드롭핑현상이 발생하였으며 그 이상의 속도에서는 부분용입이 형성되었다. 레이저 출력 8.0~8.5 kW 범위에서는 모든 용접속도에서 안정된 용접이 이루어졌으며 용접속도가 증가할수록 용입이 얕아지는 결과를 얻을 수 있었다.
그 다음으로 Ar-50 % CO₂를 보호가스로 사용한 경우가 용입이 깊으며, 100 % Ar을 사용한 조건에서는 용입깊이가 상대적으로 얕거나 혼합가스인 Ar-20 % CO₂의 결과와 비슷하게 측정되었다. 용접 입열량 측면에서 보면 당연한 결과이지만 모든 보호가스 조건에서 용접속도가 가장 낮은 0.75 m/min에서 용입이 가장 깊으며, 용접속도가 가장 빠른 1.5 m/min에서 용입이 얕은 것을 확인할 수 있다.
5와 같이 부분용입으로 진행되다가 용접 중간에 완전용입으로 바뀌는 구간이 발생되었다. 즉 보호가스로 CO₂를 사용할 경우 드롭핑현상은 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 실험에서 제시한 최고 출력인 10 kW에서는 모든 속도에서 이면비드 분출이 발생되었다.

후속연구

이 조건 영역에서 대체로 용접부의 외관품질이 양호하였으나 “a”로 표기된 8 kW, 1 m/min과 12 kW, 2 m/min의 조건에서는 초점위치 +1 mm에서 표면비드가 불균일한 험핑비드의 형성이 발견되었다. 이러한 험핑비드는 고출력 레이저 용접에서 나타날 수 있는 키홀불안정과 관계가 있는 것으로 추정되며 고속카메라를 이용한 후속연구를 통해 정확한 원인을 지시예정이다. 본 논문의 모든 후속실험에서는 이상의 결과들을 참고로 하여 초점위치는 용입 깊이 및 비드 안정성이 양호한 –3 mm로 결정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저용접이 생산라인에서 큰 관심을 받는 이유는 무엇인가?	레이저용접은 고밀도 열원 용접으로 빠른 용접속도, 깊은 용입, 적은 입열량을 가진 용접공정이다. 또한 로봇에 레이저 헤드를 장착하여 완전 자동화가 가능하며 높은 품질, 고정밀, 고성능과 변형감소 등 여러 장점으로 인해 생산라인에 큰 관심을 받고 있다1-3). 파이프라인의 용접에는 전통적으로 아크용접이 이용되고 있으나 비교적 최근 오비탈 파이프라인 용접에 고출력 CO2레이저 또는 Nd:YAG 레이저용접이 제안되었다4-5).
	레이저용접은 무엇인가?	레이저용접은 고밀도 열원 용접으로 빠른 용접속도, 깊은 용입, 적은 입열량을 가진 용접공정이다. 또한 로봇에 레이저 헤드를 장착하여 완전 자동화가 가능하며 높은 품질, 고정밀, 고성능과 변형감소 등 여러 장점으로 인해 생산라인에 큰 관심을 받고 있다1-3).
	레이저-아크 하이브리드 용접의 장점은 무엇인가?	레이저용접은 고생산성에도 불구하고 생산라인에서 발생하는 부재들 사이의 핏업(fit-up) 오차에 취약하기 때문에 레이저용접과 아크용접과의 복합공정인 레이저-아크 하이브리드용접 기술이 중요하게 논의되고 있다. 레이저-아크 하이브리드 용접은 레이저와 아크열원 상호간 시너지 효과에 의해서 용접속도 증가, 변형 감소, 용입및 간극 대응력 확보 등의 여러 가지 장점을 가지고 있어 조선 및 자동차 분야를 중심으로 적용성이 확대되었다6-8). 기존의 연구에서는 열원으로 레이저와 아크가 동시에 적용되기 때문에 용접현상, 비드형상의 모델링, 레이저-아크 간 거리나 아크용접공정변수, 보호가스 등다양한 공정변수에 따른 용접특성에 대한 연구가 진행되었다9-17).

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저자의 다른 논문 :

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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