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문제 정의
- 레이저 피닝 공정은 선행 연구된 결과를 토대로 구속층은 투명 폴리카보네이트 필름을 이용한 건식 공정을 수행하였다. 최종적으로 제안된 공정이 잔류 응력 완화에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
가설 설정
- 선행 연구 결과 구속층의 임피던스 변화에 따른 시간에 대한 압력 분포 변화가 고려 사항이며 이를 적용하기 위해 구속층의 다양한 임피던스 값을 가정하였다. 이를 통해 Ti6Al4V 재료의 충격파에 의한 압력 분포는 물 2.
제안 방법
- 레이저 피닝 공정 수행 시 시험편의 전처리 공정이 필요하다. 1) 아세톤을 이용하여 표면 세척, 2) 흡수층 제작은 용접 시험편 위에 약 50 ㎛ 정도의 검정색 코팅제(black paint)를 증착, 3) 구속층 제작은 접착력을 가진 폴리카보네이트 필름(polycarbonate film)을 사용하여 흡수층 위에 접착하였다. 이와 같이 공정을 수행한 후 미세 형상 및 응력 시험(홀드릴링 변형 게이지 기법)을 수행하였다.
- 이에 김주한 등24)의 선행 연구에서는 레이저 빔의 특성에 따라 생성된 충격파가 금속 소재의 기계적 특성을 향상시킨다는 수치적 해석 모델을 제안 및 증명하였다. 또한 금속 소재에 기계적 특성 변화에 따른 매개 변수를 설정하였고, 구속층 변화에 따라 충격파를 극대화 시키는 해석 모델을 구현하였다.
- 응력 측정의 결과에 대한 정밀도를 높이기 위해 표면을 기준으로 깊이 방향으로 측정하였으며, 1 mm 간격으로 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였다. 또한 측정 위치 당 각각 10 개의 스트레인게이지를 부착하여 평균을 낸 응력 수치 분포를 그래프화 하였다(Fig. 7). 티타늄 합금의 경우 용접 잔류 응력의 크기는 상대적으로 선행 연구32-33)에 비해 상대적으로 높게 측정되었다.
- 또한, 선행 연구28-30)를 통해 Ar 을 보호 가스로 사용하였으며, 직경 4 mm 의 구리 노즐을 장착하여 초점 위치 바로 뒤에서 약 60° 의 각도로 레이저 빔을 따라가도록 설정하였다.
- 선행 연구와 동일한 조건으로 레이저 용접 공정을 진행한 후 추가적으로 레이저 피닝 공정을 수행하였다. 레이저 피닝 공정에 대한 충격파 압력 모델링을 통해 최종적으로 제안된 공정의 매크로 단면 및 잔류 응력등 시험을 통해 기계적 특성 향상에 미치는 영향을 규명하였다. 이와 같은 공정을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 티타늄 합금(Ti6Al4V)을 이용해 레이저 용접 공정을 수행한 후 기계적 특성 개선 및 발생된 열적 응력의 완화를 위해 레이저 피닝 공정을 추가로 진행하였다. 레이저 피닝 공정은 선행 연구된 결과를 토대로 구속층은 투명 폴리카보네이트 필름을 이용한 건식 공정을 수행하였다. 최종적으로 제안된 공정이 잔류 응력 완화에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
- 레이저의 펄스폭은 24 ㎱ 을 가지고 있으며 펄스당 에너지는 최대 500 mJ 이다. 레이저의 스폿의 크기는 약 400-450 ㎛ 정도이며, 이에 대해 수 GW/㎠ 의 펄스 압력을 발생하도록 공정 변수를 설정하였다. 레이저 빔의 집속을 위해 초점 거리 150 mm 인 집속 렌즈를 사용 하였고, 전동 XY 이송 스테이지를 사용하였다.
- 본 연구의 목적은 레이저 용접 공정으로 잔류 응력및 기타 물리적 현상을 확인하는 것으로 사용된 금속 재료는 티타늄 합금인 Ti6Al4V 를 사용하였다. 사용된 재료의 화학적 조성(Table 1) 및 기계적 특성(Table 2)을 표현하였다. 시험편의 크기는 10 × 10 × 3 mm 이며, 용접 공정 시 버(burr)의 영향을 최소화하기 위해 용접 이음면을 정삭 가공하였다.
- 선행 연구와 동일한 조건으로 레이저 용접 공정을 진행한 후 추가적으로 레이저 피닝 공정을 수행하였다. 레이저 피닝 공정에 대한 충격파 압력 모델링을 통해 최종적으로 제안된 공정의 매크로 단면 및 잔류 응력등 시험을 통해 기계적 특성 향상에 미치는 영향을 규명하였다.
- 시험편의 크기는 10 × 10 × 3 mm 이며, 용접 공정 시 버(burr)의 영향을 최소화하기 위해 용접 이음면을 정삭 가공하였다.
- 레이저 빔의 집속을 위해 초점 거리 150 mm 인 집속 렌즈를 사용 하였고, 전동 XY 이송 스테이지를 사용하였다. 용접 시험편 제작 후 레이저 피닝 공정을 수행하였다. 레이저 피닝 공정 수행 시 시험편의 전처리 공정이 필요하다.
- 응력을 실험적으로 측정하기 위해 홀드릴링 변형 게이지법을 이용하였다. 응력 측정의 결과에 대한 정밀도를 높이기 위해 표면을 기준으로 깊이 방향으로 측정하였으며, 1 mm 간격으로 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였다. 또한 측정 위치 당 각각 10 개의 스트레인게이지를 부착하여 평균을 낸 응력 수치 분포를 그래프화 하였다(Fig.
- 초점 위치는 재료 상부 표면에 일치하도록 하였고, 시험편의 위치를 제어한 후 프로그램을 이용하여 자동 용접하도록 구성하였다. 이를 통해 맞대기 용접 공정을 수행하였다. 또한, 선행 연구28-30)를 통해 Ar 을 보호 가스로 사용하였으며, 직경 4 mm 의 구리 노즐을 장착하여 초점 위치 바로 뒤에서 약 60° 의 각도로 레이저 빔을 따라가도록 설정하였다.
- 에서 보고된 것처럼 용융지 부분이 대부분 취성 파괴가 일어났다. 이에 레이저 피닝 공정은 펄스 레이저를 이용하여 반복률 10 Hz 로 고정 후 레이저 이송 속도만을 변수로 선행 실험을 진행하였다. Fig.
- 이에 본 연구에서는 티타늄 합금(Ti6Al4V)을 이용해 레이저 용접 공정을 수행한 후 기계적 특성 개선 및 발생된 열적 응력의 완화를 위해 레이저 피닝 공정을 추가로 진행하였다. 레이저 피닝 공정은 선행 연구된 결과를 토대로 구속층은 투명 폴리카보네이트 필름을 이용한 건식 공정을 수행하였다.
- 이는 레이저 용접 공정 후 비드가 취화된 상태에서 충격파가 생성된 것이므로, 파단으로 진전되는 큰 균열이 발생하였다. 이와 같은 현상으로 인해 레이저 피닝 공정은 시편의 하부부터 진행후 상부를 수행하였다.
- 1) 아세톤을 이용하여 표면 세척, 2) 흡수층 제작은 용접 시험편 위에 약 50 ㎛ 정도의 검정색 코팅제(black paint)를 증착, 3) 구속층 제작은 접착력을 가진 폴리카보네이트 필름(polycarbonate film)을 사용하여 흡수층 위에 접착하였다. 이와 같이 공정을 수행한 후 미세 형상 및 응력 시험(홀드릴링 변형 게이지 기법)을 수행하였다.
- 본 레이저 장치의 주요 사양은 Table 3 로 정리하여 나타내었다. 최대 출력은 600 W 로 발진기의 최대 효율을 사용하기 위해 초점 거리, 빔 직경 등을 고려하여 파워 밀도를 600 W 의 경우 약 80 MW/cm2정도이며, 레이저 출력을 400-600 W 까지 100 W 씩 상승시켜 가며 실험을 수행하였다. 또한 레이저 이송 속도는 5 mm/sec, 보호 가스는 Ar을 사용하여 20 ℓ/min 으로 시편 상부에 분사하도록 고정하였다.
대상 데이터
- 레이저의 스폿의 크기는 약 400-450 ㎛ 정도이며, 이에 대해 수 GW/㎠ 의 펄스 압력을 발생하도록 공정 변수를 설정하였다. 레이저 빔의 집속을 위해 초점 거리 150 mm 인 집속 렌즈를 사용 하였고, 전동 XY 이송 스테이지를 사용하였다. 용접 시험편 제작 후 레이저 피닝 공정을 수행하였다.
- 본 실험에서 사용된 레이저는 램프 여기 방식의 CW 파이버 레이저를 사용하였다. 본 레이저 장치의 주요 사양은 Table 3 로 정리하여 나타내었다.
- 또한 레이저 펄스의 반복률, 짧은 펄스폭 및 파장 등이 모두 주요 요소들이다. 본 실험에서는 플래시 램프 타입인 1064 nm 파장의 Nd:YAG 레이저 소스를 사용하였다. 레이저의 펄스폭은 24 ㎱ 을 가지고 있으며 펄스당 에너지는 최대 500 mJ 이다.
- 본 연구의 목적은 레이저 용접 공정으로 잔류 응력및 기타 물리적 현상을 확인하는 것으로 사용된 금속 재료는 티타늄 합금인 Ti6Al4V 를 사용하였다. 사용된 재료의 화학적 조성(Table 1) 및 기계적 특성(Table 2)을 표현하였다.
이론/모형
- 응력을 실험적으로 측정하기 위해 홀드릴링 변형 게이지법을 이용하였다. 응력 측정의 결과에 대한 정밀도를 높이기 위해 표면을 기준으로 깊이 방향으로 측정하였으며, 1 mm 간격으로 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 레이저 피닝 공정 시 구속층에 의해 초기 충격파 압력의 크기가 증가하게 되면 재료의 응력도 그 크기가 증감함을 알 수 있다.
- 1) 시험편 자체를 구속하는 지그를 사용할 경우 용접부 및 열영향부 부근에서 인장 잔류 응력이 높게 형성될 것임. 2) 외적 구속을 할 경우 용접부에 입열량이 높아지고 열팽창 및 냉각 시의 수축 등에 의해 국부적인 굽힘이나 뒤틀림 등의 열적 소성 변형을 발생하기 때문임.
- 2) Ti6Al4V 의 경우 예측된 응력의 상승 수치는 약 60-85 % 이지만, 응력이 없는 상태일 경우 약 33 %, 실제 용접부 실험 결과에서는 약 25 % 인장 응력 저감 효과를 얻었다.
- 2) 외적 구속을 할 경우 용접부에 입열량이 높아지고 열팽창 및 냉각 시의 수축 등에 의해 국부적인 굽힘이나 뒤틀림 등의 열적 소성 변형을 발생하기 때문임. 이와 같은 외적 구속에 따라 3) 용접부는 모재의 항복 강도에 가까운 높은 잔류 응력이 존재하여 파괴 및 피로 강도를 크게 저하시키며 균열 진전을 촉진 시킬 수 있음.
- 2 로 표현하였다. 동일한 공정 후 시험한 결과 표면을 기준으로 쇼트 피닝 기법은 약 -74 MPa 으로 충격에 의해 생성된 잔류 응력이 약 1.2 mm 정도까지 진전되었다. 레이저 피닝 공정은 물 구속층의 경우 약-115 MPa, 폴리카보네이트 필름의 경우 약 -153 MPa 로 측정되었다.
- 따라서 레이저 쇼크 피닝 공정은 금속 재료 조직의 압축 잔류 응력을 향상시킨 것으로 평가되었다. 쇼트 피닝 기법에 비해 레이저 쇼크 피닝 공정이 수치적으로약 33 % 정도 압축 잔류 응력을 생성하였다.
- 또한 배율 ×1,000 에서 관찰한결과 균열로 보이는 현상이 발생되었으며, 용접부 및 비드에 과도한 피닝이 적용될 경우 미세 균열을 유발 시킬 것으로 판단된다.
- 티타늄 합금의 경우 용접 잔류 응력의 크기는 상대적으로 선행 연구32-33)에 비해 상대적으로 높게 측정되었다. 또한 열영향부의 잔류 응력 분포 경향을 보면 용접 시단부와 종단부의 미소 영역에서 상대적으로 크게 측정되었으며, 그 외의 영역에서는 일정하게 나타남을 알 수 있다. 이러한 분석 결과로 레이저 용접 공정은 일정 부분을 제외하고는 동일한 열적 영향을 받는 것으로 판단된다.
- 이와 같이 요약된 가정을 토대로 레이저 피닝 공정을 추가하였을 때, 예측된 압축 잔류 응력에 비해 상대적으로 수치가 낮게 측정되었다. 예측된 응력의 상승 비율은 약 60-85 % 이지만, 실제 용접부 실험 결과는 인장 응력이 약 25 % 저감 효과를 보였다.
- 또한 열영향부의 잔류 응력 분포 경향을 보면 용접 시단부와 종단부의 미소 영역에서 상대적으로 크게 측정되었으며, 그 외의 영역에서는 일정하게 나타남을 알 수 있다. 이러한 분석 결과로 레이저 용접 공정은 일정 부분을 제외하고는 동일한 열적 영향을 받는 것으로 판단된다. 이는 열영향부 근방에서 길이 방향의 잔류 응력이 폭 방향의 잔류 응력에 비해 높게 나타났다.
후속연구
- 3) 덧붙여, 본 논문에서 제시한 응력 저감 방법은 최적 조건하에서 실시될 경우 용접 구조물 및 제품 제작 공정 시 기계적 특성을 증가시키고 반복 하중을 받는 구조물의 수명 연장에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
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