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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 레이저 용접 시 용접부의 산화를 방지할 수 있는 적절한 실드가스를 도출하기 위하여 실드가스 종류 및 유량을 변화하여 실험을 실시하였으며 그에 따른 비드형상을 관찰하고 산화 및 질화정도를 평가하였다.
제안 방법
- 1에 나타낸다. 분석용 시험편은 용접이 30 mm이상 진행된 지점에서부터 15 mm간격으로 4개의 횡단면을 채취하여 용입특성을 평가하였다.
- Table 1에 재료의 화학적인 조성을 나타낸다. 용접 전에 시험편 표면을 아세톤 및 에탄올로 세정하여 불순물의 혼입을 최대한 방지하고자 하였다. 본 연구에서 사용한 레이저 용접장치는 최대 출력 6.
- 은백색의 비드 표면에서는 특별한 특징을 나타나지 않았으나 회색 및 노란색의 비드표면에서는 덴드라이트 구조의 얇은 층이 관찰되었다. 이는 용접부 상부에 산화 또는 질화로 인한 산화물 및 질화물로 판단되며 EDS 및 EPMA분석을 통해 합금원소의 분포경향을 파악하였다.
- 적절한 실드가스 유량을 선정하게 되면 용접부를 대기로부터 효율적으로 차폐하면서 경제적인 효과를 얻을 수 있으므로 전면실드에 순도 99.99%의 일반 아르곤을 사용하여 실드가스 유량(Qcs) 을 0~25 ℓ/min까지 5 ℓ/min 단위로 변화시켰다.
- 99 %의 일반 아르곤 10ℓ/min를 사용하여 실드하였다. 전면 실드의 경우 유량을 25 ℓ/min으로 동일하게 하여 실드가스 종류에 따른 영향을 평가하였다.
대상 데이터
- 따라서 유량 20 ℓ/min와 25 ℓ/min가 큰 차이가 없고 유량 20 ℓ/min에서 비드색이 은백색을 띄고 양호한 비드형상을 나타내었기 때문에 향후 실험에서 순도 99.99 %의 일반 아르곤 20 ℓ/min를 전면 실드가스로 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 레이저 용접장치는 최대 출력 6.3 kW, 다이오드 레이저(LD) 여기방식의 연속 파이버 레이저이며 빔 품질(BPP) 은 8 mm·mrad이다.
- 9에 은백색, 회색 및 노란색 비드의 용접부 상부 EPMA 맵핑결과를 나타낸다. 분석에 사용된 원소는 티타늄, 산소 및 질소 3종류이며, 빨간색에 가까울수록 성분함량이 많고 남색에 가까울수록 성분함량이 적음을 의미한다. 티타늄 성분은 상부 표면에 가까울수록 점점 감소하는 반면 산소와 질소는 상부 표면에서 다량 검출되었다.
- 실험에는 불순물이 거의 포함되지 않은 공업용 순 티타늄(grade1)을 사용하였으며 시험편의 크기는 가로 50 mm, 세로 150 mm, 두께 0.5 mm의 판재를 사용하였다. Table 1에 재료의 화학적인 조성을 나타낸다.
- 적절한 실드가스의 종류를 선정하기 위하여 전면비드는 순도 99.99 %의 일반 아르곤, 헬륨 및 질소와 순도 99.999 %의 고순도 아르곤을 사용하여 실드하였으며, 이면비드는 순도 99.99 %의 일반 아르곤 10ℓ/min를 사용하여 실드하였다. 전면 실드의 경우 유량을 25 ℓ/min으로 동일하게 하여 실드가스 종류에 따른 영향을 평가하였다.
성능/효과
- (1) 실드가스 종류에 따른 용접성을 평가한 결과, 순도 99.99 %의 일반 아르곤 및 헬륨과 순도 99.999 %의 고순도 아르곤을 전면 실드에 사용한 경우 모두 은백색의 양호한 비드를 얻을 수 있었다.
- (2) 아르곤을 전면실드에 사용하여 유량에 따른 용접성을 평가한 결과, 유량 5~15 ℓ/min일 때 비드심이 불균일하고 험핑비드가 발생하였으나 유량 20ℓ/min 이상에서는 대기로부터 용접부를 완전히 차단하여 은백색의 건전한 비드를 얻을 수 있었다.
- (3) 비드색에 따른 용접부의 미세조직을 관찰한 결과, 은백색 비드의 용접부에서 조대한 주상정 조직이 나타났으며 회색 및 노란색 비드의 용접부에서는 표면에서 덴드라이트 형상의 얇은 층이 관찰되고 조직이 어둡게 나타났다.
- (4) 각 비드색에 대한 비드 표면의 EPMA 맵핑 분석을 한 결과, 대기 분위기 중 용접을 실시한 회색 비드의 표면에서 산소량이 가장 높게 나타났으며 이것은 순 티타늄이 질소보다 산소와의 반응성이 더 높기 때문으로 판단된다.
- (5) 각 비드색에 따른 경도특성을 평가한 결과, 은백색 비드는 모재와 유사한 경도값을 나타내어 취화되지 않은 건전한 용접부였으나 회색과 노란색 비드는 취화되어 경도값이 모재보다 3배 이상 증가하였다.
- 측정 결과 모재의 경도값은 비커스 경도 110~120 Hv이며, 모든 용융부의 경도값이 모재의 경도값 보다 높게 나타났다. 각 비드색에 따른 용융부 경도값을 비교한 결과, 은백색의 비드에서 비커스 경도가 140~150 Hv 모재대비 1.3배 증가하였으나, 비드색이 회색 및 노란색일 경우 370~380 Hv로 모재대비 3배 이상으로 경도값이 상당히 증가하였다.
- 티타늄 성분은 상부 표면에 가까울수록 점점 감소하는 반면 산소와 질소는 상부 표면에서 다량 검출되었다. 검출된 산소와 질소의 양을 비교해보면 회색비드의 경우 대기 중에는 산소보다 질소가 4배가량 많음에도 불구하고 비드표면에서 질소보다 산소함량이 더 높았다. 이것은 티타늄이 질소보다 산소와의 반응성이 더 높기 때문으로 판단된다.
- 따라서 고순도 아르곤, 일반 아르곤 및 헬륨을 실드가스로 사용하였을 경우 모두 은백색의 건전한 비드를 얻을 수 있었으므로 경제성을 고려하여 순도 99.99 %의 일반 아르곤을 최적의 실드가스로 선정하였다.
- 레이저 출력 500 W, 용접속도 10 m/min의 동일한 입열량 조건에서 실드가스 종류를 변화시켰을 때, 은백색, 회색 및 노란색의 비드를 얻을 수 있었다. 은백색의 비드는 아르곤 실드 분위기에서, 회색은 대기 분위기, 노란색의 경우는 질소 실드 분위기에서 각각 관찰되었다.
- 아르곤을 실드가스로 사용한 경우, 순도에 관계없이 전면 및 이면 비드 모두 은백색으로 관찰되었으며 비드폭에서도 큰 차이가 나타나지 않았다. 순도 99.99 %의 헬륨을 실드가스로 사용했을 때에도 일반 아르곤과 비슷한 은백색의 전면비드를 얻을 수 있었다. 반면, 질소를 실드가스로 사용한 경우에는 전면비드가 노란색의 조악한 비드를 나타내었으며, 이면비드는 은백색의 비드를 나타내었다.
- 반면, 질소를 실드가스로 사용한 경우에는 전면비드가 노란색의 조악한 비드를 나타내었으며, 이면비드는 은백색의 비드를 나타내었다. 아르곤 및 헬륨과 달리 질소를 사용했을 경우에만 완전 용입이 이루어져, 횡단면에서 좁고 깊은 용입이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 용융부에 질소가 혼입됨에 따라 열전도율이 감소하여 레이저 빔 흡수율이 증가하게 되며, 따라서 레이저 빔 에너지가 집속되므로 키홀 용접형태가 나타난 것으로 판단된다.
- 8에 은백색, 회색 및 노란색 비드의 횡단면 EDS맵핑 결과를 나타낸다. 은백색비드의 경우 횡단면 상부 표면에서만 산소와 질소함량이 높게 나타난 반면, 회색 비드의 경우에는 상부 표면뿐만아니라 횡단면 중간지점까지 산소와 질소함량이 높게 나타났다. 노란색 비드의 경우에는 티타늄 함량이 용융부 안쪽보다 바깥쪽 부근에서 상대적으로 적게 분포되어 있었으며, 이 바깥 부분에 산소가 많이 분포되어 있는 것을 알 수 있었다.
- 실드가스 유량이 0 ℓ/min일 경우, 즉 실드가스를 사용하지 않은 경우에는 전면 비드폭이 산화열로 인해 상대적으로 증가하였으며, 실드가스를 사용한 경우에는 유량에 관계없이 전면비드폭이 비슷한 경향을 나타내었다. 전면비드의 사진을 확인한 결과, 비드색은 실드가스를 사용하지 않았을 경우 회색을 나타내었으며 실드가스를 사용한 경우에는 은백색을 나타내었다. 비드형상은유량 5~15 ℓ/min까지 비드심이 불균일하고 부분적으로 험핑비드가 관찰되었지만 유량이 20 ℓ/min이상에서는 전체적으로 은백색의 미려한 비드형상이 관찰되었다.
- 경도 시험 조건은 하중 100 g, 유지시간 10 초로 설정하였으며, 경도는 비드표면 200 ㎛아래에서부터 100 ㎛간격으로 측정되었다. 측정 결과 모재의 경도값은 비커스 경도 110~120 Hv이며, 모든 용융부의 경도값이 모재의 경도값 보다 높게 나타났다. 각 비드색에 따른 용융부 경도값을 비교한 결과, 은백색의 비드에서 비커스 경도가 140~150 Hv 모재대비 1.
- 분석에 사용된 원소는 티타늄, 산소 및 질소 3종류이며, 빨간색에 가까울수록 성분함량이 많고 남색에 가까울수록 성분함량이 적음을 의미한다. 티타늄 성분은 상부 표면에 가까울수록 점점 감소하는 반면 산소와 질소는 상부 표면에서 다량 검출되었다. 검출된 산소와 질소의 양을 비교해보면 회색비드의 경우 대기 중에는 산소보다 질소가 4배가량 많음에도 불구하고 비드표면에서 질소보다 산소함량이 더 높았다.
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