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문제 정의
- 전체적으로 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 보호가스를 사용해서 용접했을 경우보다 인장강도가 크게 나타나고 있다. Fig. 3에 나타낸 것처럼 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 상대적으로 용접 단면 내부에 기공이 없어 인장강도도 높을 것으로 예측할 수 있으나, 보호가스를 사용했을 경우 인장강도의 크기를 정량적으로 비교하기 위해 나타냈다. 인장강도 시험 후 파단된 특성은 보호가스를 사용하지 않은 시편의 경우 용접부가 아닌 시편의 모재부분부터 파단되는 반면, 보호가스를 사용하여 용접했을 때는 기공 결함 때문에 시편의 모재부분부터 떨어지지 않고 용접부에서 기공 결함을 중심으로 용접부가 찢어지는 경향을 나타냈다.
- 연구동향을 살펴보면 레이저 용접과 아크용접 등으로 니켈 및 합금강을 용접하여 그 특성을 분석하였다. 그러나 본 연구에서는 기존에 TIG 용접으로 극주와 극판을 용접했던 부분을 레이저로 용접하여 특성을 분석하고자 한다. 산업현장에서 용접할 때 어떤 종류의 보호가스를 사용하느냐에 따라 투입되는 비용에 커다란 영향을 미치므로 일반적으로 사용하는 보호가스와 보호가스를 사용하지 않고 대기 중에서 용접할 때의 특성을 비교 분석하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 배터리를 구성하는 극주에 삽입하는 니켈 박판 10장을 관통 용접하고자 한다. 니켈 박판을 관통 용접할 때 겹쳐진 부분의 갭(gap)의 영향을 줄이기 위해 박판의 양쪽 위와 아래에 전자석을 1200 G의 힘으로 시편을 밀착시켰다.
제안 방법
- 공정변수에 따라 용접 단면을 관찰하기 위해 다이아몬드 컷팅기로 시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 에칭하였다. 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경(Olympus: GX-51)으로 관찰하였다.
- 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경(Olympus: GX-51)으로 관찰하였다. 광학현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였고, 용접 시 레이저빔 이송속도의 변화에 따른 비드폭 비, 시편 내부로 흡수되는 입열량의 변화를 측정하였다.
- 일반적으로 레이저 용접할 때 대기에서 유입되는 영향을 최소화하기 위해 보호가스를 분사하면서 용접한다. 그래서 본 연구에서도 보호가스의 종류에 따라 용접 특성을 분석하기 위해 Ar, He, N2로 변화시키면서 용접하였고, 레이저빔의 출력은 1900 W로 고정하고, 이송속도를 변화시켜 종횡비와 입열량을 분석하였다. 용접 후 결함을 분석하기 위해 용접 단면의 조직사진, 인장강도 테스트 및 용접부의 경도를 고찰하였다.
- 니켈 박판 10장을 관통 용접하기 때문에 전면 비드폭과 후면 비드폭의 비를 계산했다. 이것을 분석한 이유는 관통 용접했을 때 전면 비드에 열이 전도되어 형성된 비드폭과 후면 비드에 용접폭이 형성되면 열이 전도되면서 형성된 용접폭의 비를 비교하기 위해 식 (2)를 이용해서 전면 비드와 후면 비드의 용접 단면의 폭비(width ratio, WR)를 Fig.
- 니켈 박판을 10장 겹치기 용접한 시편에 대한 인장강도 테스트를 위해 KS규격 13B호로 제작하였으며 최소한의 열영향과 정확한 절단을 위해서 와이어 컷팅을 하였다. 대기상태와 각각의 보호 가스의 종류별로 인장강도의 크기를 나타내기 위해 이송속도의 변화에 따른 결과를 Fig.
- 레이저 용접 공정변수는 Table 2에 나타낸 것과 같이 레이저 출력을 1900 W로 고정하고, 이송속도를 2.8-3.4 m/min까지 0.2m/min씩 변화시키면서 시편 10장이 관통 용접되었는지를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 사용하는 레이저 용접은 TIG 용접법에 비하여 형상이 복잡한 부분이나 부품의 크기가 작은 부분을 변형이 거의 없이 극소화하면서 용접이 가능할 것으로 생각된다. 레이저 용접은 고밀도 에너지 열원을 사용하기 때문에 빠른 용접속도와 일반 용접에 비해 종횡비가 크고, 열 영향부가 작아 열변형이 적다는 장점을 이용하여 용접하고자 한다. 이러한 이유로 레이저 용접은 일반 용접에 비해 금속조직이나 기계적 성질 측면에서 모재에 영향을 미치는 부분이 매우 작아 우수한 용접성을 평가받고 있다[4].
- 용접 시 시편 표면의 이물질을 아세톤으로 세척하여 제거하였다. 레이저 용접을 할 때 플라즈마 제거, 공기차단 및 산화 방지를 위해 Ar, He, N2 보호가스와 대기상태에서 실험하였다. 보호가스의 압력은 장비의 특성상 게이지압력 1 bar(4 L/min)이하로 조절이 되지 않기 때문에 압력을 1 bar와 1.
- 레이저빔 출력과 레이저빔 이송속도와의 관계를 일반적으로 나타내기 위해 입열량으로 분석했다. 입열량 E는 레이저빔을 시편에 조사하면서 이동할 때 용융된 상부용접 단면의 용접폭 W와 레이저빔의 이송속도 v, 레이저빔의 출력 P를 변수로 하여 아래 식 (1)로 계산하였고, 그 결과를 Fig.
- Lim[8]은 이종 니켈 합금강을 아크용접으로 맞대기 용접하였다. 미세조직 관찰에 대한 고찰과 용접부에서 급랭 때문에 발생하는 조직 특성을 발표하였다. 용접에서 보호가스의 역할은 용융금속을 대기로부터 격리시켜 산화에 의한 결함 발생 등을 방지하기 위하여 사용하는 가스이다.
- 보호가스의 압력은 장비의 특성상 게이지압력 1 bar(4 L/min)이하로 조절이 되지 않기 때문에 압력을 1 bar와 1.5 bar로 실험하였고, 시편인 박판을 고정하기 위하여 지그로 사용하고 있는 전자석의 높이 때문에 보호가스를 레이저빔이 이동하는 방향으로 원통형 노즐을 45° 각도로 분사하면서 실험하였다.
- 그러나 본 연구에서는 기존에 TIG 용접으로 극주와 극판을 용접했던 부분을 레이저로 용접하여 특성을 분석하고자 한다. 산업현장에서 용접할 때 어떤 종류의 보호가스를 사용하느냐에 따라 투입되는 비용에 커다란 영향을 미치므로 일반적으로 사용하는 보호가스와 보호가스를 사용하지 않고 대기 중에서 용접할 때의 특성을 비교 분석하고자 한다.
- 본 연구에서 용접하고자 하는 박판 용접은 레이저 출력이 너무 크거나 레이저빔 이송속도가 너무 느릴 경우 과입열로 가장 위에 있는 시편은 용융 증발되면서 절단된다. 시편의 가장 위에 있는 시편이 용융․ 증발에 의한 절단현상이 발생하지 않고 두께가 0.1 mm인 순수 니켈 박판 10장을 겹치기 용접하여 결과를 고찰하였다. 레이저 공정변수에 따라 겹치기 용접한 결과를 Fig.
- 공정변수에 따라 용접 단면을 관찰하기 위해 다이아몬드 컷팅기로 시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 에칭하였다. 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경(Olympus: GX-51)으로 관찰하였다. 광학현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였고, 용접 시 레이저빔 이송속도의 변화에 따른 비드폭 비, 시편 내부로 흡수되는 입열량의 변화를 측정하였다.
- 연구동향을 살펴보면 레이저 용접과 아크용접 등으로 니켈 및 합금강을 용접하여 그 특성을 분석하였다. 그러나 본 연구에서는 기존에 TIG 용접으로 극주와 극판을 용접했던 부분을 레이저로 용접하여 특성을 분석하고자 한다.
- 연속파 Nd:YAG 레이저를 이용하여 니켈 박판 10장을 용접하기 위해 출력을 1900 W로 고정하고 이송속도는 2.8~3.4 m/min까지 0.2 m/min씩 변화시키면서 보호가스 Ar, He, N2를 사용했을 때와 보호가스를 사용하지 않고 용접한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 그래서 본 연구에서도 보호가스의 종류에 따라 용접 특성을 분석하기 위해 Ar, He, N2로 변화시키면서 용접하였고, 레이저빔의 출력은 1900 W로 고정하고, 이송속도를 변화시켜 종횡비와 입열량을 분석하였다. 용접 후 결함을 분석하기 위해 용접 단면의 조직사진, 인장강도 테스트 및 용접부의 경도를 고찰하였다.
- 앞에서 언급한 것처럼 본 실험 장치에 부착된 압력이 게이지 압력이기 때문에 1 bar보다 낮으면 대기압의 영향을 받게 된다. 이와 같은 이유로 본 장비의 특성상 1 bar 아래의 압력으로는 보호가스가 분사되면 보호가스의 영향을 받지 않을 수도 있어 1 bar 보다 미소하게 높은 압력으로 하여 1.5 bar의 압력과 비교하였다. Fig.
- Yoo[6]는 Ni과 Cr이 다량함유된 인코넬 합금강을 레이저 용접하였다. 조직사진, 인장강도 및 내부결함의 유무를 판단하여 최적의 공정변수를 발표하였다. Hwang[7]은 니켈 박판과 다공질 니켈 박판을 저항 점용접과 비교하기 위해 레이저 용접을 실시하였다.
대상 데이터
- 이와 같은 이유는 시편을 구성하는 구성성분의 용융온도 차이로 용융온도가 낮은 성분이 기화되어 기포로 되어 내부에서 부력에 의해 상승하는 속도보다 응고하는 속도가 빠르게 진행되면서 포획되어 기포로 용접 단면에 관찰되는 경우가 많았다. 그러나 본 연구에서 사용하는 시편은 99%가 니켈 성분인 시편으로 시편 중에 용융 온도가 다른 성분의 때문에 기포가 발생할 수는 경우보다 보호가스의 영향을 더 많이 받는 것으로 생각된다. 이와 같은 이유는 보호가스를 사용하지 않을 때보다 보호가스를 사용할 경우 현저하게 기포가 더 많이 형성되었기 때문이다.
- 본 연구에 이용한 레이저는 Nd:YAG 레이저(Trumpf)이다. 파장은 1.
- 본 연구에 이용한 시편은 전해질에 노출되는 박막 시편으로 니켈성분이 99% 이상인 순수 니켈이다. 배터리 제조현장에서 관심을 가지고 있는 순수 니켈은 강염기성 전해질에 대한 부식성이 없고, 이차전지의 중요 요소인 전기전도도가 매우 우수한 성질을 가지고 있기 때문이다.
- 실험에 사용된 순수 니켈의 시편크기는 50 mm(L)×50 mm(W)×0.1mm(T)이고 시편 10장을 겹치기 용접하였다.
성능/효과
- (1) 레이저빔의 이송속도의 변화에 관계없이 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 용접 단면에 기공 결함이 없는 양호한 용접결과를 얻었다.
- (2) 보호가스를 He을 사용할 경우 레이저빔의 이송속도를 빠르게 할 경우 용접 단면에 기공 결함이 현저하게 감소하였다.
- (3) 비교적 레이저빔의 이송속도가 느려 입열량이 많을 경우 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때의 인장강도가 보호가스를 사용하면서 용접했을 때의 인장강도보다 최대 2.5배 정도 높았다.
- (4) 레이저빔의 이송속도를 증가시켜 입열량을 작게 조정할 경우 인장강도의 크기는 보호가스를 사용하지 않을 때와 N2가스를 사용해서 용접한 결과와 비슷하게 측정되었다.
- 1 kg으로 측정하였다. 경도값을 측정한 결과 모재의 경도값은 약 170 Hv이며, 용접부의 경도값은 약 100~128 Hv의 경도값으로 모재에 비해 50 Hv 정도 낮게 측정되었다. 경도값이 약간 하강하는 이유는 시편이 용융되고 응고되면서 조직이 조대해져 나타나는 현상으로 생각된다.
- 그러나 본 연구에서는 보호가스를 사용해서 니켈 박판을 레이저로 용접했을 때 가스의 종류에 따라 정도의 차이는 있지만 전체적으로 내부에 기공이 발생함을 확인할 수 있었다. 보호가스를 사용했을 때 전체적으로 용접 표면이 부풀어 오르고 있는데 이것은 용접단면 내부의 기공의 영향 때문인 것으로 판단된다.
- 만약 레이저 출력이 더 크고 이송속도를 더 빠르게 제어하면 보호가스를 사용하더라도 기공 결함을 제어할 수 있을 것으로 판단한다. 그러나 본 연구의 결과로는 특별한 이유가 없는 경우 보호가스를 사용하지 않고 대기상태에서 니켈 박판을 용접하는 것이 용접 단면의 기공제어에 더 효율적인 결과를 나타냈다.
- 은 TIG 용접법을 개선하기 위해 Nd:YAG 레이저를 이용하여 박판 저탄소강 20장 겹치기 용접을 실시하였다. 기계적 특성을 분석한 결과, 레이저를 이용하여 용접하면 생산성을 높일 수 있고, 열 영향부가 작은 양호한 용접이 가능하다고 발표하였다. Yoo[6]는 Ni과 Cr이 다량함유된 인코넬 합금강을 레이저 용접하였다.
- Hwang[7]은 니켈 박판과 다공질 니켈 박판을 저항 점용접과 비교하기 위해 레이저 용접을 실시하였다. 다공질 박판 내부는 대부분 기공이지만 소량의 소재가 용융되어 용접되었고, 저항 점용접과 레이저 용접한 시편을 이용하여 전기저항을 측정하여 비교한 결과 레이저 용접의 경우 저항 측정값이 약 33-37% 감소되었다고 발표하였다. Lim[8]은 이종 니켈 합금강을 아크용접으로 맞대기 용접하였다.
- 7(a)와 마찬가지로 대기상태에서 인장응력 값이 가장 높게 나타났다. 대기상태에서 최대 인장응력 값은 241.3 MPa로 가장 높게 나타났고, 보호가스를 사용했을 때 Ar이 최대 인장응력 값이 100.9 MPa로 가장 낮게 나타났다. 이는 같은 인장강도 크기는 보호가스를 사용하지 않을 때 인장강도가 보호가스를 사용했을 때 인장강도보다 2.
- 000001로 하여 계산하였다. 보호가스를 사용하여 용접하였을 때 이송속도가 증가하면 입열량이 감소하면서 기공이 발생하는 결함이 감소하는 경향성이 나타났다. 만약 레이저 출력이 더 크고 이송속도를 더 빠르게 제어하면 보호가스를 사용하더라도 기공 결함을 제어할 수 있을 것으로 판단한다.
- 본 연구에서는 사용하는 레이저 용접은 TIG 용접법에 비하여 형상이 복잡한 부분이나 부품의 크기가 작은 부분을 변형이 거의 없이 극소화하면서 용접이 가능할 것으로 생각된다. 레이저 용접은 고밀도 에너지 열원을 사용하기 때문에 빠른 용접속도와 일반 용접에 비해 종횡비가 크고, 열 영향부가 작아 열변형이 적다는 장점을 이용하여 용접하고자 한다.
- 실험결과 전체적으로 특이한 사항은 일반적으로 레이저 용접할 때 광학부품의 보호, 플라즈마의 제거, 산화방지, 용융금속의 분출, 산화열 등을 제어하기 위해 보호가스를 사용할 경우 용접 단면에서 결함이 작게 발생하는 것이 일반적인 현상이다. 본 연구팀에서도 과거 비철금속과 금속재료를 70여 차례 레이저로 용접할 때도 보호가스의 종류는 보호가스를 사용하여 용접하는 것이 일반적으로 내부에 기포가 발행하는 용접 결함 등이 현저하게 감소하는 경향을 발견하였다. 많은 문헌에서도 레이저 용접할 때 보호가스를 사용할 경우 양호한 용접결과를 얻을 수 있다는 것이 일반적인 상식으로 되어 있다.
- 2 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다. 역시 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때의 인장응력이 가장 크게 나타났고, 그 크기는 270 MPa로 시편 10장이 용접되는 조건에서 가장 높은 인장응력 값을 나타냈다. 보호가스를 사용했을 경우 최대 인장응력을 나타낸 보호가스는 N2로 최대 인장응력 값이 201.
- 레이저 출력과 이송속도가 같을 경우 용접 단면폭이 작을 때 입열량이 크게 나타나기 때문에 대기 중에 용접할 때 입열량이 가장 크게 나타났다. 이송속도가 2.8 m/min일 때 Ar을 사용했을 때 입열량은 2,332.3 J/cm2, He을 사용했을 때는 2,312.8 J/cm2, N2를 사용했을 때는 2,620 J/cm2로 보호가스로 사용했을 때는 입열량의 크기가 크게 차이가 없지만 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때와 입열량을 비교하면 Ar을 사용했을 때보다는 37%, He을 사용했을 때보다는 38.1%, N2를 사용했을 때보다는 21.9% 정도 크게 나타났다.
- 이송속도가 2.8 m/min일 때 대기상태에서 최대 인장응력 값은 228.5 MPa이고, 각각의 보호가스 Ar, He, N2의 최대 인장응력 값은 89.1 MPa, 92.9 MPa, 91.3 MPa로 Ar 보호가스를 사용했을 때 최대 인장응력 값이 가장 작게 나타났다. 이는 최대 인장강도의 크기가 2.
- 3에 나타낸 것처럼 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 상대적으로 용접 단면 내부에 기공이 없어 인장강도도 높을 것으로 예측할 수 있으나, 보호가스를 사용했을 경우 인장강도의 크기를 정량적으로 비교하기 위해 나타냈다. 인장강도 시험 후 파단된 특성은 보호가스를 사용하지 않은 시편의 경우 용접부가 아닌 시편의 모재부분부터 파단되는 반면, 보호가스를 사용하여 용접했을 때는 기공 결함 때문에 시편의 모재부분부터 떨어지지 않고 용접부에서 기공 결함을 중심으로 용접부가 찢어지는 경향을 나타냈다.
- 8 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다. 전체적으로 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 보호가스를 사용해서 용접했을 경우보다 인장강도가 크게 나타나고 있다. Fig.
후속연구
- (5) 순수 니켈 박판을 겹치기 용접할 때 보호가스를 사용하면서 나타나는 기공 결함과 같은 물리적 현상을 규명하기 위한 다양한 형태의 연구가 추후 더 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 보호가스를 사용했을 때 전체적으로 용접 표면이 부풀어 오르고 있는데 이것은 용접단면 내부의 기공의 영향 때문인 것으로 판단된다. 니켈 박판을 레이저 용접할 때 보호가스를 사용하면, 보호가스를 사용하지 않을 때보다 용접성이 좋지 않은 결과를 나타내는 것에 대한 이유는 정확히 알 수 없으나 이와 같은 현상을 규명하기 위한 후속적인 특성연구가 필요하다고 생각된다.
- 레이저 용접할 때 보호가스를 사용하는 일반적인 상식과 다르게 특이한 현상이 니켈 박판을 용접할 때 나타나므로 이와 같은 현상을 다각적인 접근으로 연구하여 그 원인을 밝힐 필요도 있다고 생각된다.
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