4.3 레이저 가공인자와 용접형상이 용입에 미치는 영향
4.3.1 겹치기 용접시의 용입특성
제외한 출력조건에서는 비드폭 변화에 대해 유사한 경향을 나타내고 있다. 특히 용접속도 v= 1.5 m/min 이상에서는 출력의 변화에 관계없이 비드폭이 거의 일정 하게 형성된다. 이는 느린 용접속도에 의해 단위시간당 입사되는 에너지의 양이 증가하면 가공재의 표면은 열에너지를 재료의 내부로만 전달하기 때문에 급격한 열축적에 의하여 표면의 용융부 면적이 증가하는 것으로 생각된다. 또한 용접 속도가 빨라지면 가공재 표면에 레이저빔이 머무르는 시간이 감소하며, 더불어 높은 파워밀도에 의해 빔스폿 부분만을 용융시키므로 용접속도 증가에 따른 비드 폭의 증가가 미미한 것으로 판단된다. 따라서 그래프에서 보듯이 용접속도 v=
1.5 m/min 이상에서는 용접속도가 증가에 따은 비드폭의 변화가 크지 않음을 알
수 있다.
한편, Fig. 4.19는 출력과 용접속도에 따른 용입깊이의 변화를 표시하고 있다.
그래프에 나타낸 바와 같이 용접속도가 일정할 때 출력에 따른 용입깊이의 변화는 크게 나타나는 반면, 출력이 일정할 때에는 용접속도가 증가할수록 용입깊이는 거의 직선적으로 감소하고 있으나, 감소율은 작은 것을 알 수 있다. 이것은 화이버 레이저의 빔 수속성이 우수하여 집광된 빔의 파워밀도가 높아 용접속도가 빠른 경우에도 키홀이 충분히 형성될 수 있기 때문이다.
겹치기 용접결과 레이저출력 P= 3 kW까지는 어떠한 용접조건에서도 접합이 불가능하지만, P= 4 kW에서는 v= 1.0 m/min, P= 5 kW에서는 v= 2.0 m/min의 용접 속도까지 접합이 가능하였다. Fig. 4.20은 접합길이에 미치는 출력과 용접속도의 영향을 나타내고 있다. 그래프에 의하면 P= 4 kW 및 5 kW의 출력에서 용접속도 v= 0.5 m/min일 경우 열전도에 의하여 키홀주변의 용융부가 크게 넓어져 Lj= 1.3 mm 이상의 접합길이를 형성하지만 속도가 증가하여 입열량이 감소하면 접합길이는 급격하게 감소한다. P= 4 kW의 경우에도 v= 0.5 m/min과 1.0 m/min의 접합길이 차이는 무려 5배나 된다.
Fig. 4.16 Variation of bead appearance and corss section with welding speed in STS316L lap welding at P= 5kW, fd= -4 mm
v
Photo 0.5 m/min 1.0 m/min 1.5 m/min
Bead appear.Cross section
positionLapLap position
v
Photo 2.0 m/min 2.5 m/min 3.0 m/min
Bead appear.
3 mm 3 mm 3 mm
Cross section
1 mm 1 mm 1 mm
Fig. 4.17 Aspect ratio of weld with welding conditions in STS316L lap welding
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0 1 2 3
4 1 kW
2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
Aspect ratio
Welding speed, v(m/min)
fd = -4, Ar (25 l/min)
Fig. 4.18 Variation of bead width in STS316L lap welding
0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
Welding speed, v(m/min) Bead width, Wb(mm)
fd = -4, Ar (25 l/min)
Fig. 4.19 Variation of penetration depth in STS316L lap welding
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0 2 4 6 8 10 12 14
Penetration depth, Dp(mm)
Welding speed, v(m/min)
1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW fd = -4, Ar (25 l/min)
Fig. 4.20 Variation of joining length in STS316L lap welding
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
4 kW 5 kW
Joining length, Lj(mm)
Welding speed, v(m/min)
fd = -4, Ar (25 l/min)
(2) STS304L의 용입특성
두께 1.2 mm의 STS304L에 대하여 레이저출력 P= 1 kW ~ 5 kW, 용접속도 v= 0.5 m/min ~ 3.0 m/min의 범위에서 겹치기 용접을 실시하였다. 이때의 단면형상을 나타낸 Fig. 4.21에서는 동일한 용접속도일 경우 P= 3 ~ 5 kW에서는 출력의 변화에 관계없이 단면형태가 거의 유사함을 확인할 수 있다. 한편, 레이저 출력 및 용접 속도의 변화에 따른 비드폭 및 접합길이의 변화를 Fig. 4.22에 나타내고 있다. Fig. 4.22(a)와 (b)에서 비드폭의 변화를 살펴보면 레이저출력 P= 3 kW 이상에서 는 용접속도가 일정하면 비드폭은 거의 유사하였다.
본 연구에 의하면 두께가 8 mm인 STS316L에 대해서는 용입특성에 미치는 출력의 영향이 뚜렷하게 나타나지만, 두께 1.2 mm의 STS304L의 경우에서는 P= 3 kW 이상의 출력에서는 용입특성에 미치는 용접속도의 영향이 크지 않다. 이에 대한 원인은 출력이 증가하여도 재료에 가해지는 입열량의 변화가 크지 않기 때문이다. 즉, STS304L의 용접에서는 재료의 두께가 1.2 mm에 불과하여 겹치기용접을 적용 하여도 총 두께가 2.4 mm로 두껍지 않다. 따라서 일정 이상의 출력이 가해지면 재료를 완전히 관통하는 키홀이 형성되고, 그 키홀을 통하여 입사되는 레이저의 일부가 통과되기 때문으로 판단된다.
한편 Fig. 4.22(c)는 용접조건에 따른 접합길이의 변화를 나타낸다. 접합길이는
겹치기 용접시 접합부의 성능을 결정하는 중요한 요소가 된다. 용접속도가 일정 할 경우, P= 3 kW 이상에서는 출력에 따른 접합길이는 거의 유사하였다. 따라서 관통용접이 가능한 출력에서는 용접속도가 접합길이에 미치는 영향이 출력의 영향보다 크다는 것을 알 수 있다. 또한, 앞에서 설명한 바와 같이 단위면적당 입사에너지는 용접속도에 반비례하기 때문인 것으로 해석할 수 있다.
Fig. 4.21 Photographs of corss section with laser power and welding speed in STS316L lap welding
P
v 1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
1 m/min2 m/min3 m/min4 m/min5 m/min6 m/min7 m/min
3 mm 3 mm 3 mm
Fig. 4.22 Variation of bead width with laser power and welding speed in STS304L lap welding
(Butt welding; f = 0 mm, Ar shield) (a) Front bead (WFb)
1 2 3 4 5 6 7
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Bead width, WFb(mm)
Welding speed, v(m/min)
1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
(b) Back bead (WBb)
1 2 3 4 5 6 7
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Bead width, WBb(mm)
Welding speed, v(m/min)
1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
(c) Joining length (Lj)
1 2 3 4 5 6 7
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
1 kW 2 kW 3 kW 4 kW 5 kW
Joining length,Lj(mm)
Welding speed, v(m/min)
(3) 겹치기 용접에 대한 고찰
겹치기 용접에서는 접합길이에 따라 접합의 성능이 결정되며, 안정적인 접합을 위해서는 사용환경에서 요구되는 접합길이를 확보하는 것이 중요하다.
본 실험결과 레이저의 출력에 따른 키홀의 형성깊이 보다는 용접속도에 따른 열전도가 접합길이를 좌우하는 주요한 요소임을 알 수 있었다. STS316L의 경우 두께가 8 mm로 두꺼운 편에 속하므로, 실제 접합부 부근에서는 플라즈마에 의한 복사열이 미치지 못하고, 열전도방향이 제한되므로 용융부의 확대를 기대할 수 없다. 따라서 형성된 키홀 주변에서의 열전도만으로 접합길이를 조절해야 한다.
또한 출력의 증가는 주로 키홀의 깊이에 영향을 주기 때문에 더 넓은 접합부를 얻기 위해서는 용접속도를 느리게 하여 충분한 용융부를 형성하도록 하는 것이 유리하다고 판단된다.
한편 STS304L의 경우에는 두께가 1.2 mm로 상대적으로 얇아 열전도방향이
제한적이며, 플라즈마에 의한 복사열이 실제 접합부에 영향을 미칠 수 있기 때문에 접합길이의 조절이 용이할 것으로 판단된다. 그러나 박판의 경우에는 상대적으로 낮은 하중상태에서 사용되기 때문에 접합길이를 크게 증가시킬 필요은 없다고 생각된다. 또한 P= 3 kW 이상에서는 용융부의 형상이 크게 변하지 않는 것을 감안하여 P= 3 kW가 적당한 출력이라 생각된다.
4.3.2 맞대기 용접시의 용입특성