3. 실험 방법
4.3 용접 형상인자가 용입에 미치는 영향
4.3.2 겹치기 용접
Fig.4.26에 나타나낸다. 각각의 출력에 대하여 용접속도 구간이 겹치는 속도 3~4.5 m/min의 횡단면 사진을 살펴보면 출력이 증가하거나 용접속도가 감소할수록 상대적으로 높은 입열 량으로 인하여 용접부 조직의 크기가 증가하였다. 이러한 경향은 출력이 보다 높거나 용접 속도가 보다 낮을 때, 더욱 현저하게 나타났다.
각각의 레이저 출력에 대하여 용접속도에 따른 전면 및 이면비드폭, 용입깊이를 Fig.
4.27에 나타낸다. 전면 및 이면비드폭은 모든 출력조건에서 속도가 증가함에 따라 감소하
였으며 전면비드보다 이면비드의 감소폭이 더 컸다. 접합길이는 출력 500, 700, 900 W에 대하여 각각 속도 2.5 m/min이하, 속도 3.5 m/min이하, 속도 4 m/min이하에서 500㎛이상의 양호한 접합길이를 나타내었으며, 출력이 증가함에 따라 양호한 접합길이를 얻을 수 있는 임계속도가 증가하였다. 이 임계속도는 레이저 출력이 500 W에서 700 W로 증가할 때, 1 m/min증가하였으나, 출력 700 W에서 900 W로 증가할 때에는 0.5 m/min증가하였다. 따라서 출력이 증가함에 따라 접합길이가 증가하나 출력이 증가할수록 그 증가폭은 감소하는 것 을 알 수 있었다. 이것은 출력이 증가하여 재료가 많이 용융될지라도 빔의 크기는 일정하 므로 접합길이가 증가하는데 한계가 있기 때문으로 생각된다.
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding; fd=0 mm, PL=500 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min)
Front bead Back bead Cross
section
2
2.5
3
3.5
4
4.5
(a) Bead appearance and cross section
Fig. 4.23 Penetration properties and various bead shapes with laser power in lap welding(P=500 W)
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=500 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.23 To be contiuned
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding; fd=0 mm, PL=700 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min)
Front bead Back bead Cross
section
2.5
3
3.5
4
4.5
5
(a) Bead appearance and cross section
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=700 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.24 To be contiuned
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding; fd=0 mm, PL=900 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min) Front bead Back bead Cross
section
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=900 W, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.25 To be contiuned
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding; fd=0 mm, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) v(m/min)
PL
3 3.5 4 4.5
500 W
Front bead Back bead Cross section
700 W
Front bead Back bead Cross section
900 W
Front bead Back bead Cross section
Fig. 4.26 Bead appearance and cross-section of weld with laser power and welding speed in lap welding
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 500
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Penetration depth, Dp(mm)
Welding speed, n(m/min) 0.5kW 0.7kW 0.9kW
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Front bead width, Wf(mm)
Welding speed, n(m/min) 0.5kW 0.7kW 0.9kW
(a) Penetration (Dp) (b) Front bead width (Wf)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Back bead width, Wb(mm)
Welding speed, n(m/min) 0.5kW 0.7kW 0.9kW
(c) Back bead width (Wb) (d) Joining length (Lj) Fig. 4.27 Various of penetration and bead width with laser power and
welding speed in lap welding
(2) 레이저 출력 1kW 이상
레이저 출력이 1.1 kW일 때, 용접속도에 따른 용입특성과 전면·이면 비드 및 횡단면의 사진을 Fig. 4.28에 나타낸다. 용접속도 3.5~5 m/min에서는 비교적 많은 입열에 의해서 전면비드가 금색으로 나타났으며 속도 5.5 m/min이상에서는 은백 색의 전면비드가 나타났다. 속도 3.5 m/min에서 이면비드에 스패터가 소량 부착되 었으며 속도가 증가함에 따라 스패터 부착량이 증가하였다. 전면 및 이면 비드폭 을 살펴보면 일반적인 경향과 달리 전면비드폭이 이면비드폭과 비슷하거나 더
좁았다. 속도 4.5 m/min이하에서 양호한 접합길이를 얻을 수 있었다.
레이저 출력이 1.3 kW일 때, 용접속도에 따른 용입특성과 전면·이면 비드 및 횡단면의 사진을 Fig. 4.29에 나타낸다. 용접속도 4~5.5 m/min에서 금색의 전면비 드가 나타났으며 속도 6 m/min이상에서는 은백색의 전면비드가 나타났다. 이면비 드에서는 출력 1.1 kW보다 많은 스패터가 부착되었으며 속도가 증가함에 따라 스패터 부착량이 증가하였다. 전면 및 이면 비드폭은 출력 1.1 kW와 마찬가지로 전면비드폭이 이면비드폭과 비슷하거나 더 좁았다. 속도 5 m/min이하에서 양호한 접합길이를 얻을 수 있었다.
레이저 출력이 1.5 kW일 때, 용접속도에 따른 용입특성과 전면·이면 비드 및 횡단면의 사진을 Fig. 4.30에 나타낸다. 용접속도 4.5~5.5 m/min에서 금색의 전면비 드가 나타나며 속도 6 m/min이상에서는 은백색의 전면비드가 나타났다. 모든 속 도조건에서 이면비드에 다량의 스패터가 부착되었다. 전면 및 이면 비드의 비드 폭을 비교해보면 이면비드폭이 전면비드폭보다 더 넓게 나타났다. 접합길이를 측 정한 결과 속도 6 m/min이하에서 양호한 접합길이룰 얻을 수 있었다.
레이저 출력이 1.7 kW일 때, 용접속도에 따른 용입특성과 전면·이면 비드 및 횡단면의 사진을 Fig. 4.31에 나타낸다. 용접속도 5 m/min를 제외한 모든 속도조건 에 은백색의 비드가 나타났다. 출력이 상대적으로 높아 재료에 전달되는 입열량 이 많음에도 불구하고 은백색의 비드가 나타난 이유는 레이저 빔 에너지가 키홀 을 따라 아래쪽으로 소실되면서 용접부 상부에 큰 에너지를 주지 못하고 상대적
하게 변화하였으며 접합길이는 속도 5 m/min이하 조건에서 양호한 접합길이를 얻 을 수 있었다.
각각의 레이저 출력에 대하여 용접속도에 따른 전면·이면비드 및 횡단면의 사진을
Fig. 4.32에 나타낸다. 각각의 출력에 대하여 용접속도 구간이 겹치는 속도 5~6
m/min의 전면·이면비드 및 횡단면의 사진을 비교하였다. 전면비드를 살펴보면 레이
저 출력이 증가함에 따라 재료에 가해지는 입열량이 증가하지만 비드색은 금색에서 은백색으로 변화하였다. 이는 레이저 빔 에너지가 재료표면에 영향을 주기 전에 키 홀을 따라 아래로 빠져나갔기 때문으로 판단된다. 이면 비드를 살펴보면 레이저 출 력과 용접속도가 증가함에 따라 스패터 부착량이 증가함을 알 수 있다. 이러한 스패 터 발생은 키홀 형성과 융액의 흐름과 관련이 있다. 높은 에너지 밀도에서는 융액의 흐름이 불안정하기 때문에 용융금속이 비산되기 쉬우며, 용접속도가 증가할 경우에 는 키홀벽이 좁아짐에 따라 플라즈마의 분출압력이 증가하게 되고 키홀 내벽의 용 융금속을 강하게 비산시키게 된다. 또한 스패터 발생으로 인해 용접부 하부에 언더 필이 발생하였다. 언더필 결함은 주위의 모재 표면보다 용접부 표면이 더 낮게되는 상태를 말하며 재료의 증발, 스패터 현상 등이 원인이다.
각각의 레이저 출력에 대하여 용접속도에 따른 접합길이, 전면 및 이면비드폭을
Fig. 4.33에 나타낸다. 모든 출력조건에서 속도가 증가함에 따라 입열량이 감소하므
로 전면 및 이면 비드폭은 감소하는 경향을 나타내었으며, 감소폭은 출력 1 kW이하 조건과는 달리 전면비드와 이면비드가 비슷하였다. 전면비드폭과 이면비드폭을 비교 해보면 일반적인 경향과 달리 이면비드폭이 전면비드폭과 비슷하거나 더 넓게 나타 난다. 이는 완전 관통용접이 이루어지는 열린 키홀모드에서 재료표면에 가해지는 레 이저 빔이 키홀을 따라 아래쪽으로 흡수됨에 따라 상대적으로 용접부 상부보다 용 접부 하부가 에너지 흡수율 높기 때문으로 판단된다. 접합길이는 출력 1.1, 1.3, 1.5, 1.7 kW에 대하여 각각 속도 4.5 m/min이하, 5m/min이하, 6m/min이하, 5 m/min이하에서 500㎛이상의 양호한 접합길이를 나타내었으며, 출력이 증가함에 따라 양호한 접합 길이를 얻을 수 있는 임계속도가 증가하는 경향을 나타내었지만 출력 1.7 kW에서는 상대적으로 제한적인 범위에서 양호한 접합길이를 얻을 수 있었다. 출력이 1.1kW에
서 1.3kW증가하였을 때, 양호한 접합길이가 얻어지는 임계속도가 0.5 m/min가 증가
하였으며 그 이상 출력에서는 더 이상 임계속도가 증가하지 않았다. 따라서 양호한
접합길이가 얻어지는 임계속도는 출력증가에 따라 증가하지만 출력이 높을수록 증 가폭이 작아지며 결국 일정 출력이상에서는 더 이상 증가하지 않는 다는 것을 알 수 있었다. 이것은 비드용접에서의 결과와 마찬가지로 출력이 증가함에 따라 입열량 이 증가하여 재료가 많이 녹게 되지만 레이저 빔의 크기는 일정하기 때문에 접합길 이가 증가하는데 한계가 있기 때문으로 판단된다.
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.1 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min) Front bead Back bead Cross
section 3.5
4
4.5
5
5.5
6
(a) Bead appearance and cross section
Fig. 4.28 Penetration properties and various bead shapes with laser power
in lap welding(P=1.1 kW)
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.3 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.28 To be continued
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.3 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min) Front bead Back bead Cross
section
4
4.5
5
5.5
6
6.5
(a) Bead appearance and cross section
Fig. 4.29 Penetration properties and various bead shapes with laser power
in lap welding(P=1.3 kW)
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.3 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.29 To be continued
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.5 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min) Front bead Back bead Cross
section
4.5
5
5.5
6
6.5
7
(a) Bead appearance and cross section
Fig. 4.30 Penetration properties and various bead shapes with laser power
in lap welding(P=1.5 kW)
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.5 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.30 To be continued
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.7 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) Bead
v(m/min) Front bead Back bead Cross
section
5
5.5
6
6.5
7
7.5
(a) Bead appearance and cross section
Fig. 4.31 Penetration properties and various bead shapes with laser power
in lap welding(P=1.7 kW)
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, PL=1.7 kW, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min)
(b) Penetration properties
(c) joining length Fig. 4.31
To be continued
Pure Ti(0.5mmt), Lap welding;
fd=0 mm, Qcs=Ar(20ℓ/min), Qbs=Ar(10ℓ/min) v(m/min)
PL(kW) 5 5.5 6
1.1
Front bead Back bead Cross section
1.3
Front bead Back bead Cross section
1.5
Front bead Back bead Cross section
1.7
Front bead Back bead Cross section
Fig. 4.32 Bead appearance and cross-section of weld with laser power
and welding speed in lap welding
(a) Front bead width (Wf)
(b) Back bead width (Wb)
(3) 동축 실드 노즐거리(d)에 따른 영향
동축노즐 끝단과 노즐 분사점까지의 거리인 노즐거리(d)에 따른 용입특성을 평가하기 위하여, 노즐거리(d)를 8~28 mm까지 4 mm간격으로 변화하였다. 이 때, 8 mm미만은 레이저 광학계 헤드와 지그와의 간섭 때문에 실험이 불가하여 최소 노즐 거리(d)를 8 mm로 선정 하였다. 용접 조건은 완전용입이 되도록 하였으며, 용입깊이는 이면비드폭을 통하여 간접 적으로 파악하였다.
각각의 노즐거리(d)에 따른 용입특성, 전면·이면비드 및 횡단면의 사진을 Fig. 4.34에 나 타낸다. 전면비드를 관찰해보면 노즐거리(d)가 8 mm일 때, 금색의 양호한 비드가 나타났으 며 d가 증가할수록 산화정도가 심해져 비드색이 갈색, 청색 및 자색으로 변화하며 비드형 상이 불규칙하였다.
전면비드폭는 노즐거리(d)가 증가할수록 산화열로 인하여 넓게 나타났으며, 이면비드폭 은 노즐거리(d) 변화하여도 큰 차이가 없었으며 따라서 노즐거리(d)가 변화하여도 용입깊이 또한 큰 차이가 없을 것으로 판단된다. 따라서 금색의 양호한 비드가 나타나는 8mm를 최 적의 조건으로 선정하였다.