비초점 거리의 영향

3. 실험방법

4.3 레이저 - 아크 하이브리드 용접시의 용입 특성

4.3.1 비초점 거리의 영향

레이저와 아크를 결합한 하이브리드 용접은 레이저를 주된 열원으로 사용하 므로 용입 깊이에 미치는 비초점 거리의 영향이 크다고 판단되어 레이저 용접 과 동일하게 비초점 거리를 변화시켜 실험을 실시하였다. 또한 레이저 용접과 비교함으로써 하이브리드 용접시 아크 열원의 추가로 인해 발생하는 용입특성 차이에 대해 검토하였다.

Fig. 4.17은 두께 8 mm의 SS400에 대해 레이저 출력 P= 4 kW, 아크전류 I=

240 A, 용접속도 v= 2 m/min의 조건에서 비초점 거리를 f_d= - 8 ~ + 8 mm으로 변 화시켰을 때 결과를 나타낸다. 용접부를 보면 하이브리드 용접시에는 아크에 의한 용접부와 레이저에 의한 용접부가 동시에 존재하는 것을 확인할 수 있다.

전류와 속도가 일정하기 때문에 동일한 아크의 작용으로 인해 비드폭은 모든 조건에서 유사하였지만, 비초점 거리에 따른 시편 표면에서의 레이저 빔 에너 지 밀도 변화로 인해 용입 깊이의 차이가 발생하였다. 비초점 거리 f_d= + 4 ~ + 8 mm의 구간에서는 레이저 에너지 밀도 저하로 인해 키홀이 형성되지 못하므로 열전도형의 용접이 이루어져 용입이 얕은 반면, 나머지의 조건에서는 키홀형의 용접으로 인해 열전도형의 용접보다 깊은 용입의 용접부가 형성되었다.

Fig. 4.18의 비초점 거리에 따른 용입 깊이를 살펴보면 레이저 단독 용접시와 마찬가지로 fd= - 5 ~ - 1 mm에서 비드천이 구간이 나타나는 것을 알 수 있다.

또한 비초점 거리가 “+”일 때와 “-”일 때의 용입 깊이가 서로 대칭이 되지 않 고 “-”에서 더 깊은 것을 알 수 있으며, 이는 레이저 용접시의 결과와 동일한 이유라고 생각된다. 가장 깊은 용입은 f_d= - 4 mm에서 나타났지만, fd= - 5 mm에 서 용입 깊이의 감소폭이 크기 때문에 오히려 fd= - 3 mm가 용입 깊이 측면에서 더욱 안정적인 비초점 거리라고 판단된다.

Fig. 4.19는 레이저 출력 4 kW, 용접속도 2 m/min의 조건에서 레이저 용접, 120 A를 사용한 하이브리드, 240 A를 사용한 하이브리드 용접시의 용입 깊이 비교를 나타낸다. 비초점 거리에 따른 용입 깊이를 비교해보면 240 A를 사용한

접의 용입 깊이는 레이저 용접과 비슷하거나 좀 더 깊었다. 가장 깊은 용입이 나타나는 비초점 거리는 레이저 용접의 경우 fd= - 2 mm, 120 A를 사용한 하이 브리드 용접은 f_d= - 3 mm, 240 A를 사용한 하이브리드 용접의 경우에는 f_d= - 4

mm로 각각 그 값이 다르게 나타났다. 이는 하이브리드 용접시 아크 열원에 의

해 모재의 용융이 일어나고 시편의 열전도도가 나빠지기 때문에 레이저 빔의 흡수율이 증대됨과 동시에 전극에서 모재방향으로 아크력이 작용하게 되면서 하이브리드 용접의 경우 레이저 용접에 비해 가장 깊은 용입이 나타나는 비초 점 거리가 시편 내부에 위치해 있으며, 전류가 증가함에 따라 열전도 효과 및 아크력이 더욱 커져 레이저 빔의 흡수율이 더욱 증가하므로 깊은 용입이 나타 나는 비초점 거리가 시편 안쪽으로 치우친다고 생각된다⁽⁵²⁾.

따라서 위의 실험결과를 통해 하이브리드 용접의 경우, 가장 깊은 용입이 나 타나는 비초점 거리가 레이저 용접보다 시편내부에 위치하였으며, 전류가 증가 함에 따라 열전도 효과로 인해 가장 깊은 용입을 나타내는 비초점 거리가 변화 함을 확인하였다. 그리고 하이브리드 용접시 f_d= - 4 mm에서 가장 깊은 용입이 나타났지만 f_d= - 5 mm에서 용입 깊이의 감소폭이 크기 때문에 fd= - 3 mm를 사 용하는 것이 더욱 안정적이라고 생각된다.

Hybrid welding : SS400(8 mm^t), P= 4 kW, I=240 A, v= 2.0 m/min, DLA=3 mm, α= 60 °, Gs= Ar+CO2(20ℓ/min) fd

Bead -8 mm -7 mm -6 mm -5 mm -4 mm -3 mm -2 mm -1 mm 0 mm

Bead appear.

Cross section fd

Bead +1 mm +2 mm +3 mm +4 mm +5 mm +6 mm +7 mm +8 mm

Bead appear.

Cross section

Fig. 4.17 Bead appearance and cross section of weld with various defocused distance in SS400 by hybrid welding

Fig. 4.18 Variation of penetration characteristics with defocused distance in hybrid welding

Fig. 4.19 Comparison of penetration properties with defocused distance in laser and hybrid welding