3.2 실험 방법
3.2.1 실험재료 및 용접장치
게 영향을 받는다(103-107).
현재 마그네슘 압연판재로 상용화되어 시중에 유통되고 있는 것은 Mg-Al-Zn 의 3원계 합금인 AZ31B이다. AZ31B는 질별조건에 따라 크게 AZ31B-H24와
AZ31B-O재로 구분하여 사용하고 있는데, 여기서 H24는 가공경화 후 부분 어닐
링(1/2경질)을, 그리고 O는 완전어닐링(연질)된 상태를 나타낸다(3,108).
한편 오늘날까지 마그네슘 합금 판재의 용접에 관련된 대부분의 연구들은 질 별기호에 대한 특별한 언급 없이, AZ31 또는 AZ31B 소재를 사용하였다고만 기 술하고 있다(32-36,109-110). 그러나 AZ31B-H24 또는 AZ31B-O재의 구분에 따라 모재 에 기인한 기계적 특성의 차이가 Table. 3.4에 나타낸 것처럼 엄연히 존재하며, 이것은 동일한 조건에서 서로 다른 용접성을 유발할 것이다(1-2).
따라서 본 연구에서는 AZ31B-H24 및 AZ31B-O재를 용접대상으로 선정하여, 레이저 열원에 의한 기본적인 용접성 조사와, 더불어 질별에 따른 용접성의 차 이를 비교 및 검토한다.
실험에 사용한 압연판재의 두께는 1.25 mm이며, AZ31B의 공칭 조성은 Table 3.5와 같다(4). 시험편은 150 mm(길이)×50 mm(폭)의 크기로 재단하여 용접실험에 적용하며, Fig. 3.2에 시험편의 형상 및 치수를 모식도로써 나타낸다.
Table 3.1 Physical constants of magnesium and other materials
Properties Material
Density (g/cm3)
Melting point
(°C)
Boiling point
(°C)
Surface tension (mN/m)
Viscosity (mPa․s)
Thermal conductivity
(W/m․K)
Vapor pressure
(Pa)
Mg 1.74 650 1,107 559 1.25 167 360
Al 2.70 660 2,450 914 1.3 238 10-6
Fe 7.87 1,536 3,000 1,872 6 73.3 2.3
Zn 7.13 419.5 906 782 3.5 113 23
Table 3.2 Code letters for the designation system of magnesium alloys
Letter Alloying elements
A Aluminum
C Copper
E Rare metal
H Thorium
K Zirconium
L Lithium
M Magnesium
Q Silver
S Silicon
W Yttrium
Z Zinc
Table 3.3 Temper designations for magnesium alloys
Division Conditions
F As fabricated
O Annealed, recrystallized (wrought products only)
H Strain hardened
H1 Strain hardened only
H2 Strain hardened and then partially annealed H3 Strain hardened and then stabilized
T Thermally treated to produce stable tempers other than F, O or H
T1 Cooled and naturally aged T2 Annealed(cast products only)
T3 Solution heat treated and then cold worked T4 Solution heat treated
T5 Cooled and artificially aged
T6 Solution heat treated and artificially aged T7 Solution heat treated and stabilized
T8 Solution heat treated, cold worked, and artificially aged T9 Solution heat treated, artificially aged, and cold worked T10 Cooled, artificially aged, and cold worked
W Solution heat treated (unstable temper)
Table 3.4 Typical mechanical properties of AZ31B magnesium alloy sheets
Properties Material
Thickness
(cm) Tensile strength
(MPa) Tensile yield
(MPa) Elongation
(%)
AZ31B-H24
0.041 ~ 0.634 290 221 15
0.635 ~ 0.951 276 200 17
0.952 ~ 1.270 269 186 19
1.271 ~ 2.540 262 165 17
2.541 ~ 5.080 255 159 14
5.081 ~ 7.620 255 145 16
AZ31B-O
0.041 ~ 0.152 255 152 21
0.153 ~ 0.634 255 152 21
0.635 ~ 1.270 248 152 21
1.271 ~ 5.080 248 152 17
5.081 ~ 7.620 248 145 17
Table 3.5 Chemical compositions of AZ31B magnesium alloy(wt. %)
Element
Material Al Zn Mn Fe Ni Mg
AZ31B 2.5 ~ 3.5 0.6 ~ 1.4 0.2 ~ 1.0 <0.005 <0.005 Bal.
Fig. 3.2 Appearance and dimension of specimen 150mm
50 mm 1.25 mm
(2) 용접장치
본 연구에서 사용한 레이저 용접장치는 램프(lamp) 여기방식의 CW(continuous
wave) Nd:YAG 레이저이다. 레이저 용접장치의 최대출력은 4.0 kW로 8개의 공
진기(cavity)를 가지고 있으며, 빔 품질(beam quality)은 25 mm․mrad이다. 집광광 학계의 초점길이(f)는 200 mm이며, 노즐 끝단에서 시험편까지의 작동거리 (working distance)는 139 mm이다. 본 장치의 주요사양을 Table 3.6에 정리하여 나타낸다.
용접장치는 반복 오차(repetition error) ±0.06 mm의 6축 외팔보 로봇과 연동하 여 작동되며, 레이저 집광광학계를 로봇에 장착하여 실험을 진행하였다. 용접 중 용융지의 산화를 막기 위해서는 측면에서 실드가스 노즐(shield gas nozzle)을 사용하여 불황성가스로 용접부를 보호하였으며, 이 때 노즐의 각도는 60°였다.
더불어 용접시 발생 가능한 스패터(spatter)로부터 광학계를 보호하기 위해 컷팅 에어(cutting air)를 사용하였다. Fig. 3.3에 본 연구에서 사용한 집광광학계의 외 관 및 모식도를 나타낸다.
Table 3.6 Specification of CW Nd:YAG laser
Laser type CW Nd:YAG Laser
Maker TRUMPF HAAS-LASER GmbH +Co.KG
Model HL4006D
Wavelength 1.064m
Max. laser power 4,000 W
Laser design 8 cavities
Beam parameter product 25 mmㆍmrad Fiber core dia. 600m
Interworking Robot ABB IRM6400R
Fig. 3.3 Photo and schematic illustration of condensing optical head
(a) Photo
Shield gas nozzle Cutting air
nozzle Condensing
head
(b) Schematic illustration Optical fiber
Collimation
Lens
Protective glass
Shield gas nozzle Cutting air
nozzle