4.2 실드가스의 종류 및 변수에 따른 용입특성
4.2.4 유량에 따른 용입특성
실드가스의 유량은 용융부를 산화로부터 보호하기 위한 가장 중요한 요소이다.
실드가스의 유량이 부족한 경우에는 불활성기체가 용접부를 완전히 차폐하지 못하여 산화를 유발할 수 있으며, 지나치게 유량이 많은 경우에는 경제성이 떨어 지며, 압력의 증가로 인해 건전하지 못한 용접부가 형성될 수 있다. 따라서 용접부를 완전히 차폐할 수 있는 최적의 유량을 설정할 필요가 있다.
Fig. 4.13과 Fig. 4.14는 각각 실드가스 유량변화에 따른 비드외관 및 단면사진과 용입의 변화를 나타내고 있다. 우선 실드가스를 사용하지 않은 경우에는 용입 깊이와 비드폭이 실드가스를 사용할 때 보다 작게 나타났는데, 이는 실드가스에 의한 차폐효과가 없을시 키홀내에서 증발한 중성원자가 대기중의 산소나 질소와 만나 엄청난 양의 퓸(fume)이나 수트(soot)를 형성하여 레이저빔의 광경로를 차단 하기 때문이라고 생각되는데, 실제로도 실드가스 미 사용시 다량의 퓸과 수트가 발생하였다. 또한 Fig. 4.13의 단면사진에서 보듯이 실드가스 미사용시 비드 표면 부근의 네일헤드(nailhead)부를 제외한 재료내부의 용융부 폭이 실드가스를 사용 하는 경우에 비해 다소 넓게 형성되었다. 이는 산화에 의한 발열에너지의 영향 으로 보이며, Fig. 4.14에서와 같이 실드가스가 5ℓ/min으로 증가하면서부터 용입 깊이가 증가하였다. 이러한 차이는 Fig. 4.15에서와 같이 수직으로 분출하는 플라즈마가 실드가스에 의해 기울어지게 되면서 플라즈마의 간섭높이가 크게 감소하기 때문 이다. 또한 실드가스를 사용하지 않은 조건에서는 다수의 스패터(spatter)가 발생 하였는데, 이것은 고온의 용융금속이 산소와 직접 접촉하여 산화되면서 점도가 낮아지기 때문에 분출되는 플라즈마에 의해 쉽게 비산되기 때문으로 판단된다.
한편, 비드의 형상은 실드가스의 유량이 증가하면 점차 안정된 형상을 보이고 있으며, 20ℓ/min 이상에서는 균일한 비드폭이 얻어졌다. 따라서 용입깊이와 실드 가스의 소모를 고려할 때 실드가스의 최적유량은 25ℓ/min인 것으로 판단하였다.
Fig. 4.13 Photographs of cross section and bead appearance with flow rate of shield gas
Flowrate
photo 0ℓ/min 5ℓ/min 10ℓ/min 15ℓ/min
Bead appear.Cross section
Flowrate
photo 20ℓ/min 25ℓ/min 30ℓ/min
Bead appear.
4mm4mm
Cross section
1 mm 1 mm
Fig. 4.14 Variation of penetration with flow rate of shield gas
0 5 10 15 20 25 30 35
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Bead width Penetration depth
Bead width, Wb(mm) Penetration depth, Dp(mm)
Flow rate of shield gas, (l/min)
P = 4kW, v = 2m/min, Ar (25 l/min)
Fig. 4.15 Schematic illustration of induced plasma behavior with existence of shield gas
(a) Behavior of induced plasma without shield gas
Specimen
Laser beam
Plasma h
Specimen
Laser beam
Plasma h
(b) Behavior of induced plasma with shield gas
Specimen
Shield gas flow
h
Laser beam Plasma
Specimen
Shield gas flow
h
Laser beam Plasma