인장강도 및 경도 특성

두께가 38㎛인 구리 박판 40장을 겹치기 용접한 후 용접부를 중심으로 인장시험 편을 만들어 인장시험한 결과를 Fig. 4.8~4.15에 나타냈다.

피크 출력이 5kW, 펄스 조사시간과 주파수가 4ms 25Hz일 때 초점위치 변화에 따른 인장강도 테스트 결과를 Fig. 4.8에 나타내었다. 인장강도 값이 가장 크게 나 타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 69.8MPa이였다. 이와 같 은 현상은 용접단면을 나타낸 Fig. 4.4와 비교해보면 예측할 수 있는 결과이다. Fig.

4.4의 결과를 살펴보면 초점위치가 시편표면보다 위에 있는 f=+3으로 하여 용접했 을 때 용접단면에 기공이나 기포와 같은 결함이 가장 작기 때문에 인장강도가 상 대적으로 크게 측정되었다. Fig. 4.9는 피크 출력이 5kW, 펄스조사시간과 주파수가 6ms 16Hz 일 때 초점위치 변화에 따른 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인 장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도 는 38.16MPa이였다. Fig. 4.10은 피크 출력이 5kW, 펄스조사시간과 주파수가 8ms 12Hz 일 때 초점위치 변화에 따른 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강 도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 +3으로 이 때 최대 인장강도는 32.85MPa이였다. Fig. 4.11은 피크 출력이 5kW, 펄스조사시간과 주파수가 10ms 10Hz 일 때 초점위치 변화에 따른 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강 도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 37.6MPa이였다. 피크출력을 5kW로 하고 펄스조사시간과 주파수와 초점위치를 변화 시키면서 용접한 시편을 인장시험 결과를 나타낸 Fig 4.8~Fig. 4.11의 결과를 고찰 해보면 전체적으로 f=+3위치에서 용접했을 때 인장 강도 값이 각각의 실험조건에 서 가장 크게 측정되었다. 펄스조사시간이 증가하면 용접단면적이 증가하면서 인장 강도가 감소하는 것을 알았다.

Fig. 4.12는 피크 출력이 6kW, 펄스조사시간과 주파수가 4ms 25Hz 일 때 초점위 치 변화에 따른 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 35.5MPa이였다. Fig.

4.13은 피크 출력이 6kW, 펄스조사시간과 주파수가 6ms 16Hz 일 때 초점위치 변화 에 따른 인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 38.4MPa이였다. Fig. 4.14는 피 크 출력이 6kW, 펄스조사시간과 주파수가 8ms 12Hz 일 때 초점위치 변화에 따른

인장강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 30.34MPa이였다. Fig. 4.15는 피크 출 력이 6kW, 펄스조사시간과 주파수가 10ms 10Hz 일 때 초점위치 변화에 따른 인장 강도 테스트 결과를 나타낸 것이다. 인장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점 위치가 f=+3으로 이 때 최대 인장강도는 36.7MPa이였다. 피크출력을 6kW으로 고정 하고 펄스조사시간과 주파수 그리고 용접할 때의 초점위치를 변화시키면서 용접했 을 때도 역시 피크출력을 5kW으로 하고 같은 조건으로 용접했을 때와 같이 초점 위치 f=+3일 때가 가장 인장강도 값이 크게 나타났다.

Fig. 4.16은 각 조건별로 최대 인장강도 값을 그래프로 나타내었다. 전체적으로 인장강도 값은 피크출력, 펄스조사시간 및 주파수 변화에 상관없이 초점위치가 f=+3일 경우 가장 좋은 인장강도 값을 나타내었다.

이는 초점위치가 f=-3인 경우 시편의 표면보다 낮은 위치에 초점면을 집속되어 레이저빔의 높은 출력으로 용융될 때 발생한 기포가 용융풀의 냉각속도가 매우 빨 라 기포들이 위쪽으로 방출되지 못하고 포획된 형태로 남아있고 언더컷(Under cut) 현상이 나타났다. 이는 레이저빔이 초점렌즈를 지나 전달되면서 초점면이 시편표면 의 아래 방향에 위치하면 레이저빔이 수렴하면서 시편에 조사되기 때문에 과입열 량이 되어 일부조성분이 기화되면서 증발되어 생성된 기포가 용접단면에 생성되면 서 인장응력이 높지 않게 측정되었다. 구리는 열전도도와 전기전도도가 높기 때문 에 용접단면의 열이 주변부로 매우 빠른 속도로 손실되면서 용융풀이 응고되어 기 포가 포획되어 결함이 발생되기 때문에 인장강도가 낮게 측정되었다.

초점위치가 시편표면인 f=0인 경우 높은 피크출력으로 인해 키홀이 제대로 형성 되지 않고 언더필(Under fill)현상이 나타났다. 이에 반해 초점위치가 +3인 경우에는 기포 발생량이 상대적으로 크게 줄어들었기 때문에 초점위치가 +3인 경우 좋은 인 장강도 값이 나타난 것으로 판단된다. 초점위치가 시편표면보다 위에 있는 f=+3인 경우에는 레이저빔이 초점면을 지나 발산하는 빔의 횡방향 강도분포의 중심이 가 우시안분포를 하기 때문에 용접라인 주변부의 온도를 높게 하여 응고속도를 지연 시키기 때문에 키홀의 유동풀의 유동이 자유로워 용접단면의 내부에 결함이 제거 되어 인장응력이 크게 측정되었다.

Fig. 4.17은 40장을 겹치기 용접한 후 용접부 중앙부인 20번째 시편의 횡단면의 경도분포를 측정한 결과이다. 용접된 부분의 경도는 약 75Hv에서 94Hv의 경도 값

조사되면서 용융되었던 모재가 냉각될 때 조직이 성장되면서 응고되는데 이 조직 의 중앙부와 조직의 경계면이 측정되었을 때 발생하는 현상으로 생각된다. 구리의 융점은 1084℃, 열전도도는 0.934㎈/㎤/㎝/sec/℃, 전기전도도가 101%IACS인 특성 때 문에 빠르게 조직이 성장할 수 있다. 빠르게 성장한 조직의 경도가 다소 감소된 것 으로 생각된다. 모재의 경도가 120Hv 내외인 것을 고려하면 약 0.6배정도 경도 값 이 감소되었다. 이것은 2.2절에서 언급하였듯이 구리는 온도가 높아질수록 결정립 의 크기가 조대화 되어지기 때문이다.

경도 값을 나타낸 용접부의 폭은 약 1.2mm정도이다. 그림에서 제시한 공정변수 들은 각각 레이저 초점위치별로 인장응력이 가장 크게 나타난 것과 가장 작게 나 타난 공정변수의 경도분포를 측정한 결과이다. 왼쪽에 있는 공정변수가 인장강도 값이 큰 경우이고 오른쪽의 공정변수가 인장강도 값이 작은 경우이다. 전체적으로 인장강도가 큰 경우에 작은 경우보다 경도값이 약 5~10Hv정도 크게 측정되었다.

Fig. 4.18은 시편 40장이 용접된 용융단면의 위에서 아래 방향으로 중앙부를 따라 경도 값을 측정한 것이다. 그래프에 표시된 공정변수의 의미는 Fig. 4.17과 같다.

초점위치가 +3이고 펄스조사시간이 짧을수록 인장강도 값과 경도값이 높게 측정 되었다. 이는 펄스 조사시간이 짧을 경우 펄스조사시간이 긴 경우에 비해 급가열 급냉각되지 않으면서 용접부 조직이 조대화되기전에 응고되기 때문에 인장강도 및 경도 값이 크게 나타난 것으로 판단된다. 전체적으로 깊이방향에서도 인장강도 값 이 큰 경우일 때 작은 경우보다 경도 값이 높게 측정되었다.

Fig. 4.8 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:5kW, 4ms 25Hz)

Fig. 4.9 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:5kW, 6ms 16Hz)

Fig. 4.10 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:5kW, 8ms 12Hz)

Fig. 4.11 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:5kW, 10ms 10Hz)

Fig. 4.12 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:6kW, 4ms 25Hz)

Fig. 4.14 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:6kW, 8ms 12Hz)

Fig. 4.15 Stress-Strain curve of laser welding(Peak power:6kW, 10ms 10Hz)

Fig. 4.16 Influence of welding process parameters on max stress

Fig. 4.17 Welding width hardness to variation of welding process parameters

Fig. 4.18 Welding depth hardness to variation of welding process parameters