4.3 구조용 압연강 SS400의 파이버 레이저 절단
4.3.4 CO 2 레이저와 파이버 레이저 절단 속도 비교
약 99%를 차지하는 철(Fe)소재의 빔 흡수율이 30% 정도인데 비해 CO2레이저 는 7~ 8%로 약 4배 이상 파이버 레이저빔 흡수가 용이하다.이는 특히 적은 입 열량에도 쉽게 절단이 가능한 박판 절단에서 파이버 레이저의 절단 속도가 2배 이 상 향상 시킬 수 있음을 알 수 있었다.
Fig. 4-26 Comparison of cutting speeds with fiber laser and CO2 laser
5 장 결 론
산업현장에 적용되고 있는 자동차 부품의 기존 제작 방식에서 생산성 향상과 고 품질의 제품을 생산하기 위해 연속파형 고출력 파이버 레이저를 이용한 자동차용 소재의 용접 및 절단에 대한 최적의 공정변수를 도출하였다. 레이저 빔이 재료에 상호작용 했을 때의 생산에 적합한 최적의 가공 조건을 도출하기 위해 레이저 빔 의 출력, 레이저 빔의 이송속도, 초점거리 등을 변화시켜 실험한 정량적인 특성과 정성적인 특성을 얻은 연구 결과는 다음과 같다.
가 . 기어부품용 소재 IF 강의 파이버 레이저 용접
기어부품의 전자빔 용접의 단점을 보완하고 생산성 향상을 위해 빔 특성이 우수한 고출력 파이버 레이저 용접으로 대처하기 위한 선행연구를 실시하였고, 용접특성 및 용입량은 산업현장에서 생산된 기어부품의 전자빔 용접의 품질과 비교하였다.
기어부품의 레이저 시스템 제작시 투자 효율을 감안하여 동등 이상 수준의 기계적 특성이 확보되는 레이저 용접조건과 관련된 공정변수는 레이저 입열량 (input heat) 변화를 중심으로 분석하였다. 용접 건전성을 전자빔 용접과 비교 평가하기 위해 비 드단면의 용입깊이, 경도분포, 미세조직, X-Ray 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 기어부품의 전자빔 용접 품질과 비교를 위해 전자빔 용접 조건과 동일한 용입심 도(4.0 ~ 4.5 mm)를 갖는 레이저 용접 최적 조건은 레이저 출력 3 kW, 용접속도 30 mm/sec 이며, 이때 입열량은 21.23 × 103 J/㎠ 이였다.
2) 기어부품 용접부는 용융 중심선을 기준으로 좌․우 대칭적으로 미세조직이 다르 게 형성되었다. 이러한 현상은 임계체적과 결정립의 크기가 다르기 때문에 레이저
빔에 의해 인입된 열에너지가 모재에 전달된 후 열확산속도 또는 냉각속도의 가속 에 의해 열영향부에서 급냉 조직이 나타났다.
3) 자동차 변속기 기어부품의 레이저 용접을 적용하여 기존의 전자빔 용접 방식에 비해 레이저 용접이 내부결함이 없는 안정적인 용접부를 X-Ray CT분석을 통해 확 인하였으며, 기어부품의 파이버 레이저 용접은 기존의 진공 챔버(chamber) 방식의 전자빔 용접에 비해 생산성 및 용접품질 향상, 부품 형상 및 크기에 대한 한계성 극복 등 많은 이점이 있다.
나 . Seat rail 부품의 T 형상 파이버 레이저 용접
자동차 부품 시트레일 부품 생산의 상부 레일과 상부 브라켓의 볼트체결 방식을 개선하기 위한 자동화를 통한 제조 생산성 향상과 부품소재 절감을 통한 차량 경 량화를 위한 시트레일 부분의 파이버 레이저 용접 적용을 위한 선행 연구를 위해 SAPH강의 T형상 필렛용접 공정변수를 얻었다.볼트체결과 동등수준 이상의 기계 적 강도를 갖는 용접조건을 도출하기 위해 레이저 출력,속도 및 입사각을 변화시 켜 최적의 공정변수를 용입깊이, 경도분포, 미세조직, X-Ray, 인장시험을 통해 다음 과 같은 결론을 얻었다.
1)T형상 SAPH 2.0mm의 파이버 레이저 용접시 단위면적당 에너지가 5,000~
6,000 J/㎠에서 좌,우측 용융비드사이 미용융구간이 발생하였으며,6,000 ~ 7,500 J/㎠에서 관통용접이 진행되었고,7,500~ 9,000J/㎠ 에서는 충분한 관통용접이 이 루어 졌으나,용접후 소재에 열변형이 발생하였다.
2)생산라인에서 요구 되는 공정별 소요시간 (tacttime)을 고려할때 형상 SAPH 2.0mm의 관통용접은 출력 3kW,레이저빔 이송속도 100mm/sec,입사각 30도, 보호가스 아르곤(Ar)15ℓ/min에서 안정된 용접결과를 얻었다.
3)용접부 간격에 따른 인장시험 결과 용접부 간격이 0mm,0.2mm,0.4mm인 조건 모두에서 취부 볼트 인장 응력값 981N 보다 레이저 용접부의 인장 강도가 10배 이상 높게 유지 되었다.
4)시트레일 부품의 레이저 용접을 적용하여 기존 볼트 체결 방식에 비해 볼트 조립강도 이상의 용접 강도를 확인하였으며,레이저 용접의 적용으로 생산성 향상 과 재료비 절감,공정 단축 및 차량 경량화 등 다양한 이점이 있다.
다. 구조용 압연강 SS400의 파이버 레이저 절단
자동차 프레임으로 사용되는 구조용 압연강 SS400판재의 두께별 레이저 절단특성 을 2 kW 파이버 레이저를 이용하여 최적의 절단 공정변수를 연구하였다.파이버 레이저 절단조건과 관련된 공정변수는 레이저 출력,절단속도,가스유량,노즐크기, 노즐 거리,노즐 타입으로 구성되며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1)2kW 파이버 레이저를 이용하여 SS400소재 20mm 까지 절단을 실시하였고, 20mm 절단을 위한 레이저빔의 단위면적당 입열량 범위는 44,900∼ 46,300J/㎠ 이였다.
2)파이버 레이저빔은 CO2레이저에 비해 파장이 1/10정도로 짧아 재료에 레 이저빔 흡수가 용이하여,적은 입열량에도 쉽게 절단이 가능한 SS4001.2mm박판 절단에서 파이버 레이저의 절단 속도가 CO2레이저에 비해 2배 이상 향상 되었다.
3)후판 절단일수록 최적절단 영역이 한정적 이였으며,12mm 이상 후판 절단의 경우 1구형 노즐이 아닌 절단가스의 분사 특성을 최적화한 이중형 노즐을 사용하 여 20mm 까지 양호한 절단 품질을 확보하였다.
참 고 문 헌
1. John F. R, "LIA Handbook of Laser Materials processing," LIA. Magnolia Publishing Inc., 2001.
2. D. Kaminski, "LASER MARKING: How to choose the best laser for your marking application," Journal of Laser focus world, pp. 12, 2011.
3. John F. R, "Industrial Applications of Lasers," Academic Press, 1997.
4. C. J. Nonhof, "Material Processing with Nd-YAG Lasers," Electrochemical Publications Limited, 1988.
5. Gennady G. Gladush, lgor Smurov, "Physics of Laser Materials Processing,"
Springer Series in Materials Science, 2011
6. Orazio S. and David C. Hanna, "Principles of Lasers," Plenum Press, 1998.
7. Kelin J. Kuhn, "Laser Engineering," Prenctice-Hall, 1997.
8. 양병태, "레이저 가공기술동향," KISTI, 2006.
9. K. Matsuyama, "Trends and Future Arts of Welding Technology for Ligth Structures," Journal of JWS, Vol. 65, No. 1, pp. 90-91, 1996.
10. Y. Iwai, N. Okumura and O.Miyata, "Application of laser processing for automotive parts manufacturing," Proc. LAMP '87, pp. 517, 1987.
11. K. Mikame, "Applications of Laser Material Processing in Toyota Motor Corporation," Proc. LAMP '92, pp. 947, 1992.
12. E. Hofy and A.G. Hassan, "Advanced machining process," New York: McGraw - Hill, 2005.
13. 이제훈, 신동식, "레이저를 이용한 복합가공기술의 동향," 기계저널, 2011.
14. A. Matsunawa, "Requirement to Laser System for Materials Processing form the View Point of User," Report on Topical Meeting of the Laser Society of Japan, No. RTM-93-32, 1993.
15. ROFIN-SINAR Laser GmbH, "Process Fundamental of Industrial Laser Welding and Cutting," 2002.
16. Koechner, Walter, "Solid-state Laser Engineering," Springer Verlag, 2007.
17. G. Bonati, "Fiber Laser : State of Development and future potential", European Automative Laser Application, 2006.
18. I. Dohnke, D. Peter, J. Comps, T. Sprunk, K.C. Heiniger Modelling of Supersonic gas flow of Nozzles for laser cutting systems.
19. Y. S. Oh, H. J. Shin, Y. S. Yang, C, Y. Hwang, and Y. T. Yoo, "A Study on the Fiber Laser welding of Ultra-Low Carbon Interstitial Free Steel of Automotive," The Journal of Manufacturing Engineering & Technology , Vol. 20, pp. 342-349, 2011.
20. I. Kelson, A. Hardy, "Strongly Pumped Fiber Lasers," Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No.9, 1998.
21. Y. T. Cho, S. J. Na, "A study on analysis of laser arc hybrid plasma in helium gas," KWS 2004.
22. Y. S. Oh, Y. T. Yoo, and H. J. Shin, "A study on T-Joint welding by high
power fiber laser of SAPH steel plate for Automobile," Transcations of KSAE, Vol.17, No.3, pp. 35-44, 2009.
23. Wedel, Bjorn, " Laser Processing heads for Fiber laser Recent Developments for 10kW Laser power and Diffraction limited Beam Quality," 2nd International workshop on Fiber laser, 2006.
24. Y. J. Quan, Z. H. Chen, X. S. Gong, and Z. H. Yu, "Effects of head input on micro structure and tensile properties of laser welding magnesium alloy AZ31,"
Materials characterization, Vol.59, No.3, pp. 1491-1497, 2008.
25. M. Y. Hoon and B. W. Seoung, "Technical reports : Surface hardening technology for Die materials," J. of the Korean Society for Heat treatment, Vol.
14, pp. 42-48, 2001.
26. L. Quintino, A. Costa, R. Miranda and D. Yapp, "Welding with High Power Fiber Lasers," Materials & Design, Vol.28, No.4, pp. 1231-1237, 2007.
27. M. Y. Lee, "A Multi Kilowatts CW Fiber Laser Welding," Journal of Korea Welding and Joining Society, Vol.26, No.4, pp. 8-13, 2008
28. Bjorn Wedel, "Laser processing heads for Fiber lasers Recent Developments for 10kW Laser power and Diffraction limited Beam Quality," 2nd lnternational workshop on Fiber laser, July. 2006.
29. Friedrich Bachmann, Peter Soldan, "Status der BMBF joint research projects in the field of fiber lasers," 2nd lnternational workshop on Fiber laser, July. 2006.
30. H. T. Kim, "Lasers Manufacturing Engineering," Kyungmoon Publishers, 2002.
31. R. Paura, "IPG Fiber lasers : What's New in Applications for Fabricators,"
ALAW Laser Application workshop, 2009.
32. C. J. Koester and E. Snitzer, "Amplification in a fiber laser," Appl. Opt. 3, 10, 1182, 1964.
33. Y. H. Han, "Principle and Application of Fiber Lasers," Optical Science and Technology Optical Society of Korea, Vol.14, No.2, pp. 28-33, 2010.
34. L. Quintino, A. Costa, R. Miranda, D. Yapp, "Welding with High Power Fiber Lasers," Materials & Design, Vol.14, No.2, pp. 1231-1237, 2007.
35. M. Y. Lee, "A Multi Kilowatts CW Fiber Laser Welding," Journal of Korea Welding and Joining Society, Vol.26, No.4, pp. 8-13, 2008.
36. V. V. Zhukov, "Structure of Wire-film by Laser welding," Translated from Metallovedenie I Termieheskaya Obrabota Metallov, No. 2, 1971.
37. Y. T. Cho, S. J. Na," A study on analysis of laser arc hybrid plasma in helium gas" KWS 2004.
38. G. Buchfink, "The LASER AS A TOOL," TRUMPF Co., 2007.
39. Y. J. Quan, Z. H. Chen, X. S. Gong, and Z. H. Yu, "Effects of head input on micro structure and tensile properties of laser welding magnesium alloy AZ31,"
Materials characterization, Vol.59, No.3, pp. 1491-1497, 2008.
40. M. Y. Hoon and B. W. Seoung, "Technical reports : Surface hardening technology for Die materials," J. of the Korean Society for Heat treatment, Vol.
14, pp. 42-48, 2001.
41. Z. Li, S.L. Gobbi and K.H. Richter, "Autogenous welding of Hastelloy X to Mar-M 247 by laser", J. of Materials Processing Technology, Vol. 70, pp. 285-292, 1997.
42. Yajie Quan, Zhenhua Chen, Xiaosan Gong, Zhaohui Yu, "CO laser beam
welding of dissimilar magnesium-based alloys," Materials Science and Engineering:
A, Vol. 496, pp. 45-51, 2008.
43. J. W. Kim, B. H. Choe, J. S. Hong and W. S. Kim, "Cracking Observed in the Socket Weld HAZ of Hastelloy C-276 Alloy", J. Kor. Inst. Met. & Mater., Vol. 40-2, pp. 1016-1021, 2002.
44. Y. T. Yoo and H. J. Shin, "Characteristics of CW Nd:YAG laser lap welds of Nickel coated S45C steel", Journal of the korean welding and joining society, Vol.
25, pp. 18-27, 2007.
45. M. J. Cieslak and J. S. Ogborn, D. L. Olson, "Influence of solidification on the microstructural evolution of nickel base weld metal", Materials Science and Engineering A, Vol. 203, pp. 134-139, 1995.
46. M. G. Colling, J. C. Lippold, "An Investigation of Ductility Dip Cracking in Nickel-Based Filler Materials - Part I(II),” Welding Journal, pp. 288-295, 2003.
47. J. N. Dupont, "Microstructural Development and Solidification Cracking Susceptibility of a Stabilized Stainless Steel", Welding Journal, pp. 253-263, 1999.
48. V. R. Dave, M. J. Cola and M. Kumar, "Grain Boundary Character in Alloy 690 and Ductility-Dip Cracking Susceptibility," Welding Journal, pp. 1-5, 2004.
49. M. Qian, J. C. Lippold, "Liquation Phenomena in the Simulated Heat-Affected Zone of Alloy 718 after Multiple Postweld Heat Treatment Cycles", Welding Journal, pp. 145-150, 2003.
50. M. Y. Li, E. Kannatey-Asibu and JR, "Monte Carlo Simulation of Heat - Affected Zone Microstructure in Laser Beam Welded Nickel Sheet," Welding Journal, pp. 37-44, 2002.
51. C. S. Kusko, J. N. Dupont and A. R. Marder, "The Influence of Microstructure on Fatigue Crack Propagation Behavior of Stainless Steel Welds", Welding Journal, pp. 6-15, 2004.
52. G. Cam, S. Erim and C. Yeni, "Determination of Mechanical and Properties of Laser Beam Welded Steel Joints", Welding Journal, pp. 193-201, 1999.
53. M. Qian and J. C. Lippold, "The effect of Multiple postweld heat treatment cycles on the weldability of Waspaloy", Welding Journal, pp. 233-238, 2002.
54. T. Iamboliev, S. Katayama, "Interpretation of Phase Formation in Austenitic Stainless Steel Welds", Welding Journal, pp. 337-347, 2003.
55. J. N. Dupont, S. W. Banovic and A. R. Mard, "Microstructural Evolution and Weldability of Dissimilar Welds between a Super Austenitic Stainless and Nickel-Based Alloys", Welding Journal, pp. 125-135, 2003.
56. F. M. Hosking, J. J. Stephens and J. A. Rejent, "Intermediate Temperature Joining of Dissimilar Metals", Welding Journal, pp. 127-136, 1999.
57. Z. Sun, "Feasibility of producing ferritic/austenitic dissimilar metal joints by high energy density laser beam process", International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 68, pp. 153-160, 1996.
58. X. W. Wu, R. S. Chandel, H. P. Seow and H. Li, "Wide gap brazing of stainless steel to nickel-based super alloy", J. Materials Processing Technology, Vol.
113, pp. 215-221, 2001.
59. Y. T. Yoo, J. Y. Kim, J. B. Ro, D. J. Yang, Y. S. Oh, K.G. Im and J. H.
Kim,"Estimation of Laser welding Behavior of SM45C Steel by Plume Monitoring,"
The Korean Society of Manufacturing Technologr Engineer, Vol.12, No.1, pp.
14-21, 2003.
60. R. E. Avery, "Pay attention to dissimilar-metal welds Guidelines for welding dissimilar metals", Chemical Engineering Progress, pp. 1-7, 1991.
61. M. Y. Lee, W. S. Chang and B. H. Yoon, " MG TWB Panel with Laser welding for Auto body Assembly," RIST , Vol. 21, No. 2, 2007.
62. G. Liedi, R. Bielak, N. Enzinger, "Joing of Aluminum and Steel in Car Body Manufacturing," Science Direct in Physics Procedia Vol. 12, pp. 150-157, 2011.
63. S. H. Yoo, K. H. Kim, J. J. Yoon, H. J. Yoo and S. S. Kim "A Study on the Weld ability for Automobile Under body Center floor with Nd:YAG laser," Journal of Korea Welding and Joining Society, Vol.46, No.4, pp. 199-202, 2007.
64. M. S. Han, S. M. Jeon, J. Suh and J. H. Lee, "Fatigue Characteristics of SPFC590 Laser Welding Sheet Metal for Automobile Body Pannel," KSAE, No.2, pp. 792-797, 2003.
65. TRUMPF, "Technical information Laser Processing," 1999.
66. T. Miyazaki, H. Miyazawa, M. Murakawa, S. Yoshioka "Laser Processing Technical," Santo, 1991.
67. K. A. Bunting, G. Cornfield, "Toward General Theory of Cutting: A Relationship Between the Incident Power Density and the Cut Speed", ASME, J.
Heat Transfer, pp. 116-122, 1975.
68. Y. Arata, "Dynamic Behavior and Laser Gas Cutting of Mild Steel, Plasma, Electron and Laser Beam Technology," American Society for Metals, pp. 415-426, 1979.
69. W. Schulz, G. Simon, H. M. Urbassek and I. Decker, "On laser Fusion Cutting of Metals," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.20, pp. 481-488, 1987.
70. M. Vicanek, G. Simon, H. M. Urbassek and I. Decker, "Hydro dynamical Instability of Melt Flow in Laser Cutting", J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.20, pp.
140-145, 1987.
71. J. D. Chung, J. S. Lee, K. H. Whang, T. H. Kim, " Heat Transfer Analysis of Striation Formation in Laser Cutting Process," Proceedings of the 2nd JSME-KSME thermal engineering conference, Vol.3, pp. 159-164, 1992.
72. M. Vicanek and G. Simon, "Momentum and Heat Transfer of an Inert Gas Jet to the Melt in Laser Cutting," J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.20, pp. 1191-1196, 1987.
73. S. J. Kim and K. G. Chin, "Developments and applications of High strength cold rolled steels for automobiles," The 5th rolled steel symposium, KSTP, pp.
45-52, 2007.
74. H. B. Lee, I. S. Chang, C. H. Jung, K. S. Kim, "Development of Laser Brazing in Car Body," Processing of the Korean Society of Laser Processing Conference, pp. 9-13, 2003.
75. J. Suh, J. H. Lee, H. S. Park, K. T. Kim, M. Y. Lee, "Optimal processing and system manufacturing of a laser welding tube for an automobile bumper beam,"
International Journal of Automotive Technology, Vol.7, No.2, pp. 209-213, 2006.
76. W. C. Jeong, and K. M. Cho, "Effect of Mn on the Micro structure and Mechanical Properties of High-Strength IF Steel for Automotive Body Panel,"
Journal of Korea Met. & Mater, Vol.37, No.6, 1999.
77. W. C. Jeong, "Effect of Alloy Additions and Annealing Parameters on Micro structure in Cold-Rolled Ultra Low Carbon Steels," Journal of Korea Met. &
Mater, Vol.17, No.2, 2004.
