Fig. 2-15 Variation in power density and interaction time with process of laser
Fig. 2-16 Schematic illustration of laser keyhole welding bubble
만약 키홀을 안정적으로 유지할 수 없게 되면,용융금속이 키홀을 덮어 기포가 빠져 나가지 못하기 때문에 기공 (porosity)이 포획되어 기공과 결함이 발생한다.
키홀 형성시 발생한 금속증기는 용융금속의 응고전 일정한 주기를 가지고 외부로 방출되기도 하지만,금속외부로 방출되지 못하고 용융부의 용접 비드에 잔류하여 기공을 형성하기도 한다.
금속에 입사된 레이저 빔의 입열량은 J/㎠로 나타내며 용접속도에 따른 단위 면 적당 에너지 밀도로 식 (1)과 같이 계산되어진다.
⋅
×
(1)
A는 금속의 레이저빔 흡수율(%), D는 레이저빔이 시편표면에 조사된 초점직경, P는 레이저빔 출력, r은 레이저빔 조사반경, ʋ는 용접속도이다[92]. 이때 레이저 빔 의 흡수율(A=100%)은 고려하지 않았다. 이는 어느 일정한 에너지 밀도 이상(≃106 W/cm2)이 되면 다중흡수 현상인 키홀이 나타나게 되어 흡수율을 증가시키기 때문 이다. 레이저 빔의 출력 밀도는 W/㎠로 나타내며 시편에 입사된 입열량 J/㎠을 레 이저 빔 조사시간으로 나눈 것과 같다. 펄스 레이저의 경우 발진 주파수가 짧을수 록 레이저 빔의 출력밀도는 증대되며,연속파형 레이저의 경우 조사면적이 적을수 록 레이저 빔 출력밀도는 증대된다.
레이저 용접은 같은 출력의 에너지를 사용할 경우에도 집속되는 초점크기에 따 라 단위면적당 에너지 밀도가 다르게 분포되어 동일한 시편에서의 용접의 결과가 상이하게 나타난다.이러한 레이저 용접의 방식을 크게 전도성 용접과 키홀 용접으 로 나누어 볼 수 있다.
초점크기를 작게 하여 금속표면에 고밀도 레이저 빔(106~ 1010W/㎠)을 조사하 면 열에너지가 금속시편 표면에 흡수되어 금속을 용융시키면서 내부로 전도된다.
빔 출력밀도가 어떤 임계값 이상이 되는 경우는 내부에 깊고 좁은 통로 (cavity)가 생기게 되는데 이를 키홀이라 한다.키홀 용접은 Fig.2-17과 같이 다중반사 및 흡 수를 야기하며 입사에너지의 약 70%이상을 금속내에 흡수시켜 에너지 효율이 증 가 된다. 키홀은 표면 열원인 레이저 에너지가 심입용접 (deep penetration
)이라 한다[93].그리고 집속된 레이저 빔(106~ 107W/㎠)의 에너지 밀도가 금속 시편을 충분히 용융시킬 만큼의 임계값 이하를 갖는 경우,빔 중심부는 증발이 억 제되어 열전도에 의한 용융부 확대가 일어나며,용입 깊이가 작고 플라즈마가 발생 하지 않는다.이를 전도용접 (conduction welding)이라 하며,Fig.2-18과 같이 금 속에 조사된 빔이 대부분 반사되어 에너지 효율이 저하되지만 열전달에 의한 재료 의 용융으로 미려한 비드 형성이 가능하다.
Fig. 2-17 Schematic illustration of laser key hole welding
Fig. 2-18 Schematic illustration of laser conduction welding
레이저 용접은 고에너지 밀도의 빛을 사용하기 때문에 어떤 금속이라도 고속으 로 변형없이 정밀 가공할 수 있다는 장점이 있다.아크 용접과 비교하면 용가재가 필요 없으며 한번에 심 (seam)용접을 할 수 있을 뿐만 아니라,용접시 변형이 적 게 발생하는 장점이 있다.고밀도 에너지를 사용한다는 점에서 유사한 용접방식인 전자빔 (electricbeam)용접과 비교해 보면,전자빔 용접의 필수 조건인 진공 유지 가 레이저 용접의 경우 필요 없기 때문에 전자빔 용접과 같이 진공 챔버 내에서 용접할 필요가 없다.이는 가공물의 형상이나 크기에 제한이 없으며,전자기장의 영향을 받거나 X-선을 방출할 염려가 없고 유지보수비용이 상대적으로 저렴한 이 점이 있다.레이저 용접은 집속빔을 사용함으로 열영향부가 적고,열원을 집중시켜, 전도에 의한 열에너지 손실을 줄여 재료의 열 변형을 최소화 할 수 있다.
전자빔과 레이저는 에너지 밀도가 높기 때문에 기본적으로는 유사한 깊은 용입 용접이 된다.다만,레이저는 X선을 발생시키지 않고,자장의 영향을 받지 않는 등 의 장점이 있다.더불어 진공 챔버를 필요로 하지 않기 때문에 실용성과 이동의 자 유도가 높아지므로 레이저용접이 전자빔의 많은 부분을 대체하고 있다.이러한 레 이저 용접의 다음과 같은 특징을 가진다.
가.에너지의 집광성이 우수하여 출력밀도가 106W/㎠ 이상의 고에너지 밀도의 열 원이므로 정밀용접이 가능하다.
나.발진기 내의 여기과정에서 펌핑 양을 조절이 가능하므로 레이저빔의 에너지 제어가 용이하다.
다.전자빔 용접에 비하여 진공을 필요로 하지 않으며 대기중에서 용접할 수 있다.
라.레이저빔의 조사시간과 재료와의 상호작용시간이 짧기 때문에 모재의 열영향 부나 산화막 및 변형이 적다.
마.비접촉 가공이 가능하며,용접중 기계진동의 영향을 받지 않고 자동화하기 쉽다.
바.자기 (magnetism)의 영향을 받지 않기 때문에 자기를 띤 재료나 이종재료의 용접이 용이하다.
레이저 용접은 각 재료의 형상과 특성에 따라 다양한 용접이 가능하고,이종재질 의 용접에 폭넓게 활용할 수 있다.산업사회가 발전하고 기계부품이 다양해짐에 따
라 서로 다른 기능적 특성을 지닌 금속재료의 접합 필요성이 증가하게 되었다.
금속 재료별 내식성,내마모성,인장강도 및 압축강도 등 장점을 활용하는 기계 부품이 산업현장에서 널리 쓰이고 있으며 특히 물리․화학적인 특성을 복합적으로 필요로 하는 산업현장에서 하나의 금속으로는 다양한 조건을 완벽하게 충족할 수 없는 경우가 많다.그래서 신소재를 개발하거나 서로 다른 금속을 용접하여 기능이 개선된 기계 부품이 다양하게 사용되어지고 있다[94].
이렇게 서로 다른 기계적 특징을 갖는 재료를 접합하는 이종용접은 사용용도,사 용 빈도,효율적인 측면에서 매우 중요시되고 있다.
일반적으로 이종금속 용접은 용융 용접을 주로 실시하고 있으나,다량의 기공발 생에 따른 용접불량 및 미용접등 문제점들이 발생한다.이는 각각의 금속 화학성분 의 차이에 따라 달라지는데,용융 용접시 금속조직이 조대화하거나 고․저용융상 (phase)으로 분리된다.특히 원자구조가 달라서 용접시 균열의 발생빈도가 높고, 기공이 발생하기 쉬운 결점이 있다.
이와 같은 이유 때문에 이종금속은 용접시 물리적․화학적 성질이 유사할수록 용 접 결과가 양호하게 된다.이종금속용접에서 가장 큰 문제 중의 하나는 두 금속간 의 융점 차이다.두 금속의 융점 차가 100℃ 이내에 있으면 일반적으로 이종용접 이 가능하다.그러나 일반적인 용융용접에서 융점차가 큰 경우 용접부 균열이 발생 하기 쉽다.응고시 융점의 차이로 인한 응력이 발생하기 때문이다.그리고 계면에 취약한 상이 형성되거나,두 금속의 희석에 의해 균열이 발생하여 양호한 성능을 얻을 수 없다는 문제가 있다.이런 단점을 극복하기 위해 고밀도 에너지원을 가지 는 전자빔이나 레이저빔을 이용한 키홀 용접 방법이 주로 사용하고 있다.
금속들 간의 비슷한 용융온도,동일한 결정구조,상태도에서 고용체합금을 형성 할 때 쉽게 용접할 수 있다.그러나 레이저 용접에서는 짧은 시간에 작은 구역에 많은 열이 집중되므로 금속표면이 국부적으로 비등점 이상으로 될 수 있다.그러므 로 비등점이 낮은 금속과 용융점이 높은 다른 금속들 사이의 용접은 매우 어렵다.
이 때문에 레이저 용접에서는 접합시키려는 재료에 대한 레이저 에너지밀도와 조 사시간 등을 조절하여 특정 공정을 찾아야 한다.이종금속 간의 대한 용접성에 대
해 Table2-1에 나타내었다.
레이저 용접은 각 재료의 형상과 특성에 따라 Fig.2-19과 같이 다양한 용접이 가능하다.맞대기 용접 (buttjointweld)과 겹치기 용접 (lap jointweld)은 가장 일반적으로 많이 적용되는 용접방식이다.맞대기 용접의 경우 맞대는 두 소재의 간 격을 최소화해야 하므로,맞대는 부분의 소재단면 상태가 양호해야 한다.
또한 용접할 재료간의 지그 고정 상태와 빔경로가 일치되어야 좋은 품질의 용접 결과를 얻을 수 있다.겹치기 용접의 경우 용접할 두 재료를 겹쳐서 서로 겹쳐진 부분을 용접하는 방식으로 빔경로가 맞대기 용접에서와 같이 정확한 기구적 정밀 성은 요구되지 않는다.단지 상·하로 겹쳐진 두 소재간의 간격이 적을수록 좋은 품 질의 용접결과를 얻을 수 있다.
겹치기 용접은 기존 자동차 부품 저항용접을 실시하던 공정을 레이저 겹치기 용 접으로 적용하는 사례가 많다.
용접할 제품의 형상과 용도에 따라 모서리 용접 (corner weld), 수평용접 (horizontalweld),필렛용접 (filletweld),원주용접 (circularweld),T 형상용접 (T jointweld),파이프 원통용접 (pipecircumferenceweld),프렌지 용접 (flangejoint weld)등 다양한 형태로 용접이 가능하다.
본 연구에서 적용하고자 하는 용접방식은 자동차 부품의 형상에 따라 각각 기어 부품의 경우 원주용접을 실시하였으며,시트레일 부품의 경우 T 형상 용접을 실시 하였다.
Ag Al Au Be Cd Co Cr Cu Fe MgMnMo Nb Ni Pb Pd Pt Re Sn Ta Ti V W Zn Zr Ag △ ◎ × ○ × × ○ × △ ○ × × × ◎ △ △ × △ × ○ ×
Al △ △ × × △ × △ △ △ × △ × × × × × △ × × △ ×
Au ◎ △ △ △ × △ ◎ △ △ × ◎ × ◎ ◎ △ △ △ ×
Be × × △ △ × △ △ × × × × △ △ × × × × × × × ×
Cd ○ × △ × × × × ◎ △ × △ △ × × × Co × △ × △ × ○ △ ◎ × ○ △ × ◎ × ◎ ◎ ◎ × × △ × △ △ ×
Cr × × △ × × ○ × ◎ × ○ ◎ × ○ × ○ ○ ◎ × × ○ ◎ × ×
Cu ○ △ ◎ △ × △ × △ △ ◎ × ○ ◎ × ◎ ◎ × × △ × ○ ×
Fe × △ △ △ × ◎ ◎ △ × ○ × ○ × ○ ○ × × △ △ ◎ △ △ ×
Mg △ △ △ × ◎ × × △ × × × × × × × × × ×
Mn ○ × ○ ○ ◎ × × × × × × × ×
Mo × × × × △ ◎ × ○ × ◎ △ × ○ ○ × × ◎ ◎ ◎ ◎ × ×
Nb × × × ○ × × ◎ × × × × ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
Ni × △ ◎ △ △ ◎ ○ ◎ ○ × × △ × × ◎ ◎ × ○ △ × △ △ ×
Pb × × × × × × × × × × × × × △ × × × ×
Pd ◎ × ◎ △ △ ◎ ○ ◎ ○ × ○ ◎ × ◎ △ ○ △ △ △
Pt △ × ◎ × △ ◎ ○ ◎ ○ × × ○ × ◎ × ◎ ○ △ △ △ × ○ × ×
Re ◎ ◎ × × × ○ × × × × ×
Sn △ × △ × × × × × × × × × × × × △ △ △ × × × × ×
Ta × × × × × × △ × ◎ ◎ ○ × ○ △ × × ◎ × ◎ ○
Ti △ △ △ × × △ ○ △ △ × × ◎ ◎ △ × △ △ × × ◎ ◎ △ × ◎
V × × × ◎ × ◎ ◎ × × × ◎ ◎ ×
W × × × △ ◎ × △ × ◎ ◎ △ × △ ○ × × ◎ △ ◎ × ×
Zn ○ △ △ × × △ × ○ △ × × △ × △ × × × ×
Zr × × × × × × × × × × ◎ × × × × × ○ ◎ × ×
Table 2-1 Weldability of dissimilar metal [92]
( ◎: excellent, ○: good, △: fair, ×: poor )
Fig. 2-19 Laser welding geometry overview