An Analytical Study on the Preheating Effect of Flat Workpiece in Thermally Assisted Machining by Multi Heat Sources

◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 XIII

다중열원 보조가공을 위한 평판 시편의 예열 효과에 관한 해석적 연구

An Analytical Study on the Preheating Effect of Flat Workpiece in Thermally Assisted Machining by Multi Heat Sources

문성호¹, 이춘만^1,

Sung-Ho Moon¹ and Choon-Man Lee^1,

1 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2016.6.7. / Revised: 2016.7.19. / Accepted: 2016.7.22.

Laser-assisted machining (LAM) is one of the most effective methods of processing difficult-to-cut materials, such as titanium alloys and various ceramics. However, it is associated with problems such as the inability of the laser heat source to generate an appropriate preheating temperature.

To solve the problem, thermally assisted machining with multiple heat sources is proposed. In this study, thermal analysis of multiple heat sources by laser and arc is performed according to power, heat source size, and leading heat source position. Then, the results are analyzed according to each condition. The results of this analysis can be used as a reference to predict preheating temperature in thermally assisted machining with multiple heat sources.

KEYWORDS: Thermally assisted machining by multi heat sources (다중열원 보조 가공), Thermal analysis (열해석), Preheating effect (예열효과)

1. 서론

최근 다양한 산업분야에서 난삭재를 이용한 제 품들의 수요가 증가하고 있다. 난삭재는 티타늄계 열의 합금이나 니켈계열의 합금이 주를 이루고 있 다. 이러한 합금들은 내열성과 내부식성이 뛰어나 배기밸브, 자동차의 부품 및 항공기 부품에 이용 되고 있다. 하지만 난삭재의 물리적·화학적 특성 때문에 일반적인 가공과 생산이 어렵다.^1-3

레이저 보조 가공은 레이저를 이용하여 공작물 을 예열한 후 가공하는 방법이다. 레이저 보조 가 공은 일반적인 연삭을 이용한 난삭재 가공과는 달 리 높은 수준의 가공품을 쉽게 생산할 수 있다.

그러나 레이저를 이용한 예열 제어가 어렵고, 가 공 할 공작물의 다양한 형상에 따른 예열경로가 복잡하기 때문에 레이저 보조 가공에 대한 연구는 아직 기초단계에 머물러 있다.^4,5 현재 레이저 보조 가공연구는 효율적인 가공 방법을 찾는 연구가 진 __________

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대해 해석하였다. Kang⁸ 등은 레이저보조가공의 구 조방정식 요소를 해석과 실험을 통해 연구하였다.

레이저 보조 가공은 레이저만의 열원으로 예열 하므로 예열 시 공급열원의 부족 현상이 발생하여 높은 예열 온도를 유지하기 어렵다는 문제점이 있 다. 레이저와 아크의 열원을 이용한 다중 열원 보 조가공은 두 개의 열원을 이용할 수 있어 레이저 보조가공이 가지고 있던 한계점을 극복할 수 있다.

레이저-아크를 이용한 용접에 관한 연구는 이미 많이 진행되어 왔으며, 현재는 용접 산업 및 다양한 산업에서 널리 이용되고 있다. 레이저-아크 용접은 열원이 동시에 적용되어, 열원간의 거리나 보호가스, 용접의 공정변수에 대한 연구가 진행 되어왔다.

Kim⁹ 등은 보호가스의 유량과 레이저-아크의 간격에 따른 안정적인 용접부 형성에 대해 해석 및 실험을 하였다. Matusda¹⁰ 등은 레이저와 TIG, MIG 용접에서 두 열원 간격에 따라 최대 용입 깊 이를 제시하였다. Ahn¹¹ 등은 시편의 각도에 따라 용접 실험을 통해 각 각도 별 안정적 용접이 가능 한 전압 영역을 도출하였다. Cho¹² 등은 레이저 아 크 용접을 유한요소 해석을 통해 아크의 열원 범 위 따른 온도분포 및 보호가스 영향에 대해 연구 하였다. 레이저-아크 하이브리드 용접기술의 연구 가 활발하게 진행되는 반면, 레이저-아크를 이용한 보조가공에 대한 연구는 없는 것으로 확인하였다.

본 연구에서는 다중열원 보조가공을 위해 평판 시편에서 레이저-아크의 출력과 위치에 따른 온도 분포를 해석하였다. 해석된 결과는 다중열원 보조 가공에서의 온도예측에 관한 자료로 활용될 수 있 을 것이다.

2. 유한요소해석 2.1 해석모델

Fig. 1은 본 연구에서 사용한 유한요소 모델 (Model)을 나타낸 것이다. 다중 열원으로 예열이 되는 부분은 급격한 온도 변화가 발생한다. 예열 이 집중되는 부분의 정확한 해석을 수행 하기 위 해, 가운데 부분은 요소 크기 (Element Size)를 0.2 mm로 설정하였고, 열원의 영향을 적게 받는 평판 표면에는 1 mm로 설정하였다.

Fig. 1 FEM model

Table 1 Analysis condition

Material SM45C Heat

source size

Laser 3 mm

Arc 5 mm

Feed rate 100 mm/s² Convention 5 W/m²℃

Density ρ_w(T) = 7933.3-0.2805·T(kg/m³) Specific heat C p, w (T) = 467.88 + 0.1888·T

+ 0.0006·T² (J/kg℃) Thermal

conductivity

Kw (T) = 40.641 – 0.0096·T (W/m k)

2.2 열 전달 해석

다중열원 해석에 사용된 열 전달 방정식은 식 (1)와 같이 표현된다.¹³

2 2 2

2 2 2 ,

T T T T Q

t x y Z

α⎛α ⎞

∂∂ = ⎜⎝∂ +∂∂ +∂∂ ⎟⎠+ k α C

= ρ (1)

식(1)에서 T ,t ,, K C, ρ, Q 는 각각 온도, 시간, 열 전도율 (Thermal Conductivity), 비열 (Specific Heat), 밀도 (Density), 발열량 (Heat Generation Rate)을 나 타낸다.

경계조건 (Boundary Condition)은 식(2)로 정의 될 수 있다.

( , ) ( 0) k T q x y h T T

z

− ∂ = − −

∂ (2) 여기서 ,q h 는 각각 열 유속 (Heat Flux), 열 전달 계수 (Heat Transfer Coefficient)를 나타낸다.

2.3 해석조건

Table 1은 해석에 적용된 조건을 나타낸다. 시 편은 SM45C를 적용하였다. SM45C는 온도에 따라 열전도율, 밀도, 비열이 변하므로, 온도에 따른 수

식으로 시편 물성을 나타내었다. 레이저는 일직선 으로 예열하는 반면, 아크의 경우는 분사의 형태 로 예열된다. 이러한 점을 고려하여 아크 열원반 경을 5 mm로 적용하였고, 레이저의 열원반경을 3 mm로 적용하였다.

레이저와 아크의 열원은 각각 15개의 열원 형 상을 적용하여 15 step으로 진행하였다. 열원은 0.8 초씩 예열하여 진행하였다. 초기 온도는 22℃를 적용하였고, 해석에 열을 부여하는 방법은 열 유 동 (Heat Flow)조건을 적용하여 해석하였다.

2.4 예열방법

다중열원에 의한 예열효과를 확인하기 위하여 위치와 출력에 따른 예열방법을 고안하였다.

(a) Laser 100 W, Arc 100 W (b) Laser 50 W, Arc 150 W

(c) Laser 150 W, Arc 50 W Fig. 3 Temperature distribution of type 1

Fig. 2는 레이저와 아크의 위치에 따른 예열방 법을 나타내었다. Fig. 2(a)는 아크 열원이 선행하고 레이저 열원이 뒤따라가는 방법 (Type 1)을 나타내 었다. Fig. 2(b)는 레이저와 아크 열원이 중첩되어 이동 하는 방법 (Type 2)을 나타내었고, Fig. 2(c)는 레이저 열원이 선행하고 아크 열원이 뒤따라가는 방법 (Type 3)을 나타내었다.

Table 2는 출력에 따른 예열방법을 나타내었다.

두 열원에 출력이 다른 값을 적용하여, Fig. 2에서 제시한 3가지 방법에 적용하여 해석하였다. 비교 분석을 위해 100 W의 동일한 출력이 적용된 방법 (Case 1)을 기준으로 각각 150 W와 50 W로 출력 값을 다르게 적용하여 해석을 진행하였다 (Case 2, Case 3).

3. 해석결과

Figs. 3 - 5까지는 레이저와 아크 열원 위치와 출 력에 따른 온도 분포를 나타내었다. Fig. 3는 아크 열원이 선행하고 레이저 열원이 뒤따라가는 방법 으로 해석한 결과이다. Fig. 3(a)는 레이저와 아크 열원을 동일한 출력으로 적용하였고, 최고 온도는 552.18℃이다. Fig. 3(b)는 아크 열원이 레이저 열원 보다 출력이 높을 때이며, 최고 온도는 455.92℃로 나타났다. Fig. 3(c)는 레이저 출력이 아크 출력보다 높을 때이며, 최고 온도는 864.26℃로 나타났다.

레이저 출력이 높을 때가 가장 높은 온도로 나타 났고, 아크 출력이 높을 때는 열원 범위가 가장 넓고, 예열 온도가 가장 낮게 나타났다.

(a) Leading arc, Follow on laser (Type 1)

(b) Overlapping Laser-Arc (Type 2)

(c) Leading laser, Follow on arc (Type 3) Fig. 2 Preheating methods

Table 2 Laser-Arc heat sources power Case 1 Laser power 100 W

Arc power 100 W Case 2 Laser power 50 W

Arc power 150 W Case 3 Laser power 150 W Arc power 50 W

(a) Laser 100 W, Arc 100 W (b) Laser 50 W, Arc 150 W

(c) Laser 150 W, Arc 50 W Fig. 4 Temperature distribution of type 2

(a) Laser 100 W, Arc 100 W (b) Laser 50 W, Arc 150 W

(c) Laser 150 W, Arc 50 W Fig. 5 Temperature distribution of type 3

Fig. 4는 레이저와 아크 열원이 중첩되었을 때 의 예열 결과를 나타냈다. Fig. 4(a)는 두 열원이동 일한 출력을 가질 때, 최고 온도 842.77℃로 나타 났다. Fig. 4(b)는 아크 출력이 레이저 출력보다 높 을 때, 최고 온도 706.25℃가 나타났고, Fig. 4(c)는 아크 출력이 레이저 출력 보다 높을 때 최고 온도 가 988.26℃로 나타났다. Type 2는 Type 1과 Type 3 에 비해 예열 부위에 높은 에너지 밀도를 가지므 로, 높은 온도가 유지되는 것으로 나타났다.

Fig. 5는 레이저가 선행하고 아크가 뒤따라갈 때의 해석결과를 나타냈다. Fig. 5(a)는 레이저와 아 크 열원이 동일한 출력을 적용했을 때이고 최고

온도 564.20℃로 나타났다. Fig. 5(b)는 아크 출력 이 레이저 출력보다 높을 때 최대 온도 478.29℃

가 나타났다. Fig. 5(c)는 레이저 출력이 아크 출력 보다 높을 때 최대 온도 830.01℃가 나타났다. Type 3 는 Type 1과 유사한 온도분포로 확인되었고, 레 이저가 선행할 때 더 높은 온도를 유지하였다. 각 예열 방법에 따른 최대 온도의 분포를 Table 3에 나타내었다.

Fig. 6은 각 Type별로 최대온도가 가장 높은 경 우의 온도분포를 나타내었다. 위치에 따른 방법 중 두 열원을 중첩 시켰을 때 (Type 2) 가장 높은 온도를 유지할 수 있었다. 출력에 따른 온도 분포 는 레이저의 출력이 아크 출력보다 높을 때 높은 온도를 유지할 수 있었다. 이는 레이저의 열원범 위가 아크 열원범위보다 상대적으로 좁으므로, 단 위 면적당 출력량이 높아지기 때문인 것으로 분석 되었다. 아크 출력이 레이저 출력보다 높을 경우 각 Type별로 가장 낮은 온도가 나타났다. 아크 열 원 범위가 레이저 열원 범위 보다 넓고, 열원 면 적에 따른 아크 열원의 열 손실이 발생하여 다른

Type 1 Case 2 445.92℃ Case 3 864.26℃

Type 2

Case 1 842.77℃ Case 2 706.25℃ Case 3 988.26℃

Type 3

Case 1 564.20℃ Case 2 478.29℃ Case 3 830.01℃

Fig. 6 Temperature according to time

방법보다 상대적으로 예열온도가 낮게 나타난 것 으로 분석되었다.

Fig. 7은 두 열원을 중첩 시켰을 때의 출력에 따른 평판 시편 단면적의 온도분포를 나타낸다.

아크 출력이 레이저 출력보다 높을 때 열이 얕게 전달 되었음을 분석 할 수 있었다. 반면, 레이저 출력이 아크 출력보다 높을 때 열원의 깊이가 깊 어짐을 확인 할 수 있었다.

Table 4는 각 Type 별로 단면적의 열원의 범위 를 나타내었다. 단면적에서의 열원 범위는 최고 온도에서 최저온도 지점까지의 깊이로 적용하였다.

열원은 레이저와 아크가 중첩이 되어 예열되는 방 법 (Type 2)이 가장 깊었고, 레이저의 출력이 아크

출력보다 출력이 높을 경우 (Case 2)에 열원 범위 가 가장 깊었다. 아크 출력이 레이저 출력보다 높 을 때 상대적으로 열원이 가장 얕았다. 아크 출력 이 증가할수록 아크의 길이가 길어지게 되고, 열 원이 넓은 범위로 작용 한다. 동시에 에너지의 밀 도가 감소 하기 때문에 동일한 출력 조건에서 깊 이 방향으로 열원이 얕아지는 것으로 분석되었다.

다중열원의 단면적의 열원 범위는 가공 시 절삭 깊이를 선정할 때 중요한 요소 이기 때문에 소재 의 어닐링 온도와 공구의 절삭 깊이를 고려한 각 열원의 선행 위치 및 출력제어가 필요하다.

4. 결론

본 연구에서는 다중열원을 평판 시편에 적용하 여 예열 효과를 유한요소 해석을 통해 분석하였다.

다중열원에 적용된 레이저와 아크의 위치와 출력을 다르게 적용 하여 효과적인 예열방법을 제시하였다.

본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 기존의 레이저 보조가공의 문제점인 열원 부족문제의 해결책으로 다중열원이라는 새로운 예 열방법을 제시하였다.

(2) 다중열원의 예열효과를 알아보기 위하여 출력과 열원의 위치를 다르게 선정하여 해석을 수 행하였다.

(3) 레이저 열원과 아크 열원이 중첩되어 예열 을 하였을 때 (Type 2) 가장 높은 예열 온도가 나 타났다. 레이저가 선행 하고 아크가 뒤따라가는 방법 (Type 3)이 가장 낮은 예열온도로 나타났다.

레이저 출력이 아크 출력보다 높은 경우 레이저 열원 범위가 아크 열원 범위 보다 좁고, 단위 면 적당 출력이 높기 때문에 상대적으로 높은 온도분 포가 나타났다. 아크 출력이 레이저 출력보다 높은 경우, 아크 열원 범위에 따른 열 손실이 있기 때문 에 다른 방법에 비해 낮은 예열온도가 나타났다.

(4) 예열에 대한 평판 시편의 단면적 온도분포 를 분석 하였을 때, 레이저와 아크가 중첩되는 방 법 (Type 2)의 열원이 가장 깊었다. 아크 출력이 증 가하면 아크의 길이가 길어지고, 동시에 에너지의 밀도가 감소하기 때문에 동일한 출력 조건에서 깊 이 방향의 열원이 얕아지는 것으로 분석되었다.

본 연구의 결과는 다중열원의 출력 및 위치에 따른 예열효과를 파악하기 위한 연구이며, 다중열 원 보조 가공에서 온도예측을 위한 기초자료에 적 용될 수 있도록 활용 할 것이다.

Fig. 7 Temperature distribution of type 2 in cross section

Table 4 Dimensions of the heat sources in cross section

Type Case Depth

Type 1

Case 1 53 mm Case 2 50 mm Case 3 55 mm

Type 2

Case 1 56 mm Case 2 52 mm Case 3 59 mm

Type 3

Case 1 54 mm Case 2 52 mm Case 3 56 mm

구임 (NO.2016R1A2A1A05005492).

REFERENCES

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