◆ 특집 ◆ 최신 정밀 설계재료 기술 III
레이저 열원을 이용한 난삭재 열처리 공정의 온도 효과에 관한 연구
Study on Temperature Effect of Difficulty-to-Cut Material in Laser Heat Treatment Process
김동홍1, 정동원1,, 이춘만2 Dong Hong Kim1, Dong Won Jung1,, and Choon-Man Lee2
1 제주대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Jeju Univ.) 2 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-64-754-3620 Manuscript received: 2013.11.20 / Received: 2013.12.17 / Accepted: 2013.12.23
Abstract Recently, Difficult-to-cut materials are used in many manufacturing industry. But the difficult-to-cut materials are difficult-to-cutting process. So difficult to cut material cutting process was used after heat treatment through preheating for easy cutting process. In this study, Inconel 625 was preheating using laser heat source in computer simulation. Laser heat source temperature applied 1290℃ that suitable preheating temperature for Inconel 625. And temperature effects such as temperature distribution for moving heat source studied apply to similar actual process condition. Simulation results for heat treatment effects through temperature distribution verified.
Key Words: Finite Element Method (유한요소법), Difficulty-to-cut materials (난삭재 소재), Temperature distribution (온도 분포), Heat-treated (열 처리), Inconel 625 (인코넬 625)
1. 서론
최근 자동차, 조선 및 전자 산업 등에 적용되 는 소재가 다양해지면서, 적용되는 소재에 따른 많은 가공 공정이 개선 및 개발이 되고 있다.
이러한 지속적인 제품 개발로 인하여 우수한 재료 물성치를 가진 고망간강, 티탄합금, 초 내열 강등의 난삭재 소재가 많이 쓰이고 있다. 이러한 난삭재에 대한 가공법으로 레이저 보조가공법이 많이 쓰이고 있다.1
레이저 보조가공은 소재에 대하여 레이저 열원 을 통하여 예열하며, 예열 후 연화된 부위를 절삭
툴을 사용하여 가공하는 가공법이다.2,3 레이저 보 조가공은 가공툴과 함께 레이저에 의한 열원이 같 이 이동하므로 피드속도, 레이저 열원의 크기, 소 재의 열적 물성치, 레이저 출력 값 등의 가공변수 에 영향을 크게 받는다. 위와 같은 가공변수는 가 공 전 유한요소법(Finite Element Method)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예측이 가능하며, 컴 퓨터 시뮬레이션을 통하여 레이저 보조가공 시 적 합한 이송속도 및 절입깊이 등을 가공 시 주요변 수에 대하여 사전에 예측을 할 수 있다.
최근 위와 같이 난삭재 가공에서의 중요 가공 변수에 대한 레이저 열원을 통한 열응력 및 열처
리 공정에 대한 연구가 많이 진행 되고 있다.4-8 본 연구에서는 레이저 열원에 의한 난삭재인 인코넬 625 시편의 레이저 이동열원을 고려한 열 처리 해석에 대한 열응력 및 열변형 효과에 연구 하였다.
2. 실험방법 및 유한요소 모델
본 연구에서는 ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 해석을 하였으며, 레이저 열원을 이용하여 난삭재를 열처리 하기 위한 해석 모델은 Fig. 1과 같다.
Fig. 1의 시편의 크기는 해석 모델의 크기는 길 이, 폭, 두께가 각각 100mm, 75mm, 10mm이며, 시 편 중심으로 레이저 열원이 이동하므로, 중심부분 에 메쉬를 집중하여 적용하였다. 요소(Element)는 Hex형상의 sweep방식으로 메쉬를 분할 하였다. 해 석 모델에 적용된 노드(Node)와 요소의 수는 각각 33,522개, 27,150개이며, D3D8T 요소를 사용하여 빠 르고 정확한 해석을 진행하였다.
해석 소프트웨어에서 레이저 열원이동은 Fig. 2 과 같으며, 지름 5mm인 원형의 레이저 형상이 점 진적으로 레이저 형상의 반지름만큼 이동하도록 하였으며, 해석 할 때에 중요한 변수 중 하나인 열원의 이송속도는 20mm/s, 50mm/s로 적용하였다.
레이저 열원은 인코넬 625의 용융온도인 1390℃임 을 고려하여 890℃, 1090℃ 그리고 용융온도 보다 100℃가 낮은 1290℃까지 총 3가지 온도에 대하여
고려하여 해석하였다.
본 논문에서는 이송속도 2개의 변수와 온도 3개 의 변수를 고려하여 총 6개의 해석을 도출하였고, 각 해당하는 실험번호는 Table 1과 같다.
시편 예열 후 열방출을 고려하여 표면 대류열 전달계수(Surface film coefficient) 5000 W/m2·K, 외기 온도(Sink temperature) 20℃를 해석 모델 전체적으 로 적용을 하였다.
위의 시편에 적용된 난삭재 소재는 인코넬 625 이며, 사용된 인코넬 시편에 대한 기계적 물성치 는 Table 2와 같다.9 그리고 레이저를 통한 예열 시 온도에 따라 물성치가 변하므로 해석 전처리 과정 에서 물성치 데이터인 Conductivity, Specific Heat에 대하여 온도에 따른 물성치를 적용하였으며, 위의 값은 Table 3와 같다.9
3. 해석 결과
이번 연구에서는 6가지의 해석을 통하여 레이 저 열원의 온도분포와 열변형율 그리고 응력의 분 포에 대한 해석결과를 도출하였다.
Fig. 2 Analysis of heat source shape and movement
550 965 0.3 200
Table 3 Thermal properties of Inconel 625 sheets9 Temp.
[oF]
Mean Linear Expansion [in./in.oF·10-6]
Thermal Conductivity [Btu/in.hr.oF]
Specific Heat [Btu/lb·oF]
100 - 70 -
200 7.1 75 0.102
400 7.3 87 0.109
600 7.4 98 0.115
800 7.6 109 0.122
1000 7.8 121 0.128
1200 8.2 132 0.135
1400 8.5 144 0.141
1600 8.8 158 0.148
구속조건으로는 시편의 고정과 자유로운 변형 을 하기 위하여 본 해석에서 영향이 거의 없는 시 편의 좌측 모서리에 구속을 주었다.
레이저 열원의 이동은 Fig. 2의 원 형상에 해석 온도인 890℃, 1090℃, 1290℃ 온도를 부여하여, 점 진적으로 열원을 이동하는 모습을 구현을 하였다.
위의 조건으로 해석을 진행하였으며, 아래의 해석 결과에 대한 그림은 해석 결과의 분포를 시 각적으로 쉽게 판단하기 위하여 여러 해석결과 중 에 Exp. 6에 대한 해석 결과를 언급을 하였다.
Fig. 3은 Exp. 5과 Exp. 6의 인코넬시편 온도분포 를 보여주고 있으며, 레이저 열원의 이송속도에 따른 다른 온도분포를 보여주고 있다. 나머지 Exp.
1 ~ Exp. 4 해석결과는 같은 레이저 이송속도에서 유사한 온도분포를 나타내며, 레이저 열원의 온도 차이에 따라 시편의 온도분포의 크기가 조금씩 차 이 나는 것을 확인 할 수 있었다.
3.1 실험조건에서의 변형율 해석결과
Fig. 4는 Exp. 6의 전체적인 변형율를 보여주고 있으며, 아래의 표기된 s는 물리적인 시간을 나타 낸다. Fig. 4, Fig. 5와 Fig. 7에서는 결과값에 대한 분 포를 더욱 쉽게 보기 위하여 0.875s, 1.75s, 2.625s 그리고 3.5s일 때 나누어서 보여주고 있다. Fig. 4와 Fig. 5의 변형율 분포가 비슷하지만 레이저 열원이 이동할수록 다소 다른 분포를 보이는 것을 확인 할 수 있다.
각 실험 조건에서 Exp. 1의 변형율 값인
0.01796으로 가장 적은 변형율을 보였고, Exp. 6 조 건에서 0.02822로 가장 큰 변형율이 나타났다.
열 변형율에서는 Exp. 2 조건에서 0.01285로 가 장 적은 값을 보였고, Exp. 5의 값인 0.01969로 가 장 큰 열 변형율을 보였다.
Fig. 3 Temperature distribution of Inconel (Exp. 5, Exp.
6)
Fig. 4 Strain distribution (Exp. 6)
Fig. 5 Thermal strain distribution (Exp. 6)
Fig. 6 Thermal strain in inconel
Fig. 7 Stress distribution (Exp. 6)
Fig. 8 Stress in inconel
Fig. 6은 각 실험 변수에 대한 열변형율의 값을 그래프로 나타내고 있다. Fig. 6의 그래프를 참고하 면 레이저 이송속도인 20mm/s와 50mm/s에서의 선 형적으로 비슷한 기울기로 증가하는 것을 확인 할 수 있지만, 레이저 이송속도에 따른 차이는 크게 없는 것으로 보인다.
3.2 실험조건에서의 응력 해석결과
Fig. 7은 레이저 열원으로 인한 응력을 보여주 고 있다. 인코넬 소재에서의 응력은 온도 분포와 변형율 분포와는 다른 양상의 분포를 보이고 있다.
응력 해석결과에서는 Exp. 1 조건에서 1.596MPa 로 가장 적은 값을 보였고, Exp. 6의 응력값인 2.936MPa로 가장 큰 응력값을 보였다.
그리고 Fig. 7에서 2.625s와 3.5s일 때 레이저 열 원의 예열 초기 위치에 잔류응력이 발생하는 것을 알 수 있다.
Fig. 8에는 각 실험 조건에서의 응력에 대한 경 향을 보여주고 있으며, 레이저 열원의 이송속도가
625의 온도 영향에 대하여 결과을 도출하여 아래 와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 인코넬 소재에 890℃, 1090℃, 1290℃ 열원 조건 을 주어 예열하였고, 각 온도에 대하여 20mm/s, 50mm/s의 이송속도로 이동하여 소재에 대한 온도분포, 열 변형율, 응력을 확인하였다.
2. 레이저 열원을 이용한 인코넬 소재의 예열에서 는 Fig. 6과 Fig. 8을 보면, 열 변형은 온도에 대 하여 영향을 많이 받으며 응력은 레이저 열원 의 이송속도에 따라 영향을 크게 받는것을 알 수 있다.
3. 위의 조건으로 레이저 열처리 가공을 할 시에 는 온도분포를 통하여 3cm의 유효 깊이를 갖 는 것을 확인하였다.
차후 열원 레이저 열원의 크기, 형상 등의 다 양한 변수들에 대한 레이저 열원을 통한 예열에 연구가 필요하다고 판단된다.
후 기
이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구사업임(No. 2013035186).
참고문헌
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3. Kim, J. H., Choi, J. Y., and Lee, C. M., “Thermal Analysis for Laser Assisted Turning of Square Bar using Laser Heat Source Projection Method,” J.
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9. SPECIAL METALS, “Inconel® alloy 625,”
http://www.specialmetals.com/documents.html(Acces sed 13 Aug. 2013)
