Analysis of Overlapping Heat Zones in Laser-Assisted Machining

(1)

◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 XI

레이저보조가공에서 중첩열원에 관한 해석 연구

백종태¹, 이춘만^1,

Jong-Tae Baek¹ and Choon-Man Lee^1,

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

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-215-3622 Manuscript received: 2015.10.14. / Revised: 2015.11.10. / Accepted: 2015.11.11.

Laser-assisted machining (LAM) is one of the most effective methods for enhancing the machinability of difficult-to-cut materials, such as titanium alloys and various ceramics, and has been studied by many researchers. LAM is a method that facilitates machining by softening a workpiece using a laser heat source. The advantages of the LAM process are decreases in tool wear, cutting force, and surface roughness. However, when the material is over-heated, melting or burning can occur. This study analyzed the heat source distribution with regard to overlapping of preheating on the laser heating path with an acute angle, a right angle and obtuse angles.

Then, a power reduction method was proposed to reduce the melting and burning of the workpiece.

KEYWORDS: Laser-Assisted milling (레이저보조밀링), Laser heat source (레이저열원), Thermal analysis (열해석), Overlapping heat zone (중첩열원)

1. 서론

최근 많은 산업분야에서 난삭재를 이용한 다양 한 제품이 개발되고 있다. 난삭재 중에서도 항공 기 소재에서 많이 사용되는 Inconel 718은 터빈, 우 주발사체의 엔진 등에 많이 사용되는 고온 내열합 금이며, Titanium alloy 또한 내부식성과 내열성이 뛰어나 우주항공분야, 의학장비 및 다양한 스포츠 장비로 사용되고 있다.¹ 일반적인 절삭가공 방법으 로 난삭재를 가공하면 공구의 수명이 단축되고, 가공을 하더라도 많은 시간과 비용이 들게 된다.

레이저보조가공 (Laser assisted machining)은 레

이저 예열에 의해 소재를 연화시켜 가공능률을 높 이는 방법이다. 레이저보조가공은 일반적인 절삭 가공보다 절삭력을 감소시켜 난삭재를 효율적으로 가공하여 표면품질을 향상시킬 수 있는 방법으로 알려져 있다.^1-5 하지만 레이저 예열로 생기는 순간 적이고 국부적인 온도의 변화는 소재내부의 미세 구조의 변형을 일으켜, 열 영향부(Heat-Affected zone:

HAZ)을 만들게 된다. 이때 발생하는 열 응력이 소 재의 탄성 항복을 넘어서면 소성변형을 발생시키 거나 소재의 크랙을 발생시키는 원인이 된다. 이 러한 문제점을 해결하기 위해 각 소재의 특성에 맞는 적절한 예열방법을 찾는 연구는 지속적으로 __________

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

(2)

진행되어 왔다.^6-8

Bermingham⁹등은 레이저보조가공에서 회전하는 테이블을 이용하여 소재를 예열하는 효율적인 장 치에 관하여 연구를 수행하였다. Liang¹⁰등은 복합 열원에 의해 중첩 용접하는 경우에 대한 유한요소 해석을 하여 열원 중첩에 관한 외관적인 특성과 미세구조를 조사하였다. Ding¹¹등은 난삭재를 가공 하기 위해 레이저보조미세가공에 초점을 맞추어 열전달 모델을 분석하였다. Woo¹²는 레이저보조가 공을 이용하여 AISI 1045 steel 과 Inconel 718 소재 로 만들어진 원통형 소재 가공특성에 관한 연구를 하였다. Yang¹³등은 선삭에서 Titanium alloy을 가공 하기 위한 최적화 가공기술 기초연구를 하였다.

이러한 연구들은 레이저보조가공을 이용하여 우수 한 표면품질을 얻을 수 있었으며, 가공비용과 시 간 또한 감소 됨을 확인하였다. 많은 연구자들이 다양한 방법으로 소재의 물성을 고려하여 가공성 및 효율에 관하여 분석하였다.

레이저보조가공에서 레이저예열 경로변경 시 열원중첩으로 인하여 발생하는 소재의 상변태 및 버닝(Burning)에 대한 연구는 아직 미비하다. 레이 저보조가공은 레이저열원이 선행하면서 소재를 예 열하고, 뒤따라가는 공구가 예열부위를 절삭하는 가공법이다. 선행하는 레이저열원이 경로를 변경 할 경우 다양한 형태의 열원중첩현상이 나타난다.

레이저열원의 이동경로가 예각, 직각 또는 둔각으 로 꺾이는 경우 열원중첩은 다양한 형태로 나타난 다. 가공된 소재의 표면품질을 향상시키기 위해서 는 이러한 열원중첩 현상으로 인한 영향분석이 필 요하다.

본 연구에서는 Inconel 718 및 Titanium alloy의 효율적인 레이저보조가공을 위해 레이저열원 경로 변경으로 인하여 발생하는 중첩열원에 의한 온도 분포를 해석하고 비교 분석하여 경로변경 시 발생 할 수 있는 상변태나 버닝현상을 방지하기 위한 방안을 제시하였다.

2. 레이저보조가공

Fig. 1에는 레이저 열원을 금속표면상에 조사하 는 경우 레이저의 강도에 따라 금속이 가열 (Heating), 용융(Melting) 및 융발(Ablation)되는 현상 을 보여준다. 이러한 레이저열원이 소재표면에 조 사되면 일부는 흡수되고 나머지는 반사되어 소실 된다. 표면에 조사된 레이저 열원은 매우 빠르게

열에너지로 변환되며, 짧은 시간에 소재 내부로 확산에 의해 열 전도가 일어나 소재의 온도를 순 간적으로 올리게 된다. 이러한 순간적이고 국부적 인 온도의 변화는 소재내부의 미세구조의 변형을 일으켜, 열 영향부를 만들게 된다. 이때 발생하는 열 응력은 소재의 탄성 항복을 넘어서면서 영구 소성변형이 발생하게 된다.¹⁴

Fig. 1(a)는 대체로 레이저열원의 출력밀도가 10⁴W/cm² 이하인 경우로 레이저열원의 대부분은 표면에서 반사되거나 일부분이 흡수되어 금속표면 에서 0.1 nm 정도의 구역까지 열에너지로 바뀌게 된다. 이 에너지는 금속의 용융에는 미치지 못하 며, 정상적인 열전도에 의해서 금속내부로 열이 침투하게 된다. 따라서 금속을 가열하게 되며 고 상변태에 의한 표면경화 열처리에 사용된다. 레이 저보조가공은 이러한 가열현상을 이용한 가공법이 다. Fig. 1(b)는 레이저열원의 출력밀도가 10⁵W/cm² 이상이고 10⁶W/cm² 이하인 경우로 금속표면의 온 도가 용융점이상으로 증가되며, 이러한 경우가 레 이저열원으로 표면합금화와 용접 등의 과정에 해 당된다. Fig. 1(c)는 레이저열원의 출력밀도가 10⁶ W/cm² 이상인 경우로 금속표면이 용융점을 지나 비등점 이상이 되며, 금속의 증발이 일어나게 된

(a) Heating (b) Melting

(c) Ablation

Fig. 1 Physical phenomenal changes according to increase of laser intensity

(3)

다. 이러한 경우에는 상대적으로 용융구역은 적어 지며, 증발에 의한 금속의 제거가 발생한다.

단위 시간당 레이저 에너지의 양을 레이저열원 의 강도 I 는 단위면적당 출력 (W/cm²)으로 표시 하는데 입사되는 레이저열원의 강도를 I0라 할 때, 표면에서 반사되는 양 IR과 침투되는 양 IA은 식 (1)과 (2)로 나타낼 수 있다.

0

IR=I R (1)

0(1 )exp( )

IA=I −R αz (2) 여기에 R은 표면 반사도 이며, 0-1까지 범위를 가 진다. z는 표면으로부터의 깊이이다. α는 파장에 따 른 빛의 흡수계수 레이저열원이 소재내부에 침투 되는 정도를 나타내며, α의 역수인 1/α는 침투 깊 이라 불린다. 침투되는 양 IA의 약 98%가 침투 깊 이 내에서 소실된다. 보통 표면에서 소재내부로 전파되는 대부분의 레이저 에너지는 소재표면에서 수십 nm 깊이 내에서 모두 흡수되어 열로 전환된 다. 이와 같은 흡수 특성을 레이저 표면열원이라 부른다.¹⁴

3. 유한요소 해석 3.1 해석모델

레이저보조가공은 레이저열원이 선행하면서 소 재를 예열하고, 뒤따라가는 공구가 예열부위를 절 삭하는 가공법이다. 선행하는 레이저열원의 방향 이 변경될 경우 다양한 형태의 열원중첩현상이 나 타난다. Fig. 2(a)는 레이저열원의 이동경로가 예각 인 60°로 꺾이는 경우에 발생하는 열원중첩을 나 타낸다. Fig. 2(b)는 직각인 90°에서의 열원을 표현 하였으며, Fig. 2(c)는 둔각인 120°에서의 열원 중첩 을 표현 하였다.

3.2 열전달 해석

유한요소해석을 위한 3차원 열전달 방정식은 식(3)과 (4) 같이 표현된다.¹²

p T T T T

C k k k Q

t x x y y z z

⎛ ⎞

∂∂ =∂∂ ⎛⎜⎝ ∂∂ ⎞⎟⎠+∂∂⎜⎝ ∂∂ ⎟⎠+∂∂⎛⎜⎝ ∂∂ ⎞⎟⎠+ (3)

식(3)에서 ,ρ Cp, k 및 Q 는 각각 단위부피당 , 밀도(Density), 비열(Specific heat), 열전도율(Thermal conductivity), 발열량(Heat generation rate)을 나타낸다.

경계 조건(Boundary condition)은 식(4)에 의해 정의 될 수 있다.

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

z

− ∂ = − −

∂ (4) 여기서, T0는 시간 t 가 0인 초기온도이다.

3.3 해석조건

Table 1은 해석 조건을 나타내며, Fig. 3은 Inconel 718, Fig. 4는 Titanium alloy 소재의 물성을 나타내었다.

Inconel 718은 용융온도 범위가 1210-1344℃이며, 잔류응력을 감소시킬 수 있는 온도 범위는 대략 524-900℃ 이다. 이러한 점을 고려하여 적정 출력 을90W로 적용하여 적정예열온도(Proper preheating temperature)를 850℃로 정하였다.^4,5

Titanium alloys는 열전도율과 열팽창률이 작고, 400℃ 이하에서는 강도의 변화가 없다. 대략 610℃

이상 가열을 가하게 되면 버닝현상이 나타나서 산 화 Titanium alloy이 된다. 이러한 점을 고려하여 적 정예열온도는 580℃ 출력은 38W로 적용하였다.

(a) Angle 60° (b) Angle 90°

(c) Angle 120°

Fig. 2 Change in direction of laser preheating

(4)

Table 1 Analysis Conditions

Block size 50mm*50mm*10mm Laser profile diameter 3mm

Laser feed rate 300mm/min Laser

power

Inconel 718 90W Titanium alloy 38W Laser path angle 60°, 90°, 120°

Convection heat 5W/m²℃ Thermal load type Heat flow

Fig. 3 Properties of the Inconel 718 according to temperature

Fig. 4 Properties of the Titanium alloy according to temperature

경로변경이 없는 직선 가공 시 선정된 적정 출 력으로 예각, 직각 및 둔각으로 예열경로가 변경 되는 경우에 대하여 열원 중첩현상을 유한요소법 으로 해석하였다.

3.4 해석결과

Fig. 5(a)는 경로변경 각도가 예각인 60°일때 레

이저 열원의 중첩현상이 확연하게 나타남을 알 수 있다. 전체 예열경로 중에 중첩으로 인한 최고 온 도는 892.05℃로 나타났다. Fig. 5(b)는 경로변경 각 도가 직각인 경우로 열원의 중첩현상이 나타나며 최고온도는 883.67℃로 나타났다. Fig. 5(c)는 경로변

(a) Angle 60°

(b) Angle 90°

(c) Angle 120°

Fig. 5 Temperature distribution of Inconel 718

(5)

경 각도가 둔각인 경우로 열원의 중첩현상이 적게 나타나며, 전체 예열경로 중에 최고온도는 874.03℃

로 나타났다.

Fig. 6(a)는 Titanium alloy에서 경로변경 각도가 예각인 60°일 때 발생하는 중첩열원에서 발생하는

열을 분석하였다. 열원이 중첩되는 부분의 최고 온도는 621.96℃이다. Fig. 6(b)는 경로변경 각도가 직각인 90°일 때 중첩이 발생하는 부분의 최고 온 도는 605.68℃로 발생하는 것을 확인하였다. Fig.

6(c)는 경로변경 각도가 둔각에서 발생하는 중첩열 원을 확인하였으며, 최고 온도는 606.28℃로 분석 되었다.

Figs. 7과 8은 Inconel 718 및 Titanium alloy에 대 한 최고온도가 발생하는 위치에서의 시간에 따른 온도변화를 보여준다. 온도변화는 레이저열원의 경로변경의 각도가 클수록 커진다는 것을 확인하 였다. Inconel 718과 Titanium alloy 경로변경 구간인 2.5-3.5초 구간에서 적정예열온도 보다 높은 온도 가 발생한다.

Fig. 9는 Inconel 718에서 경로변경이 발생할 때 변경시작점에서 1초 동안 레이저출력을 약 4.4%를 (a) Angle 60°

(b) Angle 90°

(c) Angle 120°

Fig. 6 Temperature distribution of Titanium alloy

Fig. 7 Temperature change according to time at highest temperature location (Inconel 718)

Fig. 8 Temperature change according to time at highest temperature location (Titanium alloy)

(6)

감소하여 적정예열온도인 850℃에 도달하는 예열 을 하였다. Fig. 10의 Titanium alloy 에서 경로변경 이 발생할 때 1초 동안 레이저출력을 약 5.3% 줄 여 경로변경 시 발생하는 과열 저감효과를 얻었다.

4. 결론

본 연구에서는 Inconel 718 및 Titanium alloy의 레 이저보조가공에서 레이저 열원 경로변경 시 열원중 첩으로 발생하는 열과 냉각되는 과정에 대해 유한요 소해석을 수행하였고, 열원경로변경으로 발생하는 중 첩열원현상과 시간에 따른 온도분포를 분석하였다.

(1) Inconel 718소재는 잔류 응력을 감소시킬 수 있는 온도를 고려하여 적정예열온도를 850℃로 정 하였다. 경로변경이 발생하는 부분에서 중첩열원 현상으로 인하여 소재의 온도가 상승하게 된다.

적정예열온도 보다 높은 온도는 소재의 상변태를 불러일으키며, 레이저보조가공 시 공구에도 영향을 끼치게 된다. 열원중첩으로 발생하는 과열을 줄이기 위하여, 출력을 1초 동안 기존의 출력의 4.5%를 감 소하여 적정예열온도를 넘지 않도록 하였다.

(2) Titanium alloy의 경우 400℃ 이하 에서는 강 도 변화가 없으며, 610℃ 이상 가열하게 되면 산화 티타늄이 된다. 이점을 고려하여 580℃로 예열온 도를 정하였다. 레이저 경로변경으로 인하여 생기 는 부분에서 적정예열온도 보다 20℃ 이상 높은 것을 확인하였다. 경로변경 시작되는 시점으로 하 여 1초동안 출력을 5.3%를 감소하여, 경로변경으 로 발생하는 중첩열원의 과열을 줄이고 적정예열 온도를 넘지 않도록 하였다. 경로변경이 발생 할 때 출력조절을 통하여 소재의 용융 또는 버닝현상 을 제거하여 가공을 용이하게 할 수 있다.

본 연구의 결과는 레이저열원 경로변경으로 인 한 레이저열원중첩현상을 파악하기 위한 연구이며, 레이저보조가공에서 소재가공을 위한 기초자료 및 다양한 시편에 적용될 수 있도록 활용 할 것이다.

후 기

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구 사업임(No.2015021823).

REFERENCES

1. Kim, D. H. and Lee, C. M., “A Fundamental Study in the Evaluation of Machining Characteristics in Laser Assisted Milling of Titanium Alloys,” Proc. of KSPE Spring Conference, p. 136, 2014.

2. Kim, G. S., Choi, J. Y., and Lee, C. M., “A Basic Study on the Prediction of Preheating Effect SM45C by Using HPDL” Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 143-144, 2012.

3. Kang, D. W. and Lee, C. M, “A Study on the Cutting Analysis of Inconel-718 by Laser-Assisted Milling,”

Proc. of the KSMPE Conference, p. 82, 2013.

4. Kim, D. H. and Lee, C. M., “A Study of Cutting Force and Preheating-Temperature Prediction for Laser-Assisted Milling of Inconel 718 and AISI 1045 Steel,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 71, pp. 264-274, 2014.

Fig. 9 Temperature change according to power change at highest temperature location (Inconel 718)

Fig. 10 Temperature change according to power change at highest temperature location (Titanium alloy)

(7)

5. Kim, T. W. and Lee, C. M., “A Study on the Development of Milling Process for Silicon Nitride Using Ball End-Mill Tools by Laser-Assisted Machining,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 77, No. 5-8, pp.

1205-1211, 2015.

6. Lusquinos, F., Conde, J., Bonss, S., Riveiro, A., Quintero, F., et al., “Theoretical and Experimental Analysis of High Power Diode Laser (HPDL) Hardening of AISI 1045 Steel,” Applied Surface Science, Vol. 254, No. 4, pp. 948-954, 2007.

7. Brecher, C., Emonts, M., Rosen, C.-J., and Hermani, J.-P., “Laser-Assisted Milling of Advanced Materials,”

Physics Procedia, Vol. 12, pp. 599-606, 2011.

8. Kennedy, E., Byrne, G., and Collins, D. N., “A Review of the Use of High Power Diode Lasers in Surface Hardening,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 155-156, pp. 1855-1860, 2004.

9. Bermingham, M., Schaffarzyk, P., Palanisamy, S., and Dargusch, M. S., “Laser-Assisted Milling Strategies with Different Cutting Tool Paths,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 74, No. 9-12, pp. 1487-1494, 2014.

10. Liang, G. L., Zhou, G., and Yuan, S. Q., “Study on Hybrid Heat Source Overlap Welding of Magnesium Alloy AZ31B,” Material Science and Engineering: A, Vol. 499, No. 1-2, pp. 93-96, 2009.

11. Ding, H., Shen, N., and Shin, Y. C., “Thermal and Mechanical Modeling Analysis of Laser-Assisted Micro-Milling of Difficult-to-Machine Alloys,”

Journal of Materials Processing Technology, Vol. 212, No. 3, pp. 601-613, 2012.

12. Woo, W.-S. and Lee, C.-M., “A Study of the Machining Characteristics of AISI 1045 Steel and Inconel 718 with a Cylindrical Shape in Laser- Assisted Milling,” Applied Thermal Engineering, Vol.

91, No. pp. 33-42, 2015.

13. Yang, J., Sun, S., Brandt, M., and Yan, W.,

“Experimental Investigation and 3D Finite Element Prediction of the Heat Affected Zone during Laser Assisted Machining of Ti6AL4V Alloy,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, No. 15, pp. 2215-2222, 2010.

14. Lee, J. M, “Laser and Cleaning Process,” Hanrimwon Press, pp. 30-33, 2002.