Effects of Different Shielding Gases in Laser Welding of Secondary Ni battery with Multi-thin Plates

1. 서 론

최근 CO

배출 및 지구 온난화에 따른 친환경 자동차에 대한 요구가 급증하고 있다. 세계 각국은 기후변화에 대한 대응을 위해 자동차 CO

규제와 유해 배출가스 규제 강화에 따른 그린카의 개 발에 관심이 높아지고 있다 . 대표적인 친환경 자동차로 전기자동 차 , 하이브리드자동차, 수소연료자동차가 있으며 이와 같은 자동차 의 핵심부품은 모터와 배터리이다.

배터리는 자동차뿐만 아니라 휴대용 전화기 , 노트북과 같은 휴대 용 전자기기, 전동차, 군사용 기기 등 많은 분야에 활용되고 있다.

이들 배터리들은 에너지 밀도뿐만 아니라 경량화도 중요한 관심사

항 중에 하나이다 . 현재 많이 사용되고 있는 배터리는 니켈/수소 (Ni-MH)전지와 리튬/이온(Li-ion)전지가 있다. 리튬/이온전지는 에너지밀도가 높지만 폭발의 위험을 가지고 있다 . 반면, 니켈/수소 전지는 리튬 /이온전지에 비해 에너지 밀도는 낮지만 폭발의 위험성 이 적어 노트북 , 캠코더, 전기자동차 등 안전성에 민감한 경우에 많이 사용되고 있다

. 이와 같이 다양한 분야에 사용되고 있는 배터리는 전해질 , 양극소재와 음극소재 그리고 전해질을 분리하는 박막으로 구성되어 있다 . 이들 재료는 전기전도도가 우수하며 경량 화를 위한 우수한 성질을 나타낼 수 있는 소재를 사용하여 패키징 기술이 배터리 제조과정에서 매우 중요하다 .

본 연구에 이용한 시편은 전해질에 노출되는 박막 시편으로 니켈

이차전지용 니켈 다층 박판의 레이저 용접 보호가스의 영향

Effects of Different Shielding Gases in Laser Welding of Secondary Ni battery with Multi-thin Plates

Young-Tae You^a, Ka-Ram Lee^b, Jin-Woo Kim^a*

a

Department of Mechanical System Engineering, Chosun University, 303, Pilmun-daero, Dong-gu, Gwangju 61452, Korea

b

Research & Development Center Inno6 Inc.,

280-22, Sanup-ro 155Beon-gil, Gwonseon-gu, Suwon, Gyeonggi-do, 16648, Korea

ARTICLE INFO ABSTRACT

Article history: The demand for the eco-friendly vehicles is skyrocketing because of the increasing CO

emissions and global warming. In the industrial field, the battery process, a core part of an eco-friendly vehicle, is drawing increased attention; its weight lightening as well as high energy density are becoming increasingly important. In this study, pure Ni plates that were used as the battery pole plate were welded using the laser. The lab joint welding was conducted on ten pure Ni plates at a laser power of 1900 W and a feed speed of 2.8–3.4 m/min. As observed in the experiment, a faster feed speed reduced the bead width, but the laser did not penetrate all ten specimen plates. In addition, pores were trapped when protective gas was used, but they were not trapped when the welding was conducted in atmospheric condition.

Received 9 June 2016

Revised 20 July 2016

Accepted 2 August 2016

Keywords:

Pure Nickel Lap-joint welding Shielding gas Secondary battery Laser welding

* Corresponding author. Tel.: +82-62-230-7014

Fax: +82-62-230-7171

E-mail address: [email protected] (Jin-Woo Kim).

성분이 99% 이상인 순수 니켈이다. 배터리 제조현장에서 관심을 가지고 있는 순수 니켈은 강염기성 전해질에 대한 부식성이 없고, 이차전지의 중요 요소인 전기전도도가 매우 우수한 성질을 가지고 있기 때문이다. 또 니켈은 강도나 세기에 있어 철과 비슷하고, 상온 의 공기 또는 물에 침식되기 어려워, 보호막으로 전기도금에 널리 이용되기도 한다.

산업현장에서 대표적으로 사용하는 TIG(tungsten inert gas) 용 접은 비소모성 텅스텐 용접봉과 모재 간의 아크열에 의해 모재를 용접하는 방법으로 용접부 주위에 보호가스를 공급하면서 용접한 다. TIG 용접의 많은 장점이 있지만 단점으로는 텅스텐 전극봉이 용접부에 녹아들어 가 오염될 경우 용접부가 취화되기 쉽고, 열 영 향부가 크고, 작업자가 직접 손으로 용접하기 때문에 작업자의 숙 련도에 따라 용접 품질이 다르고 반복 시 균일한 용접 품질을 얻을 수 없다는 단점이 있다

.

본 연구에서는 사용하는 레이저 용접은 TIG 용접법에 비하여 형상이 복잡한 부분이나 부품의 크기가 작은 부분을 변형이 거의 없이 극소화하면서 용접이 가능할 것으로 생각된다. 레이저 용접은 고밀도 에너지 열원을 사용하기 때문에 빠른 용접속도와 일반 용접 에 비해 종횡비가 크고 , 열 영향부가 작아 열변형이 적다는 장점을 이용하여 용접하고자 한다 . 이러한 이유로 레이저 용접은 일반 용 접에 비해 금속조직이나 기계적 성질 측면에서 모재에 영향을 미치 는 부분이 매우 작아 우수한 용접성을 평가받고 있다

.

이차전지에 대한 선행연구를 조사 해 보면 Yang

은 TIG 용접 법을 개선하기 위해 Nd:YAG 레이저를 이용하여 박판 저탄소강 20장 겹치기 용접을 실시하였다. 기계적 특성을 분석한 결과, 레이 저를 이용하여 용접하면 생산성을 높일 수 있고 , 열 영향부가 작은 양호한 용접이 가능하다고 발표하였다. Yoo

는 Ni과 Cr이 다량 함유된 인코넬 합금강을 레이저 용접하였다. 조직사진, 인장강도 및 내부결함의 유무를 판단하여 최적의 공정변수를 발표하였다.

Hwang

은 니켈 박판과 다공질 니켈 박판을 저항 점용접과 비교 하기 위해 레이저 용접을 실시하였다. 다공질 박판 내부는 대부분 기공이지만 소량의 소재가 용융되어 용접되었고, 저항 점용접과 레 이저 용접한 시편을 이용하여 전기저항을 측정하여 비교한 결과 레이저 용접의 경우 저항 측정값이 약 33-37% 감소되었다고 발표 하였다. Lim

은 이종 니켈 합금강을 아크용접으로 맞대기 용접하 였다 . 미세조직 관찰에 대한 고찰과 용접부에서 급랭 때문에 발생 하는 조직 특성을 발표하였다 . 용접에서 보호가스의 역할은 용융금 속을 대기로부터 격리시켜 산화에 의한 결함 발생 등을 방지하기 위하여 사용하는 가스이다. Kim

은 다이아몬드공구 소결체의 레 이저 용접성에 미치는 보호가스의 영향을 연구하여 레이저의 경우 접합강도 측면에서 적절한 유량 사용 시 Ar이 최적의 보호가스로 판정하였으며, 보호가스의 종류에 따라 소결체의 기공 발생 및 강

도 등의 용접 특성에 차이가 났다고 발표하였다 . Kim

은 GMAW 용접 시 보호가스 변화에 따른 TRIP 60 강재의 기계적 물성 특성에 대해 연구하여 인장강도의 경우 혼합가스에서 연신율 이 좀 더 높은 것을 확인하였으며 , 차체 제작 시 소요되는 비용을 고려하여 적당한 혼합가스를 쓰는 것이 필요할 것으로 판단된다고 발표하였다 .

연구동향을 살펴보면 레이저 용접과 아크용접 등으로 니켈 및 합금강을 용접하여 그 특성을 분석하였다 . 그러나 본 연구에서는 기존에 TIG 용접으로 극주와 극판을 용접했던 부분을 레이저로 용접하여 특성을 분석하고자 한다 . 산업현장에서 용접할 때 어떤 종류의 보호가스를 사용하느냐에 따라 투입되는 비용에 커다란 영 향을 미치므로 일반적으로 사용하는 보호가스와 보호가스를 사용 하지 않고 대기 중에서 용접할 때의 특성을 비교 분석하고자 한다 . 산업현장에서 생산하고 하고 있는 Ni-MH 배터리 형상을 Fig.

1에 나타냈다. Fig. 1에 나타낸 것처럼 산업체에서는 극주와 극판 을 M형상으로 TIG 용접하고 있다. M자형으로 극주를 제작하여 극판을 삽입한 다음 양쪽에서 극주와 극판을 한꺼번에 양쪽 일부분 만 TIG 용접하기 때문에, 내부 극판은 용접되지 않아 필연적으로 발생한 극판 사이의 간극으로 전기저항 손실이 발생하여 에너지 밀도가 낮아질 것으로 판단하고 있다 .

따라서 본 연구에서는 배터리를 구성하는 극주에 삽입하는 니켈 박판 10장을 관통 용접하고자 한다. 니켈 박판을 관통 용접할 때 겹쳐진 부분의 갭 (gap)의 영향을 줄이기 위해 박판의 양쪽 위와 아래에 전자석을 1200 G의 힘으로 시편을 밀착시켰다. 일반적으 로 레이저 용접할 때 대기에서 유입되는 영향을 최소화하기 위해 보호가스를 분사하면서 용접한다 . 그래서 본 연구에서도 보호가스 의 종류에 따라 용접 특성을 분석하기 위해 Ar, He, N

로 변화시키 면서 용접하였고 , 레이저빔의 출력은 1900 W로 고정하고, 이송속 도를 변화시켜 종횡비와 입열량을 분석하였다 . 용접 후 결함을 분 석하기 위해 용접 단면의 조직사진 , 인장강도 테스트 및 용접부의 경도를 고찰하였다 .

Fig. 1 Argon Welding photos of weld zone

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

본 연구에 이용한 레이저는 Nd:YAG 레이저(Trumpf)이다. 파 장은 1.06 μm이고, 최대출력은 2.8 kW이다. 평균유효출력은 2 kW인 연속파(continuous wave, CW)이고, 레이저빔은 직경 600 μ m인 광섬유를 통해서 전달된다. 광케이블에 연결되어 가공하는 공작대는 LASMA 1054 (Trumpf)이고 레이저빔 발산각은 25 mrad이다. 작업대는 지면으로부터 진동을 방지하기 위해 화강암 정반으로 제작되었다. 다층 박판을 용접하기 위한 모식도는 Fig.

2에 나타내었다.

레이저 가공헤드는 겐트리 타입 가공장치로서 LASMA 1054 내부에 장착되어 있으며, x, y, z 축의 이송거리는 각각 1,000 mm, 500 mm, 400 mm이다. x축, y축에 대한 위치정밀도는 5 μm, z 축에 대한 위치정밀도는 1 μm, 반복정밀도는 8 μm이다.

2.2 실험방법

본 연구에 사용된 시편의 화학조성은 Table 1과 같다. 실험에 사용된 순수 니켈의 시편크기는 50 mm(L)×50 mm(W)×0.1 mm(T)이고 시편 10장을 겹치기 용접하였다. 용접 시 시편 표면의 이물질을 아세톤으로 세척하여 제거하였다 . 레이저 용접을 할 때 플라즈마 제거, 공기차단 및 산화 방지를 위해 Ar, He, N

보호가 스와 대기상태에서 실험하였다 . 보호가스의 압력은 장비의 특성상 게이지압력 1 bar(4 L/min)이하로 조절이 되지 않기 때문에 압력 을 1 bar와 1.5 bar로 실험하였고, 시편인 박판을 고정하기 위하여 지그로 사용하고 있는 전자석의 높이 때문에 보호가스를 레이저빔 이 이동하는 방향으로 원통형 노즐을 45° 각도로 분사하면서 실험 하였다.

레이저 용접 공정변수는 Table 2에 나타낸 것과 같이 레이저 출

력을 1900 W로 고정하고, 이송속도를 2.8-3.4 m/min까지 0.2 m/min씩 변화시키면서 시편 10장이 관통 용접되었는지를 관찰 하였다 .

공정변수에 따라 용접 단면을 관찰하기 위해 다이아몬드 컷팅기 로 시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 에칭하였다 . 에칭된 용접비드 경계면은 광학현미경 (Olympus: GX-51)으로 관찰하였 다 . 광학현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였고, 용접 시 레이저 빔 이송속도의 변화에 따른 비드폭 비 , 시편 내부로 흡수되는 입열 량의 변화를 측정하였다 .

3. 결과 및 고찰

3.1 순수 니켈의 용접 특성

레이저 용접은 키홀 용접으로 레이저의 출력이 증가하면 키홀의 크기가 증가하고, 키홀 벽면에서 다중흡수 ․ 반사 현상이 발생하면 서 인입되는 입열량이 증가한다 . 고에너지 밀도를 가지는 레이저빔 이 시편에 조사되면 키홀이 열리고 레이저빔이 이동하면 키홀 뒷 부분에서 응고가 시작되면서 키홀이 닫혀지게 된다 . 키홀을 열리게 하는 레이저의 출력과 키홀이 닫히게 되는 레이저빔의 이송속도에 따라 용접결과가 다르게 나타난다

.

본 연구에서 용접하고자 하는 박판 용접은 레이저 출력이 너무 크거나 레이저빔 이송속도가 너무 느릴 경우 과입열로 가장 위에 있는 시편은 용융 증발되면서 절단된다 . 시편의 가장 위에 있는 시 편이 용융․ 증발에 의한 절단현상이 발생하지 않고 두께가 0.1 mm 인 순수 니켈 박판 10장을 겹치기 용접하여 결과를 고찰하였다.

레이저 공정변수에 따라 겹치기 용접한 결과를 Fig. 3에 나타내었 다 . 시편 단면에 검정색으로 나타나 있는 부분은 시편이 박판이기 때문에 에칭하면서 발생한 박판 사이의 간극을 나타내는 것으로 용접 결함은 아니다 .

Fig. 3에 나타낸 실험결과는 레이저빔 이송속도에 따라 보호가

Fig. 2 Schematic diagram of the experimental set-up

Ni (wt %)

Ni Cu Fe Si Mn C S

99 0.25 max

0.4 max

0.35 max

0.35

max 0.02 0.01 max Table 1 Chemical composition of Ni

Ni lap joint welding

Laser power (W) 1900

Welding speed (m/min) 2.8-3.4

Focal position (mm) 0 (Focal length : 200 mm)

Shielding gas Ar, He, N

Table 2 Parameter of laser welding

스를 사용할 때와 보호가스를 사용하지 않고 대기상태에서 용접했 을 때의 실험결과를 나타내고 있다. Fig. 3의 실험결과에 의하면 레이저빔의 이송속도가 증가할수록 시편과 레이저빔의 상호작용이 짧아지면서 용접 단면적이 감소하였다 . 이는 레이저빔의 이송속도 가 증가하면 입열량이 감소하면서 나타나는 현상으로 레이저빔과 시편이 상호작용하는 시간이 짧아지면서 시편 주변부로 열손실이 발생하기 때문에 나타나는 현상이다.

실험결과 전체적으로 특이한 사항은 일반적으로 레이저 용접할 때 광학부품의 보호, 플라즈마의 제거, 산화방지, 용융금속의 분출, 산화열 등을 제어하기 위해 보호가스를 사용할 경우 용접 단면에서 결함이 작게 발생하는 것이 일반적인 현상이다. 본 연구팀에서도 과거 비철금속과 금속재료를 70여 차례 레이저로 용접할 때도 보 호가스의 종류는 보호가스를 사용하여 용접하는 것이 일반적으로 내부에 기포가 발행하는 용접 결함 등이 현저하게 감소하는 경향을 발견하였다 . 많은 문헌에서도 레이저 용접할 때 보호가스를 사용할 경우 양호한 용접결과를 얻을 수 있다는 것이 일반적인 상식으로 되어 있다. 그러나 특이하게 본 연구에서는 보호가스를 사용할 경 우 용접 단면에 기포가 많이 발생하는 결함이 심하게 나타났다. 특 히 탄소강을 레이저로 용접할 때 용접 단면의 결함을 제어하기 위 해 보호가스를 신중하게 결정하여 사용하고 있고, 금속을 레이저

용접할 경우 일반적으로 Ar, He, N

보호가스를 사용하고 있다

[12-14]

.

그러나 본 연구에서는 보호가스를 사용해서 니켈 박판을 레이저 로 용접했을 때 가스의 종류에 따라 정도의 차이는 있지만 전체적 으로 내부에 기공이 발생함을 확인할 수 있었다 . 보호가스를 사용 했을 때 전체적으로 용접 표면이 부풀어 오르고 있는데 이것은 용 접단면 내부의 기공의 영향 때문인 것으로 판단된다 . 니켈 박판을 레이저 용접할 때 보호가스를 사용하면 , 보호가스를 사용하지 않을 때보다 용접성이 좋지 않은 결과를 나타내는 것에 대한 이유는 정 확히 알 수 없으나 이와 같은 현상을 규명하기 위한 후속적인 특성 연구가 필요하다고 생각된다 .

레이저빔 출력과 레이저빔 이송속도와의 관계를 일반적으로 나 타내기 위해 입열량으로 분석했다 . 입열량 E는 레이저빔을 시편에 조사하면서 이동할 때 용융된 상부용접 단면의 용접폭 W와 레이저 빔의 이송속도  , 레이저빔의 출력  를 변수로 하여 아래 식 (1)로 계산하였고 , 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

 _{ }

 × 

   

 (1)

보호가스를 사용하지 않고 대기상태에서 용접할 경우 레이저빔

Fig. 3 Welding cross-sectional area to variation of welding speed and shielding gas

의 이송속도가 증가하면서 입열량이 비교적 일정한 비율로 감소하 고 있다 . 본 실험 조건에서 레이저빔의 이송속도가 2.8 m/min일 때 상부용접 단면의 폭은 1.27 mm이고 이때 입열량은 3,194.7 J/cm

이었다. 그러나 보호가스를 용접 단면에 불어주었을 때 입열 량의 변화폭이 크게 나타났다. 이것은 보호가스의 영향을 받아 용 접 단면폭이 레이저빔의 이송속도의 증가에 따라 일관성을 가지지 못하고 용접 단면이 용융되어 끓으면서 기포의 생성과 탈출의 반복 으로 상부용접 단면의 용접비드가 일정하지 못하고 불규칙적으로 생성되었기 때문인 것으로 생각한다.

레이저빔의 이송속도가 2.8 m/min일 때 Ar을 사용했을 때는 전 면 비드의 용접 단면폭이 1.75 mm이고, He을 사용했을 때는 1.76 mm, N

를 사용했을 때는 1.55 mm로 대기상태에서 용접했을 때 보다 보호가스를 사용했을 때 전면 비드폭이 더 크게 형성되었다.

레이저 출력과 이송속도가 같을 경우 용접 단면폭이 작을 때 입열 량이 크게 나타나기 때문에 대기 중에 용접할 때 입열량이 가장 크게 나타났다 . 이송속도가 2.8 m/min일 때 Ar을 사용했을 때 입 열량은 2,332.3 J/cm

, He을 사용했을 때는 2,312.8 J/cm

, N

를 사용했을 때는 2,620 J/cm

로 보호가스로 사용했을 때는 입열량의 크기가 크게 차이가 없지만 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때와 입열량을 비교하면 Ar을 사용했을 때보다는 37%, He을 사용 했을 때보다는 38.1%, N

를 사용했을 때보다는 21.9% 정도 크게 나타났다.

보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때는 레이저빔의 이송속도 의 증가에 따라 일관성 있게 입열량이 감소하고 있지만 , 보호가스 를 사용하면서 레이저 용접했을 때는 용융풀의 단면적이 레이저빔 의 이송속도 증가와 더불어 감소하는 비율이 일관성 있게 변화하지 못하고, 내부에 발생한 기공 때문에 불안정한 용융풀이 응고하면서 형성된 결과로 입열량이 크게 변동하고 있다.

대기상태에서 용접했을 때는 입열량이 감소하는 경향성을 나타

내는 이유는 레이저빔의 이송속도가 증가함에 따라 재료와의 상호 작용이 짧아지기 때문에 입열량이 감소하는 경향을 나타낸다 . Fig.

4에 나타난 것과 같이 보호가스를 사용했을 때보다 대기상태에서 용접했을 때 전체적으로 입열량이 높게 나타났다 . 이는 대기상태에 서는 기공 결함이 거의 없기 때문에 비드폭이 이송속도에 따라 일 정하게 키홀이 형성되는 반면 , 보호가스를 사용하였을 때는 기공 결함의 크기에 따라 비드폭이 크게 형성되고 , 기공 결함이 많을수 록 이송속도가 증가하더라도 비드폭이 넓어지는 경향성을 나타냈 다 . 이와 같은 이유로 보호가스를 사용했을 때 내부에서 발생한 기 포가 용접 단면으로 비정상적으로 이탈하면서 이송속도가 증가하 더라도 용접 단면적의 불안정으로 입열량이 증가하는 경향성을 나 타냈다 .

실험결과를 전체적으로 고찰해 볼 때, 니켈은 상온의 공기 또는 물에 침식되기 어렵기 때문에 레이저 용접하는 과정에서 높은 에너 지원으로 용접할지라도 대기 중에 있는 수분의 영향을 받지 않아 안정된 용접 단면이 얻어진 것으로 생각된다 . 하지만 니켈 박판을 레이저로 용접하면서 보호가스를 이용하면 기공 결함이 심하게 나 타났는데 , 니켈의 경우 용접 후 시효경화가 빠르게 일어나고 입계 에서 M

C

가 석출하여 용접균열이 발생하기 쉬운 단점이 있고, 또 보호가스의 이온화 에너지 및 압력조절에 밀접한 관계가 있을 것으로 추측된다 .

니켈 박판 10장을 관통 용접하기 때문에 전면 비드폭과 후면 비 드폭의 비를 계산했다 . 이것을 분석한 이유는 관통 용접했을 때 전 면 비드에 열이 전도되어 형성된 비드폭과 후면 비드에 용접폭이 형성되면 열이 전도되면서 형성된 용접폭의 비를 비교하기 위해 식 (2)를 이용해서 전면 비드와 후면 비드의 용접 단면의 폭비 (width ratio,　WR)를 Fig. 5에 나타내었다.

 _{ }





(2)

Fig. 4 Influence of welding speed and shielding gas on the heat input

Fig. 5 Influence of welding speed and shielding gas on the width

ratio

식 (2)에서 

은 용접 단면의 전면 비드폭 , 

는 용접 단면의 후면 비드폭이다 . 레이저빔의 이송속도가 2.8~3.4 m/min일 때 대 기상태와 각각의 보호가스를 사용했을 때 모두 니켈 박판 10장이 관통 용접되었다. Fig. 3에 나타낸 것과 같이 이송속도가 증가함에 따라 기공 포획이 줄어들고 , 안정된 키홀이 형성됨에 따라 기공이 점차 줄어드는 경향성을 나타내고 있다. 이송속도가 증가할수록 후 면 비드의 폭이 주변으로 열전도 손실과 기공발생으로 인하여 용접 폭이 작아지기 때문에 WR값이 증가하였다.

Fig. 6은 레이저빔 이송속도와 보호가스의 변화에 대한 용접 단 면에 대한 기공이 발생한 면의 면적 비를 식 (3)을 이용하여 나타낸 결과이다.

 _{ }





(3)

식 (3)에서 

은 용접부 단면 전체 면적, 

는 기공 결함 면적의 합을 나타내고 있다. 대기상태에서는 결함이 없으나 0을 사용하면 계산이 불가능하기 때문에, 전체 면적에서 기공 면적을 0.000001 로 하여 계산하였다 . 보호가스를 사용하여 용접하였을 때 이송속도 가 증가하면 입열량이 감소하면서 기공이 발생하는 결함이 감소 하는 경향성이 나타났다. 만약 레이저 출력이 더 크고 이송속도를 더 빠르게 제어하면 보호가스를 사용하더라도 기공 결함을 제어 할 수 있을 것으로 판단한다. 그러나 본 연구의 결과로는 특별한 이유가 없는 경우 보호가스를 사용하지 않고 대기상태에서 니켈 박판을 용접하는 것이 용접 단면의 기공제어에 더 효율적인 결과 를 나타냈다.

3.2 인장강도 특성

니켈 박판을 10장 겹치기 용접한 시편에 대한 인장강도 테스트

를 위해 KS규격 13B호로 제작하였으며 최소한의 열영향과 정확 한 절단을 위해서 와이어 컷팅을 하였다 . 대기상태와 각각의 보호 가스의 종류별로 인장강도의 크기를 나타내기 위해 이송속도의 변 화에 따른 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 인장강도 시험결과가 계단 식으로 나타는 것은 니켈 박판 10장을 겹치기 용접했기 때문에 일 부 시편이 먼저 절단되는 부분이 있어 나타나는 현상이다 .

Fig. 7(a)는 이송속도 2.8 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다 . 전체적으로 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 보호가스 를 사용해서 용접했을 경우보다 인장강도가 크게 나타나고 있다 . Fig. 3에 나타낸 것처럼 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때 상대적으로 용접 단면 내부에 기공이 없어 인장강도도 높을 것으로 예측할 수 있으나 , 보호가스를 사용했을 경우 인장강도의 크기를 정량적으로 비교하기 위해 나타냈다 . 인장강도 시험 후 파단된 특 성은 보호가스를 사용하지 않은 시편의 경우 용접부가 아닌 시편의 모재부분부터 파단되는 반면 , 보호가스를 사용하여 용접했을 때는 기공 결함 때문에 시편의 모재부분부터 떨어지지 않고 용접부에서 기공 결함을 중심으로 용접부가 찢어지는 경향을 나타냈다 .

이송속도가 2.8 m/min일 때 대기상태에서 최대 인장응력 값은 228.5 MPa이고, 각각의 보호가스 Ar, He, N2의 최대 인장응력 값은 89.1 MPa, 92.9 MPa, 91.3 MPa로 Ar 보호가스를 사용했을 때 최대 인장응력 값이 가장 작게 나타났다 . 이는 최대 인장강도의 크기가 2.56배에서 2.46배에 해당하는 값이다. Fig. 7(b)는 이송속 도 3.0 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다. Fig. 7(b)도 Fig.

7(a)와 마찬가지로 대기상태에서 인장응력 값이 가장 높게 나타났 다 . 대기상태에서 최대 인장응력 값은 241.3 MPa로 가장 높게 나 타났고 , 보호가스를 사용했을 때 Ar이 최대 인장응력 값이 100.9 MPa로 가장 낮게 나타났다. 이는 같은 인장강도 크기는 보호가스 를 사용하지 않을 때 인장강도가 보호가스를 사용했을 때 인장강도 보다 2.39배 큰 값이다.

Fig. 7(c)는 3.2 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다. 역시 보호가스를 사용하지 않고 용접했을 때의 인장응력이 가장 크게 나타났고 , 그 크기는 270 MPa로 시편 10장이 용접되는 조건에서 가장 높은 인장응력 값을 나타냈다 . 보호가스를 사용했을 경우 최 대 인장응력을 나타낸 보호가스는 N

로 최대 인장응력 값이 201.1 MPa인데 이는 보호가스를 사용하지 않았을 때보다 1.34배 작은 값이다 .

Fig. 7(d)는 이송속도 3.4 m/min일 때 인장강도 값을 나타내고 있다 . 이송속도 3.4 m/min에서는 기공결함이 점차 줄어드는 것을 Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 인장응력 값을 측정한 결과에서도 대기상태에서 용접했을 때와 보호가스를 사용해서 용접했을 때의 인장강도 값과 비슷하게 나타났다 . 이때 각각 인장응력 값은 대기 중에서 용접했을 때 인장응력 값은 286.4 MPa이고, N

는 272 Fig. 6 Influence of welding speed and shielding gas on the area

ratio

MPa로 그 크기 비가 1.05배로 인장응력 값이 비슷하게 나타났다.

이와 같은 현상은 Fig. 3에 용접 단면을 나타낸 실험결과를 근거로 해서 판단해보면 , 이송속도가 증가하면서 니켈 박판 10장을 용접 하기 위한 적절한 입열량으로 공정을 진행했기 때문에 내부에 기공 과 같은 결함이 상당부분 감소하여 유효 용접 단면적이 증가하였기 때문에 나타나는 현상으로 생각된다.

Fig. 7에 나타난 것과 같이 이송속도별로 보호가스를 사용하여 용접한 결과보다 대기상태에서 용접한 결과가 인장응력 값이 대부 분 더 높게 측정되었다. 하지만 이송속도가 증가할수록 기공 결함 이 점차 줄어드는 경향성을 확인할 수 있었다.

순수 니켈 박판 10장을 겹치기 용접하여 경도분포를 측정하여 Fig. 8에 나타냈다. 보호가스를 사용했을 때는 내부에 많은 기공 때문에 용접 결함이 많아 대기상태에서 이송속도별로 겹치기 용접 한 결과를 경도분포를 측정한 결과이다. 경도측정은 시편 표면으로 부터 100 μm에서 하중 0.1 kg으로 측정하였다. 경도값을 측정한 결과 모재의 경도값은 약 170 Hv이며, 용접부의 경도값은 약 100~128 Hv의 경도값으로 모재에 비해 50 Hv 정도 낮게 측정되 었다 . 경도값이 약간 하강하는 이유는 시편이 용융되고 응고되면서

조직이 조대해져 나타나는 현상으로 생각된다 .

3.3 보호가스 압력 변화에 따른 용접 특성

보호가스 중 이온화에너지가 가장 크고 효율이 좋은 He으로 보 호가스의 압력 1 bar와 1.5 bar로 실험한 결과의 단면 사진을 Fig.

(a) Speed 2.8 m/min (b) Speed 3.0 m/min

(c) Speed 3.2 m/min (d) Speed 3.4 m/min Fig. 7 Comparison of tensile test results for laser beam shielding gas

Fig. 8 Hardness distribution on the welding width (atmospheric

condition)

9에 나타냈다. 앞에서 언급한 것처럼 본 실험 장치에 부착된 압력 이 게이지 압력이기 때문에 1 bar보다 낮으면 대기압의 영향을 받 게 된다. 이와 같은 이유로 본 장비의 특성상 1 bar 아래의 압력으 로는 보호가스가 분사되면 보호가스의 영향을 받지 않을 수도 있어 1 bar 보다 미소하게 높은 압력으로 하여 1.5 bar의 압력과 비교하 였다 . Fig. 9에 나타난 것과 같이 압력을 변화시켜도 같은 공정조건 에서 기공의 변화가 크지 않음을 알 수 있었다. Fig. 9에서 시편의 박판이 박리 이탈된 것처럼 보이는 것은 박판으로 된 시편을 용접 할 때 고정시키기 위한 홀더(holder)의 일부와 함께 마운팅하여 나 타난 것이지 박판 니켈시편은 아니다.

일반적으로 레이저 용접을 할 때 양호한 용접결과를 얻기 위해 다향 형태로 보호가스를 사용하는 것이 상식으로 되어 있다 . 레이 저 용접할 때 보호가스를 사용하는 것은 내부 결함과 함께 용접 시 발생하는 스패터에 의한 렌즈의 보호 등 다양한 강점이 있기 때문이다. 그러나 본 논문에서는 보호가스를 사용했을 때 과거 오 래 동안 레이저로 용접했을 때의 결과와 다르게 기공 결함이 심각 하게 발생되었다 . 기공은 액체금속의 상태에서 많은 가스 기포가 용융금속 내부에서 탈출하기 위해 융착 금속의 표면에 도달하지 못하고 구형상의 형태로 용융금속 내부에 남아있는 상태로 , 용융 금속의 냉각속도에 따라서 비례적으로 기공의 내존성이 증가하며, 기공의 원인이 되는 가스로는 수분에 의해서 공급되는 수소 및 산소에 의해서 형성되기도 한다. 과거 본 연구팀에서 특히 탄소강 이나 합금강을 용접할 때 보호가스를 사용하는 방법에 따라 용접 단면에 기공이 심하게 나타는 경우가 많았다 . 이와 같은 이유는 시 편을 구성하는 구성성분의 용융온도 차이로 용융온도가 낮은 성분 이 기화되어 기포로 되어 내부에서 부력에 의해 상승하는 속도보다 응고하는 속도가 빠르게 진행되면서 포획되어 기포로 용접 단면에 관찰되는 경우가 많았다 . 그러나 본 연구에서 사용하는 시편은

99%가 니켈 성분인 시편으로 시편 중에 용융 온도가 다른 성분의 때문에 기포가 발생할 수는 경우보다 보호가스의 영향을 더 많이 받는 것으로 생각된다 . 이와 같은 이유는 보호가스를 사용하지 않 을 때보다 보호가스를 사용할 경우 현저하게 기포가 더 많이 형성 되었기 때문이다 .

레이저 용접할 때 보호가스를 사용하는 일반적인 상식과 다르 게 특이한 현상이 니켈 박판을 용접할 때 나타나므로 이와 같은 현상을 다각적인 접근으로 연구하여 그 원인을 밝힐 필요도 있다 고 생각된다.

4. 결 론

연속파 Nd:YAG 레이저를 이용하여 니켈 박판 10장을 용접하 기 위해 출력을 1900 W로 고정하고 이송속도는 2.8~3.4 m/min 까지 0.2 m/min씩 변화시키면서 보호가스 Ar, He, N

를 사용했을 때와 보호가스를 사용하지 않고 용접한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다 .

(1) 레이저빔의 이송속도의 변화에 관계없이 보호가스를 사용하 지 않고 용접했을 때 용접 단면에 기공 결함이 없는 양호한 용접결 과를 얻었다 .

(2) 보호가스를 He을 사용할 경우 레이저빔의 이송속도를 빠르 게 할 경우 용접 단면에 기공 결함이 현저하게 감소하였다 .

(3) 비교적 레이저빔의 이송속도가 느려 입열량이 많을 경우 보 호가스를 사용하지 않고 용접했을 때의 인장강도가 보호가스를 사 용하면서 용접했을 때의 인장강도보다 최대 2.5배 정도 높았다.

(4) 레이저빔의 이송속도를 증가시켜 입열량을 작게 조정할 경우 인장강도의 크기는 보호가스를 사용하지 않을 때와 N

가스를 사용 해서 용접한 결과와 비슷하게 측정되었다 .

Fig. 9 Welding cross-sectional area to variation of welding speed and shielding gas (He)

(5) 순수 니켈 박판을 겹치기 용접할 때 보호가스를 사용하면서 나타나는 기공 결함과 같은 물리적 현상을 규명하기 위한 다양한 형태의 연구가 추후 더 진행되어야 할 것으로 판단된다.

후 기

이 논문은 2016학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연 구되었음.

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