마그네슘합금의 레이저 절단가공 특성에 관한 연구
정 한 별*, 김 형 선†
*한국폴리텍대학 광주캠퍼스, 컴퓨터응용기계설계과
†한국폴리텍대학 광주캠퍼스, 컴퓨터응용기계설계과
A Study on the Laser Cutting Characteristics of Magnesium alloys
Han-Byul Jung
*, Hyung-Sun Kim
*,†*Department of Computer Applied Mechanical Design, Gwangju Campus of Korea Polytechnic, Gwangju, Korea
†Department of Computer Applied Mechanical Design, Gwangju Campus of Korea Polytechnic, Gwangju, Korea (Received : Oct. 26, 2018, Revised : Nov. 20, 2018, Accepted : Dec. 20, 2018)
Abstract : Studies on the laser cutting processing characteristics of magnesium alloys can be divided into three parts, comparing the cutting faces of magnesium alloy and aluminum alloy, observing the shape of the corner where straight lines meet, and observing the straight lines and arcs. First, there were no laser cutting conditions for magnesium alloys, so it was observed to cut magnesium alloy and aluminum alloy under the same processing conditions as aluminum alloy to shape and surface of the cut surface. Next, to observe the characteristics of the corner, we observed the shape of the corner according to the angle change of the part where the two lines meet, and finally we observed various angles to observe the characteristics of the part where the arc meets the line.
Finally, laser cutting processing characteristics of magnesium alloys and aluminum alloys obtained based on the above study contents were summarized.
Keyword : Magnesium alloy, Laser cutting, Separation, laser cutting processing characteristics of magnesium alloys
1. 서 론
1)
1.1 연구 배경 및 현황
원자번호 12번의 마그네슘(magnesium)은 비중이 1.74g/cm3으로서 알루미늄합금의 2/3, 티타늄합금의 1/4, 철강 재료의 1/5로 현재 사용되고 있는 구조용 금속 중에서 비중이 가장 작으며 비강도가 우수하고 강성이 크다. 또한 전자파 차폐성(EMI/RFI shield) 과 진동감쇄능이 우수하며, 치수안정성이 우수하여 100℃의 온도까지는 장시간 방치하여도 치수변화가 적다.[1]
†Corresponding Author 성 명 : 김 형 선
소 속 : 한국폴리텍대학 광주캠퍼스 주 소 : 광주 북구 하서로 85(운암동) 전 화 : 062-519-7202
E-mail : hskim3@kopo.ac.kr
최근에 이르러 한정된 에너지 자원의 효율적인 이용 과 환경오염 낮춤에 대한 사회적 요구가 증가함에 따 라 경량소재 개발에 박차를 가하고 있으며, 기존의 철 강 및 알루미늄 소재를 대체하여 마그네슘합금의 개발 이 본격적으로 이루어지고 있다. 이와 같은 경량화 추 세는 특히 자동차나 항공기 산업에 있어서 뚜렷이 나 타나고 있으며, 특히 마그네슘은 자원의 제한이 거의 없고 재활용이 가능하다는 특성으로부터, 환경 친화적 재료로서 그 중요성이 인식되고 있다.[2]
마그네슘 및 그 합금의 절삭에서 공구손상에 대해서 는 아무런 문제가 없다고 하여도 좋다. 절삭저항은 알 루미늄의 경우와 비교하면 1/2정도로 작으며, 다듬질 면도 구성인선이 생성하지 않으므로 양호하다. 하지만 마그네슘의 절삭가공에서 주의하여야 할 점은 칩의 발 화(發火)이다. 마그네슘은 매우 활성(活性)인 금속이 다. 얇은 조각이나 분말상태의 칩은 절삭 열에 의해서 쉽게 발화한다는 점이다.[3]
이러한 특성으로 인하여 마그네슘의 절단에는 기계 적인 전단가공이나 워터젯 가공을 사용하였으나 최근 기술의 개발로 레이저 절단이 이용되고 있다. 레이저
절단은 절단부 폭이 좁아 정밀가공에 유리하며, 고속 절단이 가능하고 재료의 종류에 구애받지 않는 등 타 절단법에 비해 품질 및 생산성에 우수한 것으로 평가 되고 있어 사용이 중대되고 있고 이에 대한 연구가 이 루어지고 있다.[4]
김성일[4]은 알루미늄합금의 레이저 절단 시 절단 면의 특성에 관하여 연구하였으며, 이우람[5] 등은 스 테인리스 강판을 CW(continuous wave) 파이버 레 이저(Fiber Laser)를 이용하여 유입가스의 압력특성, 출력 특성 및 절단속도 특성을 관찰하여 레이저 절단 특성을 파악하였다. 가공특성을 규명하였다. 안동규 [6]등은 고출력 연속파형 Nd:YAG 레이저를 이용한 2mm 이하의 Inconel 박판절단 시 여러 가지 공정변 수가 절단면 형성 특성에 미치는 연향성에 관하여 연 구하였다.
그러나 이와 같은 레이저 절단에 관한 많은 연구에 도 불구하고 마그네슘합금에 대한 연구는 전무한 실정 이다. 따라서 마그네슘합금의 레이저 절단에 대한 연 구가 필요한 실정이다.
1.2 연구 목표 및 범위
본 연구는 일반적으로 산업현장에서 널리 사용되는 레이저 절단기를 이용하여 마그네슘합금의 절단면의 상태를 관찰하는데 그 목표를 두었다. 아직까지 마그 네슘합금의 절단 조건에 대한 데이터가 마련되지 않아 상대적으로 많은 가공조건을 가진 알루미늄합금의 가 공조건을 이용하여 절단하였으며, 앞으로 마그네슘합 금의 절단 시 필요한 최적의 가공조건을 선정하는데 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
다음으로 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단면을 관찰하고 비교하여 두 재료의 절단 특성을 파악하였 다.
1.3 연구 내용
마그네슘합금의 레이저 절단가공 특성에 관한 연구 내용으로는 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단면을 비교하여 관찰, 직선 과 직선이 만나는 구석부의 형태 관찰, 직선과 원호가 만나는 구석부의 관찰 세 부분으 로 나눌 수 있다.
먼저 마그네슘합금에 대한 레이저 절단에 대한 가공 조건이 마련되지 않아 알루미늄합금과 동일한 가공조 건으로 마그네슘합금과 알루미늄합금을 절단하여 절단 면의 모양과 표면거칠기에 대하여 관찰하였다. 다음으 로 구석부의 특성을 관찰하기 위하여 두 직선이 만나 는 부분의 각도의 변화에 따른 구석부의 형상을 관찰 하였으며, 끝으로 원호의 시작점과 직선의 만나는 부 분의 특성을 관찰하기 위하여 여러 가지 각도의 변화 를 주면서 관찰하였다.
끝으로 이상의 연구내용을 바탕으로 얻어진 마그네 슘합금과 알루미늄합금의 레이저 절단가공 특성을 정 리하였다.
2. 이론적 배경 2.1 마그네슘의 합금의 성질 2.1.1 물리적 성질
마그네슘은 원자번호 12의 주기율표 제 Ⅱ 족의 알 칼리류 금속이며, 알루미늄에 비해 활성(活性)인 금속 이다. 따라서 일반적으로 알루미늄과 달리 대기 중에 서 용해가 어렵다. 마그네슘은 상온에서의 밀도가 1.74/cm3 로 알루미늄의 2/3, 티타늄합금의 1/4, 철강 재료의 1/4.5 정도로 구조용 재료로 사용할 수 있는 재료 중에서 가장 가볍다. 마그네슘은 결정구조 가 티타늄과 같은 조밀육방구조(HCP)이므로 알루미 늄과 달리 실온에서 기계가공이 어려운 단점이 있다.
그러나 300℃ 정도에서는 연성이 급격히 증가하여 열 간압연이나 열간 압출 등의 가공성은 알루미늄에 뒤지 지 않는다. 탄성계수는 알루미늄이나 철에 비해 훨씬 낮지만, 구조용 부품설계의 잣대가 되는 비탄성값(탄 성계수/비중)은 알루미늄과 철에 비해 나쁘지 않다.
또한 전기화학적 표준전극전위도 -2.37V로 다른 금속 보다 높다. 열전도율은 알루미늄의 약 70%이고, 열팽 창계수는 알루미늄보다 약간 크고, 철의 약 2배이 다.[1, 7]
2.1.2 구조용 마그네슘합금의 종류
마그네슘을 구조용도에 사용하는 경우 다른 금속원 소를 첨가하여 마그네슘합금으로서 사용하는 것이 일 반적이다. 통상 다이캐스팅이나 마그네슘 사출성형에 쓰이는 마그네슘합금은 알루미늄(Al)이나 아연(Mn), 망간(Mn)등을 첨가하여 AZ91D, AM60M, AM50A 등으로서 사용된다.
일반적으로 마그네슘합금의 표시는 ASTM을 따른 다. 마그네슘합금에서 기호를 붙이는 방법은 규칙성을 가지고 있으며, 2개의 주 합금원소를 기준으로 다음과 같이 4개 또는 5개의 지수로 규격화되어 있다.
AZ 91 D - T6
① ② ③
①의 첫 두 글자는 알파벳으로 구성되어 있고, ②의 두 글자는 아라비아 숫자이고, 셋째자리는 첫 자리 원 소 그리고 넷째 자리는 둘째 자리 원소의 대략적인 함 량을 의미한다. A는 알루미늄(Al), M은 망간(Mn), Q는 은(Ag), Z는 아연(Zn), S는 규소(Si), H는 토 륨(Th), K는 지르코늄(Zr), W는 이트륨(Y, C는 구 리(Cu), E는 회토류(RE)를 의미한다. ③은 다시 알 파벳으로 A에서 E까지 표시되는데, 이것은 앞의 네 자리가 의미하는 화학조성을 가진 것 중에서 ASTM에 등록된 순서로 순도 또는 주요 용도를 가리킨다. X1 등으로 표시되는 것은 아직 ASTM 규격으로 인정되지 않은 새로운 합금을 뜻한다. T6은 열처리 조건을 나타 낸 것으로 상기의 마그네슘합금은 9% Al과 1% Zn을 함유하고 T6 열처리를 한 고 순도 마그네슘합금임을 나타낸다.[1, 5]
마그네슘 다이캐스팅 합금으로는 Mg-Al계와
Mg-Zr계가 대표적이고, Mg-Al계는 합금성분에 따라 크게 다음의 4종류로 나누어진다.
(1) Mg-Al-Zn계 : AZ91D
(2) Mg-Al-Mn계 : AM60, AM50, AM20 (3) Mg-Al-Si계 : AS41, AS21
(4) Mg-Al-Re계 : AE42
Mg-Al계의 모든 합금은 기계적 성질, 주조성 및 내식성을 향상시키기 위하여 각각 알루미늄 및 망간을 함유한다. 그 밖의 함금원소로서 아연, 희토류, 원소 (Ce 50%, La 25%, Nd 20%, Pr 5%)가 첨가되 며, 각각 합금계의 특성이 부여된다[1,8].
2.2 레이저(laser) 가공 2.2.1 레이저의 특징
레이저는 "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"의 약자로서 전기에너지를 고도로 집중된 광 에너지로 바꾸어주는 일종의 광 변 환기이다. 레이저빔은 다른 광과 구별되는 몇 가지 특 성을 가지고 있는데, 단색광(이론적으로 단일 파장을 가지는 빛)이고, 높은 직선성(빔의 광선들이 거의 완 벽한 평행)을 가진다는 것이 특징이다. 이런 특성이 있어서 레이저에 의해 생성된 빛을 광 렌즈를 써서 매 우 작은 점에서 집중시켜 고밀도 에너지를 얻는 것이 가능하다.
레이저는 1960년대 초에 루비레이저의 발진을 시초 로 사용되기 시작한 레이저는 고 휘도성(brightness) 및 고출력성은 에너지 생산, 전송, 가열, 광화학에 이 용되었고, 지향성(직진성 : directivity), 간섭성 (coherence), 집광성, 편광성은 공업계측, 데이터 처 리, 유전공학에 적용되었으며, 단색성, 간섭성을 이용 하여 환경계측기술 등에 이용되고 있다.[10]
2.2.2 CNC 레이저 가공기
레이저가공(laser beam machining, LBM)은 기 화나 용융에 의해 재료를 제거하기 위해서 레이저로부 터 나오는 광 에너지를 사용하는 가공법으로 Figure.
1은 레이저 가공을 간략하게 도시한 것이다.
Figure 1. Laser processor principle[7]
2.2.3 CNC 레이저 가공기 구조[11]
레이저 가공기의 구조는 레이저 발진장치, 작업테이 블, 제어부, 레이저 빔 편광 조절장치, 가공헤드, 보조 가스 공급 장치 등으로 구성되어 있다.
(1) 레이저 발진장치 : 레이저 발진장치는 레이저 매질, 펌핑 광원, 공진기, 냉각장치 등으로 구성되고 레이저 종류는 레이저 매질에 따라 결정된다. 펌핑 광 원은 레이저를 기저상태(ground stated)에서 여기상 태(들뜬상태 : excited stated)로 만든다. 공진기의 뒤쪽에는 전 반사경이 있고 앞쪽에는 부분 반사경이 있어 레이저와 평행하게 배치되어 있으며, 냉각수로는 증류수를 사용하고 있다.
(2) 제어부 : 일반 CNC공작기계와 유사한 가공 상태 시뮬레이션, 재질 두께에 따른 가공조건 및 프로 그램을 입력 수정할 수 있는 조작반이 있다.
(3) 작업 테이블 : 공작물을 고정하는 부분으로 X, Y, Z축의 이송 시스템으로 구성되어 있다.
(4) 레이저 빔 편광 조절 장치 : 레이저 발진장치 에서 얻은 선편광을 위상이동 반사경을 0 - 90°로 조 절하여 빛의 형태를 조절하는 장치로 이를 45°로 설치 하여 생성된 원 편광 빛을 이용하게 된다.
(5) 가공헤드 : 생산현장에서 절단, 용접, 마킹, 열 처리 등의 용도에 따라 적절한 노즐을 선택하여야 한 다.(6) 보조가스 공급 장치 : 레이저 가공은 재료를 국부적으로 용해 또는 증발하는 가공으로 이 과정에서 보조 가스는 높은 압력으로 용해된 재료를 분사하거나 증발된 금속기체를 흡입하여 렌즈 등을 보호하는 역할 을 한다. 보조 가스는 가공에 상당한 영향을 미치는데 사용가스로는 산소, 공기, 아르곤, 질소 등을 사용한 다. 강소재인 탄소강, 스테인리스강에는 산소가 사용 되며, 아크릴, 목재, 활성재질에는 공기, 아르곤, 질소 등을 사용한다. 특히 마그네슘, 지르코늄, 티타늄 등은 산소와 반응을 일으키므로 이러한 재질은 산소 사용을 금한다.
2.2.4 레이저의 종류
레이저 출력 및 종류에 따라 틀리며, 레이저의 종류 는 Table 1과 같다.
(1) CO2 레이저 : CO2에 질소 및 헬륨을 첨가하 여 수십 KW 출력으로 발생시키는 레이저이며, 금속가 공 및 산업용에 널리 사용하고 있다.
(2) YAG 레이저 : 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저로서, 발진기의 모체를 형성하는 재료의 Yttrium, Aluminum, Garnet의 머리 문자를 따온 것으로, CO2레이저와 더불어 마킹, 드릴링, 용접 등 에서 많이 사용하고 있다. YAG는 결정체이므로 대형 발진기의 제작이 불가능하다.
(3) 반도체 레이저 : 반도체 레이저는 광(光) 다이 오드가 발견된 직후인 1962년에 발명되었고 다이오드 레이저라고도 하며, 크기가 작고 가격이 저렴하여 대 량생산 및 정보이동의 용이성 등 많은 장점이 있다.
CD재생장치, 광통신, 전기 광학소자 등 광 공학에서 쓰이고 있다.
Table 1. Types of lasers 레이저 매질 레이저 종류 기체 레이저
헬륨-네온(He-Ne), 아르곤(Ar), 탄산가스(CO2) 질소(N2), 크립톤(Kr),
고체 레이저
네오디늄 야그(Nd : YAG), 네오디 늄 글라스(Nd : Glass), 루비, Color Center, 주파수 가변, Slabe 액체 레이저 각종 색소 레이저
반도체 레이저 GlAlAs, InGaAsp 화학 레이저 HF, DF
2.2.5 레이저의 가공기의 특징 (1) 비접촉식 이다.
(2) Chip이 생기기 않는 매우 깨끗한 가공법이다.
(3) 자동 프로그램에 의해 복잡한 형상도 손쉬운 작업이 가능하다
(4) 절단되는 폭과 열 영향을 받는 폭이 매우 좁아 가공정도 및 재료 이용률이 좋다.
(5) 절단면이 깨끗하여 후 공정이 필요 없다.
(6) 다품종 소․중량 생산의 박판절단 시 금형이 필요 없다.
(7) 빛을 반사하는 재질은 가공이 어렵다.
(8) 공정의 자동화가 용이하다.
(9) 불가능한 고경도 재료의 절단은 물론 아크릴, 피혁, 양복지 등의 다양한 재료 절단에 좋다.
2.2.6 레이저의 가공기의 프로그램 및 규격 (1) 프로그램 : 와이어 컷 방전 가공기 윤곽 프로 그램과 거의 같고, 시작 전 공작물과 노즐의 수평과 간격은 1.0mm 정도로 한다. 가공 시작점과 끝에서 레이저, 냉각수, 보조가스 ON/OFF의 보조기능 사용 에 유의해야 한다.
(2) 규격 : 레이저 가공기 기능 및 규격 검토 시에 는 레이저 종류 및 출력, 테이블의 크기, 최대 가공중 량, 테이블 최대 이송속도, 보조가스 장치(집진장치), 냉각장치, 가공헤드, 제어부(가공 파라미터 기록, 자동 정전복귀, 그래픽, 외부기기 입력, 도형편집), 소비전 력 등의 사항을 파악해야 한다.
3. 실험장치 및 방법 3.1 실험재료
실험에 사용한 마그네슘합금은 자동차, 항공기의 부 속 및 내외장재로 가장 널리 사용되는 AZ31B를 사용 하였으며, 특성비교를 위한 알루미늄합금은 AL6061 을 사용하였다. Table 2.와 Table 3은 회사에서 제 공된 피삭재의 화학적 성분을 나타낸 것이며, Table 4는 두 재료의 기계적 성질을 나타내고 있다. 실험을
위하여 두께 4mm의 판재를 200mm × 300mm로 1 차 가공하여 사용하였다.
Table 2. Chemical composition of AZ31B[12]
Al Zn Mn Si Fe Cu
2.97 0.8 0.31 0.021 1.001 1.002
Ni Be Cl Ca Na Mg
0.0005 0.001 0.001 0.0018 0.0016 other Table 3. Chemical composition of AL6061
Si Fe Cu Mn Mg
0.4 - 0.8 0.7 0.15 - 0.40 0.15 0.8 - 1.2
Zn Cr Ti Al
0.25 0.04 - 0.35 0.15 other
Table 4. Mechanical Properties Comparison of AZ31B and AL6061[12]
Material AZ31B
(3.0mm) AL6061-T6 Density (g/㎤) 1.78 2.69 Modulus of Elasticity(GPa) 45 69 Tensile Strength(MPa) 266 310 Yield Strength(MPa) 165 276 Elongation (%) 13 12 Thermal Conduct.(W/m·K) 96 167 Machinability (%) 100 - Melting Point (°C) 632 646
3.2 공작기계
마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단특성실험을 위 한 공작기계로는 AMADA사의 고속 레이저 머신 (FO-3015NT, Figure 2)을 사용하였다. 몇 가지 중 요 제원은 Table 5.와 Table 6과 같다.
Table 5. Laser machine specifications(FO-3015)[13]
이동방식 X축, Y축 : 광축이동
제어방식 X, Y, Z축 제어
(동시제어축수 :3축) 최대 가공치수 3070 x 1550 x 200mm 가공이송속도 X축 m/min 0 - 20
Y축 m/min 0 - 20 급속이송속도
X축 m/min 80 Y축 m/min 80 Z축 m/min 60 최대 재료중량 kg 850 최소 설정단위 mm 0.001 어시스트 가스 컨트롤 자동전환 패스라인(가공면 높이) mm 840
Figure 2. Laser machine(FO-3015NT)[13]
Table 6. Laser machine oscillator specifications(FO-3015)[9]
발진방식 고속 축류 방식
레이저 출력 출력(정격) : W 4000 안정도 : % ± 2
출력 Beam
파장 : ㎛ 10.6
모드 저차모드
외경 : mm 약 27 발산각 : mrad 2 이하
편광 90° 직선 편광
레이저 가스 혼합가스 : % 5 : 55 : 40 (CO₂:N₂:He) 안정도 : L/h 약 10 3.3 측정 장치
레이저 절단가공 후 마그네슘합금과 알루미늄합금의 표면거칠기는 Mitutoyo사의 표면조도 측정기 (SJ-402, Figure 3)를 이용하여 측정하였으며, 몇 가지 주요제원은 Table 7과 같다. 또한 가공면의 관 찰과 사진촬영을 위하여 Nikon사의 공구현미경 (MM-60/L3U, Figure 4)을 사용하였다. 이들에 대 한 몇 가지 주요 제원은 Table 8과 같다.
Figure 3. Surface Rough Meter
Table 7. Surface Rough Meter specifications Measuring range Z : 800㎛(±400㎛)
X : 50mm Measuring force 0.75mN
Detector method Differential inductance method Stylus tip material Diamond
Stylus tip radius 2㎛ (80in) Stylus tip angle 60°
Minimum resolution 0.000125㎛(8㎛ range) CUT-OFF 0.08mm, 0.25mm, 0.8mm,
2.5mm, 8mm
Sampling length 0.08mm, 0.25mm, 0.8mm, 2.5mm, 8mm
Analysis profile P, R, W, DIN4776, MOTIF Digital filter 2CR-75, PC75, Gauss Data output RS-232C, SPC
Table 8. Tool microscope specifications Eyepiece
lens magnification 10X Objective lens
magnification 5X, 10X, 20X, 50X, 100X Stage stroke 350 [mm] × 240 [mm]
Stage accuracy (3+L/50) [㎛]
L : Length [mm]
Max. workpiece
hight 200 [mm]
Min. reading
accuracy 0.0001 [mm]
Light source 12V-100W(Episcopic), 12V-50W(Diascopic)
Figure 4. Tool microscope
3.4 실험방법 1) 실험 방법
실험은 알루미늄합금의 절삭조건으로 마그네슘합금 과 알루미늄합금을 직선 절단하여 가공면의 형상과 표 면거칠기를 먼저 관찰하였다.
또한, 직선과 직선이 만나는 부분의 상태를 관찰하 기 위하여 Figure 5와 같이 각도를 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150 도로 변화시키면서 절단하여 구석 부 를 관찰하였다.
Figure 5. Angle Variation of Corner with Straight Line 마지막으로 Figure 6과 같이 직선과 원호의 시작점 이 만나는 부분의 특성관찰을 위하여 0, 30, 45, 60, 90도로 변화시키면서 절단하여 관찰하였다.
Figure 6. Changes in the angle of the straight line and the start of the arc
2) 가공 조건
마그네슘합금의 레이저 절단에 관한 가공 조건은 업 체에서 제공되지 않고 있다. 따라서 본 실험에서는 알 루미늄합금의 가공 조건에 맞춰 실험을 진행 하였으며 중요 데이터는 아래 Table 9와 같다.
Table 9. processing conditions
속도 출력 주파수 듀티
100 4000 200 30
노즐간격 보정량 엣지데이터 근사데이터
2.000 0.150 0 201
가스압력 가스종류 가스시간
0.80 4 0
파인 피어스 AC보정량
0 101 0.00
4. 실험결과 및 고찰
4.1 마그네슘합금과 알루미늄합금의 레이저 가공 단면 특성
마그네슘합금과 알루미늄합금을 동일한 가공 조건으 로 레이저 절단가공하여 가공면의 특성과 표면거칠기
를 관찰하였다.
Figure 7과 Table 10은 실험에 대한 결과를 나타 낸 것이다. 그림에서 나타나듯이 절단면의 상부와 하 부로 구분 하였을 때 절단면의 상부가 더 좋은 품질을 나타내며 하부로 갈수록 품질은 나빠짐을 알 수 있었 으며, 알루미늄 합금은 상부가 마그네슘 합금보다 조 금 더 짧게 생성됨을 알 수 있다.
Table 10은 두 합금의 표면 거칠기 값을 나타낸 것이다. 두 합금의 표면거칠기 값을 보면 상부에서는 알루미늄합금이 하부에서는 마그네슘합금이 더 좋은 표면거칠기 값을 나타냄을 알 수 있다. 이것은 보았을 때 두 합금의 레이저 절단가공에서는 마그네슘 합금이 알루미늄 합금보다 전체적으로 양호한 결과를 나타냄 을 알 수 있다.
(a)AZ31 (b)AL6061 Figure 7. Image of laser cut Table 10. Surface Roughness of Laser Cut
구분 상부 하부
마그네슘 합금 (AZ31)
Ra 3.19 ㎛ 4.02 ㎛ Rz 18.4 ㎛ 23.5 ㎛ 알루미늄 합금
(AL6061)
Ra 2.63 ㎛ 6.36 ㎛ Rz 15.13 ㎛ 38.93 ㎛ 4.2 마그네슘합금과 알루미늄합금의 직선과 직선
교차 부분에서의 레이저 가공특성
Figure 8과 9는 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단에서 직선과 직선이 교차하는 부분을 각도변화를 주어 절단한 모양을 나타내고 있다. 그림에서 보이듯 이 각도변화에 따른 절단면의 차이는 크게 나타나지 않았으나 마그네슘합금이 알루미늄합금보다 절단면의 모양이 조금 더 정밀함을 보여준다. 또한 구석부에는 직각이지만 레이저 광원의 지름만큼 반지름이 생기는 것을 알 수 있다.
Mg Core Cavity
15°
30°
45°
60°
90°
120°
150°
Figure 8. The Shape of the Corner of Magnesium Alloy with Different Angle
Al Core Cavity
15°
30°
45°
60°
90°
120°
150°
Figure 9. The shape of the corner of the aluminium alloy with varying angles
4.3 마그네슘합금과 알루미늄합금의 직선과 곡선 교차 부분에서의 레이저 가공특성
Figure 10과 11은 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단에서 직선과 원호가 교차하는 부분을 각도변화를 주어 절단한 모양을 나타내고 있다. 그림에서 보이듯 이 두 합금의 절단면의 차이는 크지 않지만 앞선 결과 와 마찬가지로 마그네슘합금이 알루미늄합금보다 절단 면의 모양이 조금 더 정밀함을 알 수 있다.
Mg Core Cavity
15°
30°
45°
60°
90°
Figure 10. The Shape of the Corner of Magnesium Alloy with Different Angle
Al Core Cavity
15°
30°
45°
60°
90°
Figure 11. The shape of the corner of the aluminium alloy with varying angles
5. 결 론
본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 레이저 절 단기를 이용하여 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절단 면을 비교하여 관찰하기 위하여 세 부분으로 나누어 실험을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1) 동일한 가공조건에서는 마그네슘합금이 알루미 늄합금보다 좋은 절단 특성을 가지며 절단면의 표면 거칠기도 양호한 값을 얻을 수 있었다.
2) 직선과 직선이 만나는 구석부의 절단에서는 다 양한 각도의 변화에도 마그네슘합금과 알루미늄합금의 절삭특성이 비슷하였으며 진입각도에 상관없이 구석부 에는 절단하는 레이저 광원의 지름만큼의 반경이 발생 함을 알 수 있었다.
3) 직선과 곡선이 만나는 구석부에서는 직선과 직 선이 만나는 구석 보다는 양호한 값을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 구석부가 발생하는 경우 직선과 직선 보다는 약간의 반지름 값을 주어 나타내는 것이 더 좋 은 결과를 얻을 것으로 생각된다.
4) 위와 같은 실험을 통해서 마그네슘합금과 알루 미늄합금의 레이저 절삭 시 특성을 비교한 결과 알루 미늄 합금보다 마그네슘 합금이 절삭성이 우수함을 알 수 있었다.
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