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서형 추
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1 연구논문 순티타늄판의 레이저용접성에관한연구 에지용접특성 김종도 길병래 곽명섭 송무근 한국해양대학교기관시스템공학부 대우조선해양 주 산업기술연구소 한국해양대학교대학원 A Study of Weldability for Pure Titanium by Nd:YAG Laser(III) - Weld Properties of Edge Welding - Jong-Do Kim*,, Byung-Lea Kil*, Myung-Sub Kwak** and Moo-Keun Song*** *Division of Marine System Engineering, Korea Maritime University, Busan , Korea **Industrial Application R&D Institute, DSME. Co., LTD., Okpo , Korea ***Graduate School, Korea Maritime University, Busan , Korea Corresponding author : jdkim@hhu.ac.kr (Received October 27, 29 ; Revised November 17, 29 ; Accepted November 23, 29) Abstract Titanium and titanium alloy can be reproduced immediately even if oxide films(tio 2 ) break apart in sea water. Therefore, since titanium demonstrates large specific strength and outstanding resistance to stress corrosion cracking, crevice corrosion, pitting and microbiologically influenced corrosion in sea water environment, it has been widely applied to heat exchanger for ships. In particular, with excellent elongation, pure titanium may be deemed as optimal material for production of heat exchanger plate which is used with wrinkles formed for efficient heat exchange. Conventional plate type heat exchanger prevented leakage of liquid through insertion of gasket between plates and mechanical tightening by bolts and nuts, but in high temperature and high pressure environment, gasket deterioration and leakage occur, so heat exchanger for LPG re-liquefaction device etc do not use gasket but weld heat exchanger plate for use. On the other hand, since welded plate cannot be separated, it is important to obtain high quality reliable welds. In addition, for better workability and production performance, lasers that can obtain weldment with large aspect ratio and demonstrate fast welding speed even in atmospheric condition not in vacuum condition are used in producing products. So far, 1st report and 2nd report compared and analyzed embrittlement degrees by bead colors of weldment through quantitative analysis of oxygen and nitrogen and measurement of hardness as fundamental experiment for the evaluation of titanium laser welding, and evaluated the welding performance and mechanical properties of butt welding. This study welded specimens in various conditions by using laser and GTA welding machine to apply edge welding to heat exchanger, and evaluated the mechanical strength through tensile stress test. As a result of tensile test, laser weldment demonstrated tensile strength 4 times higher than GTA welds, and porosity could be controlled by increasing and decreasing slope of laser power at overlap area. Key Words : Pure titanium, GTAW, Edge welding, Slope up, Slope down

2 순티타늄판의 레이저용접성에관한연구 에지용접특성 1. 서론 티타늄및티타늄합금은해수환경에서응력부식균열 틈부식 공식 및미생물부식 에대한저항성이탁월하고비강도 가크기때문에선박용열교환기로많이사용되어왔다 특히순티타늄은연신률이좋아서효율적인열교환을위해서주름을포밍 하여사용하고있는판형열교환기의전열판제작에는최적의재료라고할수있다 기존에는판과판사이에개스킷을삽입하고볼트와너트에의한기계적체결로해수의누설을방지했으나고온및고압의환경에서는개스킷이열화하여누설이발생하므로 재액화장치용열교환기등에서는개스킷을사용하지않고열교환판을용접하여사용하고있다 한번용접한판은분리가불가능하기때문에고품질의신뢰성있는용접부를얻는것이중요하다 또한제품의생산에있어서작업성및생산성도중요하기때문에진공이아닌대기중에서도어스팩트비 가큰용접부를얻을수있고용접속도가빠른레이저를사용하여제품을생산하고있다 지금까지 보 와 보 에서는티타늄의레이저용접성평가를위한기초실험으로서용접부의비드색깔에따른취화정도를산소 질소정량분석과경도측정을통하여비교 분석하고맞대기용접에대한용접성및기계적특성을평가하였다 본연구에서는열교환기에에지용접을적용하기위하여레이저및 용접기를이용하여다양한조건에서용접하고인장시험을통하여기계적강도를평가하였다 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에사용한재료는두께 순도 의공업용순티타늄으로항복강도는 인장강도는 이다 2.2 실험장치및방법실험에는가우시안빔모드의 레이저와 용접기를사용하였다 용접기는 모델이고용가재 는모재를약 의폭으로절취하여사용하였다 레이저의집광광학계헤드는 의 축을따라 Unit : mm 이동하고시험편은 테이블위에서이송된다 레이 저용접시의모습을 에나타낸다 실드조건을정하기위한기초실험에서 를사용하여 동축실드가스유량 을 l 으로흘렸을때도 비드가완전히산화되었다 따라서사이드실드노즐을 추가로설치하여용접부를실드하였다 이때 실드노 즐의각도와유량이용접부의기공형성에매우중요한 역할을하기때문에여러번의실험을거쳐서사이드실 드노즐유량 l 각도 동축실드가 스유량을 l 으로하여실험을진행하였다 에지용접부인장시험의경우에는특별한규정이없 기용접부로부터 아래에서직각으로굽혀서임 의로인장시험편을제작하였다 인장시험편의규격을 에나타낸다 3. 실험결과및고찰 3.1 레이저의비초점에따른특성 집광광학계의비초점거리변화에따른비드천이를 알아보기위하여두께 의판을 장사용하여비 초점거리를변화시키면서용입깊이를측정하였다 완전 용입이되지않도록레이저조사조건을선정하였고용 접부의실드는기초실험에서얻어진결과를바탕으로 을사용하여동축실드는 l 이면실드는 l 으로하였다 이때의전면비드폭

김종도 길병래 곽명섭 송무근 Penetration depth, D p (mm) Front bead width, W f (mm) 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1, 9 8 7 6 5 4 3 P L =5W, ν=1mm, Q cs :Ar(25l/min), Q bs :Ar(1l/min) Front bead width Penetration depth -6-4

로이동함에따라비드폭은점점넓어지고용입깊이는 감소하였는데비초점거리가플러스일때보다는기울기 가크지않았다 이것은비초점거리가마이너스로이동 할때에는초점이재료안쪽에맺히게되고레이저가 재료안쪽에서집광된이후에발산하는형태를취하기 때문이다 비초점거리 에서 사이의구간이용입이깊고 비초점거리가멀어질수록용입깊이가감소하고있다 용입이가장깊고비드폭이좁으며초점이재료안쪽에

2 레이저의에지용접특성 용접속도에따른용입특성 레이저출력 을 로하고용입길이 가가장길고건전한비드를형성하는 용접속도 를선정하기위하여실험을진행하였다 에용접속도에따른용입특성을나타낸다 용접속도가빨라짐에따라입열이감소하기때문에용 접속도의증가에따라서용입이점진적으로감소했다 또한비드색깔도용접속도 에서는분홍색 에서는옅은청색 에서 는황금색과갈색이섞여있었고 에서는황

8 Welding speed, n(m/min) 압력을견뎌야하기때문에용입길이가가장길고생산성측면에서용접속도가빠른 이적절한용접속도라고생각된다 간극 에따른용접성시험편사이에간극이조금이라도있으면용접시플라즈마가이간극을따라흔들리므로용접비드가건전하지못하게된다

3 김종도 길병래 곽명섭 송무근 Penetration depth, D p (mm) Front bead width, W f (mm) 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1, P L =5W, ν=1mm, Q cs :Ar(25l/min), Q bs :Ar(1l/min) Front bead width Penetration depth Defocused distance, f d (mm) 과용입깊이 를 에 나타낸다 모든용접조건에서열전도형용접이일어났고황금색 의건전한전면비드를얻었으며용접부는주상정의조 대한조직을나타내었다 비초점거리에따른용입특성 을살펴보면초점을기준으로비초점거리가플러스 로이동함에따라용입깊이는점점얕아지고전면비드 폭은넓어졌다가좁아졌고 비초점거리가마이너스 로이동함에따라비드폭은점점넓어지고용입깊이는 감소하였는데비초점거리가플러스일때보다는기울기 가크지않았다 이것은비초점거리가마이너스로이동 할때에는초점이재료안쪽에맺히게되고레이저가 재료안쪽에서집광된이후에발산하는형태를취하기 때문이다 비초점거리 에서 사이의구간이용입이깊고 비초점거리가멀어질수록용입깊이가감소하고있다 용입이가장깊고비드폭이좁으며초점이재료안쪽에 맺히기때문에플라즈마에의한레이저빔손실이가장 적을것으로판단되는비초점거리 을적절한용 접조건으로정하고이후의실험에서는비초점거리를 로고정하였다 3.2 레이저의에지용접특성 용접속도에따른용입특성 레이저출력 을 로하고용입길이 가가장길고건전한비드를형성하는 용접속도 를선정하기위하여실험을진행하였다 에용접속도에따른용입특성을나타낸다 용접속도가빨라짐에따라입열이감소하기때문에용 접속도의증가에따라서용입이점진적으로감소했다 또한비드색깔도용접속도 에서는분홍색 에서는옅은청색 에서 는황금색과갈색이섞여있었고 에서는황 금색을나타내었다 열교환기에적용시최대 의 D p Wf Penetration length, Lp(mm) P L = 95W, f d =-1mm, Q cs :Ar(15l/min), Q ss :Ar(15l/min) 13 1mm Welding speed, n(m/min) 압력을견뎌야하기때문에용입길이가가장길고생산성측면에서용접속도가빠른 이적절한용접속도라고생각된다 간극 에따른용접성시험편사이에간극이조금이라도있으면용접시플라즈마가이간극을따라흔들리므로용접비드가건전하지못하게된다 더욱이다른용접열원에비해스폿사이즈가극히작은레이저용접에서는스폿사이즈이상으로간극이벌어지면레이저빔이간극사이로빠져나가므로용접이되지않기때문에용접부의간극조정이매우중요하다 단차 의경우에도일부분만용융되고일부분은모재가용융되지않고그대로남아있을수있기때문에가능한단차가생기지않도록지그로모재를잘고정하여야한다 그러나아무리주의하여도경우에따라서간극및단차가발생할수있으므로이에대한검토를행하였다 실제열교환판용접시지그의정도가좋지않을경우및지그에열교환판이어긋나게고정되었을경우를고려하여에지용접의경우에간극과단차를두어용접을하였다 인서트 금속으로는 박판을사용하였다 레이저스폿의위치는간극의영향을알아볼때에는간극의정중앙에 단차실험시에는모재가맞닿는면으로하여간극및단차가없을때와동일한방법으로용접하였다 레이저출력 용접속도 일때간극에따른용접특성을 에나타낸다 판사이의간극이넓어짐에따라 까지는상부모재가모두용융되었는데 에서부터는일부분이용융되지않았고 스폿사이즈가 이므로 에서는빔의대부분이간극사이로빠져서용접이되지않았다 또한간극 에서마이크로기공이관찰되었다 용입길이가 를기준으로이보다느린속

순티타늄판의 레이저용접성에관한연구 에지용접특성 Penetration length, Lp(mm) Penetration length, Lp(mm) 18 17 16 15 14 13 12 11 P L = 95W, f d = -1mm, ν= 2.

5mm No penetration 도에서는융액이간극사이로쳐지기때문에용입길이가 증가하고 빠른속도에서는반대로간극의영향으로가 우시안빔에서에너지밀도가가장높은가운데부분의 빔이새기때문에에너지가손실되어용입길이가감소 한다 간극이존재할때스폿사이즈의 까지 시험편두 께의

내리면서단차가용접성에미치는영향을관찰하였고 그결과를 에나타낸다 단차가 에 서는청색계통의비드색깔을가지는건전한비드가얻 어졌고 이상에서는단차에의해서모재끝단이 용융되지않은황금색과갈색이섞여있는비드가얻어졌 다 단면을살펴보면단차가커짐에따라한쪽이용융

7m/min Q cs : Ar(15l/min), Q ss : Ar(15l/min).5mm..2.4.6.8 1.

길이가조금더길어졌는데이것은단차의길이만큼모재가아래쪽으로내려가기때문에처음에용융될모재가줄어들어서입열이미세하게나마증가했기때문이라고생각된다 용입길이와용접부의형상만을고려하면최대

따라서이들중첩부에대한검토를위하여용접부의시 종단이겹치게용접하였다 용접시작점에서레이저출력의슬롭업을하지않았을경우에 가까이에기공이다량발견되었고비드중첩부에그기공이그대로남아있었다

4 순티타늄판의 레이저용접성에관한연구 에지용접특성 Penetration length, Lp(mm) Penetration length, Lp(mm) P L = 95W, f d = -1mm, ν= 2.7m/min Q cs : Ar(15l/min), Q ss : Ar(15l/min) Laser energy loss Gap(mm).5mm No penetration 도에서는융액이간극사이로쳐지기때문에용입길이가 증가하고 빠른속도에서는반대로간극의영향으로가 우시안빔에서에너지밀도가가장높은가운데부분의 빔이새기때문에에너지가손실되어용입길이가감소 한다 간극이존재할때스폿사이즈의 까지 시험편두 께의 까지용접이가능한것을확인하였고간극이 없는경우가가장이상적이나 부득이하게간극을두어 야할경우에는용입길이를고려해서최대허용한도를 로하는것이적당하다고판단된다 단차에따른용접특성 두판을간극이없이평행하게한다음 판하나는 고정하고다른하나의판을일정간격으로아래쪽으로 내리면서단차가용접성에미치는영향을관찰하였고 그결과를 에나타낸다 단차가 에 서는청색계통의비드색깔을가지는건전한비드가얻 어졌고 이상에서는단차에의해서모재끝단이 용융되지않은황금색과갈색이섞여있는비드가얻어졌 다 단면을살펴보면단차가커짐에따라한쪽이용융 되지않은것이명확하게관찰가능하였다 용입길이는단차가 일때조금증가하다가단 차가커짐에따라선형적으로감소하였으며 에 P L = 95W, f d = -1mm, ν= 2.7m/min Q cs : Ar(15l/min), Q ss : Ar(15l/min).5mm Misalignment(mm) 서다시조금증가하는 를기준으로좌우 상하가대칭적인양상을나타내었다 또한단차가커짐에따라아래쪽으로내려간판의 길이가조금더길어졌는데이것은단차의길이만큼모재가아래쪽으로내려가기때문에처음에용융될모재가줄어들어서입열이미세하게나마증가했기때문이라고생각된다 용입길이와용접부의형상만을고려하면최대 까지단차를허용해도될것으로판단되나열교환기의사용압력을고려한다면압력테스트등의추가적인실험으로허용한도를정해야할것으로생각된다 슬롭업및다운 에따른용접성용접부의시 종단이만날때에는이부분에서결함이가장많이발생하고사용중에균열등이가장많이발생한다 따라서이들중첩부에대한검토를위하여용접부의시 종단이겹치게용접하였다 용접시작점에서레이저출력의슬롭업을하지않았을경우에 가까이에기공이다량발견되었고비드중첩부에그기공이그대로남아있었다 그러나슬롭다운구간에서는기공이관찰되지않았기때문에용접초기에생성된기공이모재가예열이되지않아서용융금속외부로빠져나갈충분한시간이없었을것이라고판단된다 따라서용접초기에슬롭업구간을두어용입을서서히깊게하여기공의생성을최소화하고기공이생성되더라도중첩시에기공이빠져나갈수있도록하는방법을모색하였다 기초실험에서슬롭업구간을 로중첩되는부분을 슬롭다운구간은 로하였을때비드외관상으로는건전한비드가형성되었으나종단면관찰시슬롭업과슬롭다운시에용융경계면을따라기공이다수분포하였고비드중첩부에서도기공이남아있었기때문에일정한출력을유지한후슬롭업을하는방법으로재실험을하였으며그결과는 에나타낸다 이때의슬롭업과슬롭다운구간은 와동일하며슬롭업구간에서출력을 와 로유지하다가 로올리는방법을채택하였다 이경우는비드외관이건전할뿐만아니라슬롭업과슬롭다운구간및비드중첩부에서도기공이거의발견되지않았다 추가로슬롭업구간과비드중첩부의길이를좀더길게하여각각 와 로하여실험을하였을때에는용입깊이가일정하게나오지않았는데이것은사용한레이저가긴구간의슬롭업과슬롭다운시에는출력이일정하게나오지않기때문으로생각된다 에지용접에서는열전도가깊이방향으로만일어나기

김종도 길병래 곽명섭 송무근 l l Welding direction 2 1 l

(B) 3 7 2 Distance(mm) (D) (D) (C) 2mm 1mm P

2 331. 264.8 198.6 132.4 66.2 1 μm 1 μm 2.

5 김종도 길병래 곽명섭 송무근 l l Welding direction 2 1 l l P L (W) (A) (B) Distance(mm) (D) (D) (C) 2mm 1mm P L (W) 1mm Tensile strength(n/mm 2 ) BM Welding speed(m/min) Load(kgf) μm 1 μm 2.7m/min 3.m/min 3.3m/min Stroke(mm) 때문에이와같이출력에매우민감한경향을나타낸다고판단되고다른형상의용접보다도섬세한파워의조절이필요하다 인장강도평가에지용접의경우용입길이가가장긴경우인용접속도 에서는인장강도가가장크고연성파면을나타내었는데 이보다빠른속도에서는 에서와같이연성파면내에취성파면이섞여있는형태를나타내었고인장강도도용접속도의증가와함께급격하게감소하였다 변응 응력곡선에서인장시험초기에그래프모양이조금씩꺾이는것은 로꺾여있던시험편이펴지면서그래프에영향을미친것이다 3.3 GTAW의에지용접특성레이저용접부와의기계적특성을비교하기위하여기존열교환판의에지용접에적용하고있는 용접부의단면및인장강도를살펴보았다 용접부는 가스를사용하여실드하였고가스압력은토치실드 와이면실드 모두 이다 용접비드는은백색이고용입길이는약 로 레이저의최적용접조건에서의약 보다는얕은용입이얻어졌고 는 와같이레이저용접의 배이상넓었다 의조건에서용접한 개의시험편에대하여인장시험을실시한결과 과같이시험편마다편차는있었으나평균한결과약 로레이저용접시 에서얻어진값보다약 배작았다 (b) 2mm Tensile strength(n/mm 2 ) BM No.1 No.2 Specimen No. No.3 No.4 Load(kgf) μm 1mm No.1 No.2 No.3 No Stroke(mm) 또한연성및취성파면이섞여있어전체적으로레이 저용접부보다좋지않은특성을나타내었다

6 순티타늄판의 레이저용접성에관한연구 에지용접특성 4. 결론 레이저와 용접기를사용하여 의순티타늄판을에지용접한결과를정리하면다음과같다 에지용접에서는열전도가깊이방향으로만일어나기때문에다른형상의경우보다도용접시섬세한파워의조절이필요하다 레이저를이용하여 에서에지용접을하였을경우에최대허용간극은 단차는 로판단된다 용접시 종단의중첩부에서레이저출력의슬롭업 다운을이용하여기공의형성을제어할수있었다 레이저용접부의용입길이가 용접부보다약 배길었고 도 배이상작았다 인장시험실시결과 레이저용접부는 용접부에서는약 로레이저용접부가 배정도인장강도가높았다 후기 본연구는산업자원부지역산업기술개발사업 과제번호 의지원으로수행되었으며이에감사드립니다 본연구는지식경제부및정보통신산업진흥원의대학 연구센터지원사업의연구결과로수행되었음 참고문헌

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DBPIA-NURIMEDIA 55 연구논문 순티타늄판의 Nd:YAG 레이저용접성에관한연구 (I) - 실드조건에따른용접특성 - 김종도 *, 곽명섭 ** 김창수 *** * 한국해양대학교기관시스템공학부 ** 대우조선해양 ( 주 ) 산업기술연구소 *** ( 주 ) 동화엔텍열유체연구소 A Study of Weldability for Pure Titanium by Nd:YAG Laser(I) -