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영은 한
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1 71 연구논문 조원익 * 나석주 * * 한국과학기술원기계공학과 A Study on the Process of Hybrid Welding Using Pulsed Nd:YAG Laser and Dip-transfer DC GMA Heat Sources Won-Ik Cho* and Suck-Joo Na* *Department of Mechanical Engineering, KAIST, Daejeon 35-71, Korea Abstract Until now, many researches on laser-arc hybrid welding processes have been conducted mainly for high power CW laser and high direct current arc to weld the thick steel plates for shipbuilding. Recently, however the usage of thin steel plates, which tend to be deformed easily by thermal energy, is been increasing because of demand of light structure such as car body in the automobile industry. Accordingly, heat sources having relatively low heat input such as pulsed laser, dip-transfer DC GMA and pulsed GMA seem to be applied more increasingly and the study about those heat sources is needed more intensively. Any heat source mentioned above can not stand alone without weld defects at a relatively high welding speed for increasing the welding productivity. This is main reason to apply the hybrid welding process which uses pulsed laser and low-heat-input GMA heat sources simultaneously to weld the thin steel plate. In this study, parameters of pulsed laser and dip-transfer DC GMA welding are studied firstly through preliminary experiments, and then analyzed in the viewpoint of their physical phenomena. Before conducting the hybrid welding, a pulse control technique is developed based on the parallel port communication and Visual C Owing to development of this technique, interactions of laser and arc pulses can be controlled consistently. Using the pulse control technique, the hybrid welding is conducted and then its interactive welding phenomenon is analyzed. *Corresponding author : sjna@kaist.ac.kr (Received October 16, 27) Key Words : Hybrid welding, Pulsed Nd:YAG laser, Dip-transferred GMA 1. 서론 하이브리드용접공정에대한다양한연구 1-5) 가 197 년대이래로현재까지수행되고있으며그중레이저와아크열원을조합하는방식인레이저-아크하이브리드용접이그주를이루고있다. 이러한하이브리드용접은레이저를단독으로사용할때보다높은용접속도, 이음성향상, 효율증가등과경우에따라작은용량의레이 저파워를사용함으로서초기투자비용을줄일수있는장점을가진다. 이러한레이저-아크하이브리드용접에관한연구는현재까지대부분선박의외판과같은후판의용접에적용하기위해연속파형레이저와고전류의 DC 아크열원을사용하였다 6). 하지만근래에들어이공정의적용을자동차용강판에까지넓히기위한연구 7) 가수행되고있으며이는소재가박판이라는점에서기존의연구와차별된접근이필요하다. 따라서본연구에서는박판의경우열에의한변형이 大韓熔接接合學會誌第 25 卷第 6 號, 27 年 12 月 625

72 조원익 나석주 쉽다는점에착안해상대적으로열입력이작은펄스레이저와단락이행모드의 DC GMA 열원을하이브리드용접열원으로선택하여실험을통해이들각각과상호작용에대한물리적모델을제시하였다. Penetration depth[mm] 1.4 1.2 1..8.6.4.2. 2.

2 72 조원익 나석주 쉽다는점에착안해상대적으로열입력이작은펄스레이저와단락이행모드의 DC GMA 열원을하이브리드용접열원으로선택하여실험을통해이들각각과상호작용에대한물리적모델을제시하였다. Penetration depth[mm] 예비용접실험및현상모델링 레이저용접과 GMA 용접을펄스형 Nd:YAG 레이저와단락이행모드의 DC GMA 열원을이용해각각수행하였다. 용접에사용된재료는최소인장응력이 59MPa 인 Dual Phase(DP) 강이며두께는.7mm 이며모두겹치기이음부의용접만을수행하였다. 먼저 DP 강의용접성을비교하기위해동일한조건하에서 AISI 12 연강의레이저용접을수행하여둘의용입깊이를비교하였다. 그결과 Fig. 1에서와같이두재료의차이가거의없음을확인할수있었다. 2.1 레이저용접 레이저용접에서는먼저펄스레이저를이용한선행연구자의결과 8) 를실험을통해확인해보았다. 사용된용접변수는 Table 1와같으며 Fig. 2에결과를비교하였다. 그결과선행연구와비슷한결과를얻었으며용접부의형상을통해비교적낮은용접속도에서만키홀모드가유지되어용접이이뤄졌고이보다높은속도에서는열전도모드만존재해용접을위한충분한용입이이뤄지지않았다. 이와같은사실은현연구와선행연구에서사용된레이저펄스의평균최대파워밀도가각각키홀형성을위해최소한으로필요한 1 6 W/cm 2 보다낮은 W/cm 2 와 W/cm 2 임을통해서도확인할수있었다. 이러한사실로부터용접시키 Welding speed[m/min] Fig. 1 Comparison of penetration depth of mild steel and dual phase steel in laser welding [laser mean po wer: 4W(25V, 3Hz, 4ms)] laser welding parameters Value Laser type 164nm Pulsed Nd:YAG Welding speed[m/min].1,.2,.3,.4,.5 Mean laser power[w] 4(25V, 3Hz, 4ms) Distance from focal point [mm] +5 Gap size[mm] Angle of laser torch[ ] 9 Shielding gas None Fig. 2 Penetration depth[mm] Table 1 Parameters of laser welding Welding speed[m/min] Comparison of penetration depth with respect to welding speed in laser welding Table 2 Modified parameters of laser welding laser welding parameters Value Laser type pulse Welding speed[m/min].5, 1., 1.5, 2., 2.5 Mean laser power[w] 5(27V, 4Hz, 4ms) Distance from focal point [mm] Gap size[mm] Angle of laser torch 9 Shielding gas None 홀모드를유지한다면용접속도를증가시킬수있을것으로예상된다. 이에따라키홀이유지되도록 Table 2 와같이변수를수정하여용접시험을수행하였다. 그결과 Fig. 3에서와같이 1. m/min 이하의속도에서는과도한열입력으로인해스패터가발생했고반면에 1. m/min 이상의속도에서는드릴링현상이발생했다. 그리고 1. m/min 근처의속도에서는스패터와드릴링현상은잦아들었지만험핑현상이목격되었다. 이러한이유는레이저펄스간의겹치는면적의비로설명할수있으며낮은용접속도에서는레이저펄스가생성하는용융풀의겹치는비율이커져과도한열입력에의한스패 626 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 27

73 Welding speed Top bead Bottom bead Cross section.5m/min 1.m/min 1.5m/min 2.m/min 2.5m/min Fig.

5 79.7 1. 6.3 1.5 41.9 2. 24.2 2.5 7.4 터가발생하고높은용접속도에서는용융풀간의겹치는비율이작아표면장력이감소하게되고따라서드릴링현상이발생하는것으로보인다. 펄스사이의겹치는비율은다음과같은식 8) 으로계산이되며각속도별로계산된값을 Table 3에첨부하였다.

먼저레이저에의해키홀이형성되면키홀앞에서생성된용융금속은높은증기압, 로인해키홀뒷면으로움직이게되고이때증기압과함께용융금속, 모재, 금속증기간의표면장력인,, 와중력, 이용융금속부에작용하게된다. 펄스레이저의특성상조사부위에서온도가급격히상승또는하강하여이로인해폭발적으로상승한증기압이용융풀을이탈시키는스패터현상이발생할수있으며급격한냉각으로인해험핑현상이발생할수있다. Fig.

3 73 Welding speed Top bead Bottom bead Cross section.5m/min 1.m/min 1.5m/min 2.m/min 2.5m/min Fig. 3 Lap-joint weld shape with respect to welding speed in laser welding Table 3 Calculated weld overlapping rate with respect to various welding speed Welding speed [m/min] Weld overlapping rate [%] 터가발생하고높은용접속도에서는용융풀간의겹치는비율이작아표면장력이감소하게되고따라서드릴링현상이발생하는것으로보인다. 펄스사이의겹치는비율은다음과같은식 8) 으로계산이되며각속도별로계산된값을 Table 3에첨부하였다. (1) 여기서, V는용접속도, T F 는펄스의주기, W는점용접시측정되는최소직경, T P 는펄스최대값의지속시간이다. 앞서언급했듯이펄스레이저는낮은열입력으로인해박판의용접에유용할것으로보인다. 하지만이의높은평균최대파워밀도로인해스패터, 드릴링, 험핑과같은결함이쉽게생길수있으며이와같은현상은 Fig. 4(a) 의모델로부터설명할수있다. 먼저레이저에의해키홀이형성되면키홀앞에서생성된용융금속은높은증기압, 로인해키홀뒷면으로움직이게되고이때증기압과함께용융금속, 모재, 금속증기간의표면장력인,, 와중력, 이용융금속부에작용하게된다. 펄스레이저의특성상조사부위에서온도가급격히상승또는하강하여이로인해폭발적으로상승한증기압이용융풀을이탈시키는스패터현상이발생할수있으며급격한냉각으로인해험핑현상이발생할수있다. Fig. 4(b) 는고속카메라를이용해실제펄스레이저용접에서중력이나표면장력에비해큰증기압에의해용융풀이스패터로키홀뒷면으로빠져나가는 (a) Fig. 4 (a): Schematic of defects generation of pulsed laser welding, (b): high speed camera image of released metal vapor from th e back of keyhole 현상을보여주고있다. 2.2 단락이행모드의 DC GMA 용접 Table 4와같은용접조건으로시험을수행했으며아크전류와전압을측정하기위한데이터획득시스템은 Fig. 5와같고이를통해측정된신호는 Fig. 6과같다. 여기서단락에의해전류는급격히상승하고전압은급격히감소함을확인할수있었다. 그리고 Fig. 7의시험 Table 4 Parameters of dip-transfer DC GMA welding GMA welding parameters Value Welding mode DC Welding speed [m/min].5~2.5 Wire feeding rate [m/min] 3 Open circuit voltage [V] 16 Angle of electrode [ ] 6 CTWD [mm] 15 Shielding gas Ar+2%CO2 Gas flow rate [l/min] 25 Electrode φ.8mm solid wire (b) Fig. 5 Data acquisition system for arc welding 大韓熔接接合學會誌第 25 卷第 6 號, 27 年 12 月 627

74 조원익 나석주 Current [A] 25 2 15 1 5.5.1.15.2.25.3.35.4.45.5 Time[sec] 3 한연구는미비한현실이다. 따라서이구간에서작용하는힘을통해험핑현상을설명하고자한다. 먼저 Fig. 9(a) 에구형의용적에작용하는힘 9,1) 을보여주고있으며형상변수는 Fig.9(b) 에나타냈다. 이를통해유도한식은다음과같다.

6 Measured arc current and voltage signals of diptransfer DC GMA welding 중력 : (2) 여기서, 이다. 전자기력 : (3) Welding speed.5m/min Top bead Cross section 1.m/min 1.5m/min 2.m/min 2.5m/min Fig.

단락은상대적으로낮은전류에서일어나며얼마나주기적으로솔리드와이어끝의용적과모재가단락이일어나는지가용접품질에영향을미친다. 따라서높은용접속도에서의험핑현상은비주기적인단락에의한불안정한비드형성으로설명할수있겠다. 단락이행은 Fig.

4 74 조원익 나석주 Current [A] Time[sec] 3 한연구는미비한현실이다. 따라서이구간에서작용하는힘을통해험핑현상을설명하고자한다. 먼저 Fig. 9(a) 에구형의용적에작용하는힘 9,1) 을보여주고있으며형상변수는 Fig.9(b) 에나타냈다. 이를통해유도한식은다음과같다. 단, 전자기력의경우 인축대칭전극에유효한식으로여기서는이를이용해정확한수치보다는경향만을파악하고자한다. 25 Voltage [V] Time[sec] Fig. 6 Measured arc current and voltage signals of diptransfer DC GMA welding 중력 : (2) 여기서, 이다. 전자기력 : (3) Welding speed.5m/min Top bead Cross section 1.m/min 1.5m/min 2.m/min 2.5m/min Fig. 7 Lap-joint weld shapes with respect to welding speed in dip-transfer DC GMA weldi ng 결과에서용접속도 1.5 m/min 이상에서험핑현상이발생하였다. 앞에서언급했듯이단락이행의 DC GMA 열원은입상용적이행, 스프레이이행과비교해열입력이낮아박판의용접에적당하다. 단락은상대적으로낮은전류에서일어나며얼마나주기적으로솔리드와이어끝의용적과모재가단락이일어나는지가용접품질에영향을미친다. 따라서높은용접속도에서의험핑현상은비주기적인단락에의한불안정한비드형성으로설명할수있겠다. 단락이행은 Fig. 8에서와같이 3단계로나눌수있으며첫번째로아크가지속되는동안에솔리드와이어끝에서용적이성장하고두번째로성장한용적이모재와단락을일으키며마지막으로전류의증가와함께열핀치효과로인해단락부가떨어지며다시아크가생성된다. 현재까지는주로단락이일어날때와아크가다시생성될때스패터발생을제어하는데많은연구가행해졌으나험핑현상을설명하는데중요함에도불구하고단락이일어나기전까지의용적의거동에대 Fig. 8 Three steps of dip-transfer DC GMA welding 여기서, 는진공상태의투자율이고 는전류이다. 표면장력 : (4) 여기서, γ 는표면장력계수이다. 기화력 : (5) 여기서, 는단위시간과전류에대한기화된총질량, (a) (b) (c) Fig. 9 (a) Physical model of dip-transfer DC GMA welding for anti-deep transfer mode, (b) dimention information for derivation of for ce eqations, (c) high speed camera image for a nti-deep transfer mode 628 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 27

75 는증기상태의밀도, 그리고 는전류밀도이다. 항력 : (6) 여기서, 는차폐가스의유속, 는차폐가스의밀도, 그리고 는항력계수이다. GMA 용접토치가수직축에서 3 기울어진관계로작용하는힘의성분을다음과같이모재표면에수직인방향과평행한방향으로나눌수있다. (a) (7) (8) 이중모재표면에수직인성분에해당하는식 (7) 은단락을설명하는데중요하다.

이사실로부터단락이원활이일어나기위해선위의단락을방해하는전자기력과표면장력을줄여야하며이는레이저열원을추가하여발생하는플라즈마를통해해결될수있겠다. 따라서본연구에서는하이브리드열원을도입하고자한다. 3. 펄스제어기법 본장에서는펄스레이저와유사펄스형태의아크의상호작용에대한연구를수행하기위해필요한값싼실시간제어기법을제안한다.

4. 하이브리드용접실험 본장에서는앞에서제시한레이저와단락이행모드의 GMA 용접모델을이용하여하이브리드용접현상모델을제안하였다. 특히아크가레이저에의해발생하는금 Fig. 1 Welding speed.5m/min 1.m/min 1.5m/min 2.

5 75 는증기상태의밀도, 그리고 는전류밀도이다. 항력 : (6) 여기서, 는차폐가스의유속, 는차폐가스의밀도, 그리고 는항력계수이다. GMA 용접토치가수직축에서 3 기울어진관계로작용하는힘의성분을다음과같이모재표면에수직인방향과평행한방향으로나눌수있다. (a) (7) (8) 이중모재표면에수직인성분에해당하는식 (7) 은단락을설명하는데중요하다. 단락이행모드가낮은전류에서발생하므로용적에작용하는힘중중력, 전자기력, 표면장력이중요할것이며이중전자기력은단락이일어나기직전아크가용적의좁은면적에집중되어가장영향이커지며단락을방해하는힘이될것이다. 이는 Fig.9(c) 의고속카메라사진을통해서확인할수있으며그림에서용적이모재의위쪽으로들어올려지고있음을보여주고있다. 이사실로부터단락이원활이일어나기위해선위의단락을방해하는전자기력과표면장력을줄여야하며이는레이저열원을추가하여발생하는플라즈마를통해해결될수있겠다. 따라서본연구에서는하이브리드열원을도입하고자한다. 3. 펄스제어기법 본장에서는펄스레이저와유사펄스형태의아크의상호작용에대한연구를수행하기위해필요한값싼실시간제어기법을제안한다. 단락이행에의해발생하는아크펄스가비주기적으로배열되어있으므로아크펄스발생시점에따라레이저펄스발생을제어하기로한다. 펄스제어기법에대한개념도는 Fig. 1(a) 와같으며병렬통신을위해 Pentium 2 MMX, 8 bit ADC 등을사용하였고윈도우용소프트웨어개발을위해 Microsoft Visual C++6.을사용하였다. Fig. 1(b) 에는펄스제어를통해단락이일어난후레이저펄스가일정한시간지연을가지고발생되도록제어한결과를보이고있다. 4. 하이브리드용접실험 본장에서는앞에서제시한레이저와단락이행모드의 GMA 용접모델을이용하여하이브리드용접현상모델을제안하였다. 특히아크가레이저에의해발생하는금 Fig. 1 Welding speed.5m/min 1.m/min 1.5m/min 2.m/min 2.5m/min (b) (a) Schematic diagram of pulsed control techniq ue, (b) example for pulsed control technique 속증기플라즈마로전류경로를바꿀수있다는이전의연구결과 11) 를이용하여용적에작용하는부가적인힘을추정하였다. 하이브리드용접시험은두가지경우로나눠수행하였다. 첫번째는펄스 Nd:YAG 레이저와 4Hz, 3ms 으로일정한펄스주파수와펄스폭을가지는 GMA 열원을조합한경우이다. 두번째는앞장에서언급한펄스제어기법을통해한번의단락당한개의레이저펄스가형성되도록두열원을조합한경우이다. 두경우모두레이저와아크의상대거리는 2mm, 용접속도는.5에서 2.5m/min 으로.5m/min 간격으로변화시켰고나머지변수들은각각의용접에서와같은값을사용하였다. 앞서언급한두가지다른하이브리드용접실험의결과를 Fig. 11에비교하였다. 그림을통해용접속도가증가하면펄스제어기법을적용한쪽이상부비드형상의면에서는더나은결과를보여줬지만용입깊이면에서는비슷한값을보여줬다. 이결과를용적에 Uncontrolled hybrid Pulse controlled hybrid Fig. 11 Lap-joint weld shapes of pulsed laser-dip- transf er DC GMA hybrid welding with and w/o pul se control technique 大韓熔接接合學會誌第 25 卷第 6 號, 27 年 12 月 629

76 조원익 나석주 작용하는힘평형모델부터설명하고자한다. 앞의 GMA 모델과비교하면레이저와의상호작용으로인해약간의수정이필요하다. 레이저에의해발생하는금속증기플라즈마는이온과전자로이뤄져매우전도성이큰물질이다. 이로부터아크의경로가플라즈마쪽으로생성될수있다고예상할수있으며 Fig.12(a) 에이현상을설명한모델을제시하였다. 다음으로고속카메라로활영한결과를 Fig.

6 76 조원익 나석주 작용하는힘평형모델부터설명하고자한다. 앞의 GMA 모델과비교하면레이저와의상호작용으로인해약간의수정이필요하다. 레이저에의해발생하는금속증기플라즈마는이온과전자로이뤄져매우전도성이큰물질이다. 이로부터아크의경로가플라즈마쪽으로생성될수있다고예상할수있으며 Fig.12(a) 에이현상을설명한모델을제시하였다. 다음으로고속카메라로활영한결과를 Fig. 12(a) 제시하였다. 그림에서짙은부분이온도가높은부분으로레이저가조사되는동안에용적과레이저조사부사이에도아크가분포함을확인할수있다. 따라서 Fig. 12(a) 에서와같이용적과플라즈마기둥사이에부가적인아크경로가생긴것으로생각했다. 이로인해 GMA 용접에서용적과모재사이에존재하던아크로인해발생했던전자기력,, 증기제트력, 은각각 과 로감소하게되고새로운아크경로 를통해전자기력, 과증기제트력, 가새롭게생성된다. 이와같은모델을바탕으로하이브리드용접의경우용접성이향상되는이유를다음과같이설명할수있다. 첫째, 새롭게생성된아크경로로인해전류흐름이둘로나뉘게되고이는곧용적과모재사이의전류를감소시켜용적의단락을방해했던전자기력과증기제트력의감소를이끌었다. 이는높은용접속도에서도용적과모재의단락이일어나도록도움을준다. 둘째, 새롭게생성된전자기력, 과증기제트력, 는레이저에의한금속증기플라즈마가존재할때만유지된다. 따라서이들은용적의힘평형을순간적으로깨뜨리는충격력 (impulsive force) 로볼수있으며모재에수평인성분과수직인성분은다음과같이시간의함수로나타낼수있다. (9) 여기서, n 은양의정수이다. (1) 셋째, 레이저에의한금속증기플라즈마로인해주위의온도와금속증기농도가상승해용적의표면장력을감소시킨다. 이는결국용적이구형을이루는것을어렵게만들어쉽게단락이일어나도록유도한다. 마지막으로금속증기플라즈마가모재를예열함으로서모재의젖음성이증가해용적의이행이쉬워지고결국미려한비드를얻을수있다. 만약레이저가단락중에조사될경우, 금속증기압이용융풀의급격한압력변화와맞물려스패터를증가시키게되고심지어는아크발생을방해하게되어아크가소멸된다. 따라서 Fig. 11에서와같이펄스제어기법에의해펄스를동기화시키는방법을사용했을때더나은결과가나온것으로사료된다. 5. 결론 Fig. 12 (a) (b) (a) Physical model of pulsed laser-dip- transfer DC GMA hybrid welding, (b) high speed cam era images for hybrid welding using pulse co ntrol technique 본연구에서용접속도를상승시키고또한모재로의열입력을줄이기위해키홀모드의펄스형레이저와단락이행모드의 GMA 열원을이용하여겹치기이음부의용접을수행했다. 결과둘모두에서결함이발생했으며이를줄이기위해이두열원의하이브리드용접을수행하여속도증가를얻었다. 특히펄스제어기법을사용한경우더큰속도증대를기대할수있었다. 이러한용접현상을설명하기위해본연구에서는각각의모델을제안했으며고속카메라를이용하여모델의타당성을검증하였다. 서론에서도언급했듯이펄스형레이저와단락이행모드의 GMA 열원의조합은모재로의작은열입력으로인해박판의용접뿐만아니라허용오차가작은구조물의용접에적용될수있다. 따라서향후실제용접부에대해거시적관점과미시적관점에서다른용접기법과의비교및열변형최소화를위한최적용접조건도출에대한연구가필요하다. 63 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 27

7 77 참고문헌 1. W. M. Steen, M. Eboo and J. Clarke : Arc augmented laser welding, Advanced in Welding Processes Proceedings, 4th International Conference, Harrogate, U.K., (1978), M. Hamazaki, M. Katsumura, J. Matsuda and S. Nagata : Effect of TIG Current on Combined Laser TIG Welding, Journal of High Temperature Society, 9 (1983), J. Matsuda, A. Utsumi, M. Katsumura, M. Hamasaki and S. Nagata : TIG of MIG Arc Augmented Laser Welding of Thick Mild Steel Plate, Joining & Materials, 1(1) (1998), E. Beyer, R. Imhoff, C. Maier, J. Neuenhahn, K. Behler and U. Dilthey : New Aspects in Laser Welding with an Increased Efficiency, 13th International Congress on Applications of Laser & Electro-Optics, Orlando, (1994), M. Ono, Y. Shinbo, A. Yoshitake and M. Ohmura : Development of Laser-Arc Hybrid Welding, NKK Technical Review, 86 (22) 6. S. Herbert : Laser-Hybrid Welding of Ships, Welding Journal, 83-6 (24), T. Graf and H. Staufer : Laser-Hybrid Welding Drives VW Improvements, Welding Journal, 82-1 (23), Y. Tzeng : Parametric Analysis of the Pulsed Nd;YAG Laser Seam-Welding Process, Journal of Material Processing Technology, 12 (2), J. F. Lancaster : The Physics of Welding, Pergamon, Oxford, (1984) 1. J. Norrish : Advanced Welding Processes, Institute of Physics Publishing, (1992) 11. Y. T. Cho and S. J. Na : Analysis of the Effect of Laser-Induced Metal Vapor on the Arc Plasma, The International Welding Congress, Mumbai, India, (25) 大韓熔接接合學會誌第 25 卷第 6 號, 27 年 12 月 631

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DBPIA-NURIMEDIA 88 연구논문 김철희 * 채현병 * 이창우 * 김정한 * 이세헌 ** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 한양대학교공과대학기계공학부 Development of Laser-Rotating Arc Hybrid Welding Process Cheol-Hee Kim*, Hyun-Byung Chae*, Chang-Woo Lee*, Jeong-Han Kim* and Se-Hun