27 연구논문 아연도금강판의 CO 2 레이저 -TIG 하이브리드용접에관한연구 Part 2 : 공정변수와용접성과의관계김철희 * 최웅용 ** 채현병 *,*** 김정한 * 이세헌 *** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 삼성전자디지털미디어총괄 *** 한양대학교공과대학기계공학부 A Study on CO 2 Laser-TIG Hybrid Welding of Zinc-Coated Steel Sheet Part 2: Relationship between Welding Parameters and Weldability Cheol-Hee Kim*, Woong-Yong Choi**, Hyun-Byung Chae*ʼ***, Jeong-Han Kim* and Se-Hun Rhee*** *Advanced Joining Technology Team, KITECH, Incheon 46-13, Korea **Digital Media Business, Samsung Electronics, Suwon 443-742, Korea ***School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea Abstract Optimization of process parameters for laser-arc hybrid welding process is intrinsically sophisticated because the process has three kinds of parameters arc, laser and hybrid welding parameters. In this paper, the relationship between weldability and several process parameters such as laser beam-arc distance, electrode height, welding current and welding speed, were investigated by the full factorial experimental design. Weld quality was evaluated by using weight of spatters which is related with the pore area. It was found that the weld quality was increased with the increases in laser beam-arc distance and welding current, and decreased with the increases in electrode height and welding speed. *Corresponding author : chkim@kitech.re.kr (Received April 12, 26) Key Words : Laser-TIG hybrid welding, CO 2 laser, Zinc-coated steel, Welding parameter, Weldability 1. 서론 아연도금강판의겹치기이음에레이저용접을적용할때발생되는결함을방지하기위해다양한연구가진행되어왔지만, 생산적용에적합한방법은여전히개발이미비한실정이다. 레이저- 아크하이브리드용접은레이저와아크를조합하므로각각의열원을조합하는방식에따라적용성이광범위하여차체의조립공정에탄력적으로적용될수있으며, 아연도금강판을이용한다른용접공정에도적용이확대되고있다 1,2). 아연도금강판의겹치기이음부에레이저용접시발생하는기공문제를해결하기위하여레이저 -TIG하이브리드용접의적용이 검토된바있으며 3), 본논문의 Part 1에서는레이저- TIG하이브리드용접공정에서의용접현상에대하여분석하였다 4). 그러나레이저 -아크하이브리드용접공정의특성상레이저, 아크및하이브리드공정변수가각각존재하므로공정변수의수가많아공정을최적화하기가쉽지않다. 특히아연도금강판의레이저 -TIG하이브리드용접에서공정변수가용접성에미치는영향에대한선행연구들이부족한상황이다. 따라서, 본연구에서는레이저 -TIG 하이브리드용접에서레이저와아크의간격, 전극의높이, 용접전류및용접속도등의공정변수가용접품질에미치는영향을검토하고자하였다. 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 26 年 8 月 311
28 김철희 최웅용 채현병 김정한 이세헌 2. 실험장치및방법 실험에서사용한시편및용접시스템은본논문의 Part 1과동일하며, 실험에서고정된용접변수는 Table 1에나타내었다. 레이저출력을고정시킨상태에서용접전류, 용접속도와함께레이저와아크간의배치와관련된전극높이, 레이저 -전극간거리를변화하면서공정변수와용접성과의관계를평가하였다. 이때, TIG가레이저에선행하는아크선행방식의레이저 -TIG 하이브리드용접을적용하였다. 용접성의평가는스패터의발생량이적을수록결함이없는용접이라가정하고, 용접전후의모재질량을측정하여질량손실이적을수록스패터의발생량이적어용접성이우수한것으로판단하였다. Fig. 1은질량손실이각각다른시편에대해방사선투과검사를실시한결과이다. 용접비드가투영된면적과결함영역이투영된면적의비를계산하였고, 질량손실과의관계를 Fig. 2에나타내었다. 이를통해용접전후의질량손실을이용하여계산한스패터의양과용접부의결함발생비율은대체적으로비례관계에있음을확인할수있다. Case No. Table 1 Welding conditions used in experiments Specimen Laser power Shielding gas Electrode diameter Torch angle Joint RT results SGCD1 (3mml 1mmw 1mmt) 4kW He 1%(1 l /min) 1.6 mm 4 deg. Lap joint Spatter weight(g) 1.1 Pore area (%) 3 2 1..2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 Weight of spatter (g) Fig. 2 Relationship between weight of spatter and pore area 3. 실험결과 3.1 용접전류, 전극높이와레이저 - 전극간거리가용접성에미치는영향 먼저용접속도를 3.m/min 으로고정시키고용접전류, 전극의높이, 레이저- 전극간거리에따른공정변수의영향을평가하기위하여 Table 2와같이용접전류를 2수준으로, 나머지 2개의변수는 3수준으로설정하고모든수준의조합에대하여각 1회씩 18회의실험을수행하였다. 측정된스패터의양을미니탭 (Minitab) 을이용하여평가하여 Table 3과같이주요인과교호작용에대한분산분석을수행하였다 ). 분산분석에서 P값이유의수준 (α) 보다작은경우그인자의효과는유의수준, α에유의하다. 즉인자의수준에따라결과값은차이가있다. 각인자들의주효과는모두 P값이. 이하의값을가지므로유의수준 α=. 에서유의하다. 그러나요인간교호작용 (A*B, B*C, C*A) 의경우는모두 P값이. 이상으로유의하지않음을알수있다. 각인자의수준에따른스패터발생량은 Fig. 3에나타내었다. 실험에서선정한인자수준에서는용접전류와레이저- 전극간거리가커질수록, 전극높이는낮을수록스패 2.4 3.8 4 1.4 Fig. 1 Radiation test results for various spatter weights Table 2 Control factors and their levels for the full factorial design with fixed travel speed, 3. m/min Level Factor 1 2 3 A. Arc current (A) 8 12 B. LB electrode distance (mm) 7 9 C. Electrode height (mm).4 1. 2. 312 Journal of KWS, Vol. 24, No. 4, August, 26
아연도금강판의 CO 2 레이저 -TIG 하이브리드용접에관한연구, Part 2 : 공정변수와용접성과의관계 29 Table 3 ANOVA results for the full factorial experiments with Table2 Degree of Sum of Mean Source freedom squares Square F P A 1.8889.8889 1..34 B 2 1.633.8267 9.3.31 C 2 3.733 1.7867 2.1.8 A*B 2.1244.622.7.49 B*C 4 1.8133.433.1.72 C*A 2.11.276 3.1.14 Error 4.36.889 Total 17 8.96 Weight of spatter[g/m] 1.6 1.3 1.1.8.6 8 Welding current [A] 12 7 9 LB-electrode distance [mm].4 1. 2. Electrode height [mm] Fig. 3 Main effects of control parameters on weight of spatter at fixed travel speed, 3.m/min 터발생량은감소하는경향을보인다. 본논문의 Part 1에서는아연도금강판의겹치기용접부에레이저-TIG 하이브리드용접을적용한경우선행아크로인한입열로인하여후행레이저도달전경계면의아연이기화및산화됨을불량감소의원인으로제기하였다 4). 따라서용접전류가커지면아크에의한입열이증가하게되므로아연층이보다넓게제거될수있고, 레이저- 전극간거리가커지면선행아크에의해기화된아연증기의배출및산화에필요한시간을충분히확보할수있기때문에스패터발생이감소하는것으로판단된다. 반면, 전극높이가높아지면아크가불안정해지고입열밀도가감소하여아연도금층이충분히제거되지못하므로결함방지를위해서는전극높이가낮을수록유리하다. 그러나실험에서전극높이가낮은경우텅스텐전극봉의손상이자주발견되었으며, 전극봉이손상되는경우교체에따른시간손실이발생하므로전극봉의손상을고려한전극높이선정이필요하다. 3.2 전극높이와전극의손상 정극성의 TIG용접에서는입열을집중하여공정의안정성을높이기위하여일정한각도로팁을연마하여사용한다 6,7). 정전류용접전원에서팁의높이와용접전압값은비례하는관계를가지므로본연구에서는용접 전압값을측정하여팁손상판단의기준으로이용하였다. Fig. 4는각전극높이에서용접회수에따른용접전압파형측정결과이며, Fig. 는전극의손상형상이다. 전극높이가.4 mm 일때첫번째용접실험중용접전압의급격한증가가나타난후이후이실험에서는일정한전압이유지되었다. 전극봉또한첫번째실험이후손상됨을확인할수있다. 전극높이가 1.mm 인경우에는 2번째용접실험에서같은현상이발견되었으며, 전극높이가 2.mm 인경우에는 1번의실험에서는이러한현상이발견되지않았다. Fig. 의전극봉의손상도같은경향을보여주었다. 3.3 용접전류, 레이저 - 전극간거리, 용접속도의영향 전극봉손상에따른전극봉교체주기를최소화하기위해전극높이는 2mm로선정하고, 용접전류, 레이저 - 전극간거리, 용접속도가스패터발생량에미치는영향을확인하고자하였다. Table 4와같이세인자들을 3 수준으로선정하고조합이이루어진 27개의조건에대해각각 3번씩용접을수행하였으며, 분산분석결과를 Table 에나타내었다. 각인자의주효과에있어서 A와 C의경우 P값이. 이하이므로용접전류와용접속도의주효과는유의수준 α=. 에서유의함을알수있다. 레이저 -전극간거리 (B) 의주효과와요인간교호작용 (A*B, B*C, C*A) 모두 P값이.이상으로유의하지않지만레이저- 전극간거리의주효과에의한 P값은교호작용들에의한값보다는상당히작다. 따라서교호작용의영향은무시하고주효과가스패터발생량에미치는영향만을확인하고자 Fig. 6에수준별평균값을나타내었다. 비록레이저- 전극간거리의주효과는유의수준을벗어나고있지만, 주효과의분석결과공정변수의수준에따른경향성을나타냄을확인할수있다 Fig. 3과마찬가지로용접전류와레이저 -전극간거리가클수록스패터발생량은적어졌으며, 용접속도의경우속도가빠를수록스패터발생량은많아짐을보였다. 용접속도가증가하면단위길이당아크입열이감소하여아연층이충분히제거되지못하고, 또한아연증기배출및산화에필요한시간의확보가어려워지므로스패터발생이증가하는원인이된다. 4. 결론 아연도금강판의겹치기용접부에레이저 -TIG하이브리드용접을적용하였을때공정변수에따른용접성을 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 26 年 8 月 313
3 김철희 최웅용 채현병 김정한 이세헌 2 1 1-1st exp. 2nd exp. 3rd exp. -1 2 3 4 6 7 2 1 1 2 1 1-2 3 4 6 7 2 1 1-2 3 4 6 7 (a) Electrode height,.4mm 1st exp. 2nd exp. 3rd exp. - 2 3 4 6 7 2 2 1 1 2 1 1-2 3 4 6 7 2 1 1-2 3 4 6 7 (b) Electrode height, 1.mm 1st exp. th exp. 1th exp. - 2 3 4 6 7 2 2 1 1-2 3 4 6 7 (c) Electrode height, 2.mm 2 2 1 1-2 3 4 6 7 Fig. 4 Variation of welding voltage waveforms for each electrode height (1A arc current; mm LB electrode distance; 3m/min travel speed) Table 4 Control factors and their levels for the full factorial design with fixed electrode height, 2mm (a).4mm (after 1st experiment) (b) 1. mm (after 2nd experiment) Level Factor 1 2 3 A. Arc current (A) 8 1 12 B. LB electrode distance (mm) 7 9 C. Travel speed (m/min) 2. 3. 3. (c) 2. mm (after 1th experiments) Fig. Deterioration of electrode tip for various electrode heights after experiments 평가하고자하는본연구를통하여아래와같은결론을얻었다 (1) 주된용접결함인기공발생량은용접전후의시편의질량차를이용하여계산한스패터발생량과비례관계에있으므로스패터발생량을측정하여용접결함의발생정도를평가하는것이가능하였다. Table ANOVA results for the full factorial experiments with Table 4 Source Degree of freedom Sum of squares Mean square A 2.3499.1749 17.88.1 B 2.42.21 2.6.19 C 2.122.626 6.4.22 A*B 4.84.21.21.923 B*C 4.23.9.6.674 C*A 4.31.133 1.36.33 Error 8.783.98 Total 26.678 F P 314 Journal of KWS, Vol. 24, No. 4, August, 26
아연도금강판의 CO 2 레이저 -TIG 하이브리드용접에관한연구, Part 2 : 공정변수와용접성과의관계 31 Weight of spatter[g/m] 1.8 1. 1.3 1..8 8 1 Welding current [A] 12 7 9 2. LB-electrode distance [mm] 3. 3. Electrode height [mm] Fig. 6 Main effects of control parameters on weight of spatter fixed electrode height, 2mm (2) 용접속도를 3.m/s 로고정하고, 용접전류, 전극높이와레이저 -전극간거리에따른용접성을평가한결과각인자들의주효과가유의하였으며, 용접전류와레이저- 전극간의거리가클수록그리고전극높이가낮을수록용접성이우수하였다. (3) 전극의높이가낮을수록용접성이우수하나용접팁의손상을방지하기위하여 2.mm이상의전극높이의유지가필요하다. (4) 전극높이를 2.mm로고정하고, 용접전류, 용접속도, 레이저- 전극간거리에따른용접성평가결과용접전류와레이저- 전극간거리에대한주효과가통계적으로유의하였다. 용접성만을기준으로판단할때용접속도가낮은경우용접성이우수하였다. 참고문헌 1. Y.-C Kim, J.-D. Kim and H. Staufer: Laser Hybrid Welding and Laser Brazing State of the Art and Applications in Audi A8 and VW-Phaeton, Journal of KWS, 22-4 (24), 111-116 (in Korean) 2. H. Haferkamp, A. Ostendorf, J. Bunte, J. Szinyur, M. Hoefemann and P. Cordini: Increased Seam Quality for Laser-GMA Hybrid Welding of Zinc- Coated Steel, International Congress on Applications of Laser & Electro-Optics(ICALEO), Section A, 22 3. H. Gu and R. Miller: Hybrid Welding of Galvanized Steel Sheet, International Congress on Applications of Laser & Electro-Optics(ICALEO), Section A, 21, Paper No. 34 4. C.-H. Kim, W.-Y. Choi, H.-B. Chae, J.-H. Kim and S. Rhee: A Study on CO2 Laser -TIG Hybrid Welding of Zinc-coated Steel Sheet, Part 1: Analysis of Welding Phenomena, Journal of KWS, 24-4 (26), 36-31 (in Korean). 이상복 : 예제중심의실험계획법, 이레테크, 2 (in Korean) 6. 대한용접학회편 : 용접 접합편람, 대한용접학회, 1998, 37-43 (in Korean) 7. American Welding Society: Welding Handbook Volume 2 Welding Processes(8th Edition), American Welding Society, 1992, 81-82 大韓熔接學會誌第 24 卷第 4 號, 26 年 8 月 31