85 연구논문 탄소강환봉의레이저표면변태경화특성에관한연구 (II) - 빔프로파일차이에따른레이저표면변태경화특성비교 - 김종도 * 강운주 ** * 한국해양대학교기관시스템공학부 ** 한국해양대학교대학원 Study on Characteristics of Laser Surface Transformation Hardening for Rod-shaped Carbon Steel (II) - Comparison of Characteristics on Laser Surface Transformation Hardening as a Difference of Beam Profile - Jong-Do Kim* and Woon-Ju Kang** *Division of Marine Engineering System, Korea Marine University, Busan 66-791, Korea *Graduated school, Korea Marine University, Busan 66-791, Korea Abstract The conventional study on the laser surface transformation hardening has been carried out with a beam of the specified shape and uniform power-intensity distribution in order to ensure the uniformity of the hardening depth. Two types of beams - the circular gaussian beam and rectangular beam of the uniform power-intensity distribution were used in this study. we were supposed to optimize the process parameters and to compare the hardening results with two optics respectively. As a result, the hardness distribution of the hardened zone was similar in both cases and the hardened phase by the rectangular beam was denser than that by the circular gaussian beam. *Corresponding author : jdkim@hhu.ac.kr (Received May 21, 7) Key Words : Defocusing, Integration mirror, Circular gaussian beam, Rectangular beam 1. 서론 레이저표면경화공정에서표면의가열온도를균일하게하기위해빔은특정형상및균일한파워밀도분포를갖도록정형화 (beam shaping) 하는것이일반적이다. 이렇게빔을정형화하는방법으로는디포커싱 (defocusing) 법, 빔오실레이션 (beam oscillation) 법그리고인티그레이션미러 (integration mirror) 및칼레이도스코프 (kaleidoscope) 를이용하는방법등이있다 1,2). 본연구에서는용접용으로널리적용되고있는가우시안원형빔광학계 (circular gaussian beam optic) 와자동차실린더라이너 (cylinder liner) 내면열처리전용의사각빔광학계 (rectangular beam optic) 를이용하였는데, 가우시안원형빔광학계의경우에는간단히비초점거리의조절만을통해빔을성형하는디포커싱법에해당하고사각빔광학계는특수가공된인티그레이션미러를이용하여빔을성형하는방법에해당한다. 경화부단면형상및경도분포등의표면경화특성은빔의형상및파워밀도분포의차이에따라다르게나타날것으로판단하였다. 본연구에서는각광학계별특성차이를제시하고표면경화공정의결과를비교, 검토함과동시에가우시안원형빔의표면경화공정으로의적용가능성을검토하고자하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 7 年 6 月 37
86 김종도 강운주 2.1 실험장치 2. 실험장치및방법 실험장치는가우시안빔및사각빔광학헤드를적용하여각각두파트로나누어구성하였다. 물론기본적인장치구성은본논문의 1 보와마찬가지로 4kW 급연속출력 Nd:YAG 레이저, 6 축제어로봇및소형선반으로구성되며, 실험재료역시판상및봉상의 SM45C 강을동일하게적용하였다. Fig. 1 에각광학계별장치개략도를나타낸다. 빔은가우시안파워밀도분포를가지는원형빔과비교적균일한파워밀도분포의사각빔을적용하였다. 각광학계의개략적인빔프로파일과집광특성을 Fig. 2 에나타낸다. 가우시안원형빔의경우, 비초점거리 (defocusing distance) 의증가에따라빔직경이거의선형적으로증가하고있으며파워밀도는전형적인가우시안분포를보이고있다 (Fig. 2(a)). 반면, 사각빔은인티그레이션미러를통해직사각형형태로집광되며파워밀도의경우, 가로폭으로는완만한가우시안분포를, 세로폭으로는비교적균일한모자형상의분포를가진다. 이는실험전, 번패턴 (burn pattern) 을통해간접적으로확인할수있었다. 또한, 작업거리 (working distance, 광학계표면에서시편표면까지의거리 ) 의 증가에따라가로길이는점차증가하지만폭은상대적으로변화가미미한것을확인할수있다 (Fig. 2(b)). Beam diameter, mm 7 6 5 4 3 2 1 i) Schematic of beam profile 1 2 3 4 5 6 Defocusing distance, mm ii) Beam diameter as defocusing distance i) Schematic of beam profile (a) Circular gaussian beam 2 18 16 Length Width Beam size, mm 14 12 1 8 6 4 1 15 2 25 3 Working distance, mm ii) Beam size as working distance Fig. 1 Experimental arrangement Fig. 2 Beam profile and focusing characteristic 38 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 7
탄소강환봉의레이저표면변태경화특성에관한연구 (Ⅱ) 87 2.2 실험방법실험절차는본논문의 1보와동일한요령으로실시하였다. 광학계별표면경화특성을비교, 검토하고공정변수를최적화하기위하여본실험에앞서적절한빔사이즈를선정하였다. 열처리전용의사각빔광학계는자동차실린더라이너의내면열처리전용으로설계된것으로작업거리 2mm 에서가장적합하였으며번패턴 (burn pattern) 확인결과, 빔사이즈는가로 12.8mm, 폭 (W b) 4.3mm였다. 반면, 가우시안빔의경우에는빔사이즈에따라파워밀도가비교적크게변할것으로판단되어표면용융유발가능성이적고표면을최대한균일하게경화시킬수있으면서열처리가능출력범위가비교적넓은빔을선정하였다. Fig. 3에가우시안빔사이즈별출력에따른경화깊이변화양상을나타낸다. 빔직경이 2.8mm 로작으면파워밀도가증가하므로열처리가능출력은낮지만표면용융가능성이높아져경화가능출력이좁은범위에국한되는반면, 빔직경이 7.mm 로크게되면빔자체의파워밀도가낮기때문에상대적으로높은출력이요구되지만열처리가능출력범위는비교적넓게나타났다. 그러므로가우시안원형빔의경우에는 2.8mm 와 7.mm 빔의중간특성을갖는 5.mm 직경의빔을이용하여실험하였다. 특히, 가우시안원형빔의경우에는빔진행방향에구애를받지않지만사각빔은가로및폭방향으로파워밀도가다르므로빔의진행은파워밀도가균일한폭방향으로정하여프로파일면에서가우시안빔과차별을두고자하였다. 3. 실험결과 만의경화특성을파악하기위해평판상에서기초실험을행하였다. Fig. 4는평판상에서 1회스캔한단면의깊이에따른종방향경도분포를나타낸다. 사이즈에차이가있을뿐, 가우시안빔과사각빔모두유사한분포를가지는것을확인할수있다. 특히, 가우시안원형빔의경우가우시안파워밀도분포를가짐에도불구하고경도분포는사각빔의경우와유사하게나타나는데, 이는특정파워밀도이상에서는동일하게변태온도이상으로가열되어급속냉각시, 거의균일한경도를가지기때문인것으로판단된다. 광학계별로환봉을경화처리한후, 경도특성을비교하기위해레이저출력 1.8kW, 빔이송속도 72mm/min 및회전수 22rpm 의동일조건에서실험하였으며, 그결과를 Fig. 5 및 6에나타낸다. 가우시안빔을이용한경우, 경화폭은넓고깊이는얕은다소납작한모양인반면, 사각빔은경화부폭은좁고깊이는깊은비교적볼록한모양이다. 경도분포는종방향과깊이방향으로나누어측정하였다. 종방향경도분포는곡선의형상에다소차이가있을뿐, 두광학계모두주기적으로증감 3.1 경화부단면및경도분포특성 열축적과경화트랙간중첩의영향을배제한빔자체 -4-3 -2-1 1 2 3 4 Hardening depth, d h (mm) 1.4 1.2 1..8.6.4.2 Beam dia. 2.8mm 5.mm 7.mm..2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. 2.2 2.4 2.6 2.8 3. 3.2 Laser power, P L (kw) Fig. 3 Heat treatable range of output power as beam diameter (N : 2rpm, υ b: 54mm/min, G s : 2l/min) -4-3 -2-1 1 2 3 4 Fig. 4 Hardness profile of hardened zone 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 7 年 6 月 39
88 김종도 강운주 D b : 5. mm, P L : 1.8 kw, N : 22 rpm, v b : 72 mm/min, G s : 2l/min (a) Cross section 1 Load :.2kg f /mm 2 1 Load :.2kg f /mm 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1..1.2.3.4.5.6.7.8.9 1. 1.1 1.2 (b) Longitudinal hardness (c) Depth-derectional hardness Fig. 5 Hardness distribution of hardened zone(circular gaussian beam) D b : 4.3 mm, P L : 1.8 kw, N : 22 rpm, v b : 72 mm/min, G s : 2l/min 1 (a) Cross section 1 Hardness, Hv.2kg f Hardness, Hv.2kg f 2 4 6 8 1 Measuring distance of surface, mm (b) Longitudinal hardness.1.2.3.4.5.6.7 Depth-directional distance, mm (c) Depth-derectional hardness Fig. 6 Hardness distribution of hardened zone(rectangular beam) 31 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 7
탄소강환봉의레이저표면변태경화특성에관한연구 (Ⅱ) 89 을반복하는경향을보이는데, 이는경화트랙과트랙이겹쳐지는중첩부근방에서템퍼링에의한경도저하가발생하기때문이다. 깊이방향경도분포는종방향경도중에서상대적으로높고낮은두지점을선택하여측정하였다. 깊이방향경도분포도두광학계를이용한경우모두유사하게나타나는데, point1 에서는깊이에따라점차적으로감소하는경화부의전형적인특성을나타내고있는반면, point2 에서는소폭상승하다가떨어지는경향을보이는데, 이는측정위치가깊이에따라중첩경계부로부터멀어져점차적으로열영향을적게받기때문인것으로분석된다. 3.2 공정변수의최적화중첩부부근에서의템퍼링에의한경도저하는불가피하였다. 그래서공정변수의최적화는열축적과중첩의영향및템퍼링에의해경도가저하하는폭을최소화하는데주안을두었다. 각광학계별최적조건은가 우시안빔의경우, 레이저출력 (P L) 1.8kW, 빔이송속도 (υ b ) 9mm/min, 시편회전수 (N) 27~29rpm 의범위에서얻어졌으며, 사각빔의경우에는레이저출력 1.8kW, 빔이송속도 72mm/min, 회전수 26~28rpm 범위에서얻어졌다. 각최적화결과중, 대표적인것의단면및경도분포를 Fig. 7에나타낸다. 경도는거의 35~75Hv 범위내를유지하였다. 경도저하폭은환봉의길이방향으로 1mm 를열처리한다고가정했을때, 가우시안빔의경우에는대략 3mm, 사각빔은대략 4mm 정도로확인되었다. 열처리부의경화깊이는규격 KS D 215 3) 에의거하여경도 55Hv 까지의깊이로정의되지만환봉을열처리한경우, 중첩과열영향에의해동일시편에서도측정부위별로경화깊이가달라지므로경화부전면에걸친유효경화깊이를명확하게정의하기가어렵다. 그래서종방향경도분포의최고점에서의깊이방향경도분포를기준으로하여유효경화깊이를측정한결과, 가우시안빔의경우대략.33mm, 1 1 Hardness, Hv.2kg f Hardness degradation Line of matrix hardness Hardness, Hv.2kg f Line of matrix hardness Hardness degradation 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Measuring distance, mm i) Longitudinal hardness distribution -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 Measuring distance, mm i) Longitudinal hardness distribution 1 1 Hardness, Hv.2kg f Hardness, Hv.2kg f.1.2.3.4.5.6.7 Depth-directional distance, mm ii) Depth-directional hardness distribution.1.2.3.4.5.6.7 Depth-directional distance, mm ii) Depth-directional hardness distribution Fig. 7 Optimization of process parameters 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 7 年 6 月 311
9 김종도 강운주 사각빔의경우.3mm가량으로나타났다. 마지막으로, 가우시안빔이사각빔에비해동일거리를열처리한다고가정했을때, 더적은회전수로가능하다는것을경도분포를통해가늠할수있는데, 이는가우시안빔의사이즈 (4.3mm) 가사각빔 (3.4mm) 에비해더크기때문이다. 그러나표면용융의관점에서는파워밀도분포가균일한사각빔이가우시안빔에비해오히려더나은결과를보일것으로예상된다. D b : 5.mm, P L : 2.kW, υ b: 1.5m/min, G s : 2l/min i) Observation point ii) Upper hardened zone 3.3 경화조직의비교 추가적인경화특성비교를위해각광학계에의한경화부조직을광학현미경을이용하여관찰하였다. 평판상에 1회스캔한단면사진과깊이에따른동일부위의 1 배확대사진을 Fig. 8 에나타낸다. 표면에가까울수록높은온도로가열되고빠른속도로냉각되므로대부분의모재조직이마르텐사이트조직으로변태하여치밀하게분포하고있다. 또한, 깊이가깊어질수록마르텐사이트조직은감소하며그사이에잔류오스테나이트조직이증가하는것을확인할수있다 4). 또한, 모재와의경계는 A 1 과 A 3 변태점사이의온도로가열되어냉각된영역으로, 펄라이트만선택적으로변태한오스테나이트조직중에일부페라이트조직이나타나고있다. 이러한깊이에따른조직적인차이가발생하는이유는깊이에따른온도이력의차이때문이다. 특히, 가우시안빔보다사각빔에의한마르텐사이트조직이더치밀하게분포하는것을확인할수있는데, 이는사각빔이가우시안빔에비해스폿의사이즈가작아서파워밀도가높을뿐만아니라파워밀도분포도비교적균일한데에기인한다. 즉, 앞서언급했지만사각빔이가우시안빔에비해에너지의분산이적고에너지가스폿내로집중되기쉬우므로비교적깊은곳까지고르게가열할수있기때문이다. 이를통해, 경화조직적측면에있어서는가우시안빔보다사각빔이더우수하다는것을알수있다. 4. 결론 빔프로파일이서로다른두광학계를적용하여각각의경화특성을비교, 검토하고자하였으며그결과를다음과같이요약한다. 1) 가우시안분포의원형빔광학계와파워밀도분포가비교적균일한열처리전용의사각빔광학계를실험에적용하였다. 2) 가우시안원형빔은열처리가능출력범위를고려 iii) Lower Hardened zone iv) Interface (matrix-hardened zone) W b : 4.3mm, P L : 1.8kW, υ b: 1.5m/min, G s : 2l/min i) Observation point ii) Upper hardened zone iv) Interface iii) Lower hardened zone (matrix-hardened zone) Fig. 8 Microstructure in hardened zone 하여 5.mm 직경의빔을, 사각빔은작업거리 2mm 에서최적화된빔을적용하였다. 3) 환봉표면을열처리한시편의경도는종방향경도분포의경우에만형상적으로약간의차이가있을뿐, 깊이방향경도분포는비슷하게나타났다. 4) 공정변수의최적화는템퍼링에의해경도가저하하는폭을최소화하는데주안을두었다. 두광학계모두경도분포에있어서는대략 35~75Hv 사이값을유지하였으며, 경도저하폭은 1mm를경화처리했다고가정한경우, 가우시안빔은대략 3mm, 사각빔은 312 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 3, June, 7
탄소강환봉의레이저표면변태경화특성에관한연구 (Ⅱ) 91 4mm 정도로나타났다. 5) 경화부조직은사각빔이가우시안원형빔에비해더치밀하게분포하고있는것이확인되었으며, 그것은파워밀도의차이에서기인한다고판단된다. 후기 본연구는산업자원부지원지역산업기술개발사업인 레이저복합가공기용핵심광학모듈개발 : 12438 과제의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 1. John F. Ready : LIA HANDBOOK OF LASER MATERIAL PROCESSING, Laser Institute of America, (1), 223~261 2. 柴田公博 : レーザ燒入の實際, 容接學會誌 64-3, (1995), 1~13 3. KS : D215, Methods of measuring case depth for steels, (1985) 4.G.N. Haidemenopoulos : Coupled thermodynamic/ kinetic analysis of diffusional transformations during laser hardening and laser welding, Journal of alloy sand compounds, 32, (1), 32~37 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 3 號, 7 年 6 月 313