한국공작기계학회논문집 Vol.13 No.6 2004. 12. Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers 고출력 CW Nd:YAG 레이저를이용한인코넬 600 의용접특성 유영태 *, 신호준 +, 임기건 ++ ( 논문접수일 2004. 6. 14, 심사완료일 2004. 8. 3.) Welding Characteristics of Inconel 600 using a high power CW Nd:YAG Laser Young-Tae Yoo*, Ho-Jun Shin +, Kie-Gon Lim ++ Abstract The welding characteristics of Inconel 600 Alloy using a continuous wave Nd:YAG laser are experimentally investigated. The major process parameters studied in the present laser welding experiment were the positions of focus, laser power and travel speed of laser beam. We measured the fusion zone size and its shape using an optical microscope for the observation of cross-sectional area. We performed two tests regarding the tension and the micro hardness for welding quality estimation. Then we measured residual stress in welds by electronic speckle pattern interferometry(espi). In conclusion, the optimum butt welding process parameters were 0.5mm focus position, 1.6kW laser power, 1m/min travel speed and 5.5l/min assist gas discharge. Key Words : Laser Welding( 레이저용접 ), Inconel Alloy 600( 인코넬 600 합금 ), 종횡비 (Aspect ratio), micro-structure( 미세조직 ), residual stress( 잔류응력 ) 1. 서론 레이저에의한재료가공은현재성장기의기술로서열영향에의한변형이적고, 가공속도가매우빠른특징이있다. 정밀가공이가능하여기존공법을대체하거나신공법등의응용기술에대한연구가활발히진행중이다. 레이저에의한소재절단의경우는이미여러산업분야에서광범위하게사용되고있다. 그러나레이저접합기술은아직일반화되어있지않고특수한부품을접합하는데국한되어있다. 인코넬 600의레이저용접에관한연구는응력부식균열과관련하여발전소증기발생기전열관의슬리브보수작업을위해펄스파형 Nd:YAG 레이저를이용하여진행되어왔다. (1~3) 인코넬 600은니켈및크롬이다량으로함유된니켈합금강으로, 인성과 Creep 특성이우수하고, 특히고온강도가높고, 화학적으로도안정하여고온부식환경에도강한 * 조선대학교기전공학과 (ytyou@chosun.ac.kr) 주소 : 501-759 광주광역시동구서석동 375 + 조선대대학원 ++ 전남대학교물리학과 119
유영태 신호준 임기건 장점을가지고있다. 그래서고온내수성, 가스분위기가요구되는핵발전소스팀제너레이터튜브, 열교환기, 화학및식품관련설비, 반도체설비부품, 전자부품등에사용되고있다. 이와같이인코넬 600은다양한부분에사용되고있기때문에부품의보수나가공을위한특성을분석하는것은매우중요한요소이다. 인코넬 600을레이저로최적상태의용접을하기위해서는레이저출력, 레이저빔이송속도, 레이저빔의파장, 보호가스의종류및유량그리고최적의용융깊이와폭을갖는작업표면과초점렌즈사이의거리를결정해야한다. 그래서본연구에서는일정한이동속도조건에서최적의용입비를얻기위해비드온플레이트 (bead on plate) 용접방법으로용접비드면을관찰한다음맞대기용접을실시하였다. 맞대기용접은비드온플레이트로실험한결과를기초로하여최적의용입열량을나타내는레이저출력과레이저빔의이송속도를결정하여용접하였다. 용접후용융풀에서모재로의급냉때문에발생하는용접비드단면을관찰하였다. 맞대기용접한시편의평가를위해서초점위치와출력의변화에따른용접부단면의형상및크기를비교하였고, 인장강도시험, 마이크로비커스경도시험, ESPI를이용한잔류응력측정실험을했다. 2. 실험 2.1 실험장치본연구에사용된레이저는파장이 1064nm, 멀티모드 (multi-mode) 의빔으로써최대출력이 2.8kW인연속파 (continuous wave;cw) 형 Nd:YAG 레이저이다. 레이저빔은직경 600μm인광섬유를통해시편에전달된다. 광섬유로 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup 전달되는레이저빔의초점크기 (spot size) 는 0.6mm 이다. 레이저용접헤드의광학계는초점거리 F=200mm이고, 렌즈의직경 (D) 60mm인 F#(F number:f/d) 가 3.33인렌즈를사용하였다. 실험장치에대한모식도는 Fig. 1에나타냈다. 연속파형 Nd:YAG 레이저가공기는독일 Trumpf 사제품로레이저발진은아크 (arc) 플래시램프에의해광펌핑 (pumping) 하여연속여기된다. 2.2 시편본연구에사용된재료는판두께 3mm의 Ni기오스테나이트계고용체합금인인코넬 600으로서화학조성및기계적, 물리적특성을 Table 1과 Table 2에나타내었다. 시험편은가로 100mm, 세로 30mm로제작하였다. 비드온플레이트 (bead on plate) 용시편은단일판을사용하였고맞대기용접 (butt welding) 용은두개의시료를맞댈수있도록준비하였으며접촉부는폴리싱 (polishing) 하여갭 (gap) 을 0.3mm 이하로하였다 (4). 용접시시편표면의이물질을제거하기위해아세톤으로세척한후, 레이저용접공정변수를변화시키면서실험하였다. 2.3 실험방법연속파형 Nd:YAG 레이저용접을위해레이저빔을금속시편에직접조사하는비드온플레이트 (bead on plate) Inconel 600 Table 1 Chemical analysis(wt. %) C Fe S Ni Cr Al 0.019 9.72 <0.001 73.25 16.12 0.231 Table 2 Mechanical & physical properties of materials Inconel 600 Tensile strength(mpa) 610 Elongation(%) 40 Thermal conductivity(w/m ) 14.9 Melting range( ) 1354~1413 Density(g/cm 3 ) 8.47 Specific heat(j/kg ) 13.3 Electrical resistivity(µω m) 1.03 Hardness(Hv) 185 120
한국공작기계학회논문집 Vol.13 No.6 2004. 12. 용접및맞대기용접 (butt welding) 을실시하였다. 실험에사용된연속파형 Nd:YAG 레이저용접파라미터는용접속도, 초점위치, 출력의변화등으로하였다. 이때의용접속도를 1.0m/min로한후, 초점위치를 z=-10mm에서 z=+10 mm으로변화시켰다. 레이저출력은 600W, 800W, 1000W 로하여시편을비드온플레이트용접하여최적의용접공정변수를결정하였다. 용입비가가장큰 z의위치에서두께 3mm를관통하는완전관통용접 (full penetration welding) 을확인하기위해레이저가시편을통과하는실험을하였다. 레이저빔이송속도 1m/min에서출력을 1400W, 1500W, 1600W, 1700W로변화시키면서비드온플레이트 (bead on plate) 용접후재료의뒷표면의용융상태또는표면변색및용융흔적을관찰하여평가하였다. Inconel 600을 Nd:YAG 레이저로용접시보호가스로불활성가스인아르곤 (Ar) 가스를사용해공기와차단하여용접시산화되는것을방지하는한편플라즈마를제거하도록하였다. 아르곤가스의유량은 5.5l/min로하였다. 샤링절단한시편의용접부위에서이물질을제거하기위해아세톤으로세척한후시편을지그 (Jig) 로단단히고정시켜용접중열팽창에의한변형이발생하지않도록하였다. 용접위치의허용오차는 0.1mm 이하로유지하였다. 광학현미경상의조직관찰을위해용접후용접방향에수직으로비드단면을금속정밀절단기로절단한후마운팅프레스 (Mounting press) 로마운팅하였다. 마운팅된용접시편비드의절단면에대하여샌드페이퍼 (sand paper) 로 #400, #800, #1000, #1200번까지연마후최종적으로 diamond suspension 6μm, 1μm입도로폴리싱 (polishing) 하였다. 에칭은황산구리 (CuSO 4) 10mg, 염산 (HCl) 50ml, 증류수 50ml 의혼합용액을사용하였으며침적시간은재료의부식상태를관찰하면서조절했다. 에칭된용접비드경계면은광학현미경과금속조직현미경을사용하여용접부의형상과결함을관찰했다. 맞대기용접시편에대해인장강도시험, 마이크로비커스경도시험, 잔류응력측정실험을통해용접성을평가했다. 3. 결과및고찰 3.1 종횡비관찰및작업거리결정레이저용접에서작업표면과초점렌즈사이의거리는시편에미치는에너지밀도와밀접한관계가있다. 기존에는레이저빔을시편에점용접 (spot welding) 했을때, 스폿크기 (spot size) 가가장작은위치를초점위치 z=0mm으로 Fig. 2 Relation between position of focus and aspect ratio 놓고실험하였다 (5~7). 그러나초점위치와최적의작업거리의의미가다르므로비드온플레이트방식을택해서용접전출력과작업표면에서부터초점렌즈까지의거리변화에따른용입비를조사했다. 용접조건을결정하기위한선행실험으로는빔이송속도 (1m/min), 보호가스 (Ar 5.5l/min) 를고정하였다. 초점위치 (z) 는 -10mm 에서 +10mm까지변화시켰고, 출력은 600W, 800W, 1000W로하여비드온플레이트용접을했다. 용접한시편의비드면과종횡비를 Fig. 2에나타내었다. 용입깊이는시편표면인 z=0mm 위치보다아래방향인 z=-1mm 까지의실험결과가시편표면의윗방향위치인 z=0.5mm 일때보다컸다 (8,9). 그이유는작업거리를시편표면보다약간낮게했을경우시편에대한열전달효과가 z=0.5mm 일때보다크기때문이다. 출력이작을경우열이시편표면으로전달되는양이깊이방향으로전달되는양보다많아종횡비가작게나타났다. 레이저출력을증가시키면시편표면으로전도되는에너지양보다시편깊이방향으로전달되는에너지양이많아져종횡비의변화가커졌다. 실험한결과중출력을 1000W로했을때를선택해서종횡비의관점에서관찰했다. 종횡비는 z위치가시편표면 (z=0) 보다약간아래부분이가장큰것이아니라시편표면보다약간높은위치인 z=0.5mm에서종횡비가가장크게나타났다. 3.2 출력에따른비드면관찰선행실험에서작업표면과초점렌즈사이의거리는초점위치 (z=0.5mm) 일때종횡비가가장컸으므로초점위치 (z) 를 z=0.5mm로고정시키고, 빔이송속도를 1m/min, 보호 121
유영태 신호준 임기건 가스를 Ar 5.5l/min로한후, 출력을 1.4kW, 1.5kW, 1.6kW, 1.7kW로변화시키면서각각비드온플레이트 (bead on plate) 용접한결과를 Fig. 3에나타내었다. 출력이 1.4kW일때는관통용접이되지않았으며, 출력 1.5kW 에서부터관통되었음을알수있었다. 그러나출력 1.5kW 에서시편의뒷표면의용융상태를살펴본결과관통이되지않는부분이간헐적으로발생하여불규칙적인용융상태가관찰되었다. 출력을 1.6kW로하였을때에는완전하게관통용접이되었다. 출력을 1.7kW로하였을때에는뒷표면의폭이커졌음을확인할수있었다. 그리하여관통용접의최적출력을 1.6kW로하여맞대기용접을실시하였다. 출력이작을때에는비드모양이나사못머리모양을하고있지만, 출력이증가하면서모래시계모양으로변화했다. 출력이작을때에는표면에서의용융풀의용융물이표면에서전도됨과동시에시편의깊이방향으로레이저빔의에너지가전달되지만모재로부터의냉각효과가커서관통되지못했다. 레이저출력이증가하여시편이관통될경우시편의밑부분에서의표면장력과열전도때문에모래시계모양으로용접비드의단면이형성된모양을 Fig. 3(D) 에나타내었다. 용접된모든시편에서균열이발생되지않았다. 이것은모재와용접된시편의용융구역모두상변태가일어나지않 고연성이큰오스테나이트상태로존재하기때문이다. 3.3 맞대기용접부미세조직출력 1.6kW, 용접속도 v=1.0m/min, 초점위치 z=0.5 mm로맞대기용접한시험편의비드모양과조직사진을각각 Fig. 4과 Fig. 5에나타내었다. 모니터를통하여맞대기용접시중심선의벗어남이없도록하였다. Fig. 5의조직사진에서빔에의하여입사된열이모재로전도됨에따라응고부위가결정표면에서일정한방향을가지고성장하는 epitaxy형태를나타내고있다. 모재중앙부위의용융선의각입자들은용융부위의입자들이성장할수록큰성장영역을제공하고있다. 조성적과냉 (constitutional supercooling) 으로증가되면서응고속도가더욱빨라져 cellular-dendrite가성장되었음을알수있었다. 모재로부터응고가시작되면서면선단응고 (planar front solidification) 가일어난후세포상응고 (cellular solidification) 가진행되고있다 (10). Fig. 3(C) 의결과를기준으로초점위치에따른맞대기용접특성을비교하기위해출력과용접속도는 1.6kW와 v=1.0m min로같게하고, 초점위치는 -0.5mm로하여맞대기용접한시험편의비드모양을 Fig. 6(A) 에나타냈다. 비드면의상부폭은각각 1893μm와 1974μm, 중간부폭은 987μm와 1001μm, 하부폭은 1348μm와 1510μm로 z=-5mm 일때가 z=0.5mm일때보다상부, 중간부, 하부의비드폭이각각 5%, 1%, 15% 증가했음을알수있었다. z의위치를 -0.5mm로했을때, 용접단면의중앙부의증가는크지않았고시편하부의비드폭은가장크게증가하였다. 이는시편하부면의용융물이표면장력때문에시편에서분리되지않고, 열이주변으로전달되었기때문이다. (A) P=1.4kW, v=1.0m/min and z=0.5mm (B) P=1.5kW, v=1.0m/min and z=0.5mm (C) P=1.6kW, v=1.0m/min and z=0.5mm (D) P=1.7kW, v=1.0m/min and z=0.5mm Fig. 3 Cross-sectional area of bead on plate welding Fig. 4 Butt welding Cross-sectional area of the laser beam at P=1.6kW, v=1.0m/min and z=0.5mm 122
한국공작기계학회논문집 Vol.13 No.6 2004. 12. 에용융부경계부분에서용융중심부쪽으로길다랗고얇은타원형모양의 Columnar 입자성장이관찰된다. 레이저용접의급가열급냉의특성때문에탄소강의경우는용접비드중앙부에침상의조밀한마르텐사이트가나타나지만인코넬의경우고온에서확산속도가빠른 Cr 때문에침상의마르텐사이트조직이나타나지않았다 (6,7). A C Fig. 5 Photographs showing laser butt welding(p=1.6kw, v=1.0m/min, z=0.5mm) (A) P=1.6kW, v=1.0m/min and z=-0.5mm B D (B) P=2kW, v=1.0m/min and z=-0.5mm Fig. 6 Butt welding cross-sectional area 3.4 인장강도및경도시험출력과용접속도는 1.6kW와 v=1.0m/min로같게하였을때, 초점위치 z=0.5mm일때와 z=-0.5mm일때의용접결과을비교하기위해인장강도시험을했다. 시편은 KS B 0801 13B의표준시편을사용하였으며, 초기크로스헤드속도는 2.54mm/min로하였다. 인장시험한결과를 Fig. 7에나타내었다. 모재의최대인장강도는 610MPa정도이었고, 초점위치가각각 z=0.5mm, z=-0.5mm일때의최대인장강도값은 590MPa로나타났으며모재와비교했을때인장강도의손실이거의없음을알수있다. 연신율은초점위치 z=0.5mm일때가 z=-0.5mm일때보다더크다는것을알수있는데이것은용융단면이작기때문이다. 경도측정은마이크로비커스경도시험기를사용하였으며, KS B 5540의방법을따랐다. 출력 1.6kW, 빔이송속도 1.0m/min, 초점위치 z=0.5mm일때의맞대기용접부단면의경도측정결과를 Fig. 8에나타냈다. Fig. 8은시편상부표면으로부터 200μm지점을 250μm간격으로경도시험한것이며, 용접부의경도값이모재보다약 10~15Hv 정도작게나타났으며, 용접중심선쪽으로갈 Fig. 6(B) 는용접속도 v=1.0m/min, 초점위치 z=-0.5mm 일때, 출력을 2kW로하여 1.6kW일때와비교하기위해나타낸것이다. 출력이 2kW일때, 상부폭이 2276μm, 중간부폭이 1370 μm, 하부폭이 2430μm으로출력 1.6kW에비해 14%, 37%, 56% 증가하였다. Fig. 6(A) 의결과와비교했을때, 출력의증가에따라시편하부표면의용융폭의증가율이커졌다. 레이저용접풀은표면장력과대류유동의영향을받는다. 인코넬 600의니켈성분이많아용융풀표면에서의대류유동에의한열전달때문에용융면적이시편의중심보다는크게나타났다. 전체적으로모재로부터급격한온도구배때문 Fig. 7 Comparison of tensile test results for position of focus 123
유영태 신호준 임기건 Fig. 10은변형률분포를 3차원으로나타낸것이며, Fig. 11은 x축방향에대한변형률분포를나타낸것으로레이저용접은열영향부가작고열변형이거의없기때문에용 Fig. 8 Distribution of hardness in the cross section of the welded joint 수록경도값이줄어드는경향을보였다. 이는용접부중심부로갈수록조직이조대해지기때문이다. Fig. 9 Phase map and out-of-plane displacement distribution 3.5 잔류응력시험잔류응력은기계적강도와수명에주요한영향을끼치는인자이다. 용접공정을출력 1.6kW, 레이저빔이송속도 v=1.0m/min, 초점위치 z=0.5mm, 보호가스유량 QAr= 5.5l/min로하였을때, 인코넬 600의맞대기용접에대한잔류응력측정을위하여전자처리스페클패턴간섭계 (ESPI : Electronic Speckle Pattern Interferometry) 를이용하였다. ESPI는레이저스페클 (Speckle) 의간섭현상으로미소변위를측정한다. 물체의변위를측정하기위하여입사되는레이저를물체에조사되는물체빔 (object beam) 과측정의기준이되는기준빔 (reference beam) 으로나누고, 이두빔의간섭현상에의해발생하는스페클패턴을 CCD 카메라로받아들여 PC에저장한다. 물체가변형을일으키게되면경로차가발생하여변형전과는다른스페클패턴을형성한다. 이러한두스페클패턴을차감함으로서프린지패턴 (Fringe Pattern) 이형성된결과를분석하여변형정도를판단한다 (11). 변형을주기위한외력으로는레이저빔에의한열을이용하였고, 시험편의온도차에의해형성된프린지패턴을보고잔류응력의존재여부를판단하였다. Fig. 9는간섭계에의한면위변위에대한위상지도 (Phase map) 를나타낸것이며, 간섭무늬가변형되거나굴곡된부분이없이일정하게나타난것을볼수있다. Fig. 10 Three-dimensional image Fig. 11 Line profile to x-axis 124
한국공작기계학회논문집 Vol.13 No.6 2004. 12. 접부에서의특이한변형분포를찾을수없어, 잔류응력이거의없는것으로사료된다. 4. 결론 본연구는연속파형 Nd:YAG 레이저를이용한인코넬 600 합금의맞대기용접특성을알기위해수행하였다. 작업거리, 레이저출력등의용접조건변화에따른용접부의비드폭, 용입깊이, 비드형상및금속조직등을분석한결과레이저빔이송속도 v=1.0m/min, 보호가스유량 Q Ar= 5.5l/min일때, 다음과같은결론을얻었다. (1) 비드온플레이트용접시초점위치 z=0.5mm일때종횡비가가장크게나타났다. (2) 비드온플레이트용접방법으로두께 3mm의인코넬 600판재를완전관통용접하기위해서는레이저출력이 1.6kW 이상이되어야한다. 또한관통용접에서출력의증가에따라시편상부에비해시편하부표면의용융폭의증가율이커진다. (3) 레이저출력을 1.6kW, 초점위치를각각 0.5mm, -0.5 mm로하여맞대기용접한결과모재와근사한인장강도값을얻었다. (4) 초점위치 z=0.5mm, 출력 P=1.6kW로맞대기용접했을때, 초점위치를 -0.5mm로하거나출력을 2kW로변화시켰을때보다좋은용접품질을얻을수있었다. (5) ESPI를이용하여잔류응력을측정한결과잔류응력이거의없는것으로나타났다. 후기 위논문은조선대학교 2004년교비연구비지원으로연구하였습니다. 참고문헌 (1) Kim, J. D., Kim, C. J., and Chung, C. M., 2001, Repair welding of etched tubular components of nuclear power plant by Nd:YAG laser, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 114, pp. 51~56. (2) Han, W. J., Byeon, J. G., and Park, K. S., 2001, Welding characteristics of the Inconel plate using a pulsed Nd:YAG laser beam, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 113, pp. 234~237. (3) Kim, J. D., and Moon, J. H., 2000, C-ring stress corrosion test for Inconel 600 and Inconel 690 sleeve joint welded by Nd:YAG laser, Corrosion Science, Vol. 46, pp. 807~818. (4) Kim, K. C., Lee, K. H., and Yoon, E. P., 1992, Effect of Joint Preparation on LASER Butt Weldability of Structural Steel for Automobile Application, J. of the Korean Inst. of Met. & Mater, Vol. 30, No. 7, pp. 124~131. (5) Yoo, Y. T., Oh, Y. S., Ro, K. B., and Im, K. G., 2003, Comparison of Welding Characteristics of Aus- tenitic 304 Stainless Steel and SM45C Using a Continuous Wave Nd:YAG Laser, Transactions of the Korea Society of Machine Tool Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 58~67. (6) Yoo, Y. T., Ro, K. B., Oh, Y. S., Kim, J. S., and Im, K. G., 2003, Process Parameters of Butt Welding of SM45C using a Continuous Wave Nd:YAG Laser Beam, Korean Society of Precision Engineering, Vol. 20, No. 7, pp. 44~55. (7) Yoo, Y. T., Oh, Y. S., Ro, K. B., Shin, H. J., and Im, K. G., 2003, Decrease of Porosity and Cracking in the cw Nd:YAG Laser Welding of SM45C, Korean Society of Precision Engineering, Vol. 20, No. 10, pp. 65~73. (8) Kim, T. H., 1990, Laser Manufacturing, Kyungmoon, pp. 154~215. (9) Gobbi, S., Zhang, L., Norris, J., Richter, K. H., and Loreau, J. H., 1996, High Power CO2 and Nd- YAG Laser Welding of Wrought Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 56, pp. 333~345. (10) Kim, J. H., Kim, T. H., Chung, C. M., and Kim, C. J., 1997, Study of Welding Behavior in Inconel 600 by Nd:YAG Laser Beam, J. of the Korean Inst. of Met. & Mater, Vol. 35, No. 8, pp. 159~165. 125
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