연구논문 API 강재의파이버레이저용접시유기되는플라즈마의방사특성 (Ⅱ) - 용접조건과방사신호의관련성 - 이창제 * 김종도 **, 김유찬 *** * 한국해양대학교대학원 ** 한국해양대학교기관공학부 *** BEST F.A Characteristics of Plasma Emission Signals in Fiber Laser Welding of API Steel (Ⅱ) -The Relationship between Welding Conditions and Emission Signals- Chang-Je LEE *, Jong-Do KIM **, and Yu-Chan KIM *** *Graduate School, Korea Maritime University, Busan -791, Korea **Division of Marine Engineering, Korea Maritime University, Busan -791, Korea ***R&D Institute, BEST F.A, Changwon 1-9, Korea Corresponding author : jdkim@hhu.ac.kr (Received May 9, 1 ; Revised June 5, 1 ; Accepted August 3, 1) Abstract Laser welding by fiber laser accompanied by a lot of spatter and humping bead. This is because the deep and narrow keyhole usually form due to high beam quality. So the weld bead is formed defects, because the plasma jet with a high vapor pressure make the molten pool on keyhole wall scattered. For such a reason, unstable behavior of keyhole is difficult to monitor laser welding by using the laser induced plasma. Mostly, fiber laser welding of thick plates most be influenced by this effect. Therefore, fiber laser welding has been difficult to apply the sole. Thus, laser welding monitoring based on plasma measurements have much difficulty in measurements and analysis of signal. In this study, influence of the plasma emission signal according to welding speed and laser power in fiber laser welding analysed by using RMS and FFT analysis. We can verify that RMS value of the plasma emission signal changes with welding parameters in fiber laser welding, and aspect ratio greater than 1, the peak of FFT frequency had been moved in accordance with welding parameter. Key Words : Fiber laser welding, Defocused distance, Laser power, Welding speed, RMS, FFT 1. 서론 최근등장한파이버레이저는기존의레이저들과는달리높은빔품질을가지고있어박판용접, 정밀절단및미세천공등과같은정밀가공분야에큰전환점이될열원으로기대되고있다 1-3). 그러나높은빔품질은기대와는달리기존의가공현상과는다른키홀의거동을나타내며고출력에서의용접을어렵게하고있다 ). 특히, 후판용접의경우에있어서종횡비 (aspect ratio) 가매우큰키홀이형성됨과동시에높은빔품질에기인한급격한증발을수반하여스패터나험핑비드와같은결함을형성하기쉽다. 이중스패터의과도한생성은후처리를요하며비드외관도미려하지못해파이버레이저의많은장점이살아나지못하고있다 5). 따라서고출력파이버레이저용접시키홀의안정적인거동을위해일부에서는레이저-아크하이브리드를이용한결함제어방법 -) 등이연구되고있으나레이저만의결함제어방법은지속적인연구가필요하다. Journal of KWJS Vol.3 No.(1) pp31-3 http://dx.doi.org/1.571/kwjs.1.3..31
API 강재의파이버레이저용접시유기되는플라즈마의방사특성 (Ⅱ) - 용접조건과방사신호의관련성 - 5 이러한현상은파이버레이저용접모니터링시측정신호를명확하지않게하여분석을어렵게한다. 특히, 높은빔품질에기인하여키홀에서분출되는플라즈마의높은분출압력이키홀의주기운동을방해하므로 FFT 분석을어렵게만드는원인으로생각된다. 따라서본보에서는 1보 9) 에서다룬파이버레이저용접시의신호측정위치를기초로하여플라즈마의방사신호를측정하므로써측정신호의신뢰성을높이고자하였다. 또한이렇게측정된신호를용접조건별로분석하여파이버레이저용접조건에따른신호의상관관계를분석하고자하였다. photodiode Condensing optical head f = 5 mm) Specimen mm 5 Welding direction mm 5 mm IR rays photodiode photodiode Fig. 1 Setup of Jig and photodiode for fiber laser welding. 사용재료및실험방법.1 사용재료및용접방법 본실험에서는 1보에서와같이 API(American Petroleum Institute) 강을사용하여실험을실시하였으며, 시편은두께 1 mm의 API 강을 1 mm로재단하였다. 실험에사용된레이저는 Table 1에나타낸것과같이 1 kw 의연속이테르븀파이버레이저 (CW Ytterbiumfiber laser) 를사용하였다. 사용레이저의파장은 1,7 nm 이며, 가공용파이버끝단의 BPP (beam product parameter) 는 mm mrad 으로매우높은빔품질을가지고있다. 레이저용접은 Fig. 1과같이초점거리가 f = 5 mm인광학계를사용하였으며, 실드가스 (shield gas) 는용접진행방향후방 에서 3 mm의거리를두고분사하였고, 실드가스로는 Ar을사용하였다. 또한광학계를용접진행방향에대해전진각 (Angle of advance) 을 1 로하였다.. 플라즈마의측정방법플라즈마방사신호의측정은 1보에서얻어진측정값을기준으로 Fig. 1에서와같이자외선및가시광포토 Table 1 Specification of CW 1 kw fiber laser Laser type CW Ytterbium-Fiber laser Wavelength 1,7 ± 1 nm Nominal out power 1 kw BPP after feed fiber < 5 mm mrad BPP after processing fiber < mm mrad Feeding fiber core dia. 1 μm Processing fiber core dia. 3 μm 다이오드를용접진행방향측면 5, mm의위치에설치하여유기플라즈마의방사광을측정하였으며, 적외선포토다이오드는용접진행방향후면, mm 의위치에설치하여레이저반사광및용융지의적외선을측정하였다. 또한각포토다이오드에는밴드패스필터 (band pass filter) 를설치하였는데, 각필터는대역별로자외선은 CWL(central wavelength) = 33 nm, FWHM (full width at the half -maximum) = 1 nm인필터를, 가시광선은 CWL = 53 nm, FWHM = nm 인필터를사용하였다. 그리고적외선은 CWL=3nm, FWHM= nm 인필터를사용였다. 더불어자외선포토다이오드는신호간의원활한비교를위하여증폭기의이득 (gain) 을 db 까지올렸으며, 적외선포토다이오드에는밴드패스필터선단에. ND필터를장착하여레이저반사광을감쇄시켰다. 3. 실험결과및고찰 3.1 비초점거리에따른용입과신호특성 비초점거리에따른레이저용접은레이저출력 P = 5 kw 그리고용접속도 v = m/min에서실시하였으며, 초점거리는 f d = +3 ~ -7 mm까지 1 mm 간격으로변화시켰다. Fig. 는비드용접시비초점거리에따른용입깊이및비드폭의변화를나타낸다. 그래프에서보듯이용입은초점에서가장깊게나타났으며, 비드천이 (bead transition) 구간은 f d = -3 ~ +1 mm까지매우넓게나타났다. 이는 5 mm의긴초점거리를가진장초점렌즈와파이버레이저의높은빔품질에기인한것으로기존의레이저 1,11) 들과비교하여비드천이구간이상당히넓다. Fig. 3은비초점거리에따른비드용접시유기플라즈 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 號, 1 年 月 315
이창제 김종도 김유찬 Bead width, Wb (mm ) Penetration depth, D p (mm ) P = 5 kw, v= m/min, Ar Shield Bead width Penetration depth Bead Bead transition - - - - Deforced distance, f d (mm ) Fig. Variation of penetration as a function of defocused distance 1 Bead transition Bead transition - - - - 1 Deforced distance, f d (mm ) (a) Bead transition Bead transition - - - - Deforced distance, f d (mm ) (b) Reflected laser beam Fig. 3 Variation of RMS values with wavelength as a function of defocused distance 마에서방사된자외선및용융지에서반사된레이저반사광의 RMS 값을나타낸것이다. 먼저 (a) 의자외선신호를살펴보면비초점거리가증가함에따라 RMS의레벨이상승하였으며, 비드천이구간인 f d =~-mm 까지는선형적으로증가하는모습을보였다. 그러나비드천이구간이후열전도형용접으로전환되는 f d =-5mm 부터는레벨은비초점거리가커져도증가하지않았다. (b) 의레이저반사광신호도비초점거리 f d =+1 mm부터 -5 mm까지신호의레벨이매우선형적으로증가하고있는것을확인할수있다. 이러한신호의증가는레이저빔이재료내부로흡수되는정도를시사하는데, 즉비초점거리에따른용입깊이의감소는레이저빔의흡수율이높은용융지의면적을축소시킴으로레이저빔의반사량이증가하게된다. 또한 f d =-mm 부터는파워밀도가너무낮아져레이저빔이반사되더라도그강도가감소하는것으로판단된다. Fig. 는비초점거리변화에따른측정신호의파장별 FFT 결과를나타낸것이다. 우선자외선신호의 FFT 그래프를보면약 9 Hz 부근에서특정피크가관찰되고있다. 그러나비초점거리에따른특정피크의주파수대역의이동은관찰되지않으며, 비드천이구간을벗어나는 f d =-mm부터특정피크가약 5Hz로이동하기시작하여열전도형용접이이루어지는 f d = - mm에서는다시 9 Hz 부근까지피크가이동하였다. 이러한피크의이동은파워밀도가급격하게낮아지는비초점거리에서부터일어났는데, 이는낮은파워밀도의키홀용접이나열전도형용접과같이키홀개구의움직임이미약하거나거의일어나지않을경우에이러한플라즈마의움직임이매우낮은 1Hz 이하의저주기신호로나타나기때문이다. 다음으로레이저반사광의 FFT 에서는비초점거리에관계없이모든위치에서플라즈마의거동을나타내는특정피크가관찰되고있다. 이는레이저반사광이다른신호들과마찬가지로용접시여러가지상호작용에의해영향을받기는하지만레이저빔이직접적으로반사되는것으로써다른신호들에비해그영향이상대적으로미약하여비초점거리에관계없이주파수성분이잘나타난것으로생각된다. 그러나비드천이의경계점인 f d = - mm 구간에서는고대역에서추가적인피크가나타나고있다. 또한기존의레이저용접시에는비초점거리에따른주파수대역의이동이관찰되나파이버레이저에는주파수대역의이동이거의없다는것이특징이다. 3. 용접조건에따른용입과신호특성 Fig. 5는레이저출력 P = 3 kw일때용접속도별 RMS 변화를나타낸것이다. 파장별 RMS 의레벨변화는용접속도증가에따라자외선과가시광선의신호강도가감소하였으며, 레이저반사광은증가하는경향을보였다. 또한가시광선의레벨이자외선의레벨보다용접속도에따른신호의감쇄가상대적으로완만하였다. 이러한 31 Journal of KWJS, Vol. 3, No., August, 1
API 강재의파이버레이저용접시유기되는플라즈마의방사특성 (Ⅱ) - 용접조건과방사신호의관련성 - 7 f d Signal.5 -mm -mm -mm.1....15 Power, (V RMS).3..1 Power, (V RMS)... Power, (V RMS).1.5. 1k. 1k. 1k.1..1..1. Power, (V RMS).. Power, (V RMS).1. Power, (V RMS)...... 1k. 1k. 1k Fig. FFT results of the measured signals with defocused distance m/min 3 m/min 5 m/min 35 m/min 3 m/min 5 m/min mm 3 mm 5 1 1 7 Reflected laser beam 15 1 5 Reflected laser beam 1 Fig. 5 Various RMS values with wavelength at 3 kw of laser power 1 Fig. Various RMS values with wavelength at 5 kw of laser power 가시광선의거동은출력이 1 kw에서 3 kw로증가함에따라높게나타나는데, 이는출력증가에따라키홀을형성할수있는용접속도의범위가증가하여도키홀에서증발하는금속증기를플라즈마화할때투입되는에너지가자외선을방사시킬만큼높지않기때문이라고생각된다. Fig. 은레이저출력 P = 5 kw일때용접속도별 RMS 의변화를나타낸것이다. 5 kw부터는자외선과가시광선의신호강도변화가 P = 1 ~ 3 kw보다크지않은데, 이러한현상은깊은용입의키홀이저출력에서 보다높은흡수율로레이저빔을흡수한후재료를용융시키는데사용된양이상대적으로많기때문이라고생각된다. 또한레이저반사광도종횡비가 정도유지되는 v = 3 m/min까지흡수율이감소하지않고일정하게유지되는모습을보여주었다. 그러나키홀의깊이가얕아지기시작하는 v = 5 m/min부터는키홀내부의용융금속량이감소하면서반사광의강도가증가하기시작하였다. 그리고전체적으로자외선의레벨은저출력일때와는반대로가시광선보다위에있는데, 이것은고출력에서 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 號, 1 年 月 317
이창제 김종도 김유찬 사용재료의주된원소인 Fe의중성원자및이온선의자외선대발광강도가높은데기인하는것으로판단된다. Fig. 7은 P = 1 kw에서의파장별 RMS 값을나타낸그래프이다. 그래프에서보듯이앞선결과들과마찬가지로자외선의 RMS 레벨은가시광선보다도높게나타났다. 또한자외선신호의레벨변동이보다확연하게관찰되는데, 이는 Fig. 에나타낸용접속도별스패터의발생량에서보듯이 1 ~ mm 정도의스패터뿐만아니라 mm 이상의스패터도비산되고있어금속증기를공급하는용융금속이감소하여플라즈마의생성이억제됨으로써자외선신호의강도가저출력에서보다크게변동한것으로판단된다. 또한가시광선의 RMS 레벨은레이저출력이 5 ~ 1 kw 까지증가하는동안 5 ~ 7 V사이로거의일정하게나타나고있다. 이는앞서설명한바와같이 P 3 5 15 1 5 5 m/min 7 m/min 1 m/min Reflected laser beam 1 mm mm Fig. 7 Various RMS values with wavelength at 1 kw of laser power Number of generated spatter Fig. 1 9 3 Spatter size (mm ) <1 1~ > Adhesion amount of spatter on bead surface with 1 kw laser power = 5 kw 이상의고출력에서는용접속도가낮을수록스패터의발생량이증가하고있음을 Fig. 에서확인하였는데, 이러한스패터의비산으로출력대비플라즈마의생성량이충분하지못하여발생한현상으로생각된다. 따라서가시광선은고출력에서보다는저출력에서, 저속에서보다는고속에서, 즉스패터에의한플라즈마의생성이방해받지않는조건에서측정신호로사용하는것이더효율적이라고생각된다. 그리고키홀용접에서는레이저빔의흡수율이높아서레이저반사광이약하게관측되며, 열전도형용접과같이용융금속의양이적고깊은용입에의한키홀내부로의다중반사를통한빔의흡수가잘일어나지않는조건에는다량의반사광신호가측정된다. 이를통해레이저반사광은저출력, 고속용접에서의측정신호로적합하다는것을알수있다. 더불어자외선신호의경우에는모든조건에서신호가잘측정되었으며, 키홀이형성되는조건에는그특징이더욱더잘나타났다. 따라서신호의측정은레이저용접조건에따라서적정한파장대역을선정할필요가있다는것을알수있다. Fig. 9는레이저출력 P = 5 kw 에서의용접속도변화에따른파장대별측정신호의 FFT 결과를나타낸것으로그래프에서보듯이용접속도증가에따라특정피크의주파수대역이점점고주파대역으로이동하는것이관찰되는데, 속도별주파수대역을살펴보면 v =1 m/min에서는약 1 Hz정도의부근에서피크가관찰되었으며, v = m/min은약 1 Hz, v = 3 m/min 은약 3 Hz, 그리고 v = 5 m/min 에서는약 Hz 부근에서피크가감지되었다. 이러한주파수의변화는종횡비가 1 이상인키홀용접에서이러한주기신호의이동이잘관찰되었다. 그리고종횡비가 1 이하로감소하는 v = 7 m/min부터는피크가나타나는주파수가감소하기시작하여 v = 1 m/min 에서는약 1 Hz까지떨어졌다. 또한저주파대역의배경신호도강하게나타나고있다. 그러나이러한배경신호의생성은 P = 1 ~ 3 kw의저출력에서나타나는열전도형용접에의한현상과는달리고속용접에따른키홀운동의주기적거동이매우빠르거나, 움직임이매우미약하게나타나배경신호와의분리가명확하지않기때문이다. 이상으로파이버레이저용접시플라즈마방사신호의신호강도및 FFT 는용접조건변화에따라, 특히키홀용접및경계조건에서깊은연관이있음을확인하였다. 31 Journal of KWJS, Vol. 3, No., August, 1
API 강재의파이버레이저용접시유기되는플라즈마의방사특성 (Ⅱ) - 용접조건과방사신호의관련성 - 9 FFT analysis Welding speed 1 Reflected laser beam 5 1 m/min Power, (V RMS) Power, (V RMS) 3 1 Power, (V RMS) 3 1 1k 1k 1k 5 1. 1. 5 m/min Power, (V RMS) 3 1 Power, (V RMS)... Power, (V RMS) 1k. 1k 1k. 1 m/min Power, (V RMS) 1 1 Power, (V RMS) 1. 1... Power, (V RMS) 1 1 1k. 1k 1k Fig. 9 FFT results of the measured signals at 5 kw of laser power. 결론 파이버레이저용접시용접조건에따른신호강도및 FFT 분석결과를정리하면다음과같다. 1) 파이버레이저용접시자외선과레이저반사광신호는비초점거리가증가함에따라비드천이구간에서는 RMS 의레벨이선형적으로상승하였으나, 열전도형용접에서는비초점거리가커져도증가하지않았다. 특히비초점거리에따라용입깊이가감소하여레이저빔의흡수율이높은용융지의면적이축소되면서레이저반사량이증가하여나타난현상이다. ) 기존의레이저용접과는달리파이버레이저용접시에는비초점거리에따른주파수대역의이동이거의없다. 3) P = 5kW 미만의출력에서는용접속도가증가함에따라자외선및가시광선의신호는감소하였으며, 낮은출력때문에플라즈마내의 Fe원자가충분히여기되지못하여자외선보다는가시광선의신호가강하게나타났다. 또한레이저반사광은용접속도가증가함에따라용융금속의양이감소하여오히려증가하는경향 을보였다. ) P = 5kW 이상의출력에서는저출력일때와는달리키홀에서증발하는 Fe원자를충분히여기시킬수있어서가시광선보다는자외선의강도가강하게나타난것으로판단된다. 5) P = 1kW 와같은고출력에서는키홀로집중되는에너지의양이매우높기때문에키홀벽주위의용융액이높은플라즈마분사압력에의해스패터로비산되므로플라즈마가안정적으로형성되지못하여자외선신호의변화폭이크게나타났다. ) 종횡비가 1이상인키홀에서는용접속도가증가함에따라 FFT 의주파수피크가고주파쪽으로이동하였다. 또한열전도형용접이나종회비가 1이하인키홀에서는주파수피크가 1Hz 이하의저주파수로이동하였으며, 배경신호도증가하여주파수피크를판별하기어렵게하였다. 감사의글 본연구는지식경제부및정보통신산업진흥원의대 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 號, 1 年 月 319
3 이창제 김종도 김유찬 학 IT연구센터육성지원사업의연구결과로수행 (NIPA- 1-H31-1-9) 되었으며, 또한, 본과제 ( 결과물 ) 는국토해양부의지원으로수행한해양에너지전문인력양성사업의연구결과입니다. 참고문헌 1. Young-Nam Ahn, Cheolhee Kim : Laser Welding of Automotive Transmission Components, Journal of KWJS, 9- (11), 5-5 (in Korean). K. H. Park : Fiber Laser Application to Precision Processing Industries, High Power CO Laser Systems and Applications, Abstracts of the 11 Autumn Annual Meeting of KWJS, 3-7 (in Korean) 3. You-Hie Han, Joo-Young Park : Fiber Laser Applications Welding, Cutting and Drilling, Abstracts of the 11 Spring Annual Meeting of KWJS, 15-15 (in Korean). Mok-Young Lee : A Multi Kilowatts CW Fiber Laser Welding, Journal of KWJS, - (), -13 (in Korean) 5. Yousuke KAWAHITO, Masami MIZUTANI and Seiji KATAYAMA : Defect Formation Mechanism and Reduction Procedure in 1 kw High Power Fiber Laser Welding of Stainless Steel, Quarterly journal of the Japan Welding Society, -3 (), 3-9. LIU Zhongjie, XU Guojian and KUTSUNA Muneharu : Laser-MAG hybrid welding of high strength steel using fiber laser and CO laser, Quarterly journal of the Japan Welding Society, 5- (7), 5-7. SHIN Minhyo, MURAKAMI Takahiro and NAKATA Kazuhiro : Parametric Study on One Pass Fully- Penetrated Weld Bead Formation in Horizontal Fillet Weld T-Joint by Fiber Laser-MAG Arc Hybrid Welding for Thick Steel Plate, Quarterly journal of the Japan Welding Society, 9-3 (11), 17-1. SHIN Minhyo and NAKATA Kazuhiro : Study on Weld Bead Formation with Square-Groove Butt Joint by 1 kw Class Fiber Laser-MAG Arc Hybrid Welding, Quarterly journal of the Japan Welding Society, 9-3 (11), 11-1 9. Jong-Do KIM, Chang-Je, Mok-Young LEE: Characteristics of Plasma Emission Signals in Fiber Laser Welding for API Steel (Ⅰ), Journal of KWJS, - (1), 51-57 (in Korean) 1. Jong-Do KIM and Hyun-Joon Park : The Weld - ability of mm t Primer-coated Steel for Shipbuilding by CO Laser(Ⅰ), Journal of KWJS, 3-3 (5), 7- (in Korean) 11. Jong-Do KIM and Chang-Je LEE : The Weld - ability of Laminated Stator Core for Motor by Pulsed Nd:YAG Laser [Ⅰ], Journal of KSME, 3-7 (), 9-35 (in Korean) 3 Journal of KWJS, Vol. 3, No., August, 1