15 특집 : 용접안전과보건위생및고능률용접공정 레이저 -GMA 하이브리드용접공정에서의용접현상 김철희 채현병 김준기 김정한 Welding Phenomena in Laser-GMA Hybrid Welding Process with and without Arc Rotation Cheol-Hee Kim, Hyun-Byung Chae, Jun-Ki Kim and Jeong-Han Kim 1. 서론 레이저-아크하이브리드용접은레이저와아크상호간시너지효과에의해서용접속도증가, 변형감소, 용입확보및간극대응력확보등의여러가지장점을가지고있어조선및자동차분야를중심으로실용화되었으며현재다양한적용분야에대한적용이이루어지고있다 1-3). 레이저-아크하이브리드용접은적용된아크용접공정의종류및하이브리드공정에서의아크와레이저의역할에따라서다양하게분류되고있다 4). 특히 GMA (Gas Metal Arc) 용접전원을하이브리드용접에이용하는경우에는간극대응력이우수하고, 용가재의첨가로인한용접부의개질이가능한장점을가지고있다. 레이저-GMA 하이브리드용접에대한기존의연구에서는용접공정인자에따른용접비드특성과간극에대한대응력이평가된바있다 5-7). 일정한범위에서양호한용접비드를형성함에도불구하고보호가스조성에서의 CO 2 의함량과레이저-아크간거리는언더컷의존재를결정하는중요한인자로규명되었으며, 보다강건한공정을위하여레이저-회전아크하이브리드용접이제안된바있다 8). 또한레이저-회전아크하이브리드용접시에는아크의고속회전을이용한아크센서의적용이가능하므로공정적용시유리한점이있다 9). 본논문에서는레이저-회전아크하이브리드용접에서의용적이행및비드특성을기술하고, 기존의하이브리드용접에서용접결함이발생하는원인을고속촬영및비드관찰을통하여설명하고자한다. 2. 레이저 - 회전아크하이브리드용접에서의용적이행 본연구에서사용한 CO 2 레이저와 GMA 용접과의하 이브리드용접에서회전아크를도입한하이브리드용접공정의개념은 Fig. 1과같다. 레이저는모재에수직으로조사되고, 회전토치는모재에일정한각도로기울어져장착되었다. 아크가레이저에일정한거리로선행하여진행하고, 정해진회전반경과회전수로 GMA 전극이회전하도록장치되었다. 아크가회전하지않는하이브리드용접실험에서선정한공정변수를기준으로공정변수의변화에따른용접현상을관찰하였으며 5), 본문에별도로언급되지않은경우의용접조건은 Table 1 Fig. 1 Schematic diagram of laser-rotating arc hybrid welding process Table 1 Welding conditions used in experiments Electrode 1.2mm solid wire Laser power 8 kw Shielding gas He 50%+Ar 38%+CO 2 12% Gas flow rate 50 l /min Wire feed rate 9.9 m/min Welding voltage 25 V Travel speed 1.5 m/min Torch angle 31 deg. Interspacing distance 6 mm CTWD 20 mm Rotation diameter 3 mm Rotation frequency 8 Hz 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 2006 年 6 月 221
16 김철희 채현병 김준기 김정한 과같다레이저-회전아크하이브리드용접에서용접부를고속촬영한결과를 Fig. 2에도시하였다. Fig. 2의 (a) 와 (b) 에서는스프레이이행이, (c) 와 (d) 에서는입상용적이행이, (e) 와 (f) 에서는단락이행이각각관찰된다. Fig. 3은이행모드변경이일어나는메커니즘을개괄적으로보여주고있다. 아크가레이저에선행하는경우 GMA 전극이 Cf위치에존재할때팁-모재간거리가가장짧아져가장큰전류값을갖는다. 전극이 Cf위치에서 Cr위치로회전함에따라용접전류값이낮아지게되므로용적이행은스프레이이행에서입상용적이행으로전환된다. 그러나전극이 Cr위치를지나 Cf위치로회전하는경우에는보다복잡한용접현상이관찰된다. 아크의회전이고속이므로아크의자기제어가충분히일어나지못하고, 아크길이가짧아지게된다. 이에따라입상용접이행에서스프레이이행이아닌단락이행형태 로전환되고잦은단락이관찰된다. 본연구에서는레이저를수직으로조사하고 GMA 전극이모재에기울어져회전하기때문에이러한현상이발생한것으로판단되며, GMA 전극을모재에수직으로설치한형태의하이브리드용접에서용접현상도관찰할필요가있다고생각된다. 단락이행의발생은아크의길이와밀접한관계가있기때문에회전주파수와용접전압에따른스패터의발생량을조사하였다. Fig. 4에서와같이회전주파수의증가에따라스패터가더많이발생함을알수있는데이는아크의고속회전에따라아크의자기제어가충분히일어나지못하기때문에단락발생률이높아지기때문이다. Fig. 5는용접전압에따른용접덧살의면적을보여준다. 실험에이용한공정조건에서는 25V 에서스패터의발생이최소화되었으며, 용접전류가낮아지거나높아질때스패터발생량이증가함을알수있다. 용접 a) Cf R : Spray b) R Cr L :Globular c) L Cf : Short circuit Fig. 3 Schematic diagram of various metal transfer modes in laser-rotating arc hybrid welding process Area of excess weld metal(mm 2 ) 850 800 750 700 650 600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Arc rotation frequency(hz) Fig. 4 Area of excess weld metal according to the rotation frequency droplet keyhole droplet (a) 0 ms (b) 3.7 ms (c) 22.0 ms (d) 44.1 ms (e) 57.6 ms (f) 60.3 ms Fig. 2 High speed images of welding phenomena in laser-rotating arc hybrid welding process 222 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 2006
레이저 -GMA 하이브리드용접공정에서의용접현상 17 Area of excess weld metal(mm 2 ) 900 800 700 600 20 22 24 26 28 30 Welding voltage(v) Fig. 5 Area of excess weld metal according to the welding voltage (a) 21V (b) 29V Fig. 6 Arc lengths for various welding voltages 전압이 21V, 29V 일때의아크길이를고속촬영하여 Fig. 6에나타내었는데 25V 에서촬영한 Fig. 2와비교하면용접전압이증가하면서아크길이도증가함을알수있다. 용접전압이낮은경우아크길이가짧아져단락의발생률이높아스패터의발생이증가한것으로판단되며, 용접전압이높은경우에는아크길이가길어지지만와이어의끝단에서분리된용적이이행되는과정에서모재로이행하지못하고용융풀외부로날리는현상이발생하여스패터발생의원인이된다. 3. 보호가스조성에따른용접현상 8kW CO 2 레이저출력에서플라즈마억제력을확보할수있도록헬륨의비율을 50% 로고정하고, 아르곤과 CO 2 의조성을변화시키면서용접을수행하여 Fig. 7에도시하였다. 회전아크하이브리드용접에서는모든조성에서언더컷이발생하지않았는데, 기존의방법에서는 CO 2 함량이 8% 이하에서는언더컷이관찰되었으며, CO 2 함량이 16% 이상에서는모재에부착된스패터를관찰할수있었다. 과소한 CO 2 함량에서언더컷의존재는 CO 2 조성에따른젖음성의문제로판단된다. Fig. 8은 CO 2 함량이 4% 에서용접부의고속촬영결과이며, Fig. 9는 Fig. 8의고속촬영사진을개략도로서나타낸것이다. 이때, 용접부옆벽면에서용융금속이젖음성이부족하여옆벽면을채워주질못하고젖음이부족한영역 (unwetted zone) 이관찰되었는데이로인해응고시부분적으로언더컷이발생하는것으로사료된다. 보호가스내 CO 2 함량을 12% 로증가시킨경우나타나는용접현상의고속촬영결과를 Fig. 10에서보여주고있다. 이때는아크길이및스프레이용적이행이안정되고, 키홀에서분출되는플라즈마플룸이용적이행에영향을주지않아양호한비드를형성하였다. Fig. 11은 20% 의 CO 2 를첨가한경우의고속촬영결과로서아크길이가 Fig. 10의경우에비해짧아지고, 용적의반발이발생하면서키홀의바로윗부분으로용적이행이일어나게되며플라즈마플룸의분출에의하여용적이용융풀로이행되지못하고, 스패터발생으로이어지는것을알수있다. 회전아크하이브리드용접에서는아크의회전으로용융풀의유동이강제적으로일어나게된다. 이에따라 CO 2 함량이부족한경우발생하는젖지않는영역을제거하여 CO 2 의조성과무관하게언더컷이발생하지 CO 2 Without arc rotation With arc rotation 4 % 8 % 12 % 16 % 20 % Fig. 7 Bead surfaces for various shielding gas composition (He 50%, Ar bal.) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 2006 年 6 月 223
18 김철희 채현병 김준기 김정한 Fig. 8 High speed images for 4% content of CO 2 in shielding gas Fig. 9 Schematic sketches of Fig. 8 Fig. 10 High speed images for 12% content of CO 2 in shielding gas 않았다. 그러나앞절에서기술한것과같이 GMA 전극이모재에기울어져설치되어있으므로전조건에서스패터가발생하여모재표면에부착되어있음을확인하였다. 4. 레이저 - 아크간거리에따른용접현상 Fig. 12는다양한레이저-아크간거리에따른용접비드형상을보여주고있다. 기존아크회전이없는하 224 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 2006
레이저 -GMA 하이브리드용접공정에서의용접현상 19 Fig. 11 High speed images for 20% content of CO 2 in shielding gas. Interspacing distance Without arc rotation With arc rotation 2 mm 4 mm 6 mm 8 mm 10 mm Fig. 12 Bead surfaces for various interspacing distances between laser and center of arc 이브리드용접에서는레이저-아크간거리가 4mm일때를제외하고는언더컷이발생함을알수있으나, 회전아크하이브리드용접에서는전조건에서언더컷이발생하지않았다. 레이저-아크간거리가 2mm이하일때와 6mm이상일때언더컷이발생하는원인을고속촬영을관찰해보았다. Fig. 13은레이저-아크간거리가 0mm 일때용접현상을보여주는데와이어의끝단에서이탈한용적이레이저키홀에서폭발하는플라즈마기둥에충돌하면서편향되어용융지의한쪽에치우쳐이행되는것을관찰할수있으며, 이는비드단면의비대칭을유발한다. 레이저-아크간거리가 2mm 에서는 Fig. 14와같이모재로이행되던용적이키홀에서폭발하는플라즈마플룸에의하여용융지로이행되지않고용융지를벗어나는 현상이빈번하게발생되는것이관찰할수있었다. 이로인해용착량이감소되므로용접부에언더컷이발생되는것으로사료된다. Fig. 15는레이저 -아크간거리가 4mm~10mm까지의고속카메라사진을나타내고있다. 레이저-아크간거리가 4mm 일때는용적이키홀의바로앞에서용융풀로이행되면서플라즈마플룸의영향을받지않고안정적으로이행하여언더컷을발생시키지않았다. 그러나레이저-아크간거리가 6mm 이상인경우에는열원사이의거리가과도하여시너지효과가줄어들고이로인해언더컷과같은용접결함이발생하였다. 즉, 레이저-아크간거리가증가할수록레이저와아크의열원이서로멀어지게되고그사이에나타나는젖지않은영역의크기가커짐을알수있는데, 젖지않은영역의면적이일정이상초과하게되면 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 2006 年 6 月 225
김철희 채현병 김준기 김정한 20 Fig. 13 High speed images for 0mm interspacing distance between laser and arc Fig. 14 High speed images for 2mm interspacing distance between laser and arc Unwetted zone (a) 4 mm Unwetted zone (b) 6 mm (c) 8 mm (d) 10 mm Fig. 15 Weld pool flows according to various interspacing distances from 4mm to 10mm 언더컷이 발생하는 경향이 나타났다. 회전아크 하이브리드 용접에서 언더컷이 발생하지 않 는 원인은 두 가지로 사료된다. 먼저 레이저-아크 거리 가 짧은 경우에도 용적의 이행모드가 다양하게 존재하 226 여 용적이 이행도중 날림을 방지할 수 있다. 두 번째로 레이저-아크간 거리가 긴 경우에도 전극의 회전에 따른 용융풀의 강제 유동이 발생하므로 젖음성이 확보되어 언더컷을 방지할 수 있다. Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 2006
레이저 -GMA 하이브리드용접공정에서의용접현상 21 5. 결론 레이저-회전아크하이브리드용접에서는아크센서를이용한용접선추적이가능할뿐아니라보호가스의조성, 레이저-아크간거리등의공정변수의변화에강건한공정이가능하다. 그러나 GMA 전극을기울인형태의회전아크하이브리드용접에서스패터의발생이상대적으로많이발생하고, 회전아크메커니즘을부착함으로써시스템이복잡해지며아크회전에따른진동문제등이아직해결할문제로남아있다. 향후레이저- 아크하이브리드용접의적용에서공정의강건성이나간극의대응력을확보하기위하여고속아크제어를도입한공정개발에대한연구가적극적으로검토될필요가있다고사료된다. 참고문헌 1. C. Bagger and F. O. Olsen: Review of laser hybrid welding, Journal of Laser Applications, 17-1 (2005), 2-14. 2. H. Staufer.: Laser-hybrid welding of ships, Welding Journal, 83-6 (2004), 39-41 3. H. Straufer, M. Ruhrnobl and G. Miessbacher: Laser hybrid welding and laser brazing: State of the art in technology and practice by the examples of the Audi A8 and VW-Phaeton, Society of Manufacturing 김철희 1973년생 한국생산기술연구원, 정밀접합팀 용접공정해석및자동화 e-mail; chkim@kitech.re.kr technology and practice by the examples of the Audi A8 and VW-Phaeton, Society of Manufacturing Engineers, Technical Paper, 2003, MS03-130 4. N. Abe and M. Hayashi: Trends in laser arc combination welding methods, Welding International, 16-2 (2002), 94-98. 5. H.-B. Chae, C.-H. Kim, J.-K. Kim, N.-H. Kang, J.-H. Kim and S. Rhee: The Effect of Shielding Gas Composition in CO 2 Laser -MIG Hybrid Welding, Autumn Annual Meeting of Korean Welding Society, 2004, 52-54 (in Korean) 6. C.-H. Kim, H.-B. Chae, J.-H. Kim, S. Rhee: Development of CO 2 Laser-Arc Hybrid Welding Technology in KITECH, 1 st KWS-JWS Joint Symposium of Yong Researchers, Seoul, Korea, June 24, 2005, 380-383 7. H.-B. Chae, C.-H. Kim, J.-K. Kim, N.-H. Kang, J.-H. Kim and S. Rhee: Improvement of Gap Bridging Ability in CO 2 LASER-GMA Hybrid Welding, Spring Annual Meeting of Korean Welding Society, 2005, 100-102 (in Korean) 8. C.-H. Kim, H.-B. Chae, C.-W. Lee, J.-H. Kim and S. Rhee: Development of Laesr-Rotating Arc Hybrid Welding Process, Journal of KWS, 24-1 (2006), 88-92 (in Korean) 9. C.-H. Kim, J.-K. Kim N.-H. Kang and C.-W. Lee: Preliminary Study on Arc Sensor in Laser-Rotating Arc Hybrid Weldng. Journal of KWS, 24-1 (2006), 7-9 (in Korean) 채현병 1969년생 한국생산기술연구원, 정밀접합팀 하이브리드용접및자동화 e-mail: hbchae@kitech.re.kr 김준기 1971년생 한국생산기술연구원, 정밀접합팀 용접재료, 하드페이싱용접공정 e-mail; jkim@kitech.re.kr 김정한 1956년생 한국생산기술연구원, 정밀접합용접팀 용접야금, 용접재료 e-mail; jhkim@kitech.re.kr 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 2006 年 6 月 227