종방향 레이저 빔 오실레이션이 알루미늄 레이저 용접부 고온균열 및 응력 분포에 미치는 영향
Influence of Longitudinal Laser Beam Oscillation on Hot Cracking and Stress Distribution in Laser-Welded Aluminum
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Abstract
This study analyzed the effect of longitudinal laser beam oscillation on the generation of hot cracking and stress distribution in Al 6061-T6. Experiments were conducted on Al 6061-T6 specimens with a thickness of 1.5 mm, comparing hot crack susceptibility and stress distribution according to oscillation amplitude and frequency. Observations of molten pool shape dynamics and hot crack characteristics, obtained via high-speed camera and X-ray equipment, concluded that low-frequency oscillation in the longitudinal direction (under 50 Hz) effectively suppressed crack formation. Additionally, laser welding simulations using Abaqus software revealed that the tensile stress around the fusion zone was influenced by the frequency and amplitude of the laser beam oscillation. This study demonstrated that optimizing the oscillation welding process could help reduce crack susceptibility and mitigate hot cracking.
1. 서 론
레이저 빔 오실레이션은 1축이상의 모터가 장착되어 있는 광학계를 활용함으로써, 빔의 직경 및 초점거리에 관계없이 목적하는 이음부의 두께 및 너비를 형성할 수 있게 한다1,2). 이러한 변조의 궁극적 목적은 고반사 재료의 낮은 흡수율을 극복하고 기공 및 스패터의 효과적인 제어에 있으나2), 용융풀의 냉각속도를 조절하여 내부 응력 분포를 개선함으로써3,4) 기공5) 뿐만 아니라 및 균열6)과 같은 용접부 결함 발생 또한 억제시킬 수 있는 것으로도 알려져 있다. 키홀 안정화에 따른 용접 품질 향상 효과2) 또한 기대효과로 볼 수 있다. 이러한 장점으로 인해 자동차1,7), 에너지8), 항공우주6) 및 전자부품 제조와 같은 고속, 고정밀 용접이 필요한 산업 분야에서의 활용이 증가하고 있다.
고온균열 발생의 물리적 메커니즘을 Rappaz-Drezet-Gremaud 모델에서는 조성, 온도, 변형율 속도, 투과율 등을 요인을 활용하여 설명하고 있다9,10). 레이저 용접의 경우 제살용접으로 수행되는 경우가 많아 조성이 미치는 영향은 일정하지만, 오실레이션으로 야기되는 입열 및 구속력의 분포 변화는 고온균열을 억제할 수 있는 중요 변수로 작용할 수 있다11). 더불어 등축정 조직이 미세하고 넓게 분포할수록 결함 발생 억제가 유리한 것으로 보고된 바 있다12-14). 오실레이션을 통해 용융풀 끝단의 냉각 속도를 제어함으로써 결정립의 크기 및 분포를 조정하고 균열 형성을 억제할 수 있다.
저자 등은 Al 6014 소재를 대상으로 무한대(∞) 및 원형 패턴을 적용하여 레이저 오실레이션 용접을 수행하고 이를 자기구속균열 시험편으로써 비교 분석한 바 있다15). 같은 입열 조건에서도 용접비드를 넓게 만드는 조건(오실레이션 폭)에서 균열민감도가 높았으며, 오실레이션 주파수가 증가함에 따라 균열 길이는 줄어들었다가 다시 증가하는 경향이 나타났다. 최소 균열 길이는 무한대 패턴, 좁은 오실레이션 폭, 저주파수 조건에서 측정이 되었는데, 이를 통해 용접방향과 평행한 진동, 특히 레이저 빔이 용접 방향에 역행하는 레이저 빔의 궤적으로 인한 등축정 조직의 분포변화가 균열 거동에 지대한 영향을 미쳤다는 결론을 도출했다.
위의 선행 연구들을 종합하여 용접비드를 좁게 형성시키면서 용접 방향에 역행하는 레이저 빔 궤적 비율을 증가시키고자, 본 연구에서는 용접방향과 평행한 오실레이션 패턴을 적용하여 레이저 빔 오실레이션 용접을 수행하였다. 또한 공정변수가 고온균열 민감도에 미치는 영향을 분석하고, 시뮬레이션을 수행하여 용접부 주변의 응력장 변화를 고찰하고자 하였다.
2. 실험 방법
균열 민감성을 비교 분석하기 위해 1.5 mm 두께의 Al 6061-T6를 Fig. 1과 같이 자기구속균열 시험편의 형태로 가공하여 활용하였다. 레이저 용접은 폭이 좁은 면에서 넓은 면으로 진행하였으며, 총 용접길이(L)에서 균열 길이(LC)가 차지하는 비율(LC/L)을 균열 민감성으로 정의하고 비교에 활용하였다. 사용한 소재의 화학적 조성과 기계적 성질은 Table 1에서 확인할 수 있다.
(a) Dimension of specimen and (b) definition of crack sensitivity (= LC/L)
Chemical composition and mechanical properties of used material Al 6061-T6
레이저 용접은 1070 nm의 파장을 갖는 파이버 레이저 (YLS-3000, IPG Photonics, Oxford, MA, USA)를 활용하여 수행되었으며, 레이저 빔은 200 um 직경의 광섬유를 통해 전달되어 초점거리가 200 mm인 레이저 헤드 (D30, IPG, Photonics, Oxford, MA, USA)를 통해 시료로 조사되었다. 레이저 빔은 시료에 수직으로 조사되도록 하였으며, 시편 표면에 초점이 맺히도록 설치하였다 (Fig. 2a). 사용한 레이저 헤드는 1축 모터가 부착되어 있어 레이저 빔 궤적 패턴을 변경할 수 있는 타입으로써, 용접방향과 평행하게 진동하는 궤적을 구현하기 위해 활용되었다 (Fig. 2b). 표면에서 측정된 빔의 직경은 270 ㎛이며, 레이저 용접 중 보호가스는 사용하지 않았다.
(a) Experimental setup and (b) scheme of laser beam movement for longitudinal laser beam oscillation
레이저 빔 오실레이션이 균열민감성에 미치는 영향을 분석하고자 오실레이션 진폭 및 주파수를 변수로 실험을 수행하였다. 모든 실험은 완전용입 조건 내에서 선정이 되었으며, 실험변수 및 고정변수는 Table 2에 표시하였다. 오실레이션 진폭 및 주파수에 따라 레이저 빔의 경로가 변화하는데, 이는 용접속도와 빔 궤적이 복합적으로 작용하기 때문이다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 t1-t2과 t4-t1 주기에서는 용접방향과 같은 정방향으로 빔의 궤적이 움직이지만, t2-t4 주기에서는 용접방향의 역방향으로 빔의 궤적이 움직인다. 이러한 레이저 빔의 역행은 오실레이션 진폭이 크고 (Fig. 3a), 주파수가 높을수록 (Fig. 3b) 강하고 빈번하게 형성된다.
Selected welding parameters for laser beam oscillation welding
Relative laser beam path accordance with (a) oscillation width and (b) frequency
레이저 용접된 시료는 X-ray 장치를 활용하여 촬영하였으며, 이미지 프로세싱을 활용하여 그레이스케일이 195 이상인 경우를 균열로 정의하여 길이를 산출하였다. 레이저 공정 중에는 고속카메라 (Mini UX30, FASTCAM)을 활용하여 용융풀을 관찰하였다. 용융풀 이미지는 808 ± 1.5 nm의 투과 범위를 가진 밴드 패스 필터를 적용시키고, 초당 5000 프레임의 속도로 촬영하였다. 키홀에서 발생되는 플라즈마를 감쇠시키고 용융풀의 이미지를 확보하기 위해, 120 W의 출력을 낼 수 있는 808 nm 파장대역의 레이저를 부가축에 부착시켜 활용하였다 (Fig. 2a). 용접된 시료는 시뮬레이션에 활용하기 위하여 임의의 위치에서 샘플을 채취 및 연마하여 비드 표면 및 단면분석을 실시하였다.
3. 실험결과 및 논의
3.1 용융풀 거동
용융풀의 길이 및 폭은 주열원인 레이저 빔의 궤적을 따라 변화하는데, 실험에서 선정된 대부분의 공정변수에는 용접방향에 역행하는 레이저 빔 궤적 (Fig. 3a, t2-t4)이 존재한다 (Fig. 3). 오실레이션 주파수가 25 Hz인 경우에서는 용접방향에 역행하는 궤적은 존재하지 않지만 (Fig. 3b), p2-p4 구간과 같이 빔 이동 속도가 아주 느린 구간이 존재한다.
빔 궤적이 용융풀 형상에 미치는 영향을 고속카메라를 활용하여 관찰하고 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 비교를 위하여 Fig. 4a에 오실레이션을 적용하지 않은 조건의 용융풀 형상을 나타내었다. 오실레이션이 적용되지 않은 경우, 시간의 흐름과 무관하게 용융풀 형상(길이, 폭)은 비교적 일정하였다. 오실레이션 주파수가 25 Hz인 조건에서는 Fig. 4b와 같이 진동 주기에 따라 용융풀의 길이 및 형상에 큰 변화가 발생하였음을 알 수 있다. t1-t2은 레이저 빔이 가속되는 주기로써 레이저 빔의 이동에 따라 용융풀이 급격히 신장된다. t2-t4 주기에 진입하면서 레이저 빔 궤적의 속도는 매우 느려지는데, 이에 따라 용융풀 꼬리의 폭 및 길이가 짧아진다. t4에는 용접 속도의 감쇠로 인해 축적된 입열에 의하여 용융풀의 폭이 점차 확장한다. 즉, 용접방향과 빔의 오실레이션 방향이 일치하는 주기에는 레이저 빔이 가속하면서 용융풀이 길게 연신되고, 용접방향과 빔의 오실레이션 방향이 상이한 주기에는 용융풀 꼬리에서 비교적 빠른 냉각이 발생하여 길이 변화가 크게 발생하였다.
Observation of molten pool behavior via high-speed camera at different oscillation frequencies; (a) 0 Hz, (b) 25 Hz, and (c) 100 Hz
Observation of molten pool behavior via highspeed camera at different oscillation widths; (a) 1 mm, (b) 2 mm
오실레이션 주기가 증가할 때, 용융풀 길이 및 폭의 변화는 오히려 미미하였다. Fig. 4c에 오실레이션 주파수가 100 Hz인 조건의 용융풀 거동을 나타내었다. 주기에 따라 레이저 빔은 앞뒤로 움직이지만, 열의 공급 주기가 열의 소실 (전도)에 비해 빨라 용융풀의 길이 및 폭의 변화가 줄어든 것을 관찰할 수 있다.
오실레이션 폭이 증가할 때, 용융풀 길이 및 폭의 변화는 더 커졌다 (Fig. 5). 동등 조건 (P = 3 kW, v = 6 m/min, f = 50 Hz)에서 오실레이션 폭이 2배 증가할 때, t2 (고속)에서의 용융풀이 보다 길게 관찰되었고 t4 (저속)에서의 용융풀이 보다 짧게 관찰되었다. Fig. 6에 t1-t4에서 측정된 용융풀의 길이를 정리하였다.
Distribution of weld pool lengths with varying oscillation frequency and width
3.2 용접부 균열 거동
고온균열 거동이 오실레이션 진폭 및 주파수에 영향을 받는 것을 Fig. 7을 통해 확인할 수 있다. 오실레이션 진폭과 무관하게 오실레이션 주파수가 50 Hz 이하일 때, 균열길이가 감소하는 유의미한 결과를 나타내었다. 낮은 오실레이션 주파수를 활용한 시료의 비드 폭은 균일하지 않고 규칙적으로 좁아지고 넓어짐을 반복하였다. 오실레이션 주파수가 100 Hz 이상으로 증가하는 경우, 균열길이는 오실레이션을 적용하지 않은 경우보다도 증가하는 추세를 나타내었으며 용접비드의 형상은 0 Hz (직선 용접)과 비슷한 형상을 보인다.
Hot cracking susceptibility based on oscillation frequency and width
용융 및 응고로 인한 열팽창/열수축은 용접부 주변의 변형을 유도하는데, 이러한 변형은 균열과 높은 상관관계를 가지고 있다. 공정변수가 용융면적에 미치는 영향을 고찰하고자 Fig. 8a과 b에 용융면적 및 표면 비드를 분석하여 나타내었다. 오실레이션 주파수가 증가함에 따라 표면비드 너비 및 용융면적의 산포가 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 주파수가 증가함에 따라 용융풀 길이(Fig. 7a)의 산포 또한 감소하였는데, 이것은 유체인 용융풀의 운동 관성(flow velocity)과 레이저 빔에 의해 새로 형성되는 유동의 속도 차이에 기인한다. 이러한 결과는 고주파수에서는 오실레이션에 의한 결정립 제어 효과가 미미할 수 있음을 시사한다. 오실레이션 주파수 25 Hz와 50 Hz 조건에서 고온균열 민감성이 낮게 측정이 되었는데 (Fig. 7), 용융면적 및 표면비드의 평균값은 0 Hz 조건과 유사하였으나 산포에 차이가 있다. 오실레이션 주파수가 커짐에 따라 고온균열 민감성이 증가하였는데, 표면비드 너비와 경향성이 유사한 것으로 사료된다.
Analysis of (a) top bead width and (b) fusion area depending on oscillation frequency and width
3.3 레이저 빔 오실레이션이 응력분포에 미치는 영향
레이저 빔 오실레이션 공정변수에 따라 열이력이 변화하는데, 이에 기인한 표면의 응력 변화를 시뮬레이션 결과를 활용하여 분석하고 균열과 연관지어 고찰하고자 하였다.
3.3.1 해석 모델의 설정
레이저 빔 오실레이션 변수가 용접부 주변의 응력장에 미치는 영향을 고찰하고자 상용 소프트웨어인 Abaqus/ Standard를 사용하여 유한요소해석 시뮬레이션을 수행하였다.
자기구속균열 시험편 형상으로 모델링을 수행하였으며, 레이저 용접 열원을 모사하기 위해 이중 원뿔 형상의 이동열원을 사용하였다 (Fig. 9). 공급 체적열 및 열원 형상은 아래의 식(1)-(3)으로 표현할 수 있다.
Applied simulation domain and fusion zone comparison between thermal analysis and experiment
위의 식에서 P는 레이저 용접 출력, η는 에너지 효율을 나타내며, η는 0.24로 설정하였다. 아래첨자인 i는 상부 열원 qU와 하부 열원 qL을 나타내며, 하위스크립트 j는 열원의 위치를 나타내는데 T와 B는 각각 상부와 하부 열원을 의미한다. 사용한 qU와 qL의 비율은 1:1이었으며, 시뮬레이션 결과와 실제 단면상의 결과가 일치하도록 미세 조정하였다. x와 y는 용접 속도와 오실레이션 궤적의 합으로 표현되는 레이저 빔의 이동좌표를 지칭하고, rij와 zij는 각각 열원의 반경과 높이를 일컫는다. 시뮬레이션으로 확보된 단면 및 비드외관을 실험결과와 비교하여 Fig. 9와 Fig. 10에 나타내었다.
Bead appearance comparison between (a) experiment and (b) thermal analysis
이동 열원의 움직임은 아래의 식(4)으로 표현할 수 있는데, v는 속도, t는 시간, A는 진동 폭, f는 주파수이다. 열전달 방정식 식(5)은 온도 이력 및 분포를 도출하기 위하여 활용되었는데, T, ρ, Cp, k는 각각 온도, 밀도, 비열, 열 전달 계수를 나타낸다. 대류 열 전달 계수는 15 W/m²K, 표면 방사율은 0.2를 적용하였다. 모델에서 사용된 물리적 및 열-기계적 특성은 Table 3에 나타내었다.
Applied mechanical and thermal properties of Al 6061
3.3.2 용접부 주변 응력 분포 분석
고온균열을 모사하기 위해서 0.1 s 이후 용접부 중심을 따라 6.25 mm 길이 노드를 비활성화시키어 응력분포 변화를 관찰하였다 (Fig. 11). 본 연구에서는 0.0625 s와 0.125 s를 임의 선정하여 비교하였는데, 각 조건은 균열 발생 전/후를 대표한다.
Simulation results for laser beam oscillated specimen with and without node deactivation
해석 결과, 비드외관에서 관찰된 것과 같이 낮은 주파수의 오실레이션 조건에서 비드폭이 불균일하게 형성되었으며 용접부 주변의 최대 주응력이 높은 주파수 및 직선 용접에 대비하여 낮게 계산되었다. 노드 활성화 조건(균열 모사)의 주응력 분포를 살펴보면, 오실레이션을 적용하지 않은 경우에 비하여 인장력 분포 수준이 저감된 것을 확인할 수 있다. 이는 균열 형성으로 인해 용접부 주변의 인장/수축력이 해소된다는 것을 의미한다. 노드가 비활성화되면 용접비드 주변의 인장력이 크게 감소하여 모든 조건에서 공정 변수와 무관하게 유사한 응력이 산출되었다.
용접 시작점으로부터 3.125 및 6.25 mm 떨어진 지점에서의 응력 분포를 Fig. 12에 나타내었다. 분석시점인 0.125 s에서 3.125 mm 위치는 완전 응고영역으로 가정할 수 있는데, 용접부 중심의 인장력보다 중심에서 ± 2 mm 떨어진 위치의 인장력이 보다 높게 측정된다. 고온 균열이 전파되는 용접부 중심 (0 mm)에서, 최소 인장력은 25 Hz (16.5 MPa) 조건에서 측정되었으며 최대 인장력은 50 Hz (20.1 MPa) 조건에서 발생하였다. 분석시점에서 6.25 mm 위치는 균열이 시작되는 고액혼합역으로 가정할 수 있다. 해석결과, 용융부 중심의 응력이 주변보다 미세하게 높아 가운데가 솟아오른 “M” 형태를 나타낸다. 25 Hz 조건의 경우 용접부 중심에서 다른 조건보다 약 1.5 MPa 높은 응력이 관찰되었는데, 주변과의 응력 차이는 다른 조건에 비해 적었다. 용접부 주변의 응력 분포가 균열 전파에 영향을 미친 것으로 사료된다.
Change in Mises stress distribution at 0.125 s with varying oscillation conditions at different distance from the welding start; (a) 3.125 mm and (b) 6.25 mm
4. 결 론
본 연구에서는 알루미늄 합금을 대상으로 레이저 빔 오실레이션을 수행하고, 공정변수가 고온균열 민감도와 용접부 주변 응력분포에 미치는 영향을 분석하였으며 아래와 같은 결론을 도출하였다.
오실레이션 주파수에 따라 용융풀의 길이 및 폭이 변화함을 확인하였다. 오실레이션 주파수가 25 Hz인 경우, 용접 방향에 역행하는 구간이 존재하지 않았음에도 용융풀의 길이 등이 주기 내에 큰 산포를 가짐이 확인되었다. 주파수가 증가함에 따라 용융풀 길이 및 폭의 산포는 줄어들었다.
50 Hz 이하의 낮은 주파수역에서 균열 길이가 감소하는 유의미한 경향이 나타났다. 주파수가 증가함에 따라 균열 길이는 다시 증가하여 직선용접과 동등 이상의 균열이 형성되었다.
일부 노드를 비활성화시킴으로써 고온균열의 발생을 모사할 수 있었으며, 균열이 발생하면 용접부 주변의 인장응력이 감소함을 확인하였다.
낮은 주파수의 오실레이션 조건에서 고온균열의 전파가 발생되는 용융부 중심의 응력장이 낮게 형성되어 있음을 확인하였으며, 이를 통해 레이저 빔 오실레이션이 고온균열 억제에 유효함을 알 수 있었다.
Notes
감사의 글
이 연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 수행되었습니다. (Grant: P0027710)