레이저 용접 – 진동 매개변수가 알루미늄 합금의 가변 링 모드(ARM) 레이저 용접에 미치는 영향

레이저 용접 – 진동 매개변수가 알루미늄 합금의 가변 링 모드(ARM) 레이저 용접에 미치는 영향

1. 요약

본 연구는 진동 진폭과 주파수가 가변 링 모드(ARM)의 표면 품질, 거시적 및 미시적 구조, 그리고 다공성에 미치는 영향을 조사한다.레이저 진동 용접A5083 알루미늄 합금 판재를 대상으로 한 연구에서, 진동 진폭과 주파수가 증가함에 따라 용접면 품질이 향상되는 것을 확인했습니다. 진폭이 증가할수록 용접 단면은 "잔" 모양에서 "초승달" 모양으로 변형되었습니다. 미세구조 분석 결과, 교반 효과와 냉각 속도 감소 사이의 경쟁으로 인해 진동 진폭과 주파수가 증가해도 용접부의 결정립 크기는 감소하지 않는 것으로 나타났습니다. 용접 기공률은 진동 매개변수가 증가함에 따라 감소하여 진폭이 2mm일 때 최종 기공률은 0.22%에 도달했습니다. 3차원 X선 단층 촬영을 통해 진동이 기공 분포에 미치는 영향을 추가적으로 확인했습니다. 큰 기공은 용융 풀 뒤쪽에 밀집되는 경향이 있는 반면, 작은 기공은 더 나은 대칭성을 보였습니다. 본 연구는 A5083 알루미늄 합금 응용 분야에서 고품질 레이저 용접을 달성하기 위한 진동 매개변수 최적화에 유용한 정보를 제공합니다.

2. 산업 배경

알루미늄 합금은 가벼운 무게, 높은 비강도, 우수한 내식성 등의 장점을 가지고 있어 자동차, 고속철도, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 레이저 용접은 높은 효율, 작은 열영향부, 적은 용접 변형 등의 장점을 가지고 있습니다. 따라서,레이저 용접은 두꺼운 판재에 적합한 경제적인 용접 방법입니다.레이저 진동 용접은 용접 패스 횟수를 크게 줄일 수 있습니다. 기공은 알루미늄 합금 레이저 용접에서 중요한 결함으로, 용접부의 기계적 특성에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 기공 발생을 줄이거나 제거하기 위해 보호 가스 최적화, 이중 빔 기술 적용, 변조 레이저 출력 시스템 사용, 진동 빔 방식 채택 등 다양한 연구가 진행되어 왔습니다. 레이저 진동 용접 기술은 레이저 용접의 장점과 고유한 특성을 결합할 수 있다는 점에서 주목받고 있습니다. 레이저 진동 용접을 사용하면 기공을 줄일 뿐만 아니라 용접부의 미세 구조를 개선하고 용접 품질을 향상시킬 수 있습니다. 많은 연구가 기공 감소, 에너지 분포 최적화, 결정립 미세화, 용융 풀 내 용융 흐름 특성 분석 등 레이저 진동 용접의 다양한 측면에 초점을 맞춰 진행되어 왔습니다. 레이저 에너지 분포는 레이저 용접의 온도 분포와 침투 깊이에 매우 중요한 역할을 합니다. 특정 진동 진폭에서 스캐닝 주파수가 증가함에 따라 용접 공정은 심층 침투 용접에서 불안정 용접으로, 최종적으로는 열전도 용접으로 전환됩니다. 실험 결과, 스캐닝 진폭과 주파수를 증가시키면 기공을 줄일 수 있지만, 용접 침투 깊이도 크게 감소하여 용접부의 기계적 특성이 저하되는 것으로 나타났습니다. 최근에는 고에너지 밀도의 코어와 저에너지 밀도의 링으로 레이저 에너지를 분할하여 키홀을 안정화하고 용접 품질을 향상시키는 ARM(가변 링 모드) 레이저가 개발되었습니다. 연구자들은 다양한 코어/링 출력 비율과 진동 폭 조건에서 ARM 레이저 진동 용접을 이용하여 6xxx 고강도 알루미늄 합금을 용접했습니다. 실험 결과, 용접 형상에 영향을 미치는 주요 요인은 코어-링 출력 비율보다는 진동 폭인 것으로 나타났습니다. 그러나 진동과 ARM 레이저가 중첩된 조건에서 기공 분포 및 기공 억제 메커니즘에 대한 연구는 아직 이루어지지 않았습니다. 본 논문에서는 용접 기공을 줄이고, 용입 깊이를 높이며, 용접 품질을 향상시키기 위해 새로운 ARM 레이저 진동 용접 기술을 적용하였다. 다양한 진동 주파수와 진폭 조건에서 레이저 에너지 분포, 용융 풀의 동적 거동, 미세 구조에 대한 종합적인 연구를 수행하였다.

3. 실험 목표 및 절차

원형 레이저 진동 용접 기술을 이용하여 알루미늄 합금을 용접하였다. 모재(BM)는 300mm × 100mm × 5mm(길이 × 너비 × 두께) 크기의 5083-O 알루미늄 합금이며, 화학 조성은 표에 나타내었다. 용접 전, 시편 표면의 산화막을 제거하기 위해 연마한 후, 초음파 세척기에서 아세톤으로 15분간 세척하여 표면의 기름기를 제거하였다.레이저 용접 시스템이 시스템은 주로 Kuka 로봇, TruDisk 8001 디스크 레이저 및 3D PFO 갈바노미터 스캐너로 구성됩니다. TruDisk 8001 디스크 레이저는 코어/링 파이버 비율이 100/400 μm이고 최대 출력 8 kW(파장 1030 nm, 빔 품질 매개변수 4.0 mm·rad)인 조정 가능한 링 모드 레이저 소스로 사용되었습니다. 레이저 빔은 코어 부분과 링 부분으로 구성되며, 중앙 코어 부분의 레이저는 키홀(레이저 에너지의 60%)을 생성하고, 링 부분의 레이저는 양호한 온도 분포(레이저 에너지의 40%)를 보장합니다(그림 (b) 참조). 콜리메이터와 집속 렌즈의 초점 거리는 각각 138 mm와 450 mm입니다. 용접 과정 동안 팬텀 V1840 고속 카메라와 카빌룩스 고주파 광원을 사용하여 초당 5000프레임의 촬영 속도와 1μs의 노출 시간으로 용접 과정을 실시간으로 모니터링했습니다. 본 연구에서는 원형 빔 진동 궤적, 레이저 이동 경로 및 순간 속도를 그림과 같이 정의했습니다.

4. 결과 및 논의

4.1 용접 형상 특성 그림은 다양한 레이저 진동 모드에서 용접면의 형상을 보여줍니다. 결과에 따르면, 기존 직선 용접의 용접면은 거칠고(표면 조도 78.01 μm), 용접 리플의 연속성이 떨어지며 용접 확산이 불충분합니다. 또한, 용접 형성이 불충분하고 스패터가 심하며 언더컷이 관찰됩니다. 진동 진폭과 주파수가 증가함에 따라 용접면은 조밀하고 균일한 물고기 비늘 모양을 나타냅니다. 진동 진폭이 0.5 mm, 1 mm, 2 mm일 때 용접면의 표면 조도는 각각 80.71 μm, 49.63 μm, 31.12 μm입니다. 스패터로 인한 불규칙성이나 돌출부는 관찰되지 않습니다. 이러한 결과는 진동 주파수가 높을수록 용융 풀의 흐름이 더욱 규칙적이고, 레이저 빔의 교반 효과가 강해지며, 보다 이상적인 용접면이 형성됨을 시사합니다. 근본적으로 레이저 용접의 형상은 레이저 빔의 움직임과 인과 관계가 있습니다. 용접 과정에서 진동 진폭과 주파수의 변화는 용접 속도를 변화시키고, 결과적으로 레이저의 선형 에너지 밀도와 총 열 입력에 영향을 미칩니다. 용접부의 단면 형상은 "잔" 모양이며, 아래쪽 부분을 "줄기", 위쪽 부분을 "그릇"이라고 합니다. 침투 깊이와 "줄기"를 각각 H1과 H2로, 용접부("그릇")와 "줄기"의 폭을 각각 W1과 W2로 정의합니다. 용접부 폭 W1과 W2는 진동 진폭이 증가함에 따라 동시에 증가하며, 용접 형상은 점차 "잔" 모양에서 "초승달" 모양으로 변합니다. 레이저 에너지 밀도가 최대가 되는 지점은 두 궤적이 겹치는 부분입니다. 그림 (b, d)와 (c, e)를 비교해 보면, 스캐닝 주파수가 증가함에 따라 스캐닝 경로를 따라 궤적 중첩 영역이 증가하여 레이저 에너지 분포가 더욱 균일해지는 것을 알 수 있다. 그러나 최대 에너지 밀도가 감소하면 용접 깊이가 줄어든다.

4.2 용융 풀 거동 스캐닝 경로가 용융 풀 거동에 미치는 영향을 명확히 하기 위해 고속 카메라 시스템을 사용하여 용융 풀과 키홀의 진화 과정을 관찰했습니다. 그림 (a)는 직선 경로에서의 용융 풀 진화 과정을 보여줍니다. 그림 (b)와 (f)는 서로 다른 진동 매개변수에서의 용융 풀 진화도를 나타냅니다. 진동 주파수와 진폭이 증가함에 따라 용융 풀의 폭이 확장되어 용융 풀의 후방 부분이 더욱 둥글게 변합니다. 용융 풀의 길이가 증가함에 따라 후방 전파 중 키홀 분출로 인한 표면 요철이 감소합니다. 따라서 용융된 액체 금속은 용융 풀의 후방에서 매끄럽고 규칙적으로 응고되어 균일하고 조밀한 용접 비늘 모양을 형성합니다. 그림은 용융 풀의 고속 촬영 이미지에서 얻은 레이저 용접 중 키홀 개구부 면적의 변화를 보여줍니다. 그림 (a)에서 볼 수 있듯이, 직선 용접 시 키홀 개구부 크기는 뚜렷한 변동을 보입니다. 키홀이 완전히 닫히는 경우(0 mm²)가 여러 차례 관찰되었으며, 평균 키홀 개구부 면적은 0.47 mm²였습니다. 진동 진폭을 증가시키면 이러한 변동을 줄이고 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 진동 용접에서는 에너지의 더 많은 부분이 양쪽으로 분산되기 때문입니다. 따라서 키홀의 출구가 확장되고 진동 진폭이 증가하여 개구부 면적이 커집니다. 진폭 증가는 레이저 빔의 교반 범위를 넓혀 키홀의 주기적 운동 반경을 확대합니다. 용융 금속의 점성과 키홀 벽 근처에서 작용하는 유체역학적 압력으로 인해 키홀 개구부 근처의 용접 용융 풀에서 와전류가 발생합니다. 키홀 개구부 면적의 확장은 안정성을 향상시키고 기포 발생을 방지하여 기공 발생을 크게 억제합니다.

4.3 미세구조 그림은 다양한 진동 주파수와 진폭에서 용접 단면의 EBSD 형상을 보여줍니다. 레이저 용접의 용융선 부근에서는 주상 수지상 결정립이 용접 중심을 향해 성장합니다. 그림 (a)에서 볼 수 있듯이, "볼" 영역과 "줄기" 영역 사이에서 주상 결정립 분포에 뚜렷한 차이가 관찰됩니다. "볼" 영역에서는 주상 결정립이 "볼" 벽을 따라 U자형으로 분포하는 반면, "줄기" 영역에서는 용융선을 따라 U자형으로 분포합니다. 용접 응고 과정에서 용융 영역의 부분 응고된 결정립은 응고 전선의 핵 생성 부위 역할을 하며, 최대 온도 구배 방향을 따라 용융 풀 경계에 수직으로 우선적으로 성장합니다. 이러한 현상은 레이저의 높은 출력 밀도로 인해 용접 풀 내부가 과열되기 때문에 발생합니다. 높은 열 구배 G와 적당한 성장 속도 R은 G/R 값을 미세구조 변태 임계값보다 크게 만들어 주상 결정립 형성을 유도합니다. 용접 중심부의 온도 구배 G가 감소함에 따라 G/R 비율이 미세구조 변태 임계값 아래로 점차 떨어져 등축 결정립으로 전이됩니다. 등축 결정립은 용접부의 "볼(bowl)"과 "스템(stem)" 중앙 부분에 위치합니다. 용접부의 "스템" 부분은 좁고 모재에 가깝기 때문에 냉각 과정에서 "볼" 부분보다 먼저 완전히 응고됩니다. 응고된 "스템" 부분은 "볼" 바닥에서 핵 생성 부위 역할을 하여 주상 결정립의 상향 성장을 촉진합니다. 그림은 직선 용접과 진동 용접 공정을 보여줍니다. 레이저 진동 용접에서 레이저 빔 위치가 지속적으로 변화하면 중간 용융 풀의 길이가 증가하고 이미 응고된 금속이 재용융되어 결정립 성장 속도 r이 감소하는 것을 알 수 있습니다. 이는 하부 등축 결정립 영역에서 G/R 비율이 감소하는 결과를 초래할 수 있습니다.

4.4 기공 분포 삼차원 X선 단층 촬영을 이용하여 용접부를 종합적으로 검사하고, 그림과 같이 용접부 내 기공의 삼차원 분포를 얻었다. 기공률은 기공의 총 부피를 용접부의 총 부피로 나눈 값으로 계산하였다. 직선형 레이저 진동 용접과 원형 레이저 진동 용접의 기공 형태 및 분포를 비교한 결과, 직선형 레이저 진동 용접은 부피가 큰 기공이 더 많이 포함되어 있으며, 기공률은 2.49%로 원형 레이저 진동 용접보다 현저히 높은 것으로 나타났다.레이저 진동 용접그림 (b, c)와 (d, e)를 비교해 보면, 진동 주파수를 증가시키면 기공 형성을 억제하는 데 도움이 된다는 것을 알 수 있습니다. 또한 그림 (b, d)와 (c, e)를 비교해 보면, 진동 진폭의 증가 역시 기공 형성 억제에 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다. 진동 진폭을 2mm까지 더 증가시켰을 때(그림 (f)), 기공률은 0.22%까지 더욱 감소하여 부피가 작고 미세한 기공만 남게 됩니다. 그림은 용접 중심선으로부터의 거리에 따른 기공 면적 분포를 나타내며, 기공 면적 크기에 따른 기공률을 보여줍니다. 직선 용접의 경우, 기공 면적은 용접 중심선을 따라 대칭적으로 분포하며, 용접 중심선으로부터의 거리가 증가함에 따라 점차 감소합니다. 이러한 결과는 키홀로 인해 발생하는 기공이 용접 중심선의 용융 풀 후방에 주로 집중되어 있음을 보여줍니다. 레이저 진동 용접의 경우, 기공 분포의 대칭성이 약해집니다. 그림은 용접 표면으로부터 다양한 거리에서의 기공 영역을 보여주며, 붉은색 선은 "볼(bowl)" 영역과 "스템(stem)" 영역의 경계를 나타냅니다. 큰 기공이 주로 나타나는 경우(그림 (ac)), 경계 위쪽의 기공 영역이 85% 이상을 차지합니다. 이는 종방향 경계에서의 윤곽 변화로 인해 용접 풀 내 기포가 포획될 가능성이 높고, 포획된 기포는 부력의 영향으로 위쪽으로 이동하는 경향이 있기 때문입니다. 작은 기공이 주로 나타나는 경우(그림 (df)), 기공은 경계선 아래 0.5mm 이내 영역에 집중되어 있습니다. 이러한 현상은 짧은 냉각 시간과 작은 상향 이동으로 설명될 수 있습니다.

5. 결론

(1) 서로 다른 레이저 진동 모드는 용접 표면에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 진폭과 주파수가 높을수록 표면 품질이 향상되지만, 진동 매개변수가 지나치게 크면 거칠기가 증가하고 오목한 결함이 발생할 수 있습니다.

(2) 용접 형상은 주로 레이저 진동 매개변수에 의해 결정되며 이는 용접 속도, 에너지 분포 및 총 열 입력에 영향을 미칩니다. 진동 진폭이 증가함에 따라 용접 형상은 "잔 모양"에서 "초승달 모양"으로 변하고 종횡비가 감소합니다.

(3) 진동 진폭과 주파수가 증가함에 따라 용융 풀이 넓어지고 후방 부분이 둥글게 됩니다. 진동 효과는 용융 풀의 길이를 증가시켜 기포 배출과 균일 응고에 유리합니다. 직선 용접 시 키홀 개구부 면적이 변동하는데, 상대적으로 이러한 변동을 줄여 용접 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

(4) 진동 진폭과 주파수를 증가시키면 열 구배와 성장 속도가 모두 감소하여 큰 결정립 크기 형성에 유리합니다. 그러나 레이저 교반 효과는 결정립 크기를 미세화하고 조직 강도를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 다양한 레이저 매개변수 조건에서 용접 경도는 상대적으로 안정적으로 유지되며 모재보다 약간 낮습니다. 이는 마그네슘의 증발 손실 때문일 수 있습니다.

(5) 3차원 X선 단층촬영 결과 직선 용접은 진동 용접보다 기공률(2.49%)과 기공 부피가 더 큰 것으로 나타났습니다. 진동 매개변수를 증가시키면 기공률을 크게 줄일 수 있으며, 진폭이 2mm일 때는 0.22%까지 감소합니다. 기공 영역 분포는 진동에 따라 변화합니다. 큰 기공은 용융 풀 뒤쪽에 모이고, 작은 기공은 더 나은 대칭성을 보입니다. 큰 기공은 주로 "볼"과 "스템" 영역 사이의 경계 위쪽에 분포하는 반면, 작은 기공은 경계 아래쪽에 집중됩니다.