고장력강(HT50) 레이저용접부의 용접잔류응력 및 파괴인성 특성

노찬승,오종인,방희선,방한서 한국해양공학회 2007 韓國海洋工學會誌 Vol.21 No.3

Recently, many industries have been employing the application of laser beam welding, due to the resulting high welding quality, such as smaller width of melting and heat affective zone, smaller welding deformation, and fine grains of weldment, compared to arc welding. However, in order to appropriately utilize this welding process with steel structure, the characteristics of welding residual stresses and fracture toughness in welded joints are to be investigated for reliability. Therefore, in this study, the mechanical properties of weldments by arc and laser welding are investigated using FEM to confirm the weldability of laser welding to the general structural steel (HT50). The Charpy impact test and 3-points bending CTOD test are carried out in the range of temperatures between -60℃and 20℃, in order to understand the effect on the fracture toughness of weldments. From the research results, it has been found that the maximum residual stress appears at the center of plate thickness, and that the fracture toughness is influenced by strength mis-match.1. 서 론 레이저빔 용접법은, 아크용접법에 비하여 역사가 짧고, 비교적 새로운 용접법이지만, 여러가지 장점을 가지고 있어 폭넓은 분야에 적용이 기대되어지고 실용화를 향한 연구개발이 활발히 진행되고 있다(Yasuda and Kitani, 2000).레이저빔 용접법은 고에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 용융부가 좁고 깊은 용입이 얻어지고, 용접입열에 의한 열전도가 적기 때문에 아크용접법에서 문제로 되고있는 용접변형을 저감할 수가 있다. 또한 기계화, 자동화가 비교적 쉬운 특징을 가지고 있다. 반면, 초기 설비비가 고가이고, 재료에 정밀한 개선가공 등을 필요로 하기 때문에 그 적용은 한정된 분야에 국한되어 왔었지만, 최근 기술이 향상되어 고출력화, 비용감소, 고속 후판의 용접이 가능하게 되고, 자동차, 기계, 및 이화학분야 등의 작은 부품뿐만 아니라 대형구조물의 적용이 진행되고 있다. 강구조물에 대하여 레이저빔 용접법을 유효하게 활용하기 위해서는 용접부의 역학적 제특성에 대하여 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 50kg급 고장력강의 레이저빔 용접부에 대하여 수치해석을 통하여 용접잔류응력 및 소성변형도 교신저자 오종인: 광주광역시 동구 서석동 375062-230-7137 chong1015@hotmail.com특성을 고찰하였고, 3점굽힘 CTOD시험 및 샤르피충격시험을 통하여 용접부의 파괴인성 특성을 고찰하였다.

수중레이저용접부에 미치는 레이저 출력의 영향

송단비,이수진,최정수,김륜한,신동식,서정 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5

수중 용접은 해양구조물 및 노후 된 원자로에 널리 사용되는 수리 및 유지 기술이며, 최근 들어 수중환경에서 주로 사용되어 오던 용접방법인 아크용접에 비해 높은 용접 품질을 지니는 레이저 용접에 관한 연구가 진행되고 있으나 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 연구는 수중구조물의 유지보수에 레이저를 적용하기 위한 선행연구로써 수행되었으며, 기중 및 수중 환경에서 레이저 용접을 실시한 후 수중환경이 용접부에 미치는 영향에 관해 조사하였다. 연구절차는 수심 70mm에서 고출력 파이버 레이저를 이용하여 20 mm 두께의 304 스테인리스 강판에 비드온 플레이트 방식을 적용하여 용접하였으며, 차폐가스로는 질소를 사용하였다. 그 후 레이저 출력에 따른 용접부의 형상, 기계적 특성 평가 및 용접부 내외부 결함 평가를 위한 방사선투과검사를 각각 진행하였다.

스테인리스강의 원주용접에서 부분용입용접 시 레이저 출력 가변 제어가 용접 결함에 미치는 영향

전재욱,송무근,김평수,김종도 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.12

잠수함 연료전지 연료 공급을 위한 미디어커플링의 파이프-플랜지 접합부에 레이저 용접을 적용하였다. 원주용접을 모사한 평판에 용접을 진행하였으며, 부분용입용접이 적용되었다. 비드용접실험을 통해 시제품에서 요구되는 비드 폭 및 용입 깊이를 만족하기 위한 용접조건을 선정하였다. 이후, 기공, 균열 및 크레이터 등 결함이 주로 발생하는 용접부의 시작부와 종단부가 만나는 중첩영역의 용접결함을 억제하고자 용접 시작부 및 종단부에 레이저 출력 가변 제어를 적용하였다. 맞대기 용접부의 단면, 미세조직, 열영향부 및 경도 특성을 분석하였으며, 기공, 균열 및 크레이터 등 결함이 억제된 건전한 용접부를 얻을 수 있었다. Laser welding was applied to the pipe-flange joint of the media coupling for supplying fuel to the submarine fuel cell. Welding was performed on a flat plate that simulated circumferential welding, and partial penetration welding was applied. Welding conditions were selected to satisfy the bead width and penetration depth required for the prototype through the bead welding experiment. Subsequently, laser power control was applied to the beginning and ending of welding to suppress welding defects in the overlapping area where the beginning and ending of the weldment that porosities, cracks, and craters mainly occur. The cross-section, microstructure, heat-affected zone, and hardness characteristics of the butt weldment were analyzed, and a sound weldment with suppressed porosities, cracks, and craters was obtained.

자동 로봇 용접을 위한 Hand-Eye 레이저 거리 측정기 기반 용접 평면 인식 기법

박재병(Jae Byung Park),이성민(Sung Min Lee) 대한전자공학회 2012 전자공학회논문지 Vol.49 No.9

본 논문은 자동 로봇 용접을 위한 Hand-Eye 레이저 거리 측정기 기반 용접 평면 인식 기법을 제안한다. 로봇 용접은 대상체의 형상에 의해 미리 정의된 용접선을 따라 금속 대상체를 용접 평면에 접합하는 과정이다. 따라서 성공적인 로봇 용접을 위해서는 용접 평면의 위치와 방향을 정확히 검출해야 한다. 만약 평면의 위치와 방향을 정확히 검출하지 못한다면 자동 로봇용접은 실패하게 된다. 정밀한 용접 평면 인식을 위해 레이저 거리 측정기를 이용해 평면상의 직선을 검출한다. 레이저 거리측정기에 의한 직선 검출을 위해 Hough 변환을 적용한다. Hough 변환은 투표 방법을 기반으로 하기 때문에 센서의 측정 오차를 줄일 수 있다. 이 때 레이저 거리 측정기가 부착된 로봇 관절을 회전시켜 평면상의 두 개의 직선을 검출한 후 두 직선의 방향 벡터에 외적을 취해 평면의 방향을 인식한다. 제안된 방법의 실효성을 검증하기 위해 Simlab사에서 개발한 로봇 시뮬레이터인 RoboticsLab을 이용해 시뮬레이션을 수행한다. This paper proposes a hand-eye laser range finder (LRF) based welding plane recognition method for autonomous robotic welding. The robot welding is the process of joining a metal piece and the welding plane along the welding path predefined by the shape of the metal piece. Thus, for successful robotic welding, the position and direction of the welding plane should be exactly detected. If the detected position and direction of the plane is not accurate, the autonomous robotic welding should fail. For precise recognition of the welding plane, a line on the plane is detected by the LRF. For obtaining the line on the plane, the Hough transform is applied to the obtained data from the LRF. Since the Hough transform is based on the voting method, the sensor noise can be reduced. Two lines on the plane are obtained before and after rotation of the robot joint, and then the direction of the plane is calculated by the cross product of two direction vectors of two lines. For verifying the feasibility of the proposed method, the simulation with the robot simulator, RoboticsLab developed by Simlab Co. Ltd., is carried out.

친환경 자동차용 인버터 파워모듈 레이저용접 적용시 IR레이저와 그린 레이저 특성 비교

장병운(Byungwoon Jang),강구삼(Kusam Kang),주범준(Beomjun Ju),권순형(Sunhyung Kwon),홍윤정(Yoonjeong Hong),백주환(Juhwan Baek) 한국자동차공학회 2023 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2023 No.11

친환경 자동차용 인버터에 파워모듈을 조립할 때 기존에는 볼트 체결방식을 적용하였다. 하지만 볼트 체결방식은 조립공간, 중량, 체결시간 등 여러가지 단점이 있었고 이런 단점을 해결하기 위해 최근에는 레이저용접으로 조립을 하고있다. 이를 통해 중량 저감 및 연비향상, 조립시간 등을 개선할수 있게 되었다. 근래에는 그린레이저 장비의 용량이 증대되어 기존 IR레이저용접을 대체하여 파워모듈 용접을 할수 있게 되었다. 본 연구를 통해 IR레이저와 그린레이저 용접 특성을 파악하고 용접 적용부 재질, 두께 등 특성에 맞춰 적절한 방식을 선택 및 적용할 수 있을 것으로 기대한다. When assembling a power module in an inverter for an eco-friendly vehicle, a bolt fastening method was previously applied. However, the bolt fastening method had various disadvantages such as assembly space, weight, and fastening time, and to solve these disadvantages, laser welding is being used recently. Through this, it is possible to reduce weight, improve fuel efficiency, and improve assembly time. In recent years, as the capacity of green laser equipment has increased, power module welding can be performed by replacing the existing IR laser welding. Through this study, it is expected that IR laser and green laser welding characteristics can be identified, and appropriate methods can be selected and applied according to the characteristics such as the material and thickness of the welding application area.

레이저 용접 빔 패턴 형성

한기관 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5

용접 시 예열과 중심 가열 그리고 후처리가 용접 품질에 매우 중요한 요소이다. 알려진 바와 같이 용접 금속의 예열은 적외선에 대한 흡수도를 증가시키며 용융 시에 폭발을 예방한다. 이러한 필요성에 따라 레이저 용접에서는 빔 형태를 원형 빔과 중심 빔을 만들어 사용한다. 그러나 실제 사용 현장에서는 레이저 빔 형태가 의도한 형상대로 사용되지 않고 있다. 이에 대한 원인을 고려하고 개선 방안을 제시한다. 또한 본 연구에서는 기존의 파이버를 이용한 레이저 용접빔 형성 방법과 달리, 비교적 간단하게 레이저 용접 빔을 여러 형태로 바꾸는 방법을 제시한다. 본 연구에서 레이저 용접 빔 형성은 free space에서 하므로 fiber를 이용한 방법보다 제작이 용이하고 다루기 쉽다는 것이 특징이다.

레이저 열원을 이용한 보론강 및 핫스탬핑강의 용접특성에 관한 연구 (Ⅲ)

최소영(So Young Choi),김종도(Jong Do Kim),김종수(Jong Su Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.1

본 연구의 목적은 열처리 전·후의 보론강 레이저 용접성을 비교하는 것이다. 일반적으로 보론강이 핫스탬핑 공정에 사용되고 있으며, 핫스탬핑 공정은 강판을 오스테나이트 온도까지 가열한 후 성형과 동시에 냉각하는 방법이다. 열처리후 보론강은 1500 MPa 이상의 고강도를 가진다. 따라서 본 연구에서는 보론강 및 핫스탬핑강의 레이저 용접성을 조사한 후 비교하였다. CW 디스크 레이저를 이용하여 레이저 출력 및 용접속도를 변화시켜가며 맞대기 및 겹치기 용접을 실시하였다. 맞대기 용접 결과, 핫스탬핑강에서 완전 용입을 얻을 수 있는 임계냉각속도가 보론강보다 낮았으며, 겹치기 용접결과 완전 관통이 일어난 용접 조건에서는 접합부 폭은 용접속도와 관계없이 거의 유사하였다. This study was conducted to compare the laser weldability of boron steel and hot-stamped steel. In general, boron steel is used in the hot-stamping process. Hot-stamping is a method for simultaneously forming and cooling boron steel in a press die after heating it to the austenitizing temperature. Hot-stamped steel has a strength of 1500 MPa or more. Thus, in this study, the laser weldability of boron steel and thet of hot-stamped steel were investigated and compared. A continuous wave disk laser was used to produce butt and lap joints. In the butt welding, the critical cooling speed at which full penetration was obtained in the hot-stamped steel was lower than that of boron steel. In the lap welding, the joint widths were similar regardless of the welding speed when full penetration was obtained.

레이저 및 TIG 용접된 오스테나이트계 스테인리스강의 기계적 특성에 대한 연구

정성민,박인덕,남기우,최병철 한국동력기계공학회 2019 동력시스템공학회지 Vol.23 No.2

오스테나이트계 스테인리스강은 가공성, 용접성, 고온특성이 우수하여 원자력 산업에서 구조재 및 피복재로 사용되고 있다. 원자력 산업의 대형 구조물은 주로 아크 용접으로 제조되고 있지만 아크 용접은 상대적으로 재료에 부하되는 입열량이 큰 용접법이다. 오스테나이트계 스테인레스강은 탄소강보다 열팽창 계수가 높고 열전도율이 낮기 때문에 적은 입열을 요구하는 재료이다. 용접 시 과입열은 열변형, 결정립의 조대화 등의 문제를 일으켜 기계적 특성을 저하시킬 수 있다. 최근에는 입열 문제를 해결하기 위해 레이저 용접이 제안되고 있다. 본 연구는 두께 6mm의 STS304L 오스테나이트계 스테인리스강을 레이저 및 TIG 용접하여 기계적 특성을 비교 분석하였다. 레이저 용접부는 TIG 용접부 보다 우수한 인장 및 충격 특성을 나타내었다. 그러나 굽힘 특성은 TIG 용접부에서 다소 우수하였다.

레이저-아크 하이브리드 용접을 이용한 SS400의 맞대기 용접 특성

김종도(Jong Do Kim),명기훈(Gi Hoon Myoung),박인덕(In Duck Park) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.7

본 연구에서는 SS400에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접을 이용하여 맞대기 용접을 실시하였다. 맞대기 용접시 입열에 직접적으로 영향을 미치는 레이저 출력, 용접 전류 및 속도를 변화시켜 실험을 실시하였다. 이를 통해, 결함 없이 원 패스 관통 용접이 이루어지고, 미려한 비드가 형성되는 최적의 맞대기 용접 조건을 도출하였다. 용접부의 기계적 및 조직적 특성을 파악하기 위해 레이저 및 아크 영역에 대해 경도측정 및 미세조직 관찰을 실시하였다. 또한 모재와 용접 시험편의 강도를 비교하기 위해 인장강도 실험을 실시하였으며, 결과적으로 두 시험편의 인장강도 값은 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. This study presents results of an experimental investigation of the laser-arc, hybrid, butt welding process of SS400 structural steel. Welding parameters including laser power, welding current and speed were varied in order to obtain one-pass, full-penetration welds without defects. The conditions that resulted in optimal beads were identified. After welding, hardness measurements and microstructure observations were carried out in order to study weld properties. The mechanical properties of both the base material and welded specimen were compared based on the results of tensile strength measurements. The yield and tensile strengths were found to be similar.

오스테나이트계 스테인리스강의 레이저 용접속도에 따른 와이블 분포를 이용한 충격 특성 평가

박인덕,이수진,최정수,정성민 한국동력기계공학회 2022 동력시스템공학회지 Vol.26 No.4

오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성 및 기계적 특성에 의해 다양한 산업군에서 활용되고 있어 가공 및 용접시 입열량의 제어가 중요하다. 이러한 특성으로 인해 레이저 가공기술은 스테인리스강의 용접에 적합한 공정 중 하나로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 STS304L 소재를 레이저 출력 5.5kW 로 고정하고 용접속도에 변화를 주어 용접공정을 진행하고 그 용접 특성을 분석하였다. 용접부 및 열영향부에 대한 샤르피 충격 시험이 진행되었다. 측정된 충격 흡수 에너지 분석을 통해 용접속도가 용접부에 미치는 영향을 연구하였고, 와이블 분포 해석을 통하여 용접부의 건전성을 평가하였다. 그 결과, 실험값에 대한 와이블 분포의 형상모수와 척도모수 그리고 산술 통계에 의한 평균 및 변동계수(COV) 등을 종합적으로 고려하였을 때 레이저 출력 5.5kW, 1.5 m/min의 용접속도 조건에서 가장 적합한 용접부가 얻어졌다.