TIG용접 금속 적층제조에서 금속이행현상과 기계적 성질에 관한 연구 = A Study on the Metal Transfer Phenomenon and Mechanical Properties in Metal Additive Manufacturing by TIG Welding

국문 초록 (Abstract)

Additive manufacturing(AM)은 적층제조 또는 3D 프린팅이라고 불리는데 절삭가공을 통해 원하는 형상으로 제품을 만들어내는 것이 아니라 3D 모델 데이터를 통해 얻은 정보를 바탕으로 한 층씩 연속적으로 적층하여 제품을 만들어내는 공정을 말한다. 특히 금속을 이용한 AM에서는 최종 제품에 이르기까지의 가공량을 최소화 할 수 있다는 큰 장점으로 인해 티타늄, 인코넬, 스테인레스 등 고가의 소재에서 소량 다품종의 부품 생산과 관련하여 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다. 금속AM은 분말을 이용한 방법과 와이어를 이용한 방법 두 가지로 크게 구분할 수 있다. 높은 정밀도를 얻을 수 있는 분말을 이용한 금속AM에 대해 많은 연구가 이루어졌지만 최근에는 대형부품에 대해 높은 생산성을 가질 수 있는 와이어를 이용한 금속AM에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 와이어 아크 AM에서 원하는 적층제조 폭을 얻기 위해 오실레이션을 적용하는데 이때 비드의 형상은 비드 중앙에서 높고 양쪽 가장자리는 낮은 볼록한 형상으로 적층이 된다. 이에 따라 비드의 중앙에서는 비드표면으로부터 송급되는 용가재의 높이가 낮아 교락이행이 발생하고 비드 가장자리에서는 낙하이행이 발생한다. 그리고 용가재의 직경이 클수록 용적의 크기가 증가하기 때문에 비드 가장자리에서 순간교락이행이 일어나게 된다.
와이어 아크 AM을 이용한 Ti-6Al-4V의 적층 제조 시에는 금속AM에서 주로 발생하는 미세조직의 결정축 방향 성장으로 인해 조직적, 기계적 이방성이 나타난다. 이러한 이방성을 해소하기 위해 interpass peening을 통하여 결정립이 등축정으로 형성되도록 하였고 기계적 성질을 더 높이기 위해 입열량과 용가재의 제조공정 및 품질에 따른 기계적 성질을 검토하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구의 필요성 5
• 1.4 연구의 목적 6
• 1.5 연구 개요 7
• 1.6 요약 8
• 제 2 장 이론적 배경 10
• 2.1 TIG 용접 프로세스 10
• 2.1.1 TIG 용접의 원리 10
• 2.1.2 용접의 아크 특성 12
• 2.1.3 TIG 용접에서 용융지에 작용하는 힘 16
• 2.1.4 TIG 용접에서의 일반적인 용접 제어 특성 20
• 2.2 Metal additive manufacturing 24
• 2.2.1 Selective laser sintering 25
• 2.2.2 Selective laser melting 26
• 2.2.3 Laser powder deposition 27
• 2.2.4 Electron beam melting 28
• 2.2.5 Laser-wire feed process 29
• 2.2.6 Electron beam additive manufacturing 30
• 2.2.7 Arc wire-feed process 31
• 2.3 와이어 기반 AM에서의 주상조직 32
• 2.3.1 Epitaxial grain growth로 인한 주상조직의 형성 32
• 2.3.2 주상조직이 기계적 성질에 미치는 영향 34
• 2.4 Ti-6Al-4V의 미세조직 35
• 2.5 Interpass rolling 36
• 2.6 Hammer peening 38
• 제 3 장 Ti-6Al-4V의 AM에서 벽면 거칠기에 미치는 용가재 직경에 관한 연구 39
• 3.1 서언 39
• 3.2 Ti-6Al-4V의 AM에서 용가재 직경에 따른 벽면 거칠기 측정 40
• 3.2.1 실험 재료 40
• 3.2.2 실험 방법 41
• 3.2.3 실험결과 및 고찰 44
• 3.3 용가재 직경에 따른 터닝점에서의 이행모드 57
• 3.4 결언 59
• 제 4장 Ti-6Al-4V의 AM에서 기계적 성질에 미치는 입열량과 미세조직의 영향 60
• 4.1 서언 60
• 4.2 실험재료 및 방법 61
• 4.2.1 실험 재료 및 장비 61
• 4.2.2 실험 방법 64
• 4.3 실험결과 및 고찰 67
• 4.3.1 아크길이 변경을 통한 입열량 변경 실험 결과 및 고찰 67
• 4.3.2 용접속도 변경을 통한 입열량 변경 실험 결과 및 고찰 82
• 4.4 결언 96
• 제 5 장 TIG 아크 AM에서 일반 와이어와 C형 용가재의 용적이행에 관한 연구 97
• 5.1 서언 97
• 5.2 실험재료 및 방법 98
• 5.2.1 실험 재료 98
• 5.2.2 실험 방법 99
• 5.3 실험 결과 및 고찰 104
• 5.3.1 Filler height에 따른 금속이행모드 104
• 5.3.2 ∅1.2, ∅3.2 wire와 C형 용가재의 금속이행모드 113
• 5.3.3 높은 용착속도에서 일반와이어와 C형 용가재의 이행현상 119
• 5.3.4 Metal transfer rate 관점에서 이행모드 고찰 126
• 5.5 결언 129
• 제 6 장 결론 131