고출력 디스크 레이저를 이용한 수송기기용 알루미늄 합금의 레이저 용접성에 관한 연구

2.1 사용 재료

수송기기용 알루미늄 합금의 고출력 디스크 레이저를 이용한 리모트 용접시의 용접성을 관찰하기 위하여 Al5052와 Al6014 소재를 사용하였다. Table 2는 본 실험에 사용된 소재인 Al5052와 Al6014 소재의 화학조성을 나타낸다. 사용된 시편의 크기는 150 mm × 50 mm이며 두께는 1 mm이다.

Table 2:

Chemical composition of Al5052 and Al6014[8][9]

2.2 실험 방법

Figure 2는 본 실험에 사용된 레이저 장치 셋업과 알루미늄 레이저 겹치기 용접공정을 나타낸다. 사용된 레이저 장비는 최대출력 8 kW 급 디스크 레이저(Disk laser)를 사용하였다. 용접조건은 조사각 10°, 스폿 직경 300 ㎛, 비초점거리 0 mm로 고정하고 레이저 출력과 속도에 변화를 주어 두께 1 mm의 Al5052 시편과 두께 0.8 mm의 Al6014 소재를 각각 2장씩 겹치고, 상부시편 표면에 레이저 빔을 조사하여 용접을 진행하였다. 용접 시 상부와 하부에 Ar 가스를 이용하여 용접부 산화를 방지하였으며, 일부 비교 테스트를 위하여 실드조건을 변화시키며 레이저 겹치기 알루미늄 리모트 용접을 진행하였다. 본 연구는 수송기기 바디용 Al 판재에 대한 용접성을 확인하기 위하여 진행하였으며, 자동화 공정에 적합한 공정을 최우선 목표로 진행하였다.

Figure 2:

Photographs of experimental equipment set-up and Al laser welding using Disk laser

3.1 빔직경 900 ㎛ 스캐너 헤드를 이용한 알루미늄 합금 용접

Figure 3은 본 장에서 사용된 8 kW 디스크 레이저에 스캐너 헤드를 연결한 실험장비 사진이다. 초점위치에서 빔 직경은 약 900 ㎛를 가지며 고속으로 대면적을 로봇의 움직임 없이 가공이 가능하여 대량생산라인에 적합한 시스템이다.

Figure 3:

Photographs of 8 kW disk laser experi- mental equipment with 3D scanner system

Al6014 소재의 겹치기 용접을 레이저 출력 6 kW, 정초점 거리에 위치하고 속도에 변화를 주어 용접을 진행하였다. 레이저 용접 진행시 Ar 가스를 비드 상하부에 실드가스로 공급하였다. Figure 4에 레이저를 이용한 알루미늄 합금의 겹치기 용접 시험편의 용접비드 상·하부 및 단면사진을 나타내었다. 용접속도가 상승할수록 상·하부 비드폭이 감소하나 하부 비드의 감소폭 변화가 더 크다. 6 m/min의 부분 관통 조건을 제외한 모든 조건에서 기공 등의 용접결함이 확인된다. 비교적 큰 사이즈의 기공은 두 시편이 겹쳐지는 부위를 중심으로 생성되어 존재하는 것이 확인된다. 용접결과 용접속도가 상승함에 따라 발생되는 기공의 수와 크기가 감소되나 기공이 없는 조건은 부분 관통용접된 조건인 레이저출력 6 kW, 용접속도 6 m/min에서 가능하였다.

Figure 4:

Weld bead surface and cross-sectional images of Al6014 laser lap welding by change welding speed at 6 kW laser power

3.2 Al 6014 판재의 레이저 용접

Figure 5는 레이저를 이용한 알루미늄 합금의 겹치기 용접한 시험편의 단면사진이다. 용접속도 4.2 m/min, 레이저 출력 6 kW의 조건으로 레이저 스케너 헤드를 이용하여 리모트 용접을 진행한 실험중 대표적인 결과이다. 이때 레이저는 8 kW 디스크 레이저를 이용하였으며, 용접시 빔 직경은 약 900 ㎛ 이다. 단면사진에서 확인 할 수 있듯이 용접부 내부에 다량의 기공이 생성되어 있는 것이 확인되며, 3.1절에서 언급하였듯이, 관통이 되는 건전한 조건을 찾는 것이 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 빔직경 300 ㎛의 레이저 가공헤드를 사용하여 알루미늄 소재의 용접성 연구를 진행하였다. 용접속도를 이전에 진행한 최고 속도보다 빠른 7 m/min으로 고정하고 레이저 출력을 변화시키며 용접한 결과를 Figure 6에 나타내었다. 이때에 상부와 하부 비드에 Ar 가스를 실드가스로써 공급하였다. 반사도가 높은 알루미늄 소재의 용접중 발생할 수 있는 레이저 발진기 및 광학계로의 반사(reflection)에 의한 파손을 대비하기 위해 레이저 조사 시 10°의 각도를 주고 용접을 진행하였으며 그에 따라 용접부의 형상이 한쪽으로 기운 것이 확인된다. 빔 직경이 약 1/3로 감소함에 따라 용접 시편에 집속되는 빔 에너지 밀도도 증가하였으므로 레이저 출력 3 kW 이상의 용접속도에서 관통용접이 이루어 졌다. 거의 모든 조건에서 이전 용접 결과와 달리 기공 등의 용접 결함이 거의 발생하지 않는 용접부가 얻어졌다. 하지만 3 kW의 레이저 출력의 경우 키홀의 유지가 안정적이지 않아 일부 하부 비드에 언더컷이 발생되었으며 일부 관통용접이 이루어지지 않은 구역이 발생하였다. 2 kW 이하에서는 에너지 부족으로 두 소재가 접합되지 않는 용접 실패 조건임이 확인되었다. 본 실험에서 가장 흥미로운 점은 알루미늄 합금이 소재의 표면상태, 실드조건, 불순물 등의 외부조건에 민감하게 반응하는 대표적인 소재 중 하나이나 레이저 빔 스폿 크기가 300 ㎛의 경우 실드가스 없이 공기 중에 방치된 상태에서도 비교적 건전한 용접비드가 얻어졌다는 사실이다.

Figure 5:

Cross-sectional image of Al6014 alloy laser lap welding

Figure 6:

Cross-sectional images of Al6014 laser lap welding by change laser power at 7m/min welding speed

레이저 출력을 5 kW로 고정하고 용접속도에 따른 용접성을 관찰하였으며 그 결과를 Figure 7에 나열하였다. 동일하게 Ar 실드가스를 상부와 하부 비드면에 모두 공급하여 가장 최적의 용접 비드를 얻고자 하였다. 거의 모든 조건에서 기공이나 결함이 거의 발견되지 않았다. 일부 7 m/min과 9 m/min의 용접속도에서 두 소재의 겹침부 주변에 일부 기공이 관찰되나, 기공 크기와 수가 900 ㎛의 빔직경 조건과 비교하여 확연이 감소되고 제어된 것이 확인 된다. 속도 4 m/min 이하에서는 과입열로 용접비드가 넓고 용접금속이 일부 아래로 처짐 현상이 발생된 것이 확인 된다. 용접속도 15 m/min의 조건에서 부분관통용접이 발생하였다. 따라서, 빔 직경 300 ㎛에서는 건전한 용접부를 얻을 수 있는 조건 영역이 굉장히 넓어진다고 판단할 수 있다.

Figure 7:

Cross-sectional images of Al6014 laser lap welding by change welding speed at 5 kW laser power

3.3 Al 5052 판재의 레이저 용접

본 연구에서는 Al6014외에 시중에서 쉽게 구매할 수 있는 Al5052 알루미늄합금에 대한 레이저 용접성을 관찰하였다. 3.3절과 동일하게 빔직경 300 ㎛의 레이저 가공헤드를 사용하였으며, 레이저 출력을 5 kW로 고정하고 용접속도를 변화시키며 용접을 진행한 결과를 Figure 8에 나타내었다. 이때에 상부와 하부 비드에 Ar 가스를 실드가스로써 공급하였다. Al5052의 용접은 Al6014 소재의 경우와 비교하여 언더필과 언더컷 등의 용접 불량이 보다 쉽게 발생한다. 용접속도 9 m/min 이상에서 8 m/min 보다 넓은 용접금속부가 발견되기도 한다. 이는 키홀과 용융풀의 거동이 안정적이지 않고 관통력 감소 등의 다양한 원인으로 인한 것으로 사료된다. 15 m/min의 용접속도에서는 Al6014 소재에서 관통되지 않았지만 Al5052 소재에서는 거의 관통되었으며 컵모양의 독특한 비드형상을 가진다. 20 m/min의 용접속도 조건에서 부분관통 용접비드가 확인되므로 Al6014 소재의 겹치기 용접과 동일 레이저 출력에서 더 빠른 용접이 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 사용된 Al5052는 Al6014보다 Mg 함량이 높아 비교적 건전한 용접비드를 얻는 것이 어려웠다고 판단할 수 있다.

Figure 8:

Cross-sectional images of Al5052 laser lap welding by change welding speed at 5 kW laser power

3.4 알루미늄 합금의 리모트 레이저 용접특성

알루미늄합금의 용접시 Mg 및 Zn을 함유하는 합금에서 합금원소 증발문제는 용접 금속의 강도를 저하시키고 결함을 발생할 수 있다. 용접강도의 감소는 언더컷 또는 다공성 기공의 용접 결함에 따른 단면 감소로 인해 발생할 수 있다. 더불어 알루미늄을 용접할 때 특별한 표면처리가 필요하지 않더라도 과도한 다공성기공을 피하기 위해주의를 기울여야 한다. 다공성 기공의 주원인은 용접 금속 응고 중 수소 가스의 발생이며, 이 수소는 윤활제, 대기 중의 수분 및 표면 산화물 또는 모재에 포함된 수소에 기인 할 수 있다. 용접 전에 표면을 청소하고 용융풀 영역의 적절한 불활성 가스 차폐를 통해 대부분의 합금에 양질의 용접을 도모할 수 있다.

알루미늄 합금의 레이저 겹치기 용접에 있어서 레이저 빔의 직경 즉, 에너지 밀도는 아주 큰 변수이므로 레이저빔 300 ㎛는 두 장의 두께 1 mm 판재의 겹치기 용접에 매우 유리하다는 사실이 확인 되었다. 더불어 Mg 함량이 비교적 적고 용접성이 뛰어난 Al6014 소재의 겹치기 용접에서는 용접 분위기(대기중)를 제어하지 않고도 일부 건전한 용접비드가 얻어지는 것이 확인되었다.

Figure 9는 레이저빔 300 ㎛로 용접한 시편의 대표적인 예로 레이저 출력 5 kW, 용접속도 6 m/min의 조건에서의 비커스경도 시험결과이다. 일반적인 아크용접이나 에너지 밀도가 낮은 레이저로 용접할 경우에 생성되는 열영향부(HAZ)가 거의 발생하지 않은 것을 알 수 있다. Figure 10은 레이저 출력을 5 kW로 고정하고 속도변화에 따라 제작한 용접시편에 대해 인장전단 시험을 진행한 결과이다. Al6014와 Al5052 모두 용접속도 6 m/min 이상 10 m/min이하에서 비교적 높은 인장 전단강도를 보인다. 용접시 발생하는 열영향부의 생성이 인장전단 강도 시험에서 가장 취약한 영향을 미친다고 알려져 있어 모재대비 용접부 강도를 70 % 유지하기 어렵다. 하지만 본 연구에서 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저를 이용하여 비교적 높은 용접속도로 공정을 진행하는 경우 Al6014는 모재대비 75 %이상, Al 5052의 경우는 80 % 이상의 인장전단 강도가 얻어졌다. 인장전단시험 후 파단형상을 관찰한 사진을 Figure 11에 나타내었다. Al6014의 경우 겹치기 용접된 두 시편의 겹침부에서 용접금속으로 파단이 진행되었으며 Al5052 소재의 겹치기 용접시편의 인장전단시험시 파단부는 소재의 열영향부에서 파단이 진행된 것으로 판단된다. 이로써 Al5052의 경우 레이저 장비로 제공할 수 있는 레이저 용접결과 중 매우 우수한 용접성을 가지는 조건으로 판단되며 Al6014 소재의 경우 용접 조건을 개선하여 더 나은 용접 결과를 얻을 가능성을 보였다.

Figure 9:

Vickers hardness results of Al 6014 and Al5052 laser welds zone at 5 kW laser power, 6 m/min welding speed condition

Figure 10:

Tensile shear test results of laser Al alloys lap welding using Disk laser

Figure 11:

Cross-sectional image of fracture parts after tensile shear test