고출력 Nd:YAG 레이저를 이용한 용접 및 열처리특성에 관한 연구

Abstract

최근 재료가공에 표면열처리, 클래이딩, 용접과 같은 전통적인 제조가공을 대신하여 레이저의 사용범위가 점진적으로 증가하고 있다. 레이저 표면열처리와 용접은 새로운 공정처리이다. 산업용합금 다루기 위해서 고에너지 레이저 빔을 이동시켜 레이저 표면 열처리와 용접에 쓰이는 공정처리이다. 그 원리는 레이저 에너지는 표면에 흡수되고, 열전도에 의하여 제품내부로 전도된다. 레이저 열처리와 용접과정은 레이저공정변수에 의해 대부분 결정되며, 레이저 변수 중 입열량은 다음 변수에 따라 변화하는데, 특히 빔이송속도, 빔출력, 보호가스, 초점위치, 빔 사이즈에 의해 제어된다. 그리고 실제 레이저 열처리와 용접을 하기위한 결정이 필요 하는 것이므로 최적의 초점위치, 빔 출력, 용접속도 등 세가지 변수를 제어해야한다. 그러므로 이 논문에서는 Nd:YAG 레이저를 사용하여 재료의 특성에 관한 상호작용을 기술하였다. 첫 번째로 레이저 표면열처리는 기어, 자동차 브레이크 드럼, 크랭크샤프트, 캠 샤프트와 같은 자동차 부품에 수명연장 증가 또한 마모적 특성 개선을 위한 효율적인 기술이다. 고출력 CO₂레이저와 Nd:YAG레이저들은 부품의 국부적인 경화를 위해 사용된다. 그러므로 자동차산업 응용에 잠재적인 가능성이 있다. 그 원리는 열이 시편에 전도되면서 급격한 자기냉각에 때문에 마르텐사이트로 변형되는 형태를 가지므로써 국부 열처리가 실행된다. SM45C와 STD_(11)을 Nd:YAG 레이저 경화처리했을 때 발생하는 미세구조 특징을 전자현미경과 광학현미경 분석을 통해 고찰하였다. 또한 사용된 10mm두께의 시편을 최대 경화깊이를 얻기 위한 최적의 공정변수들을 기술하였다. 두 번째로 경제적인 이유로 수년 동안 다양한 기계와 생활용품들의 접합부위가 변화함에 따라 이종용접이 사용되어 왔다. 그러나 이종용접은 몇몇의 구조물과 금속학적으로 결점을 가지고 있다. 예를 들어, 대부분 발생하는 구조물 결함은 고온균열이다. 레이저 용접 기술은 다양한 재료에 대한 특성이 있다. 이 논문에서는 CW Nd:YAG 레이저를 이용하여 STS304&SS400과 STS304&Inconel 의 레이저 이종용접특성을 실험적으로 연구하였다.|In recent years, the use of laser in material processing has been increased progressively to replace traditional manufacturing processes such as welding, cladding, and surface hardening(heat treatment). Laser heat treatment and laser welding are both novel processes, which incorporate a moving high energy laser beam to treat industrial alloys. The laser energy is absorbed at the surface and is conducted into the interior of the workpiece by thermal conduction. The laser heat treatment and the laser welding performance is strongly determined by the laser parameters. For laser parameters, the energy input is controlled by the combination of the following parameters : focused spot size, focused position, shielding gas, laser power, and beam speed. The optimal focused position, laser power, and welding speed are three controllable parameters, which need to be determined for actual laser heat treatment and welding. Therefore, the thesis describes the alternation of the material characteristics by use of an Nd:YAG laser : Firstly, Laser heat treatment is an effective technique used to improve the tribological properties and also to increase the service life of automobile components such as camshafts, crankshatfs, lorry brake drums and gears. High power CO₂ lasers and Nd:YAG lasers are employed for localized hardening of materials and hence are of potential application in the automobile industries. The heat is conducted rapidly into the bulk of the specimen causing self-quenching action to occur and the formation of matrensitic structure. In this investigation, the microstructrual features occurring in Nd:YAG laser hardening SM45C and STD_(11) steel are discussed with the use of optical microscopic and scanning electron microscopic analysis. Also, this paper describes the optimisation of the processing parameters for maximum hardened depth of SM45C and STD_(11) steel specimens of 10mm thickness. The second for many years and primarily for economical reasons, Dissimilar Metal Welds have been used as transition joints in a variety of equipment and applications. But Dissimilar Metal Welds have several fabrication and metallurgical drawbacks that can often lead to in-service failures. For example, the most pronounced fabrication faults are hot cracks. Laser welding techniques have been characterised for various materials. In this study, the laser weldability of STS304 stainless steel & SS400 and STS304 Stainless steel&Inconel 600 at dissimilar metal welds using a continuous wave Nd:YAG laser are experimentally investigated. An experimental study was conducted to determine effects of welding parameters, on eliminating or reducing the extent welding zone formation at dissimilar metal welds and to optimize those parameters that have the most influence parameters such as focus length, power, beam speed, shielding gas, and wave length of laser were tested.