연속파형 파이버 레이저를 이용한 자동차 철강소재의 용접 및 절단 특성에 관한 연구

Abstract

과학기술이 발전함에 따라 레이저는 고품질의 정밀가공(precision processing)이 요구되는 첨단 핵심부품(Advanced core component)의 재료가공 도구로써 급속히 발전하고 있다. 레이저 가공기술(laser manufacturing technology)은 산업현장에서 가장 많이 적용되고 있는 고밀도에너지(high density energy) 가공기술로써, 고도화된 가공공정 (Advanced Machining Process)이 요구되는 고품질의 고속 정밀가공(High speed precision process)이 요구되는 첨단 핵심부품의 가공분야에서 확대 적용되고 있다. 특히 자동차 산업 분야에서 레이저용접 및 절단기술은 차량의 경량화와 충돌 안정성확보, 부품의 품질과 생산성 향상을 위한 고부가가치 정밀 가공기술로써 기존 가공방식을 대체하려는 노력이 계속되고 있다. 본 연구는 산업현장에서 생산중인 자동차 부품의 용접 및 절단공정의 생산성 향상, 유연성확보 및 고도화 작업을 위해 기존 생산방식에서 개선된 가공공법을 제시하고자 레이저 가공특성을 실험적인 방법으로 고찰하였다. 이를 위해 첫째로 연속파형 고출력 파이버 레이저(CW High fiber laser)를 이용하여 기존 생산중인 자동차 기어부품 소재 IF(Interstitial atom Free) 강의 전자빔 용접(electron beam welding)과 파이버 레이저 용접(Fiber laser welding)에 대해 비교 분석하여 이를 레이저 용접방법으로 대체하기 위한 선행연구(preceding study) 목적으로 실험을 실시하였다. 실험조건으로 레이저 출력과 용접속도는 각각 3~5kW와 30~110mm/sec 변화시켰다. 산업현장에서 전자빔 용접에 의해 생산중인 기어부품(Gear part)과 레이저 용접 (Laser welding)실험 후 각각 용접품질 확인을 위해 X-Ray CT(Computed tomography) 비파괴 검사(nondestructive inspection)를 실시하였다. 최적의 용접조건(optimal welding condition)을 도출하기위해 기존 생산중인 전자빔 용접(Eletron beam welding)에 의해 제작된 시편(specimen)과 동등 수준의 용입 깊이(depth of fusion) 확보하였다. 이때 실험조건은 각각 3kW와 30 mm/sec이다. 여기서 입열량은 21.23 × 103 J/㎠ 이다. 둘째로 자동차 Seat rail 부품 소재 SAPH(Steel Automobile Press Hot)440 강의 기존 상부 브라켓(Seat upper bracket)부품과 상부 레일(Seat upper rail) 부품의 볼트체결 조립 가공방식과 파이버 레이저를 이용한 T형 용접(T-joint welding)의 기계적 특성(mechanical property)에 대해 비교 분석하였다. 실험 공정에 주요인자로서 레이저빔의 조사 각도(irradiation angle)에 따른 T형상 용접특성을 고찰해기 위해 조사 각도를 각각 15도, 30도, 45도로 변화시켜 용접했다. 이때 레이저출력(Laser power)과 용접속도(welding speed)는 2~3kW와 40~120mm/sec이다. 용접부 사이의 허용 간격(acceptable distance)을 확인하기 위해 밀착한 용접조건과 0.2mm 와 0.4mm 의 갭 게이지(Gap gauge)를 사용하여 용접부 사이의 간격이 있을 때 용접부의 상태를 확인하였다. 용접부의 인장시험 결과를 통해 레이저용접부의 안정성(Stability) 및 T 형상부의 기계적 특성을 볼트 조립 방식과 비교 하였다. x-ray 비파괴 검사 결과로서 키홀(key hole)의 동적구동(dynamic drive)이 5mm 간격으로 규칙적으로 반복되었으며, 이것은 용접속도 100mm/sec 에서 키홀(keyhole)의 붕괴(collapse)와 재생성(regeneration)이 진행되는데 50ms가 소요 되고, 20Hz 주기로 진행되었음을 확인하였다. 마지막으로 자동차 프레임 소재로 사용되는 SS400의 파이버 레이저 절단이며, 파이버 레이저를 활용한 2D 절단기(cutting Machine) 제작을 위한 선행 가공조건 확보하고자 했다. 레이저 가공품질을 결정하는 주요 인자(key factor)는 시편 표면에 집속되는 스폿크기(Spot size)이므로 서로 다른 초점렌즈(Focal lens)에 따른 최적 절단 품질 조건(optimal cutting quality condition)을 확보했다. 이때 절단렌즈(Cutting lens)의 초점길이(focal length)는 5.0Inch, 7.5Inch, 10Inch이다. 그리고 절단 노즐(cutting nozzle)은 절단 소재의 두께에 따라 3종류로 구분하여 실험하였다. 본 실험에서는 레이저 절단기 X/Y 스테이지(stage)의 속도 가감속(Acceleration/Deceleration)의 영향(effect)을 주는 모서리부(corner part)에 대한 특성을 고려하지 않기 위해 단축 직선부 절단을 기준으로 실험하였다. 절단품질을 상,중,하로 구분해 각각의 시험편의 두께별 절단 조건 영역을 도출했다. 그 결과로서 후판(thick plate)의 절단의 경우 일반적인 1구형 노즐(Spherical nozzle)을 사용할 경우 파이버 레이저의 출력이 2kW일 때 후판두께가 12mm까지 절단품질을 확보할 수 있다. 그리고 절단가스의 분사특성(injection property)을 변경한 이중형 노즐(Dual shape nozzle)을 사용할 경우 20mm 까지 절단능력을 향상시킬 수 있었다. 이때 시편 표면에 집속된(focused) 초점크기(focal size) 254㎛이며, 20mm 후판 절단을 위한 입열량(Heat input) 범위는 44,900∼46,300J/㎠ 이였다.|As science and technology progress, lasers have been developed rapidly as the material processing device for advanced core components that require high precision. Laser manufacturing is a high energy density processing technology that is most frequently applied in industrial fields. It provides state of the art core component processing with high speed and precision. In particular, laser welding and cutting technology in the automotive industry is high value-added processing technology to achieve automotive weight reduction, crash stability, quality improvement, and productivity. New alternative technical approaches are actively being developed. In this study laser welding and cutting characteristics have been examined experimentally to obtain an optimal processing condition for improved productivity and flexibility in manufacturing automobile steel parts. For this purpose, first, using a continuous-wave high power fiber laser, comparative analysis was conducted for the continuous wave fiber laser welding of the IF (interstitial-atom free) steel automotive gear parts in order to examine its substitution possibility of the conventional electron beam welding process. The experimental conditions were 3~5 kW laser power and 30~110 mm/sec welding speed. To compare welding quality between electron-beam welded gear parts in industrial fields and gear parts laser-welded in our experiments, X-Ray CT non-destructive inspection was conducted. To achieve the optimal welding conditions, the depth of fusion in the present laser welding experiments was prepared with the same as for the electron-beam-welded specimens. The experimental conditions were 3 kW laser power and 30 mm/sec welding speed, and the heat input was 2.123 × 104 J/㎠. Second, the fiber laser T-joint welding process for the seat-upper-rail parts made out of SAPH (Steel Automobile Press Hot) 440 steel was examined in its mechanical properties and compared with the conventional bolt-locking process of the same parts. T-shape welding characteristics, which are the main factors of experiment procedures, were examined for the laser beam irradiation angle of 15, 30 and 45 degrees. Laser power and welding speed were 2~3 kW and 40~120 mm/sec, respectively. Gap gauges of 0.1 mm and of 0.4 mm were used to measure the acceptable distance of weld zones when gaps were present between weld zones. Tension tests of weld zones were performed for the stability of laser-weld zones and mechanical properties of T-shape zones and were compared with the test results for the bolt-locking process. X-ray non-destructive test results showed that the dynamic drive of key holes was repeated in the interval of 5mm, which confirmed that collapse and regeneration of key holes progress at 100 mm/sec welding speed, in 50 ms with a frequency of 20 Hz. Finally, fiber laser cutting of SS400 steel used for automotive frame parts was examined to obtain the optimal processing conditions in order to facilitate a 2D fiber laser cutting machine. For the key factor to determine the laser processing quality is the spot size on the surface of specimens, the optimal cutting quality conditions for different focal lenses were obtained. The focal length of the cutting lenses was 5.0, 7.5, and 10 inch. 3 types of cutting nozzle were employed in the present study and each nozzle type was selected for material thickness. This study was based only on one axis cutting in order not to consider corner parts that affect acceleration and deceleration in the X/Y stage of laser cutters. Cutting quality was classified as high, middle and low, and subsequently, the best cutting area for each specimen was determined. When a general spherical nozzle was used with a laser power of 2 kW, for cutting thick plates, good cutting performance was achieved up to 12 mm thickness. When a dual-shape nozzle was used, good cutting quality was achieved up to 20 mm. The beam focal size on the surface of specimens was 254 ㎛ and the heat input range for cutting 20 mm thick plates was 44,900∼46,300 J/㎠.