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JWJ > Volume 34(5); 2016 > Article
내로우 갭 적용을 위한 핫와이어 송급 레이저용접 - 고속촬영을 통한 와이어 용융/이행 현상과 아크 포메이션 분석 -

Abstract

In this study, Hot-wire laser welding (HWLW) without keyhole which deposits filler material by feeding hot wire into the process zone has been performed to increase process performance. From the analysis of High Speed Imaging (HSI), for higher voltage, the process is prone to arc formation and drop transfer, which is disagreeable transfer mode. It is necessary that arc formation and drop (globular) transfer should be avoided by lower voltage. Therefore, continuous wire melting and transfer mode is preferred when adopting this process. The HWLW technique has high potential in terms of performance, precision, robustness and controllability for thick section of narrow gap.

1. 서 론

최근 산업의 발달로 인하여 선박, 해양구조물, 교량 및 각종 용접구조물들은 대형화됨에 따라 적용되는 강재 또한 후판화되는 추세이다. 특히, 후판 용접(heavy section welding)에 있어 전통적인 아크용접을 적용할 경우, 토치 접근성, 아크 불균형과 적절한 용입성 확보를 위하여 통상적으로 V형 개선(V-groove)이 요구된다. 그러나 다층으로 채워져야 할 용접단면적이 커지므로 용접비용과 시간이 증가되어 생산성이 저하될 수 있다.
한편 빛의 일종인 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER)를 고밀도로 집속시켜 재료를 가열/용융하여 접합하는 레이저용접은 에너지의 투입량이 적기 때문에 변형이 적고, 깊은 용입(deep penetration)과 빠른 용접속도 등 장점이 있으나, 이음부 간극의 정밀관리(단독 레이저용접의 경우 0.1∼0.2mm)와 정확한 레이저 빔의 조사, 높은 출력 등 적용상의 제약이 있다1). 특히, 후판 레이저용접에서는 부재가공오차, 핏업(fit-up)오차, 열 변형에 의한 갭(gap) 발생으로 인하여 갭브리징(gap bridging)을 향상시킬 수 있는 방안이 요구된다2).
하이브리드 용접은 2개 이상의 용접법을 복합화 한 공정으로 서로 다른 용접법의 특성을 동시에 활용하여 용접부의 품질 및 용접생산성 확보가 가능하다. 특히, 레이저-아크 하이브리드 용접(Laser-Arc Hybrid Welding, LAHW)은 레이저용접의 깊은 용입과 아크용접의 우수한 갭브리징 능력(최대 1mm)을 상호 보완하여 기존 용접법 대비 우수한 용접부를 얻을 수 있다3-6). 그러나 레이저-아크 하이브리드 용접 시스템 구축을 위한 비용문제와 공정상 복잡성(complexity) 때문에 국내에서 실용화는 극히 드문 실정이다.
최근 레이저를 이용한 적층 기술 중에 하나인 레이저 금속 증착(Laser Metal Deposition, LMD) 방식을 응용하여 와이어 송급을 통한 레이저용접법의 연구결과들이 보고되고 있다. 이 방식은 LMD의 원리와 매우 유사하며 송급되는 와이어(cold wire or hot wire) 종류에 따라 CWLW (Cold-Wire Laser Welding) 또는 HWLW (Hot-Wire Laser Welding)로 명명되고 있다7). 이 공정은 추가적인 부재가공(개선)이나 이음부 간극의 관리에서 좀 더 유연하므로 공정상 관리가 쉬우며 협개선 용접(Narrow Gap Welding, NGW)이 요구되는 원자력산업에서 적용될 것으로 예상된다.
따라서 본 논문에서는 와이어 송급을 이용한 레이저 용접에 관한 현재까지 보고된 주요 연구동향을 살펴보고, 본 저자들에 의해 수행된 연구결과를 소개하고자 한다.

2. 연구동향

2.1 콜드와이어 송급 레이저용접과 적층

와이어(cold wire) 송급에 의한 LMD 공정과 CWLW 공정은 원리상 매우 유사성을 갖고 있다. 특히, 와이어 송급 방향(front 또는 rear feeding)과 위치(leading, centre, trailing 등) 그리고 각도에 따라 적층 품질에 크게 영향을 미치며8-10), 송급 방향은 전면송급(front feeding)이 후면송급(rear feeding)보다 기공발생이 적고 결합력이 높아 적층 품질이 우수한 것으로 확인되었다. 또한 전면송급에서의 와이어는 용융풀(melt pool)의 선행(leading edge)에 위치하였을 때 레이저 빔의 에너지 전달을 방해하지 않아 가장 좋은 결과를 나타내었다11).
Fig. 1은 CWLW 공정에서 싱글과 멀티패스 용접부 단면을 나타낸 것으로, 와이어 송급을 통한 싱글패스(single pass) 레이저용접에서 갭브리징 능력이 상당히 향상되는 것으로 보고되었다12-14). 또한 멀티패스(multi pass) 용접으로 50mm의 스테인리스 스틸 후판까지 적용 가능성이 확인되었다15-17). Fig. 1 (d)2 (a)에서는 와이어 송급을 통한 멀티패스 레이저용접의 모식도를 나타낸 것이다.
Fig. 1
CWLW single and multi-pass cross section, (a) single pass in 3 mm thick mild steel sheet14), (b) multi pass in 17 mm thick mild steel sheet15), (c) multi pass welding 45 mm thick aluminium sheet16), (d) principle illustration of multi-pass welding with CWLW17)
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Fig. 2
Filling a gap bottom up with deposited material and different deposition modes. (a) Illustration of procedure16), (b) plunged wire deposition21), (c) left: surface tension transfer, right: globular transfer19)
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와이어의 용융과 적층모드(deposition mode)에 영향을 미치는 변수로는 레이저출력(laser power), 와이어 송급 속도(wire feed rate), 와이어 송급 각도(wire feed angle), 와이어 송급 위치(wire feed position) 등이며, 이러한 변수들에 따라 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 (b) Plunged mode (extruded into melt), (c) Surface tension mode (continuous molten metal bridge) 그리고 (d) Globular mode (big droplet) 등의 3가지의 적층모드가 보고되었다10,18-20). 한편, CWLW 공정에서 용접부내 주로 발생하는 결함들은 기공(pore), 용입불량(lack of fusion), 고온균열(hot crack) 등으로, 이러한 결함들은 입열이 크거나 작을 경우, 보호가스 유량에 따라 크게 의존하였으며, 용입불량은 입열을 증가시킴으로써 방지되었다.

2.2 핫와이어 송급 레이저용접과 적층

전기적 전류를 통하여 예열(preheating)된 와이어(hot wire) 송급은 레이저용접과 적층 프로세스에서 용착 또는 적층 효율이 향상될 수 있다21). 공정상 주요 이점으로는 레이저출력 감소22), gap tolerance 증가23), 깊은 용입 등이다. 특히, 예열된 와이어의 용융속도에 관한 공정변수 중 전압(voltage)은 용접품질에 크게 영향을 미치는 중요한 변수 중에 하나이다24). 전압의 증가에 따라 와이어의 용융속도는 증가하게 되지만, 과하게 높게 되면 급격한 전류변화(current fluctuation)에 의한 불균일한 용접부 및 과도한 스패터가 발생되므로 적절한 전압이 요구된다. 일반적으로 레이저용접에서 전도용접(conduction welding)과 키홀용접(keyhole welding)은 레이저 빔과 용접속도, 초점위치 등을 다르게 하여 적용할 수 있다. 본 HWLW 공정에서 키홀용접이 아닌 전도용접을 적용할 경우 공정상 복잡성을 최소화시킬 수 있다.

3. 실험 방법

3.1 사용재료

본 연구에서 사용된 강재는 AR 400 (abrasion resistant)과 S355+N이며, 두께는 각각 7mm, 8mm이다. AR 400 용접에 사용된 와이어는 ø 1.2 mm Lincoln SupraMIG Ultra (ER70S-6)이며, S355+N강재에서는 ø 1.0 mm ESAB OK Autrod 12.64와이어를 사용하였다. 본 실험에 사용된 강재 및 와이어의 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Chemical composition of base metal and wire used (wt. %)
C Si Mn P S Cr Mo Al B
AR 400 0.17 0.5 1.6 0.02 0.005 - - - 0.004
S355+N 0.22 0.5 1.6 0.035 0.035 0.3 0.08 0.02 -
Lincoln SupraMIG Ultra (ER70S-6) 0.08 0.85 1.7 - - - - - -
ESAB OK Autrod 12.64 0.1 1.0 1.7 - - - - - -

3.2 용접방법

핫와이어 송급 레이저용접은 Fig. 3 (a)와 같이 송급된 와이어가 연속적으로 조사되는 레이저 빔에 의하여 용융, Fig. 3 (b)에 나타낸 바와 같이 모재 사이의 3mm 갭을 채워 다층으로 용접된다. 본 실험에서는 빔 품질이 우수한 15kW Yb: fiber laser(manufacturer: IPG, BPP 10.3 mm mrad)와 Fronius사의 GMAW source를 이용하여 용접을 실시하였다.
Fig. 3
(a) Illustration of the process with leading oscillating wire plunged into the melt and (b) setup of the joint (#1) with 3 mm gap and 7 mm thick plates, stack
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와이어는 전면송급하였고, 조사되는 레이저 빔의 중앙에 위치시켰다. 또한 레이저 조사각은 (-) 7°, 레이저 빔 직경은 6.5mm이며, 자세한 주요 공정변수를 Table 2에 정리하였다. 용접중 보호가스는 Mison 18 (Ar+ 18%CO2)을 사용하였다.
Table 2
Laser welding process parameters
Sample series number #1 #2
Laser power (kW) 5 6
Travel speed, v (m/min) 0.5 1.0
Shielding gas flow (l/min) 35 40
Wire feeding angle (°) 60 56
Wire feeding position (mm) 1 0
Wire diameter, dw (mm) 1.2 1.0
Wire feed rate, vw (m/min) 6 7
Average wire current (A) 130 80-90
Average wire voltage (V) 7 and 12 6-7
Fig. 4는 본 연구에서 사용된 HWLW 공정의 시스템을 보여주고 있으며, 또한 용접 중에 용접현상을 관찰하기 위하여 일루미네이션 다이오드 레이저(illumination diode laser, wavelength 808nm)와 함께 매 조건별 초당 4,000 프레임의 고속카메라 (high speed camera) 촬영을 실시하였다.
Fig. 4
Experimental welding setup (laser irradiation angle, hot wire feeder, wire feeding position), including observation by a high speed camera
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4. 실험결과

4.1 용접부 단면 분석 결과

Fig. 5는 Multilayer HWLW 용접부의 단면과 비드표면을 나타낸 것으로, 용접부내에서 주로 발생하는 결함으로 기공, 용입불량, 고온균열, 불균일한 용입(excessive melting) 등이 관찰되었다.
Fig. 5
Top surface appearance (upper) and weld cross section (lower) for various parameter cases: (a) #1. ii (vw= 6 m/min), (b) #1. iii (vw=7 m/min), (c) #2. i (vw=7-8 m/min), (d) #2. ii (vw=9 m/min), see also Table 2
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특히, 고온균열은 용접부 중앙(centerline)에서 발생하였는데, 이는 후패스(next layer)에서 조사되는 레이저 빔에 의해 재용융(remelting)되어 그 길이가 크게 감소하였다. 또한 Table 2에 나타낸 공정변수에 따라 각 층에서는 약 2-5mm의 용입깊이를 형성하였으며, Fig. 5 (a)(c)를 비교하였을 때 공정변수에 따라 발생되는 결함의 양상이 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.

4.2 와이어 용융 거동 및 아크 포메이션

Fig. 6은 와이어 팁(tip)에서의 연속적인 용융과 이행 그리고 아크 포메이션(arc formation) 현상에 대한 고속 촬영한 결과를 보여주고 있다. Fig. 7 (a)-(c)로부터 와이어는 Longitudinal oscillations과 함께 용융과 이행이 반복되며 Fig. 5 (c)에서처럼 균일한 용접부를 얻게 되었다. 그러나, Fig. 7 (d)-(f)와 같이 와이어 팁에서의 Globular 이행과 전기적 아크 발생은 Fig. 5 (a)의 불균일한 용입(excessive melting of base metal)이 발생하였다. 이러한 이유로는 공정변수 중에서 전압이 높아지면 급격한 전류변화가 발생하기 때문이다. 따라서 적절한 전압(lower voltage)을 설정하여 전기적 아크 발생을 방지해야 한다. Fig. 8은 와이어의 용융과 이행 및 전기적 아크 발생 과정을 나타낸 것이다.
Fig. 6
High speed images of the wire transfer for different parameter situations: (a)-(c) series #1, (d)-(i) series #2; (a), (g) and (i) show arc formation
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Fig. 7
High speed images and illustration of the main mechanisms for (a)-(c) regular operation with continuous wire transfer, (d)-(f) limit of arc formation and drop detachment transfer
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Fig. 8
High speed imaging sequence (2 ms time steps) of wire melt transfer (a) arc formation and drop transfer (wire tip and drop encircled red), (b) continuous wire melting (longitudinal oscillation of the wire tip marked yellow), (c) magnification of (b)
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4.3 Mass balance 계산

Fig. 9는 매스 밸런스(mass balance) 계산으로부터 모재두께별 추정된 전체용접속도(total welding speed)를 나타낸 것이다. 갭 간격의간격의 75% 와이어 직경을 적용하였을 때, 모재두께가 증가할수록 전체용접속도는 낮아진다. 하지만 협개선 용접부보다 넓은 갭이 요구되는 SAW(Submerged Arc Welding) 공정과 비교를 위해 용접속도 0.6m/min25)를 적용하였을 때, HWLW 공정이 SAW보다 더 빠른 전체용접속도를 확인할 수 있었다.
Fig. 9
Total welding speed that can be achieved (mass balance) for given gap width and wire feeding rate (wire diameter 75% of gap width; steel)
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5. 결 론

본 연구에서는 3mm 내로우 갭을 가진 후판(8-14mm)에서 핫와이어 송급 레이저용접을 적용하여 아래와 같은 결론을 얻게 되었다.
1) 핫와이어 송급 레이저 용접부에 주로 발생하는 결함으로는 기공, 용입불량, 고온균열, 불균일한 용입(excessive side wall melting) 등이었으며, 고온균열은 후패스에서 조사되는 레이저 빔에 의해 재용융(remelting)되어 그 길이가 감소되었다.
2) 특히, 공정변수 중에 부적절한 전압 설정(전압이 높을 경우)은 낙하(drop)형 이행과 함께 전기적 아크가 발생하였으며, 이로 인하여 불균일한 용입부가 형성되었다. 따라서, 전기적 아크 발생의 방지를 위하여 보다 낮은 전압의 사용이 요구되었다.
3) 공정 중에 와이어는 연속적인 용융과 이행을 통하여 안정적인 비드 및 용입 형상을 나타내었으며, 낙하형 이행과 같은 불안정한 와이어 용융과 이행은 방지되어야 한다.

후 기

이 논문은 2016년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었음

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