01
종이 하이라이트
초-고출력-레이저는 두꺼운 단면 구성요소의 단일{2}}통과 용접을 가능하게 하여 고효율 및 저비용과 같은 이점을 제공합니다. 그러나 험핑 결함의 발생은 실제 적용을 방해합니다. 본 연구에서는 맞대기-접합부의 표면 질감을 기반으로 험핑 결함을 억제하는 방법을 제안하여 20mm 두께의 스테인레스강을 고품질-싱글{7}}패스 용접하는 데 성공했습니다. 표면 미세구조 특징을 통합한 전산유체역학(CFD) 모델이 확립되었으며, 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 표면 텍스처링은 두 가지 주요 직접적인 효과를 발휘합니다. 즉, 용융 풀의 확장을 촉진하고 레이저 에너지 흡수를 향상시켜 열쇠 구멍이 비관통 상태에서 관통 상태로 전환되는 것을 촉진합니다.- 열쇠 구멍 벽 근처의 용융 금속은 더 높은 접선 속도를 나타내는 동시에 용융물의 하향 흐름을 억제합니다. 더욱이, 용융 풀 바닥에 낮은-속도 영역이 없기 때문에 표면-장력-구동 후방-측 용융 수축이 가능하여 험핑 결함의 형성이 억제됩니다. 그 결과 용접 이음매는 더 미세한 입자와 더 높은 비율의 낮은-각 결정립 경계를 특징으로 하며 탁월한 인장 강도와 연신율을 나타냅니다. 용접 미세구조의 변화는 용융 풀에서 경험하는 더 강렬한 열 주기에서 비롯되는 반면, 기계적 특성의 개선은 주로 용접 형성의 품질 향상에 기인합니다. 이 방법은 용접 공정 중에 추가 보조 장비가 필요하지 않으며 두꺼운- 단면 부품 제조에서 초고{21}}전력 레이저 단일{23}}패스 용접을 산업적으로 적용하기 위한 매우 유망한 솔루션을 제공합니다.
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**전체 텍스트 개요**
초-고출력-고출력 레이저 단일{2}}후판 용접과 관련된 문제, 특히 고효율 및 저비용에도 불구하고 "혹" 결함에 대한 취약성, 추가 보조 장비에 대한 기존 억제 방법의 의존성과 관련된 문제를 해결하기 위해{4}}이 연구에서는 20mm 두께를 활용하는 맞대기-접합부 단면의 표면 미세{5}}구조화 방법을 제안합니다. 316L 오스테나이트계 스테인리스강을 실험 재료로 사용합니다. 다양한 매개변수를 갖는 표면 미세구조는 펄스 레이저 그리드 스캐닝을 통해 제작되었습니다(모든 매개변수가 0으로 설정된 비구조화 제어 그룹의 경우 P-0으로 지정되고, 미세 구조화 그룹의 경우 P-1 ~ P{20}}4로 지정되었으며, 각각은 0.1mm의 스캐닝 간격을 갖지만 레이저 출력 및 펄스 주파수가 다릅니다). 또한, 표면 미세구조 특징을 통합한 CFD 모델이 확립되었으며, 레이저 공초점 현미경, 전자 후방 산란 회절(EBSD), 인장 테스트 및 고속 이미징을 포함한 포괄적인 기술 제품군을 사용하여 조사가 수행되었습니다. 실험 결과는 매개변수 그룹 P-2(레이저 출력: 90W, 펄스 주파수: 100Hz)가 험핑 결함을 효과적으로 억제하여 고품질-싱글{33}}패스 용접을 달성한다는 것을 보여줍니다. 기본 메커니즘은 용융 풀 팽창과 레이저 에너지 흡수를 촉진하는 표면 미세 구조화를 포함하여 열쇠 구멍이 비관통 상태에서 관통 상태로 전환되는 것을 촉진합니다. 이러한 전이로 인해 열쇠 구멍 벽 근처에서 용융 금속의 접선 속도가 증가하고, 용융물의 하향 흐름이 억제되고, 용융 풀 바닥에서 저속 영역이 제거됩니다.- 동시에, 용접 미세구조는 결정립 미세화 및 낮은-각 결정립계의 비율 감소를 나타냅니다. 결과적으로 인장강도와 신장률은 각각 모재 값의 96%와 65%에 이릅니다. 이 방법은 추가 보조 장비가 필요하지 않아 높은 유연성과 다양성을 제공하며 두꺼운 판의 초고출력 레이저 용접 산업 응용을 위한 실행 가능한 솔루션을 제공합니다. 그러나 이 연구는 또한 추가적인 가공 단계에 대한 요구 사항, 특정 재료와 최적의 표면 거칠기 사이에 명확하게 정의된 상관 관계가 없다는 점 등 특정 제한 사항을 인정하며 향후 추가 연구와 개선이 필요함을 나타냅니다.
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시각적 분석
그림 1은 샘플 P-0(a, f)의 표면이 어떠한 미세 구조도 나타내지 않고 완전히 부드럽고 평평하게 나타나는 것을 보여줍니다. 저전력 및 높은 스캔 속도(45W, 150Hz)를 사용하여 처리된 샘플 P-1(b, g)-는{9}}용해 풀(Ra=6.23 μm)과 같은 엇갈린 물고기-비늘-을 특징으로 합니다. 90W 및 100Hz에서 처리된 샘플 P-2(c, h)-는-스패터 없이 연속적인 리플-홈(Ra=10.43 μm)을 표시합니다. 더 높은 전력 수준(120W)에서 처리된 샘플 P-3(d, i) 및 P-4(e, j)는 깊은 홈과 스패터 입자가 존재하는 것을 특징으로 하며 각각 20.48μm 및 26.43μm에 이르는 Ra 값을 나타냅니다. 이러한 결과는 P-2 그룹의 미세 구조가 적당한 거칠기를 가지고 있음을 보여줍니다. 이 구성은 레이저 에너지 흡수를 효과적으로 보장하는 동시에 과도한 간격을 방지하여 험핑 결함을 억제하기 위한 견고한 기반을 마련합니다. 대조적으로, 표면 구조화 처리를 전혀 거치지 않은 샘플 P-0은 이러한 유익한 효과를 달성할 수 없습니다.
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요약
본 연구에서는 두께 20mm 316L 스테인레스 강의 단일-패스, 초-고출력{3}}레이저 용접 중 "혹" 결함을 성공적으로 억제하는 맞대기 접합의 표면 미세 구조화 방법을 제안합니다. 이 접근 방식을 사용하면 추가 보조 장비 없이도 고품질-조인트를 생산할 수 있습니다. 이 방법은 펄스 레이저를 활용하여 접합 표면에 중간 정도의 거칠기를 갖는 미세{9}}구조를 제작합니다(버트 간격 범위는 레이저 스폿 직경의 1/15~2/15임). 한편으로는 이는 용접 풀 확장을 촉진하고 레이저 에너지 흡수를 향상시켜 열쇠 구멍이 닫힌 상태에서 안정적이고 완전히 관통하는 상태로 전환되는 것을 촉진합니다. 한편, 마랑고니 효과를 활용하여 키홀 벽 근처의 용융 금속의 접선 속도를 증가시켜 용융 금속의 하향 흐름을 억제하고 용접 풀 바닥의 저{16}}속도 영역을 제거하여 베이스에 용융 금속 축적을 근본적으로 줄입니다. 더욱이, 표면 미세- 구조화로 인해 용접 이음매가 더 높은 최고 온도에 노출되고 상승된 온도에서 체류 시간이 연장되어 결정립이 미세해집니다. 궁극적으로 이는 접합부의 인장 강도와 신장률이 각각 모재 값의 96%와 65%에 도달하는 등 기계적 특성이 향상됩니다. 진공 보조 또는 전자기 보조 방법-과 같은-기존 기술과 비교할 때 이 접근 방식은 뛰어난 유연성과 광범위한 적용 가능성을 제공합니다. 이론적으로는 다양한 재료 두께에 걸쳐 긴 이음새와 곡면을 접합하는 데 적합합니다. 그러나 추가 처리 단계에 대한 요구 사항과 특정 재료와 최적의 표면 거칠기 매개 변수 간의 명확하게 정의된 상관 관계가 부족함을 포함하여 특정 제한 사항이 남아 있습니다. 결과적으로 향후 연구는 마이크로 구조화 프로세스의 효율성을 더욱 최적화하는 데 중점을 두어야 합니다.
