본 연구에서는 TC4 티타늄 합금판에 기존 LW, OLW, RMOLW 적용을 체계적으로 비교했습니다. 연구에서는 고속 카메라 이미징, 광학 현미경(OM), 주사 전자 현미경(SEM), 전자 후방 산란 회절(EBSD) 및 인장 테스트를 포함한 다양한 특성화 방법을 사용했습니다. 결과는 RMOLW 공정이 언더컷 결함을 제거할 뿐만 아니라 스패터를 크게 줄여 용접의 표면 형성 품질을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. 기계적으로 환형 빔은 키홀 개방 면적(최대 0.76mm²)을 확장하고 빔 진동에 의해 생성된 안정적인 와류는 용융 금속 압축으로 인해 키홀이 닫히는 것을 효과적으로 방지하여 스패터 소스를 차단합니다. 미세 구조 측면에서 이 공정은 용융 풀의 온도 구배와 냉각 속도를 감소시켜 용접 중심에서 미세한 바스켓-직 형태의 형성을 촉진하고 고-각 결정립계(HAGB)의 비율을 증가시킵니다. 궁극적으로 RMOLW 용접 조인트는 높은 인장 강도(약 1148.8 MPa)를 유지하는 동시에 기존 레이저 용접에 비해 연신율이 35.2% 증가하여 강도와 연성이 잘 조화됩니다.
그림 1은 RMOLW의 실험 설정을 보여줍니다. 코어는 특수 환형 광섬유를 사용하여 중앙 섬유 코어(100μm)와 외부 링 섬유 코어(300μm)로 구성된 복합 빔을 생성합니다. 빔은 환형 에너지 분포를 가질 뿐만 아니라 검류계 시스템을 통해 원형(나선형) 진동 궤적을 실행합니다. 이 설계는 환형 빔의 "구멍-확장" 효과와 진동의 "교반" 효과를 동시에 활용하는 것을 목표로 합니다.
그림 1. 링- 모드 진동 레이저 용접 장치의 개략도: (a) 통합 실험 장비 (b) 섬유 단면적, 코어 직경 및 초점 크기 (c) 레이저 빔의 실제 궤적.
그림 2는 LW 표면 가장자리가 물결 모양이고 다량의 스패터가 동반되며 단면이 'X' 모양이고 언더컷 깊이가 최대임을 보여줍니다. RMOLW 용접 모서리는 직선이고 매끄러우며 스패터가 거의 없고 단면이 'V'-자형-으로 넓으며 언더컷 깊이가 매우 낮고 전환이 부드럽습니다. 이는 RMOLW의 에너지 분포가 더 균일하여 용접 형성 품질이 효과적으로 향상됨을 나타냅니다.
그림 2. 접합부의 거시적 형태 및 단면- 형태: (a, d, g) 레이저 용접 샘플의 용접 형태, (b, e, h) 진동 레이저 용접 샘플의 용접 형태, (c, f, i) 환형 모드 진동 레이저 용접 샘플의 용접 형태.
그림 3. 다양한 공정 조건에서 용융 풀 흐름 및 키홀 개방 거동: (a) 레이저 용접 중 스패터 발생 (b) 한 사이클 내 진동 레이저 용접 결과 (c) 한 사이클 내 환형 스폿 패턴을 사용한 진동 레이저 용접 결과. 그림 4는 LW가 중앙에 극도로 높은 에너지(407.2 J/mm²)를 가지고 급격하게 정점에 도달한 가우스 에너지 분포를 갖고 있어 좁고 깊은 용융 풀을 생성한다는 것을 보여줍니다. RMOLW는 "플랫-톱" 균일한 에너지 분포(최대 107.6 J/mm²)를 나타내며 에너지 분포의 균일성은 2.2배 증가했습니다. 이렇게 균일하게 가열되면 언더컷이 줄어들어 용접 단면이 더 넓고 부드러워집니다.-
LW, OLW 및 RMOLW 공정의 비교 분석을 통해 본 연구에서는 다음과 같은 주요 결론에 도달했습니다. 1. RMOLW는 키홀 개구부 면적을 0.76mm²로 확장하고 안정적인 와류를 도입하여 키홀 붕괴를 방지하고 기존 레이저 용접에 비해 용접 중 스패터를 88.6% 줄입니다.{4}} RMOLW 공정은 빔 에너지 분포 균일성을 20배 향상시키고 국부적인 과열을 제거하며 용접 언더컷 깊이를 56.3%, 매끄러운 V-자형 단면. 3.을 형성합니다. 환형 빔과 진동 사이의 시너지 효과는 용융 풀의 온도 구배와 냉각 속도를 감소시키고, 고강도 및 견고한 바스켓-직조 구조와 라멜라 알파상의 형성을 촉진하며, 결정 방향의 집중을 감소시킵니다.. 4. 언더컷 결함과 미세 구조 강화(보다 높은-각 결정립계)로 RMOLW 접합부의 연신율은 기존 레이저 용접에 비해 35.2% 증가하는 동시에 모재와 비슷한 높은 인장 강도를 유지합니다.
