Investigation into the Effects of Process Parameters of DED Process on Deposition and Residual Stress Characteristics for Remanufacturing of Mechanical Parts

기계 부품 재제조를 위한 DED 공정 조건에 따른 적층 및 잔류응력 특성 분석

Abstract

Recently, there has been an increased interest in the remanufacturing of mechanical parts using metal additive manufacturing processes in regards to resource recycling and carbon neutrality. DED (directed energy deposition) process can create desired metallic shapes on both even and uneven substrate via line-by-line deposition. Hence, DED process is very useful for the repair, retrofit and remanufacturing of mechanical parts with irregular damages. The objective of the current paper is to investigate the effects DED process parameters, including the effects of power and the scan speed of the laser, on deposition and residual stress characteristics for remanufacturing of mechanical parts using experiments and finite element analyses (FEAs). AISI 1045 is used as the substrate material and the feeding powder. The characteristic dimensions of the bead shape and the heat affected zone (HAZ) for different deposition conditions are obtained from the experimental results. Efficiencies of the heat flux model for different deposition conditions are estimated by the comparison of the results of FEAs with those of experiments in terms of the width and the depth of HAZ. In addition, the influence of the process parameters on residual stress distributions in the vicinity of the deposited region is investigated using the results of FEAs. Finally, a suitable deposition condition is predicted in regards to the bead formation and the residual stress.

1. 서론

현대의 기술 발전과 더불어 환경 문제에 대한 관심이 증가하면서 제조 분야에서는 적층 제조 (additive manufacturing : AM) 공정을 활용하여 금속 제품을 재제조 (remanufacturing) 하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1]. 재제조는 손상된 부품의 일부를 보수 (repair) 및 개조 (retrofit) 하여 최초 제품과 동일하거나 성능이 향상된 상태의 제품으로 재제작하는 것을 지칭한다[2]. 재제조는 기계 부품의 사용 수명을 현저히 향상시키고 재료 낭비와 재료 소모량을 현저히 감소시킬 수 있어, 제품의 제작 비용/시간 절감 및 환경 문제 해결이 가능하다[3,4]. 이 같은 재제조의 장점에 인하여 노후 공작기계, 성형 기계등 일반 산업기계 분야에서도 재제조에 대한 관심이 현저히 높아지고 있다. 노후 산업기계들의 경우 손상 유형과 위치가 매우 불규칙하며 국부적 손상이나 기능저하에 의하여, 부품의 대부분이 요구 기능을 수행할 수 있음에도 불구하고 제품내 국부적 손상에 의하여 전체 부품을 폐기해야 한다[5]. 그러므로 최근 녹색 생산 기술 측면에서 산업 기계 부품의 재제조에 관심이 지속적으로 증가하고 있다.

AM 공정은 면대면 (layer-by-layer) 또는 선대선 (line-by-line) 적층 특성에 의하여 기저부 형상위에 동일 또는 이종 재료를 손쉽게 적층할 수 있는 특징을 가지고 있다[6]. AM 공정중 에너지 제어 용착 (directed energy deposition : DED) 공정은 기저부 위에 고 에너지 열원을 조사하여 용융지 (molten pool) 를 생성하고 용융지에 분말 또는 와이어 등의 재료를 공급하여 적층 비드를 생성한다[7,8]. 그 후 각 층별로 반복하여 적층 비드를 생성하여 3 차원의 금속 제품을 제작한다. DED 공정의 경우 수리 및 보수에 장점을 가지고 있다[7]. 그러므로 DED 공정은 불규칙한 손상 부품에 대한 보수/재제조에 적용성이 매우 높다[6-8]. 대표적인 DED 공정으로는 LENS (laser engineered net shaping) 공정, DMD (direct metal deposition) 공정 등을 들 수 있다[6-8].

DED 공정으로 제품을 보수/개선할 경우 적층부 주위의 급격한 온도 구배와 급속 가열/냉각 메카니 즘에 의하여 상대적으로 큰 잔류 응력이 발생한다 [7]. 이 잔류 응력은 적층부 주위의 균열과 파손 발 생의 주요 원인이 된다. DED 공정을 산업 기계 부품 제재조에 적용하기 위해서는 적층 조건 및 경로 등에 따른 적층부 주위의 적층 특성, 열전달 현상 및 잔류응력 변화에 대한 고찰이 필요하다[9,10].

Hwang 등은[11] DED 공정을 이용하여 SUS 316L 과 Inconel 718 금속 분말을 이용하여 적층 실험을 수행하고 레이저 출력, 가스 공급율 및 분말 적층부 비드 및 기저부 열영향부와 혼합층 생성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. Zhu 등은[12] 레이저 클레팅 공정으로 H13 분말을 적층하여 45 Steel 기어를 보수할 때 적층 경로와 중첩율 (overlap ratio) 에 따른 적층부 조도, 조직, 경도, 인장 강도 및 내 마모성 변화를 고찰하였다. Oh 등은[13] DMT 공정을 사용하여 보수를 위한 홈 (Groove) 형상에 따른 보수된 부품의 적층 형상, 적층부 결합 특성, 적층부 인근 조직 및 인장 강도 변화에 대한 고찰을 수행하였다. Li 등은[14] 레이저 클레딩 공정으로 연주강(ductile cast iron) 위 Ni-Cu 합금을 적층하여 기계부품 을 보수하기 위하여, 보수를 위한 홈 형상과 적층 경로에 따른 보수 부위의 조직, 상 및 기계적 특성 변화를 분석하였다. Lei 등은[15] 레이저 클레딩 공정을 이용한 손상된 임펠러 블레이드의 재제조를 위해, 재제조 과정에 대한 유한 요소 해석 (finite element analysis : FEA) 을 통한 적층중 열전달 및 잔류응력 변화를 고찰하였다. 또한 실제 임펠러 블레이드 보수 실험을 수행하여, 조직, 경도 및 인장 물성 변화에 대한 분석을 수행하였다. Hua 등은[16] 유한 요소 해석을 통하여 레이저 클레딩 공정을 이용한 기계부품 재제조를 위한 16MnR 위에 Ni-Cr-B-Si 분말 단일 비드 적층시, 레이저 출력 (power), 이송 속도 (scan speed) 및 레이저 빔의 반경에 따른 적층부 인근의 온도 및 잔류응력 변화를 고찰하였다.

DED 공정에서 적층 비드의 크기는 생산성과 경제성에 직접적인 영향을 미친다. 산업 기계 부품의 경우 손상부가 넓고 깊으므로, DED 공정을 이용한 재제조를 위해서는 대형 적층 비드가 적용되어야 한다. 그러므로 기저부 위에 대형 비드를 생성할 수 있는 적층 조건에서 공정 조건에 따른 적층부 형상 및 잔류 응력 발생 특성 변화에 대한 분석/고찰이 필요하다.

이 연구에서는 기계 부품 재제조를 위해 DED 공정을 이용한 적층 조건이 적층부 특징 형상과 잔류 응력 발생에 미치는 영향을 실험/해석적으로 고찰하였다. 적층 실험을 통하여 레이저 출력 (laser power : P) 및 이송 속도 (scan speed : V) 에 따른 적층 비드형상 및 열영향부 (Heat affected zone : HAZ) 변화를 분석하였다. 실험과 FEA 결과의 비교를 수행하여 각 적층 조건에 대한 열원 효율을 도출하였다. FEA 을 통하여 적층 조건에 따른 적층부 주위의 잔류응력 발생 특성 변화를 고찰하였다.

2. 단일 비드 적층 실험 및 해석모델 설계

2.1 단일 비드 적층 실험

Fig. 1 은 단일 비드 적층 실험에서 사용된 적층 제조 장치와 적층 실험 셋업 (set-up) 이다. 맥스로텍 사의 DED 장비인 DABO MDG 300 을 이용하여 적층 실험을 수행하였다. 적층 실험에 사용된 기저부와 적층 분말의 재료는 기계 구조용 강인 AISI 1045 이다. 적층 실험의 기저부의 크기는 90 × 50 × 30 mm3 이며, 50 mm 의 적층 비드가 기저부 위에 등간격으로 적 층 될 수 있도록 Fig. 2 와 같이 적층 시편을 설계하였다. 연속되는 비드 적층 시 앞선 비드 적층에 발 생한 열이 새로이 적층되는 비드에 영향을 미치지 않도록 적층 순서를 조절하였다. 각 적층 비드 사이에 60 초의 적층 시간 (interpass time) 을 적용하였다.

Fig. 1 Experimental set-up 

Fig.2 Design of specimen and sequence of deposition

Table 1은 적층 실험에 사용된 공정 조건이다. 레이저 출력과 이송 속도 범위는 각각 800 - 1,000 W 및 600 - 2,000 mm/min 이다. 적층 실험에 적용된 분말 공급율 (F) 은 6 g/min 이다. 적층 공정 중 적층 부 인근의 산화 방지를 위해 불활성 가스인 아르곤 (Ar) 가스를 보호 가스로 사용하였다. 아르곤 가스의 공급율 (G) 은 12.0 l/min 이다. DED 헤드에 부착된 레이저는 SPI 사의 파이버 (Fiber) 레이저이며, 레이저 직경 (d) 은 약 2.0 mm 이다.

Table 1 Experimental conditions

2.2 유한 요소 해석

유한 요소 해석은 상용 소프트웨어인 SYSWELD V15.5 를 이용하여 수행하였다. Fig. 3 은 적층 공정 에 대한 유한 요소 해석 모델이다. 각 적층 조건에 대한 적층 비드 형상은 실험 결과 도출된 각 적층 조건별 적층 비드의 폭과 높이를 이용하여 생성하 였다. 열원 효율을 도출하기 위한 비정상 열전달 해석 모델은 Fig. 3 (a) 와 같이 하나의 모재위에 6개의 적층 비드를 생성하도록 생성하였다. 적층 순서는 적층 실험에서 적용된 적층 순서와 동일하게 적용 하였다. 잔류 응력 특성 발생 특성을 분석하기 위한 열-기계 연계 해석 모델은 Fig. 3 (b) 와 각 적층 실험 조건에 대해서 단일 비드가 적층되는 형상으로 생성하였다. 비정상 열전달 해석과 열-기계 연계 해석 모델은 입체 육면체 (solid hexahedral) 요소로 나타내었다. 6 개 적층 비드를 가지는 비정상 열전달 해석 모델에 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 121,344 개와 96,113개이다. 단일 적층 비드를 가지는 열-기계 연계 해석 모델에 사용된 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 20,224 개와 16,203 개이다.

Fig. 3 FE model and boundary conditions for heat transfer and thermo-mechanical analyses

레이저 열원 모델은 식 (1) 과 침투 깊이가 고려된 완만한 가우시안 (gaussian) 평면 에너지 밀도 분포를 가지는 3차원 체적 열원 (volumetric heat flux) 모델을 이용하였다. 식 (1) 은 식 (2) 의 제한조건에 서만 해석 모델에 적용될 수 있도록 하였다. 열원은 침투 깊이는 실험에서 도출된 각 적층 조건별 단일층 적층 비드의 높이와 같이 설정하였다.

\(\dot{Q}=\frac{4 \alpha P}{\pi \tau d^{2} V} \operatorname{Exp}\left(-\frac{(x-V t)^{2}+y^{2}}{4 d^{2}}\right)\)        (1)

여기서 \(\dot{\mathrm{q}}, \alpha, \tau, \mathrm{x}\) 및 y 는 각각 선형 열원 강도, 열원 효율, 열원 침투 깊이, x 좌표 및 y 좌표이다.

\(\sqrt{(x-V t)^{2}+y^{2}} \leq d / 2 \text { and } \tau \leq \mathrm{z} \leq 0\)       (2)

유한 요소 모델의 측면과 바닥면에는 온도 의존 자연 대류 조건을 적용하였다. 해석 모델 상면에는 아르곤 가스 분사에 의한 강제 대류와 자연 대류가 모두 고려하기 위하여 식 (3) 과 같이 등가 열손실 (equivalent heat loss) 모델을 적용하였다 [17,18]. 냉각 단계에서는 해석 모델 전면에 자연 대류 조건만 적용하였다. 적층후 충분한 냉각이 이루어지게 하기 위하여 적층후 냉각시간은 5,000 초로 설정하였다. 잔류 응력 발생 특성을 분석하기 위한 열-기계 연계 해석에서는 적층 공정과 냉각 공정에서 기저부 바닥면의 중심부에 3점 구속을 적용하였다.

\(\bar{h}_{e}=\bar{h}_{f}+\varepsilon \sigma\left(T_{s}^{2}+T_{e}^{2}\right)\left(T_{s}+T_{e}\right)\)       (3)

여기서 \(\overline{\mathrm{h}}_{\mathrm{e}}, \overline{\mathrm{h}}_{\mathrm{f}}, \varepsilon, \sigma, \mathrm{t}_{\mathrm{s}}\) 및 T_e 는 각각 등가 열손실 계수, 강제 대류 계수, 방사율, 스테판-볼쯔만 상수, 표면 온도 및 주위 온도이다.

유한 요소 해석에서 온도와 상변화에 따른 열-기계 물성 변화를 고려하기 위하여 AISI 1045에 대한 상변화가 고려된 온도 의존 열-기계 물성데이터를 사용하였다. AISI 1045 의 상변화가 고려된 온도 의존 열-기계 물성은 Fig. 4 와 같이 JMAT Pro 소프트웨어에서 산출되었다[19].

Fig. 4 Thermo-mechanical properties of AISI 1045[19]

3. 결과 및 고찰

3.1 적층 비드 생성 특성

Fig. 5 는 적층 실험 결과 도출된 각 적층 조건별 적층 비드 및 기저부의 열영향부 (heat affected zone : HAZ) 와 혼합층 (diluted region) 형상이다. 비드 및 열영향부와 혼합층 형상은 적층 방향으로 중간 지점에 위치한 단면에서 측정하였다. Fig. 5 (a) 와 같이 모재와 분말이 동일한 재료임에도 불구하고, 혼합층과 열영향부를 명확히 관찰 할 수 있었다. Fig. 5 와 같이 적층 실험으로 생성된 적층 비드의 형상은 양호하게 나타났으며, 적층부에 기공, 균열등의 결함은 거의 관찰되지 않았다.

Fig. 5 Effects of the power on the formation of bead, diluted region and HAZ

Figs. 5 및 6과 같이 레이저 출력이 증가하고 이송 속도가 감소할수록 적층 비드 폭 (Bw) 과 높이 (B_h) 가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이 현상은 이송 속도가 감소할수록 단위시간당 용융지에 공급되는 분말량이 증가하고 레이저 출력이 증가할수록 공급되는 분말을 더 많이 용융시킬 수 있어, 이 용융된 분말들의 응고 (solidification)에 의하여 적층 비드 폭과 높이가 증가하기 때문으로 사료된다. 이 연구에서 적용된 적층 조건 범위에서는 적층 비드 폭과 높이가 각각 1,197-1,994 μm 및 115-382 μm 범위로 나타났다.

레이저 출력이 증가할 때 적층 비드의 폭의 증가 량은 212-318 μm 범위이나, 적층 비드의 높이 증가량은 12-27 μm 범위다. 이 결과로부터 레이저 출력의 경우 적층 비드의 높이보다 폭의 변화에 기여도 높은 것을 알 수 있었다. 적층 실험 조건에서 레이저 이송 속도의 증가에 따라 적층 비드의 폭의 감소량은 466-579 μm 범위이고, 적층 비드의 높이의 감소량은 240-249 μm 범위이다. 이 결과를 이 연구에 적용된 적층 조건에 대한 적층 비드의 폭과 높이의 범위와 비교한 결과 적층 비드 폭보다 적층 비드 높이의 레이저 이송 속도에 대한 민감도가 더 높은 것을 알 수 있었다.

적층 조건들에 대한 적층 비드형상 변화를 고찰 하기 위하여 적층 비드의 형상비 (aspect ratio) 를 식 (4) 와 같이 정의하였다. Fig. 6 (c) 는 레이저 출력과 이송 속도에 따른 적층 비드의 형상비의 변화를 나타내었다. 이 연구에서 사용된 실험 조건 범위에서 제작된 적층 비드의 형상비는 0.09-0.21 범위로 나타났다. 일반적으로 DED 공정으로 제작된 단일층 적 층 비드의 형상비가 0.15 이상이다[20]. 적층 실험 결과로부터 레이저 이송 속도가 600-800 mm/min 일 경우에는 모든 레이저 출력에서 적층 비드 형상비 가 0.17 이상인 것을 알 수 있었다. 이송 속도가 1,000 mm/min 인 경우에는 레이저 출력이 800-900 W 범위일때 적층 비드 형상비가 약 0.15 정도로 나타났다. 그외의 적층 조건에서는 적층 비드 형상비가 모두 0.15 미만인 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 레이저 이송 속도 600-800 mm/min 에서는 800- 1,000 W 의 레이저 출력과 레이저 이송 속도 1,000 mm/min 에서는 800 W 의 레이저 출력에서 양호한 형상비를 가지는 적층 비드가 생성될 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 6 Effects of the power and the scan speed on the width, the height and the aspect ratio of the bead

\(\text { Aspect ratio }={ }^{B_{h}} / B_{w}\)       (4)

3.2 열영향부 (HAZ) 생성 특성

각 적층 조건에 대한 기저부에 형성되는 HAZ 를 관찰한 결과, Fig. 5 와 같이 모든 적층 조건에서 HAZ 인근에 결함이 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다. 이 연구의 적층 조건에서 HAZ 의 폭 (H_w) 과 깊이 (H_d) 는 Fig. 7 과 같이 각각 1,657- 2,610 μm 및 311-648 μm 범위로 나타났다. 또한, 레이저 출력이 증가함에 따라 HAZ 의 폭과 깊이는 각각 183-297 μm 및 67-102 μm 정도 증가하였다. 실험 조건내에서 레이저 이송 속도가 증가할 경우 HAZ 의 폭과 깊이는 656-770 μm 및 235-270 μm 정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 적층 실험 조건별로 도출된 HAZ 의 폭과 깊이를 고려할 때, HAZ 의 깊이가 폭보다 레이저 출력과 이송 속도 변화에 더 민감하게 변화하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 7 Effects of the power and the scan speed on the width and the depth of the HAZ

3.3 열원 효율 도출

Fig. 3 (a) 의 유한 요소 해석 모델을 이용하여 각 적층 조건에 대한 비정상 열전달 해석을 수행하였 다. 열원의 효율 (α) 을 0.3, 0.4 및 0.5 로 적용하여 비정상 열전달 해석을 수행하였다. 비정상 열전달 해석을 통하여 각 적층 조건들에 대한 열원 효율별 HAZ 의 폭과 깊이를 예측하였다. HAZ 의 폭과 깊 이는 정상 상태 (steady-state) 열전달 현상이 발생하는 적층부의 적층 방향 중간 지점에서 측정하였다. 해석 결과 도출된 적층부 인근의 온도 분포를 이용하여 AISI 1045 의 재결정 온도인 738℃ 이 되는 등 온선으로부터 HAZ 의 폭과 깊이를 도출하였다. 각 적층 조건에 대해 열원 효율별로 예측된 HAZ 의 폭과 깊이를 2차 함수를 기저 함수로 회귀 분석하여 열원 효율 0.3 과 0.5 사이의 해석 효율을 제외한 효율 값들에 대한 HAZ 폭과 깊이를 예측하였다. 식 (5) 및 (6) 을 이용하여 예측된 HAZ 의 폭과 깊 이 값들과 실험 값들간의 오차율을 산출하였다.

 \(E_{w}(\%)=\frac{H_{w, e}-H_{w, a}}{H_{w, e}} \times 100\)        (5)

여기서 H_w,e 와 H_w,a 각각 실험 결과 측정된 HAZ 폭과 예측된 HAZ 폭이다.

\(E_{d}(\%)=\frac{H_{d, e}-H_{d, a}}{H_{d, e}} \times 100\)       (6)

여기서 H_d,e 와 H_d,a 각각 실험 결과 측정된 HAZ 깊 이와 예측된 HAZ 깊이이다.

Figs. 8, 9 및 10 은 예측 결과와 실험 결과의 비교를 통하여 도출된 각 적층 조건별 열원 효율에 따른 HAZ 폭의 오차율 및 HAZ 깊이의 오차율 변화이다. Figs. 8, 9 및 10 과 같이 HAZ 의 폭과 깊이에 대한 오차율이 10 % 이하인 열원 효율을 각 적층 조건별 후보 열원 효율로 선정하였다. 이 후보 열원 효율들 중에서 HAZ 폭에 대한 오차율 (E_w) 와 깊이에 대한 오차율 (E_d) 의 합이 최소화되는 효율을 적정 효율로 도출하였다. Table 2는 각 적층 조건별로 도출된 적정 열원 효율들이다.

Fig. 8 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the width and the depth of HAZ

Fig. 9 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the HAZ width (P = 900 W

Fig. 10 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the HAZ depth (P = 1,000 W)

Table 2 Estimated efficiencies of heat flux

3.4 잔류 응력 특성

Figs. 11 과 12는 Table 2 의 적정 열원 효율을 적용한 열-기계 연계 해석 결과 도출된 적층 조건별 적층부 인근의 잔류 응력 분포이다. Fig. 11 과 같이 정상 상태 열전달 구간인 각 적층 비드의 적층 방향 중앙 단면에서 잔류 응력 분포는 도출하였다. Figs. 11 과 12는 탄성 회복과 냉각 공정이 완료된 후의 각 레이저 출력 및 이송 속도 조합별 적층부 주위의 최대 주응력 (1st principal stress) 분포들이다.

Fig. 11 1^st principal stress distribution in the specimen (P = 900 W and V = 2,000 mm/min)

Fig. 12 Effects of the scan speed and the power on the 1^st principal stress distribution

최대 잔류 응력 발생 지점을 포함하는 과도 잔류 응력 (excessive residual stress) 발생 영역은 Figs. 11 및 12 와 같이 적층부 아래 기저부에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 최대 잔류 응력 발생 지점은 기저부 최상면으로부터 깊이 방향으로 360-620 μm 범위에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 레이저 출력이 증가할수록 최대 응력 발생 위치는 깊어지며, 레이저 이송 속도가 증가할수록 최대 응력 발생 위치는 얇아지는 것을 알 수 있었다. 레이저 출력이 증가하고 이송 속도가 감소 할수록 시편의 기저부 내에 잔류 응력 발생 영역이 증가하는 것을 알 수 있었다. 적층부 인근의 잔류 응력 발생 특성을 고찰한 결과 레이저 이송 속도가 증가할수록 기저부 아래쪽 영역의 폭 방향 압축 응력 발생 영역은 감소하고 높이 방향 압축 응력 발생 영역이 기저부 상면 방향으로 상승하여, 적층부 아래의 과도 잔류 응력 발생 영역 이 레이저 이송 속도가 증가할수록 기저부 상면으로 이동하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 13 은 레이저 출력과 이송 속도에 따른 주응력 최대값들의 변화이다. 레이저 출력 조건에 관계없이 600 mm/min 의 이송 속도에서부터 레이저 이송 속도를 증가 시킬 때 잔류 응력이 감소하다가, 특정 이송 속도 이상이 되면 이송 속도 증가에 따라 잔류 응력이 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이 현상으로부터 각 레이저 출력에 따른 잔류 응력 발생 메커니즘이 변경되는 임계 이송 속도가 존재하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 13 Influence of the power and the scan speed on the maximum value of the 1^st principal stress

이 연구에서 적용된 레이저 출력과 이송 속도 조합에서 주응력 최대값들의 범위는 831-956 MPa 로 예측되었다. 또한, 레이저 출력이 800 W 이고 레이저 이송 속도가 800 mm/min 일때 적층부 주위에 가장 작은 크기의 잔류 응력이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이 조건에서 주응력의 최대값은 Fig. 13 과 같이 831.9 MPa 정도임을 알 수 있었다.

3.5 적정 적층 조건

3.1 절에서 도출된 적층 비드 형상비가 0.15 이상인 공정 조건 조합들 중에서 열-기계 연계 해석 결과 잔류 응력이 가장 적게 예측된 레이저 출력과 이송 속도 조합을 적정 적층 조건 (suitable deposition condition) 으로 선정하였다. 3.4 절에서 레이저 출력이 800 W 이고 이송 속도가 800 mm/min 일 때 최대 주응력의 최대값이 가장 작게 예측되었다. 적층 실험 결과 이 레이저 출력과 이송 속도 조합에서는 적층 비드 형상비가 0.19 산출 되었다. 이 결과들로 부터 레이저 출력이 800 W 이고 이송 속도가 800 mm/min 인 조건을 AISI 1045 기저부위에 AISI 1045 분말 적층 할 때의 적정 적층 조건으로 선정하였다.

적층 실험 결과로부터 적정 적층 조건에서 적층을 수행할 경우 폭과 높이가 각각 1,483 μm 및 288 μm 인 적층 비드가 생성되는 것을 알 수 있었다. 또한, 이 실험 조건으로 적층할 경우 HAZ 의 폭과 깊이 및 혼합층 깊이가 각각 2,151 μm, 496 μm 및 91 μm 정도로 나타남을 알 수 있었다.

4. 결론

이 연구에서는 기계 부품 재제조를 위해 DED 공정 조건이 적층부 형상 생성과 잔류 응력 발생에 미치는 영향에 대한 고찰을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

첫째, 단일 비드 적층 실험을 통하여 레이저 출력과 이송 속도에 따른 적층 비드 폭과 높이 변화를 고찰하였다. 이 연구에서 사용된 실험 조건에서 적층 비드 폭과 높이가 각각 1,197-1,994 m 및 115- 382 μm 범위인 대형 비드를 생성할 수 있음을 알 수 있었다. 형상비가 0.15 이상인 양호한 비드를 생성할 수 있는 레이저 출력과 이송 속도 조합을 도출할 수 있었다.

둘째, 적층 헤드의 레이저 출력과 이송 속도에 따른 HAZ 형상 변화를 실험적으로 분석하였다. 실험에 사용된 적층 조건에서는 폭과 깊이가 각각 1,657-2,610 μm 및 311-648 μm 범위인 HAZ 가 기저 부내에 생성되는 것을 알 수 있었다.

셋째, 실험 결과와 비정상 열전달 해석 결과를 HAZ 의 폭과 깊이 측면에서 비교하여, 각각의 오차율이 10 % 이하인 후보 적층 조건들을 산출하였다. 그 후, HAZ 폭과 깊이의 오차율 합이 최소화되는 적층 조건별 적정 열원 효율을 도출할 수 있었다.

넷째, 적층 조건들에 대한 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 공정 변수 조합에 따른 적층부 주위 의 잔류 응력 분포 변화를 고찰하였다. 최대 잔류 응력이 발생하는 위치는 적층부 아래의 기저부임을 알 수 있었다. 레이저 출력이 증가하고, 이송 속도가 감소할수록 기저부내의 잔류 응력 발생 영역이 감소하는 것을 알 수 있었다. 해석에 적용된 적층조건들중에서 레이저 출력과 이송 속도가 각각 800 W 와 800 mm/min 일 때 적층부 주위에 가장 적은 잔류 응력이 발생하는 것을 알 수 있었다.

다섯째, 적층 비드 형상비가 0.15 이상인 공정 조건 조합들 중에서 열-기계 연계 해석 결과 잔류 응력이 가장 적게 예측된 레이저 출력과 이송 속도 조합인 800 W 이고 800 mm/min 조건을 적정 적층 조건으로 선정할 수 있었다.

추후 기공 및 균열 등 결함이 발생하지 않는 적층 조건을 도출하기 위하여 다열 및 다층 적층 실 험등 추가적인 적층 실험을 수행할 예정이다. 또한 추가적인 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 경로 에 따른 잔류 응력 발생 특성 변화와 잔류 응력이 적층부 결함 생성에 미치는 영향에 대한 연구를 하고자 한다.

후기

본 연구는 2020 년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행 되었음. (No. 20206310200010)