In this study, the formation mechanism of discontinuities in the laser fusion zone of diamond saw blade was investigated. $CO_2$ laser weldings were conducted along the butt between Fe base sintered tip and carbon steel shank with sets of variable welding parameters. The effect of heat input on irregular humps, outer cavity, inner cavity and bond strengh was evaluated. The optimum heat input to have a proper humps was in the range of 10.4~$17.6kJm_{-1}$. With increasing heat input, both outer and inner cavities were reduced. The outer cavity was caused by insufficient refill of keyhole, while inner cavity was caused by trapping of bubble in molten metal. The bubble came from sintered tip and intensive vaporization at bottom tip of the keyhole. A gas formation and low melting point element vaporization were not occurred during welding. We could not find any relationship between bond strength and amount of discontinuities. Because the fracture were occurred in not only sintered tip but also carbon steel shank due to hardness distributions.
최근 유럽의 완성차 업체에서 조립라인에 적용을 시작하고 있는 레이저 원격 용접기술은 저항 점용접에서의 문제점들을 동시에 해결하고 작업 시간을 획기적으로 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 용접공정으로 떠오르고 있다. 레이저 원격 용접기술은 레이저 빔을 용접부의 원거리에서 조사하여 용접하는 기술로서 레이저의 초점거리와 갈바노미터의 고속 이송를 이용한 최첨단 용접공정이다. 높은 생산성을 유지 하기 위하여 정확한 용접 컨트롤이 필요하지만, 레이저 용접의 경우 용접시 안전 문제로 육안으로 관찰하기가 힘들다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 모니터링이 필수적이다. 기존의 레이저 모니터링으로는 음향 센서를 이용하여 음향을 측정하는 방법이나 UV 센서, IR 센서 등의 빛을 이용한 방법이 많이 사용되어왔다. 하지만 이 방법들은 간접적인 방법들로 노이즈에 민감하고 또 설치가 까다로운 단점이 있었다. 본 연구에서는 CCD 카메라를 이용하여 시스템의 복잡함을 줄이고 더 정확하고 빠르게 용접 현상을 관찰하기 위하여 동축 모니터링 시스템을 이용하였으며, 이를 통해 Keyhole을 관찰하고 센서를 이용한 용접 변수(레이저 출력, 용접 속도 등)의 변화에 따른 용접 현상을 규명하였다.
The yield strengths of austenitic stainless steel have been approximately doubled by increasing the nitrogen content. But, the increasing the nitrogen cause of increase the pressure of metal vapor inside the keyhole in electron beam welding. During welding, eruptions of keyhole often occur that cause excessive spatter, concavity, and porocity in the weld zone. Additionally the fast evaporation of nitrogen content cause of decrease the strength of weld zone. Therefore in this paper, we investigated of the weldability of electron beam welding and the change of chemical content after welding for strengthened austenitic stainless steel, measured the deformation scale of both of electron beam and narrow gap TIG and the spike fluctuation in the root.
Three-dimensional transient simulation of laser-GMA hybrid welding involving multiple physical phenomena is conducted neglecting the interaction effect of laser and arc heat sources. To reproduce the bubble and pore formations in welding process, a new bubble model is suggested and added to the established laser and arc welding models comprehending VOF, Gaussian laser and arc heat source, recoil pressure, arc pressure, electromagnetic force, surface tension, multiple reflection and Fresnel reflection models. Based on the models mentioned above, simulations of laser-GMA hybrid butt welding are carried out and besides the molten pool flow, top and back bead formations could be observed. In addition, the laser induced keyhole formation and bubble generation duo to keyhole collapse are investigated. The bubbles are ejected from the molten pool through its top and bottom regions. However, some of those are entrapped by solid-liquid interface and remained as pores. Those bubbles and pores are intensively generated when the absorption of laser power is largely reduced and consequently the full penetration changes to the partial penetration.
In order to investigate the characteristics of the plasma induced by lap-joint CO$_2$ laser welding of automotive steel sheets, the effects of welding speed, shield gas flow rate, gap size, and laser beam defocus to plasma intensity emitted from keyhole have been investigated. The plasma light is measured by fiber and photodiode. Also, the plasma images were captured by the high speed digital camera in 1000frames/sec in order to correlate the plasma light signal with plasma pattern. From the results, it is observed that the difference of the plasma intensity for between the deep penetration and partial penetration exists from 1.2 to 2 times. The plasma light intensity decreased in case of the deep penetration Is observed due to the exhausting of the plasma gas under the sheet. On the other hand, under the conditions of the deep penetration, the plasma intensity is significantly increased by controling the conditions decreasing the penetration depth. It was specially founded that the effect of 0.3mm gap size at partial penetration condition is approximately similar to deep penetration in 0mm gap. It is concluded that the plasma intensity is able to evaluate the penetration depth in lap-joint welding and appears to offer the most straightforward correlation to the welding process.
In laser full penetration welding process, full penetration hole(FPH) is formed as a result of force balance between the vapor pressure and the surface tension of the surrounding molten metal. In this work, a three-dimensional numerical model based on a conserved-mass level-set method is developed to simulate the transport phenomena during laser full penetration welding process, including full penetration keyhole dynamics. Ray trancing model is applied to simulate multi-reflection phenomena in the keyhole wall. The ghost fluid method and continuum method are used to deal with liquid/vapor interface and solid/liquid interface. The effects of processing parameters including laser power and scanning speed on the resultant full penetration hole diameter, laser energy distribution and energy absorption efficiency are studied. The model is validated against experimental results. The diameter of full penetration hole calculated by the simulation model agrees well with the coaxial images captured during laser welding of thin stainless steel plates. Numerical simulation results show that increase of laser power and decrease of welding speed can enlarge the full penetration hole, which decreases laser energy efficiency.
본 논문에서는 알루미늄 레이저 용접에서 발생하는 플라즈마의 빛을 계측하여 용접공정을 모니터링할 수 있는 시스템을 개발하였다. 분광분석을 통해 용접 시 플라즈마의 파장대를 계측하고 이를 근거로 하여 모니터링 시스템에 적합한 포토다이오드를 선정하였다. 이를 다양한 용접 조건에 대하여 적용하였고, 센서 신호의 특성은 플라즈마의 강도와 안정성에 밀접하게 연관되어 있음을 신호의 평균값과 FFT분석을 통하여 알 수 있었다. 이러한 신호 변동의 원인은 플라즈마와 키홀의 거동과 용접 비드의 형상과도 밀접한 관계가 있음을 분석하였다.
Welding process of ultra thin stainless steel foil was investigated using a single mode Yb-fiber laser with a CW maximum output power 40W. In micro welding, critical power density for keyhole welding was 1 to 2 orders larger higher than in macro-welding due to larger thermal conduction, extremely high speed welding becomes possible.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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