Ti-6Al-4V합금의 GMAW를 이용한 금속적층 시 보호가스와 전류제어에 따른 적층부 형상 평가

Abstract

Ti합금은 저비중 대비 고강도, 부식환경에서 높은 내식성을 가지고 있어 발전 및 플랜트, 항공우주 부품에 적용이 가능하다. 하지만 합금의 높은 항복강도로 인하여 기존의 선삭, 밀링, 연삭과 같은 절삭 공법으로 소재의 가공이 어려움과 원소재의 가격으로 인해 때문에 제품 생산비가 높다는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 생산비 절감효과를 가지는 금속 3D 프린팅 기법의 적용이 주목 받고 있다. 금속 3D 프린팅은 기존의 선삭, 밀링, 연삭과 같은 절삭가공과 달리, 적층물을 한 층씩 쌓아3차원형상을 만들어 내는 제조공법이다. 형상학적 자유도가 높고 다품종 소량생산 시 금형제작 등과 관련한 생산비 절감이 가능하기 때문에, 시작품제작(Rapid prototype) 단계에서 주목을 받아왔고 최종부품 제작까지 사용범위가 점차 확대되고 있는 추세이다. 본 연구에서는 GMAW(Gas Metal Arc Welding)를 이용한 Ti-6Al-4V 합금의 금속적층에서 보호가스와 파형제어에 따라 적층비드 형성에 미치는 영향을 평가하였다. 첫째로 Ti-6Al-4V 합금의 적층을 통해 기초 실험을 수행하였으며 전류제어방식에 따른 적층부 형상을 평가하였다. 실험결과 전류의 제어방식에 따라 비드의 형상과 스패터로 인한 표면품질이 달라짐을 확인하였으며 고속촬영을 통하여 표면 산화막으로 인한 아크의 불안정성을 확인하였다. 둘째로 보호가스로 Ar을 사용한 Ti-6Al-4V 합금의 적층을 통하여 용접변수를 통한 적층부 형상을 평가하였다. 실험결과 일반적으로 비드의 퍼짐성의 저하가 관찰되었으며, 적층 중 고속촬영을 통하여 용융지의 산화막으로 인한 좁게 형성되는 아크의 음극점으로 인하여 아크형성의 불안정이 적층형상에 미치는 현상을 파악하였다 셋째로 앞서 언급된 조건에 대하여 Ar, He 보호가스의 변화를 통하여 적층후 적층부 형상을 평가하였다. He의 비율 증가를 통해 비드 퍼짐이 확인 되였으며 고속촬영을 통하여 He의 증가에 따라 음극점이 비드표면에서 모재방향으로 커지게 됨을 확인되었다.