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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 콘택트팁을 시중에서 구매하여 '실제 용접 상황에서 마모량을 측정하는 시험(실용접 마모시험)'을 수행하고, 시험결과를 의거하여 재질에 따른 수명의 차이를 규명하고, 이를 금속학적으로 해석하여 보고자 하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 팁의 수명을 미리 예측할 수 있는 가이드라인을 보다 명확히 제시하고자 하는 것이며, 이에 기초하여 콘택트팁의 규격을 재설정하고자 하는 것이다.
- 다음으로는 초기 경도가 일정 수준 이상'이 되어야 한다는 규정에 대한 평가이다. 이에 대한 당위성을 보기 위하여 본 연구에서 시험한 5가지 팁에 대하여 내마모성과 초기 경도 사이의 상관성을 검토하여 보았다. Fig.
- 이에 본 연구에서는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 콘택트팁을 시중에서 구매하여 '실제 용접 상황에서 마모량을 측정하는 시험(실용접 마모시험)'을 수행하고, 시험결과를 의거하여 재질에 따른 수명의 차이를 규명하고, 이를 금속학적으로 해석하여 보고자 하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 팁의 수명을 미리 예측할 수 있는 가이드라인을 보다 명확히 제시하고자 하는 것이며, 이에 기초하여 콘택트팁의 규격을 재설정하고자 하는 것이다.
제안 방법
- 0.25% 크롬동팁도 두 가지 경우에 대해서 용접 마모량 실험을 수행하였다. 하나는 구매(as-received)한 상태에서 아무런 처리도 하지 않은 0.
- 더구나 고온에서 인탈산동 팁(Ⅰ)과 유사한 조직 및 경도 변화를 보여 주었으므로 이를 가공경화형으로 분류하였던 것이다. 0.25%크롬 동팁(Ⅰ)을 석출경화형으로 만들기 위하여, 1030℃에서 30분간 용체화 열처리 (solution heat treatment)를 실시한 후, 수냉(water quenching) 을 하고, 이어서 500℃에서 시효열처리(aging heat treatment)를 실시하였다. 이렇게 재처리한 팁이 0.
- 다음에는 이렇게 향상된 경도가 용접 중에 유지 될 수 있는지를 확인하기 위하여 모의 열처리 시험을 수행하였다. 500℃에서 시효처리를 20분 및 30분 동안 실시한 각각의 시편에 대해 용접 중 가열 온도인 450℃에서 최대 8시간 동안 모의 열처리 시험을 실시하고, 열처리시간에 따른 경도변화를 측정하였다. 측정 결과를 Fig.
- GMA용접에서 콘택트팁의 마모정도를 용접시간에 따라 측정하고 측정된 결과를 팁의 재질에 따라 분류하고 금속학적 관점에서 고찰하여 보았다. 이에 다음과 같은 결론을 제시할 수 있었다.
- 6은 시효시간에 따른 경도변화를 보여주는 결과인데, 시효열처리 시간이 30분에 이르면 최고 경도(145Hv)가 되는 것을 알 수 있었다. 다음에는 이렇게 향상된 경도가 용접 중에 유지 될 수 있는지를 확인하기 위하여 모의 열처리 시험을 수행하였다. 500℃에서 시효처리를 20분 및 30분 동안 실시한 각각의 시편에 대해 용접 중 가열 온도인 450℃에서 최대 8시간 동안 모의 열처리 시험을 실시하고, 열처리시간에 따른 경도변화를 측정하였다.
- 이 결과에서 알 수 있듯이 출구측 구멍은 균일하게 마모되는 것이 아니고 특정 방향으로 편심되어 확장됨을 알 수 있다. 따라서 마모정도를 계량화함에 있어 직경 변화를 취하기에는 많은 문제점이 있을 것으로 판단되어, 본 연구에서는 마모량 (amount of wear, W)을 식(1)과 같이 구멍의 초기 면적 (Ao) 대비 용접 후 증가된 면적 (At-Ao)을 백분율로 표현하였다. 여기서 Ao는 용접전의 구멍면적이며, At는 t 시간 용접한 후에 마모된 구멍의 면적이다.
- 다른 하나는 이를 실험실에서 열처리(annealing and aging)하여 석출경 화형 팁으로 제조한 것이다. 열처리 과정을 보면, 1030℃에서 30분간 용체화 열처리(solution heat treatment)를 실시한 후 수냉 (water quenching)을 하고, 실제 용접 상황에서 가열되는 온도(450℃) 보다 다소 높은 500℃ 에서 시효 열처리 (aging heat treatment)를 실시하였다. Fig.
- 용접이 진행되는 동안 용접와이어는 콘택트팁 내면과 접촉된 상태에서 송급되는데, 접촉되는 위치는 Fig. 2와 같이 출구측 최 선단이라고 알려져 있다8) 결국 팁선단에서 마모량이 최대가 된다고 할 수 있는데, 이를 근거로 팁마모량은 팁선단에서 구멍이 확장되는 정도 를 측정하여 계량화 하고자 하였다. Fig.
- 그러나 이들의 변화를 가공경화형과 비교하여 보면 무시할 수 있을 정도로 적은 수치이다. 이들 중에서 실제 용접마모시험에 사용된 팁, 즉 0.25%크롬동팁(Ⅱ)는 30분 동안 시효처리한 것으로써 초기 경도를 최대로 한 것을 선택하였다. 따라서 0.
- 이렇게 분류하고자 하는 이유는 석출경화형 팁의 내마모성이 가공경화형에 비해 매우 우수할 것으로 예측되었기 때문이다. 이러한 예측을 확인하기 위하여 본 실험에서 얻은 마모량 시험결과를 450℃/1시간 열처리 후의 경도와 대응시켜 보았다. Fig.
- 용접모재는 400(R)xl000(L)xl5(mm(t)) 크기의 고강도 파이프을 사용하였으며, 파이프를 회전시키면서 파이프 표면에 비드-온플레이트(bead-on- plate) 용접을 장시간 실시할 수 있도록 하였다. 장시간 용접으로 인하여 파이프가 과열되는 것을 방지하기 위하여 파이프 내부 하단에는 항시 냉각수가 고여 있도록 하였으며, 파이프 회전속도(travel speed)는 50cm/min 으로 일정하게 하였다. 사용된 용접전원은 정격전류 600A급의 인버터제어형이었으며 , 용접조건은 Table 2와 같이 설정하여 모든 용접시험에서 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- 보호가스로는 98%Ar + 2%O2 혼합가스를 사용하였으며, 이는 용접시 스패터 발생을 최소화하여 노즐에 부착하는 스패터로 인한 용접 중단을 방지하고자 한 것이다.
- 장시간 용접으로 인하여 파이프가 과열되는 것을 방지하기 위하여 파이프 내부 하단에는 항시 냉각수가 고여 있도록 하였으며, 파이프 회전속도(travel speed)는 50cm/min 으로 일정하게 하였다. 사용된 용접전원은 정격전류 600A급의 인버터제어형이었으며 , 용접조건은 Table 2와 같이 설정하여 모든 용접시험에서 동일하게 적용하였다. 용접재료는 직경 1.
- 시험에 사용된 5가지 재질, 초기 미세조직과 경도는 Fig. 4와 Table 3과 같다. Fig.
- 1과 같이 자체 제작 한 것이다. 용접모재는 400(R)xl000(L)xl5(mm(t)) 크기의 고강도 파이프을 사용하였으며, 파이프를 회전시키면서 파이프 표면에 비드-온플레이트(bead-on- plate) 용접을 장시간 실시할 수 있도록 하였다. 장시간 용접으로 인하여 파이프가 과열되는 것을 방지하기 위하여 파이프 내부 하단에는 항시 냉각수가 고여 있도록 하였으며, 파이프 회전속도(travel speed)는 50cm/min 으로 일정하게 하였다.
- 사용된 용접전원은 정격전류 600A급의 인버터제어형이었으며 , 용접조건은 Table 2와 같이 설정하여 모든 용접시험에서 동일하게 적용하였다. 용접재료는 직경 1.2mm의 CO2용접용 와이어 (KS 및 JIS 규격: YGW11) 를 사용하였는데, 용접와이어의 소모로 인해 용접이 중단되는 상황을 배제하기 위하여 300kg급의 패일팩 (pail pack)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 일반시 중에서 구매된 인탈산동팁은 가공경화형으로서 내마모성이 우수하지 못하였다.
- 2) 크롬동계 팁은 적절한 시효처리 여부에 따라 가공경화형 또는 석출경화형으로 구분되는데, 이들은 450C/1시간 열처리한 후에 경도를 측정하면 구별할 수 있었다.
- 3) 가공경화형 팁은 극한 냉간압출로 상온경도를 향상시켜도 실제용접 시 1시간 후가 되면 가공경화의 효과가 소멸되어 내마모성이 저하하였다.
- 4) 석출경화형 팁은 고온에서 장시간 초기경도를 유지를 할 수 있어서 가공경화형팁 보다 내마모성이 우수 한 것으로 확인되었다.
- 이러한 예상을 반영이라고 하듯이, 2시간 이후에는 증가속도가 더욱 둔화되면서 거의 직선적으로 증가하고 있는데, 이후부터는 용접아크가 다소 불안해지기 시작하였다. 4시간에 이르면 마모량은 약 50%정도에 도달하는데, 이러한 상태에서는 용접 아크가 매우 불안해지고 와이어가 좌우로 심하게 흔들리면서 사행비드 (뱀이 기어가듯이 꾸불꾸불한 비드)가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 QuinrS등이 보고한 연구결 과와 유사하였다.
- 5) 450℃/l시간 열처리 후의 경도가 팁 선별기준으로서 보다 타당함을 실용접 마모시험 결과로부터 입증 할 수 있었다.
- 광학 현미경상 에서 관찰된 석출물들은 모두 공정반응에 의해 석출된 크롬석출물임을 이미 보고한바 있다2). 그리고 1%크롬동 의 시효처리 정도는 언더에이징 상태에 있는 것으로 확인 되었으며, 초기 경도는 151Hv로서 본 연구에 사용된 재료 중에서는 가장 높았다.
- 열처리 후의 경도가 70Hv 이하인 가공경화형은 내마모성이 불량하였으며, 열처리 후의 경도가 140Hv 이상인 석출경화형 팁은 우수한 내마모성을 보여주었다. 따라서 450℃에서 1시간 열처리 후의 경도는 석출경화형 팁과 가공경화형 팁을 구분하는 기준으로서 합당할 뿐만 아니라 콘택트팁의 내마모성을 평가할 수 있는 기준으로도 유용하게 활용할 수 있음을 입증하여 주었다.
- 11은 대응시킨 결과를 보여 주는 것인데, 여기서 확실히 알 수 있듯이 450℃/l 시간 열처리 후의 경도는 내마모성이 우수한 팁과 내마모성이 불량한 팁을 확실히 구분하여 주고 있다. 열처리 후의 경도가 70Hv 이하인 가공경화형은 내마모성이 불량하였으며, 열처리 후의 경도가 140Hv 이상인 석출경화형 팁은 우수한 내마모성을 보여주었다. 따라서 450℃에서 1시간 열처리 후의 경도는 석출경화형 팁과 가공경화형 팁을 구분하는 기준으로서 합당할 뿐만 아니라 콘택트팁의 내마모성을 평가할 수 있는 기준으로도 유용하게 활용할 수 있음을 입증하여 주었다.
- 5는 인탈산동팁(Ⅰ)과 인탈산동팁(Ⅱ)의 용접마 모량을 용접시간에 따라 계측한 결과이다. 이 결과에서 보듯이 인탈산동팁(Ⅰ)은 용접 초기에 마모량이 급격히 증가하여 1시간이 경과하면 약 40%의 마모량을 보여 주었다. 1시간 이후에는 증가 속도가 다소 둔화되면서 2시간에 이르면서 약 45%의 마모량을 보여주었다.
- 3의 (b)는 일정시간 용접한 후의 구멍의 형상 및 크기를 보여주는 예이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 출구측 구멍은 균일하게 마모되는 것이 아니고 특정 방향으로 편심되어 확장됨을 알 수 있다. 따라서 마모정도를 계량화함에 있어 직경 변화를 취하기에는 많은 문제점이 있을 것으로 판단되어, 본 연구에서는 마모량 (amount of wear, W)을 식(1)과 같이 구멍의 초기 면적 (Ao) 대비 용접 후 증가된 면적 (At-Ao)을 백분율로 표현하였다.
- 9는 1%크롬동팁에 대해 용접 마모량을 측정한 결과이다. 전체적으로 낮은 마모량과 완만한 그래프의 모양을 볼 수가 있는데, 4시간 연속용접 후의 마모량이 약 20%이내인 것을 알 수 있었다. 동일한 석출경화형 임에도 불구하고 0.
- 500℃에서 시효처리를 20분 및 30분 동안 실시한 각각의 시편에 대해 용접 중 가열 온도인 450℃에서 최대 8시간 동안 모의 열처리 시험을 실시하고, 열처리시간에 따른 경도변화를 측정하였다. 측정 결과를 Fig. 7에서 보여주고 있는데, 시효열처리 시간이 20분인 시편은 언더에이징 (underaging) 상태에 있었기 때문에 시간이 경과함에 따라 경도가 약간 상승하는 경향을 보였고, 30분 동안 시효처리하여 최대 경도에 도달한 팁은 약간 감소하는 경향을 보여주었다. 이러한 결과로부터 석출경화형 팁을 제조함에 있어 언더에이징 상태로 제조되면 용접 중에 경도가 다소 증가 하지만, 최적 상태로 시효처리 (full aging)된 팁은 용접 중에 오버에이징 (overaging)되면서 경도가 서서히 저하됨을 알 수 있다.
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