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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 각종 축 재료 등에 적용되는 S45C와 내마모성 내 피로성 등이 우수한 SCM440의 이종 금속간의 최적 마찰용접 조건을결정하기 위해, 마찰용접 변수인 회전수, 마찰압력, 업셋압력, 가열시간, 업셋시간 등의 상호작용에 의한 용접품질(특히 인장강도, 연성 등)과의상관관계를 고찰하고자 하며, 또한 마찰용집 후열처리를 시행하여, 용접재(as-welded)와 후열처리재 (post-weld heat treatment, PWHT)의 강도특성을 비교검토 하고자 한다.
제안 방법
- (1) SCM440과 S45C의 이음부 강도가 모재보다양호한 이종재 용접이 가능함을 알 수 있었고, 모든 용접조건에서 용접부의 이음효율이 100% 이상 되었으며, 용접재의 강도 및 인성을 고려한 최적 마찰용접조건은 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 7은 최적 마찰용접 조건에서 용접한 시험편의 경도와 이를 후열처리 한 경도분포를 비교하여 나타내었다. 경도 측정은 좌우 0.5mm 간격으로 중심부와 원주부의 경도분포를 각각 조사하기 위해 3가지로 구분해서 조사하였다. 첫 번째는 시험편직경(15mm)의 중심부(원주끝에서 7.
- 그리고 용접재의 인장강도시험에 사용된 시험기는 만능시험기 (Model : KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도시험기 (Model : MVK-H1, Akashi) 를 사용하였으며, 시험조건은 하중 1000g/10초의 0.5mm 등간격으로 좌우 각 8mm 까지 측정하였고, 용접재와 후열처리재에 대한 경도분포를 3가지로 구분해서 비교 조사하였다. 또한 경도분포에 따른 현미경 조직은 2%의 나이탈 (nital) 용액으로 에칭 (etching)하여, 두 이종재의 용접 계면(W.
- 먼저 참고문헌筋을 통하여 Table 3의 조건으로 마찰용접 후 가열압력과 업셋압력의 최적조건을 결정하였다. 그리고 압력조건을기준으로 하여, 가열시간의 변화에 따른 상관관계와 총업셋량(Ut)의 변화를 조사하였다.
- 040mm이다. 그리고 용접재의 인장강도시험에 사용된 시험기는 만능시험기 (Model : KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다. 경도시험은 마이크로 비커스 경도시험기 (Model : MVK-H1, Akashi) 를 사용하였으며, 시험조건은 하중 1000g/10초의 0.
- 또한 이 결 과치는 타 문헌侦9)의 결과와도 일치 한다. 따라서 1단계 압력변화의 최 적조건은 R과 R를 각 60, 100(MPa)으로 결정하였고, 2차 실험에서는 Table 3(Case 2)과 같이 가열시간仏)을 변화시켜, 용접재와 후열처리재의 강도특성의 결과를 각각 비교 고찰하였다.
- 1에 나타낸 바와 같은 형상과 치수로 가공하였고, 이들 시험편의 강도특성을 실험하기 위한 인장 시험편의 형상 및 치수로서 KS규격(KS B0801 14A)에 따라 CNC선반 가공 후 연삭가공 하였다. 또한 경도분포 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직 경 15mm)를 용접계 면으로부터 좌우 15mm 절단하였고, 축방향의 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다. 절단 시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱 하였다.
- 5mm 등간격으로 좌우 각 8mm 까지 측정하였고, 용접재와 후열처리재에 대한 경도분포를 3가지로 구분해서 비교 조사하였다. 또한 경도분포에 따른 현미경 조직은 2%의 나이탈 (nital) 용액으로 에칭 (etching)하여, 두 이종재의 용접 계면(W.I), 열영향부(H.A.Z) 및 모재 부(B.M)로 각각 200배로 관찰하였다.
- 또한, 마찰용접 후 용접부의 잔류응력을 제거하기 위하여 후열처리(post-weld heat treatment, PWHT)를 시행하였으며. 후열처리 조건은 기계구조용 탄소강재(S45C)의 열처리 기준으로 설정온도 780℃까지 20℃/min으로 가열하였고, 4시간 유지 후, 노(fornace)에서 서 냉하였다.
- 마찰용접을 위한 시험편은 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 형상과 치수로 가공하였고, 이들 시험편의 강도특성을 실험하기 위한 인장 시험편의 형상 및 치수로서 KS규격(KS B0801 14A)에 따라 CNC선반 가공 후 연삭가공 하였다. 또한 경도분포 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직 경 15mm)를 용접계 면으로부터 좌우 15mm 절단하였고, 축방향의 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다.
- 8은 최적조건에서 마찰용접을 시행하여 후열처리한 시험편의 현미경 조직을 나타내고 있다. 먼저 2%의 나이탈(nital) 용액으로 에칭(etching)하여 , 두 이 종재의 용접계 면(W.I), 열영 향부(HAZ) 및 모재 부(B.M)로 각각 200배로 확대 관찰하였다.
- 또한 경도분포 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직 경 15mm)를 용접계 면으로부터 좌우 15mm 절단하였고, 축방향의 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다. 절단 시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱 하였다.
- 5mm 간격으로 중심부와 원주부의 경도분포를 각각 조사하기 위해 3가지로 구분해서 조사하였다. 첫 번째는 시험편직경(15mm)의 중심부(원주끝에서 7.5mm), 두 번째는 중심부에서 2.5mm인 지점, 세 번째는 중심부에서 5mm인 지점으로 구분하여 조사하였다.
대상 데이터
- 마찰용접시험에 사용된 마찰용접기 (Model: TOHO TH-25)는 연속구동브레이크형 (continuous drive brake type)이며, 용량은 척에 장착할 수 있는 최대 재료치수로서 회전척은 025mm이고 고정 척은 040mm이다. 그리고 용접재의 인장강도시험에 사용된 시험기는 만능시험기 (Model : KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다.
- 본 연구에 사용된 마찰용접 실험재료는 S45C 와 SCM440 강재에 대한 강도와 연성에 중점을 두었으며, 국내 P사의 제품이다. 기계구조용 탄소 강재(S45C)는 각종 기계부품에 다양하게 사용되는 재료이며, Cr-Mo강재(SCM440)는 내열성, 내마모성, 고온강도 등이 우수하며, 주된 용도는 일반기겨】, 자동차, 선박용, 항공기 등의 축류, 기 어 류, 냉간단조품, 볼트류 등에 많이 이용된다.
성능/효과
- (2) 가열시간과 업셋량은 선형적인 상관관계임을 알 수 있었고, 이는 마찰용접과정에서의 업셋길이를 조절하여 용접제품의 길이치수 정밀도 등을 요구할 경우에 효율적인 방법이라고 판단된다.
- (3) 용접재에 비해 후열처리재의 연성치가 두배 이상 높았고, 후열처리를 시행하여 경도분포를 조사한 결과, 용접부의 피크치가 모재의 경도치 이하로 완화됨으로써 용접 시 발생한 잔류응력이 후열처리를 통하여 완전히 제거되었음을 확인하였다.
- (4) 최적마찰용접 조건에서 후열처리재의 미세조직을 관찰한 결과는 두 이종재가 강렬히 혼합하여 용융물이나 입자성장이 없는 미세입자의 혼합조직을 이룬 조직상으로 아주 양호한 상태임을 알 수 있었다.
- 결과적으로 전 용접부는 두 이종재가 강렬히혼합하여 용융물이나 입자성장이 없는 미세입자의 혼합조직을 이룬 조직상으로 아주 양호한 상태임을 알 수 있다.
- 3은 마찰용접에서 업셋량(用, U2, "t)과 가 열 시간 G)의 상관관계를 나타낸다. 그래프에서 알 수 있듯이, 가열시간이 증가할수록 각 업셋량이선형적으로 증가함을 알 수 있다. 여기서 가열 시간이 4초일 때, 두 번의 실험결과의 총업셋량은 5.
- 그림에서 알 수 있듯이 용접재의 경우, S45C 모재의 인장강도 (749 MPa)에 비해 모든 조건에서 높게 나타났고, 또한 후열처리재의 경우에서도, S45C 모재의 인장강도(658MPa)에 비해 모든 조건에서 높게 나타났다. 그리고 용접재와 후열처리재의 인장강도는 비슷한 경향으로 나타났으며, 용접재에 비해 후열처리재의 인장강도가 약 lOOMPa이상 낮게 나타났다.
- 이는 모재의 인장강도에 비해높게 나타나므로 문제가 되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 마찰용접 시 건전한 접합(인장강도만을 중심으로)이 되는 최적조건의 범위는 비교적 넓었고, 비교적 모든 조건의 결과가 실험적으로 우수하였다.
- 연신율 약 19(%), 단면수축률 약 52(%)로 모재보다 높게 나타남을 알 수 있으며, 모든 용접조건에서 거의비슷한 경향을 보이고 있다. 따라서 마찰용접 후열처리 시 용접품질(인장강도, 인성)이 되는 최적조건의 범위는 넓었고, 용접재에 비해 모든 조건의 결과가 실험적으로 우수하였다.
- 이는 국부가열과 마찰압접 시 인장강도가 높은 SCM440의 이종재간 접합성에 따른 특성이라 생각된다. 따라서 용접후열처리를 시행하여경도분포를 조사한 결과, 그림에서와 같이 용접부의 피크치가 모재의 경도치 이하로 완화됨을알 수 있다. 이는 용접 시에 발생한 잔류응력이후열처리를 시행하여 완전히 제거되었음을 의미한다.
- 또한 용접재의 결과를 보면, 연신율은 약 7(%) 로 거의 비슷한 경향을 보이고 있고, 단면수축률도 약 19(%)로 비슷하지만 4초에서 33.4(%)로 높게 나타나고 있다. 이는 모재(S45C)의 연신율(1 6%), 단면수축률(42.
- 6은 용접재와 후열처리재의 가열시간과 연성(연신율, 단면수축률)과의 관계를 나타낸다. 용접재의 결과에서 특이한 사항은 가열시간 1초에서 인성적 측면은 가장 낮게 나타났지만, 강도적인 측면은 비교적 높게 나타났다. 또한 타 조건에서는 S45C측 모재에서 파단 되었으며, 파단양상은 일반적인 컵 앤 콘(cup and cone) 형태의 연성파단 양상으로 나타났다.
- 후열처리재의 연신율과 단면수축률은 용접 재에비해 거의 두 배 이상 높게 나타났다. 연신율 약 19(%), 단면수축률 약 52(%)로 모재보다 높게 나타남을 알 수 있으며, 모든 용접조건에서 거의비슷한 경향을 보이고 있다.
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