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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 축 재료 등에 이용되는 S45C와 내마모성, 내피로성 등이 우수한 SCM440의 이종 금속 간의 최적 마찰용접 조건을 결정하기 위해 마찰용접 후 열처리 전의 상태에 대하여 마찰용접 변수인 회전수, 마찰압력, 업셋압력, 가열시간, 업셋시간 등의 상호작용에 의한 용접품질(특히 인장강도, 연성 등)과의 상관관계를 고찰하였으며, 또한 동일한 용접조건 하에서 마찰용접을 한 후 열처리를 시행하여 용접재(as-welded)와 후열처리재 (post-weld heat treatment,PWHT)의 강도 특성을 비교 검토하였다. 또한, 마찰용접 시 옴향방출시험을 병행하여, AE누적총량과 마찰용접의 변수, 특히 가열시간과 AE누적총량과의 상관성을 검토하였으며, 이종재 마찰용접에 있어 초옴파감쇠계수와 마찰용접변수와의 상관성에 대하여 용접재와 후열처리재를 각각 비교 검토하였다.
제안 방법
- 각종 동력전달용 축 재료 등에 사용되는 SCM440 과 S45C의 이종재 마찰용접을 수행하여, 용접재와후열처리재의 기계적 특성 및 비파괴 평가에 관하여 다옴과 같은 결론을 얻었다.
- 3에는 최적 마찰용접 조건에서 용접한 시험편의 경도와 이를 후열처리 한 시험편의 경도분포를 비교하여 나타내었다. 경도 측정은 좌우 0.5mm 간격으로 중심부와 원주부의 경도분포를 각각 조사하기 위해 3가지로 구분해서 조사하였다. 첫 번째는 시험편 직경(15mm)의 중심부(원주 끝에서 7.
- 경도시험은 마이크로 비이커스 경도시험기(Model : MVK-H1, Akashi)을 사용하였으며, 시험조건은 하중 1000g/10초의 0.5mm 등간격으로, 용접재와 후열처리재에 대한 경도분포를 3가지로 구분해서 비교 조사하였다.
- 이와 같이 결정한 이유는 타 문헌8,11)의 결과로부터 가장 적절한 것으로 나타나고 있기 때문에 이 값을 사용하였다. 그리고 2 차 실험에서는 가열 시간(t1)을 변화시켜 용접재와 후열처리재의 기계적 특성을 비교 조사하였다.
- 웨이브가이드에 부착한 변환기로부터 전달된 AE신호를 컴퓨터에 저장하여, 그 저장된 결과를 AE 누적총량의 형태로 표현하였다. 넓은 주파수범위의 스펙트럼을 커버하는 다양한 AE발생원으로부터 AE가 발생하기 때문에 100~300kHz 범위의 밴드 패스 필터 (band-pass flits)를 포함하는 고감도 센서용 증폭장치를 사용하여 저주파와 고주파의 소음(noise)을 제거하였으며 40dB로 증폭하여 측정된 AE신호가 시그널 케이블을 통과하여 장치에 원활이 전달되도록 하였다. 장치에 전달된 AE 신호는 신호처리를 위하여 주증폭기에서 다시 40dB로 증폭하여 전체 시스템 이득(gain)을 80dB로 설정하였다.
- 장치에 전달된 AE 신호는 신호처리를 위하여 주증폭기에서 다시 40dB로 증폭하여 전체 시스템 이득(gain)을 80dB로 설정하였다. 또 외부 소음을 제거하기 위하여 한계전압(threshold voltage)을 1.0V로 설정하여 이 이상의 진폭올 가지는 AE 펄스(pulse)만을 신호처리 하였다. 용접 시간에 대응한 AE 신호의 발생거동을 해석하기 위하여 용접시작부터 용접완료까지에 검출된 초기 AE 누적량을 고려하였다.
- CNC선반 가공 후 연삭가공 하였다. 또한 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직경 15mm)를 좌우 10mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다. 절단 시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 듬뿍 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱하였다.
- 수직탐상법으로 측정하였다. 또한 초음파의 산란 및 감쇠의 정밀한 측정을 위해서 탐촉자와 재료사이의 신호의 감소를 최대한 줄이기 위하여 접촉매질(couplent)을 사용하였으며, 표면의 조도를 개선하기 위해서 샌드페이퍼를 사용하여 측정 부위의 시험편 표면을 동일하게 연마하였다. 표준시험편은 KS B 0831에 규정된 STB-A1 사용하였고, 초음파의 발생과 수신을 위해서 Parametric사의 ∅10 주파수 5MHz인 탐촉자를 사용하였으며, USD-15 초옴파 탐상기를 사용하여 초음파 파라미터를 측정하였다.
- 마찰용접을 한 후 열처리를 시행하여 용접재(as-welded)와 후열처리재 (post-weld heat treatment,PWHT)의 강도 특성을 비교 검토하였다. 또한, 마찰용접 시 옴향방출시험을 병행하여, AE누적총량과 마찰용접의 변수, 특히 가열시간과 AE누적총량과의 상관성을 검토하였으며, 이종재 마찰용접에 있어 초옴파감쇠계수와 마찰용접변수와의 상관성에 대하여 용접재와 후열처리재를 각각 비교 검토하였다.
- 또한, 마찰용접 조건에 대한 초옴파 감쇠계수의 측정은 탐촉자 내의 압전재료에 적정 펄스전압을 가하여 진동(초옴파)를 만들고 그 진동이 시험편 배면에서 반사되어 오는 것을 압전재료가 전기적 신호로 바꾸어 CRT상으로 나타나게 하는 펄스 반사법 중에서 수직탐상법으로 측정하였다. 또한 초음파의 산란 및 감쇠의 정밀한 측정을 위해서 탐촉자와 재료사이의 신호의 감소를 최대한 줄이기 위하여 접촉매질(couplent)을 사용하였으며, 표면의 조도를 개선하기 위해서 샌드페이퍼를 사용하여 측정 부위의 시험편 표면을 동일하게 연마하였다.
- 또한, 마찰용접 후 용접부의 잔류옹력 제거를 위해 후열처리를 하였다. 후열처리 조건은 설정온도까지 20℃/min로 가열하였고, 780 ℃에서 4시간 유지 후, 노(furnace) 내에서 서냉하였다.
- 마찰용접시험에 사용된 마찰용접기(Model : TOHO TH-25)는 연속구동브레이크형이며, 인장시험기는만능시험기(Model:KDU-50)로서 인장속도는 2mm/min으로 각 모재와 용접재를 인장시험 하였다. 경도시험은 마이크로 비이커스 경도시험기(Model : MVK-H1, Akashi)을 사용하였으며, 시험조건은 하중 1000g/10초의 0.
- 등이다. 먼저 Table 3에서와 같이, 1차 실험에서 가열 압력(P1)과 업셋압력(P2)을 각각 60, 100(MPa)로 결정하였다. 이와 같이 결정한 이유는 타 문헌8,11)의 결과로부터 가장 적절한 것으로 나타나고 있기 때문에 이 값을 사용하였다.
- 따라서 표면에서 반사된 음파가 화면상에서 가장 왼쪽에 표시되고, 그 다음엔 표면에서 다시 반사가 일어나 시험편 내부를 한번 더 왕복한 파가 순서대로 표시된다. 본 실험에서는 초옴파의 전파특성 상 근거리 음장에서는 감쇠의 효과가 없고, 음압의 변화가 심하기 때문에 신호의 크기에 의존하는 옴파의 분석이 일정하지 않으므로, 이 영역에서의 검사는 가능하면 피하기 위해서 두 번째와 세 번째 신호의 크기를 비교하여 감쇠계수를 측정하였다.
- 0V로 설정하여 이 이상의 진폭올 가지는 AE 펄스(pulse)만을 신호처리 하였다. 용접 시간에 대응한 AE 신호의 발생거동을 해석하기 위하여 용접시작부터 용접완료까지에 검출된 초기 AE 누적량을 고려하였다.
- 부착하였다. 웨이브가이드에 부착한 변환기로부터 전달된 AE신호를 컴퓨터에 저장하여, 그 저장된 결과를 AE 누적총량의 형태로 표현하였다. 넓은 주파수범위의 스펙트럼을 커버하는 다양한 AE발생원으로부터 AE가 발생하기 때문에 100~300kHz 범위의 밴드 패스 필터 (band-pass flits)를 포함하는 고감도 센서용 증폭장치를 사용하여 저주파와 고주파의 소음(noise)을 제거하였으며 40dB로 증폭하여 측정된 AE신호가 시그널 케이블을 통과하여 장치에 원활이 전달되도록 하였다.
- 또한 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직경 15mm)를 좌우 10mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다. 절단 시 열영향을 최소화하기 위하여 절삭유를 듬뿍 적용하였고, 마운팅 후 폴리싱하였다.
- 5mm 간격으로 중심부와 원주부의 경도분포를 각각 조사하기 위해 3가지로 구분해서 조사하였다. 첫 번째는 시험편 직경(15mm)의 중심부(원주 끝에서 7.5mm), 두 번째는 중심부에서 2.5mm인 지점, 세 번째는 중심부에서 5mm인 지점으로 구분하여 조사하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 마찰용접 실험재료는 S45C와 SCM440 강재에 대한 강도와 인성, 내마모성에 중점 을 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 일반 기계, 자동차, 선박용, 항공기 등의 축류, 기어류, 냉간 단조품, 볼트류 등에 많이 이용된다.
- 본 연구에 사용된 마찰용접의 변수로는 회전수 가열압력(P1), 업셋압력(P2), 가열시간(t1), 업셋 시간(t2) 등이다. 먼저 Table 3에서와 같이, 1차 실험에서 가열 압력(P1)과 업셋압력(P2)을 각각 60, 100(MPa)로 결정하였다.
- 또한 초음파의 산란 및 감쇠의 정밀한 측정을 위해서 탐촉자와 재료사이의 신호의 감소를 최대한 줄이기 위하여 접촉매질(couplent)을 사용하였으며, 표면의 조도를 개선하기 위해서 샌드페이퍼를 사용하여 측정 부위의 시험편 표면을 동일하게 연마하였다. 표준시험편은 KS B 0831에 규정된 STB-A1 사용하였고, 초음파의 발생과 수신을 위해서 Parametric사의 ∅10 주파수 5MHz인 탐촉자를 사용하였으며, USD-15 초옴파 탐상기를 사용하여 초음파 파라미터를 측정하였다. 초음파가 탐촉자로부터 시험편에 수직으로 입사하게 되면 시험편의 표면, 배면에서 반사가 일어난다.
이론/모형
- 마찰용접 시험편의 강도를 알기 위한 인장 시험편의 형상 및 치수로서 KS규격(KS B0801 14A)에 따라 CNC선반 가공 후 연삭가공 하였다. 또한 경도 및 조직을 조사하기 위해 마찰용접한 후 용접부(직경 15mm)를 좌우 10mm로 절단하였고, 중심부를 따라서 절단(wire cutting)하였다.
성능/효과
- 1) 용접재에 비해 후열처리재의 연성치가 두 배 이상 높았고, 모든 용접조건에서 거의 일정한 경향의 강도와 연성치가 나타났다.
- 2) 마찰용접재의 용접계면의 경도는 두 재료의 모재에 비해 높게 나타났고, 후열처리재를 시행하여용접재에서 나타나는 피크치의 경도값(587Hv)이 모재의 경도치 이하로 완화되었다. 이는 용접 시 발생한 잔류응력 이후 열처리를 통하여 완화되었음을 확인하였다.
- 3) AE 누적총량과 가열시간과의 관계는 확실한 상관성이 보이지 않았으나, 가열시간 4초인 경우의 AE 누적총량이 30,000 카운트 정도로 낮게 나타났다.
- 4) 초음파 감쇠계수와 가열시간과의 관계는 확실한 상관성이 보이지 않았으나, 가열시간이 증가하면 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다.
- 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 lOOMPa 이상 낮게 나타났다.
- 이는 모재의 인장강도에 비해 높게 나타나므로 문제가 되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 마찰용 접시 건전한 접합(인장강도만을 중심으로)이 되는 최적조건의 범위는 비교적 넓었고, 비교적 모든 조건의 결과가 실험적으로 우수하였다.
- 단면수축율 약 52%로 모재 (S45C)보다 높게 나타남올 알 수 있으며, 모든 용접조건에서거의 비슷한 경향 올 보이고 있다. 따라서 마찰용접후 열처리 시 용접품질(인장강도, 연성)과 관련 있는 최적조건의 범위는 넓어졌고, 용접재에 비해 후열처리재의 기계적 성질이 모든 조건의 결과에서 실험적으로 우수하였다.
- 이는 국부가열과 마찰압접 시 인장강도가 높은 SCM440의 이종재 간 접합성에 따른 특성이라 생각된다. 따라서 용접후 열처리를 시행하여 경도분포를 조사한 결과, 그림에서와 같이 용접부의 피크치가 모재의 경도치 이하로 완화됨을 알 수 있다. 이는 용접 시에 발생한 잔류응력이 후열처리를 통하여 완전히 제거됨을 의미한다.
- 그림에서와 같이 후열처리재의 연신율과 단면수축율은 용접재에 비해 거의 두 배 이상 높게 나타났다. 용접재의 결과를 보면, 연신율은 약 7%로 거의 일정한 경향을 보이고 있고, 단면수축율도 약 19%로 일정하지만 4초에서 33.4%로 높게 나타나고 있다. 이는 S45C 모재의 연신율(16%), 단면수축율(42.
- 용접재의 경도분포 그래프를 보면, 모재의 경도는SCM440이 270Hv으로 S45C의 238Hv보다 다소 높은 편이며, 이들 재료의 용접계면(weld interface, MI)의 경도는 430Hv로서 두 재료의 모재보다 아주 높게 나타났다. 그리고 SCM440측 열영향부에서 최고의 경도값(587Hv)올 나타내고 있다.
- 결과를 보였다. 즉, 가열시간과 초음파 감쇠계수와의 관계에는 확실한 상관성이 보이지 않았으나 후열처리재의 경우에도 감쇠계수는 가열시간의 증가와 더불어 감소하다가 증가하는 경향 올 보이고 있으며, 이 경우는 가열시간이 3초에서 가장 낮은값을 보였다. 한편, 마찰가열시간 4초인 경우에 있어서 용접재와 후열처리재의 초음파 감쇠계수는 각각 51.
후속연구
- 4는 SCM440과 S45C의 이종 마찰용접에 의한 각각의 마찰용접 가열시간(heating time)에 따한 AE누적총량을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 마찰 가열시간과 AE누적총량과의 관계에는 확실한 상관성이 보이지 않았으나 전체적인 경향으로 볼때 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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