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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 스테인리스 301L강의 이종두께 겹치기 용접에서 부분 용입이 피로수명에 영향을 미치는 공정 인자를 파악하고자 하였으며, 이를 위하여 용접 속도 및 갭 (gap) 크기를 주요 변수로 놓고 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 겹치기 용접부에 대한 항복하중은 선행 인장 전단시험 결과, 평균 5, 124N이 나왔고 편의상 5, 000N으로 결정하였으며 이에 대해 기본적으로 70, 50, 30, 25 및 22%의 하중 값을 준 뒤 파단 될 때까지의 피로 주기를 기록하였다. 또한 1x106까지 파단되지 않고 견디는 경우를 피로한도(fatigue limit)로 정의하였다.
- 본 실험에서는 STS 301L 강의 레이저 겹치기 용접에서 부분 용입 시 피로수명에 영향을 미치는 공정 인자를 파악하기 위해 용접 입열량 및 갭의 상태를 주요 변수로 놓고 인장 및 피로시험을 실시하여 그 결과를 비교 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에 사용된 인장전단 및 피로시험 장비는 최대 100KN의 용량을 갖는 유압식 만능재료시험기로 수행되었다. 인장전단 시험조건은 하중제어 방식으로 초당 65N의 하중을 적용하였으며, 시험 결과를 토대로 하중 -변위선도를 작성하였다.
- 2% 오프셋 항복강도(offset yield strength)를 구하였다. 실험은 각 용접조건 당 2세트씩 실시하였으며 실측 갭의 크기를 광학현미경으로 측정, 기록하였다.
- 하였으며, 1축 반복인장하중 형태로 적용하였다.응력비 (Load ratio)는 압축하중 없이 0부터 설정된 최대 하중 값(load level)까지 가하는 R=0 방식으로 하였다. 이때 그 주기는 20Hz로 하였으며, 5Hz 간격으로 시간, 횟수, 하중 및 변위량에 대한 결과를 얻었다.
- 4m/min로 나타났다. 이 세 가지 용접조건에 대해 각각 갭이 없는 상태와 갭이 0.1mm 존재하는 시편을 제작하였으며 각 조건에 대해 2세트씩 용접하였다.
- 5mm로 가공함). 이와 같은 이유로 피로시험에 앞서 항복하중을 선정하기 위한 선행실험으로 인장 전단시험이 수행되었으며, 각 조건별로 최대 인장 전단 하중 및 항복하중을 도출하였고, 용접변수에 따른 하중 값을 비교 분석하였다.
- 인장전단 시험조건은 하중제어 방식으로 초당 65N의 하중을 적용하였으며, 시험 결과를 토대로 하중 -변위선도를 작성하였다. 항복하중의 경우는 통상적으로 사용되는 방법인 0.
- 입열량 차이에 의해 형성되는 6-페라이트 함량 차이가 어느 정도의 취성구조를 가지고 있는지 확인하기 위하여 경도를 측정하였다. 경도는 비커스 경도계로 측정하였으며 적용하중을 lkgf로 설정하였다.
- 파단면 관찰을 위해 에칭을 하여 초기균열이 어느 위치(열영향부 또는 모재부)에서 시작되었는지 확인하였다. 파단면은 실체 현미경 및 광학현미경으로 각각 관찰하였으며 그 결과는 Fig.
- 피로 시험은 기본적으로 피로하중 값에 따라 2 세트씩 진행되었으며 각 로트(Lot.)에 대해 예측 수명의 오차가 심하게 나는 경우에 한해 추가적인 실험을 실시하였다. 실험 결과는 적용 흐}중에 따른 파단주기의 평균값으로 계산하여 Table 5에 나타내었으며 실험 오차범위 내에서 모든 피로하중에 따른 파단주기의 경향은 비슷하게 나타났다.
- 피로시험의 경우, 응력 제어식 피로하중 (stress controlled fatigue loading) 형태의 고사이클 피로시험을 하였으며, 1축 반복인장하중 형태로 적용하였다.응력비 (Load ratio)는 압축하중 없이 0부터 설정된 최대 하중 값(load level)까지 가하는 R=0 방식으로 하였다.
- 경도는 비커스 경도계로 측정하였으며 적용하중을 lkgf로 설정하였다. 하판(2.0t) 윗면 기준 0.2mm 아래 깊이에서 03mm 간격으로 측정하였으며 측정구간은 열영향부를 완전히 벗어날 때까지 충분히 긴 구간으로 범위를 설정하였다.
- 인장전단 시험조건은 하중제어 방식으로 초당 65N의 하중을 적용하였으며, 시험 결과를 토대로 하중 -변위선도를 작성하였다. 항복하중의 경우는 통상적으로 사용되는 방법인 0.2% 오프셋 항복강도(offset yield strength)를 구하였다. 실험은 각 용접조건 당 2세트씩 실시하였으며 실측 갭의 크기를 광학현미경으로 측정, 기록하였다.
대상 데이터
- 0t로 놓고 전자석 클램프로 고정하였다. 또한 갭의 유무에 따른 접합강도의 변화를 파악하기 위해 0.1mm 두께의 칩 (chip)을 용접선 좌우로 정렬하여 인위적으로 갭을 생성시켰으며, 실험에 사용된 STS 301L의 화학조성 및 기계적 성질은 Table 1 및 Table 2와 같다.
- 본 연구에 사용된 레이저 발진기는 빔 직경이 600/ffli, 초점거리 200mm인 HL3006D 3KW CW Nd:YAG 발진기로 본 실험에서는 발진기의 최대 효율을 사용하기 위해 최대 출력인 3kW로 고정하여 실험하였다. 레이저 헤드는 6축 로봇에 장착하여 사용하였으며 초점 위치는 재료 상부표면에 일치하도록 하였다.
- 실험에 사용한 스테인리스 301L 강판은 180 X 180 mm 사이즈로 상판 1.5t, 하판 2.0t로 놓고 전자석 클램프로 고정하였다. 또한 갭의 유무에 따른 접합강도의 변화를 파악하기 위해 0.
- 용접된 시편은 각 장당 인장시편 2개, 피로시편 3개 및 단면관찰을 위한 샘플 1개가 채취되었으며, 단면 분석 결과 실측 용입 깊이와 비드 폭은 Table 3과 같이 측정되었다. 인장 및 피로시험편은 Fig.
- 인장 및 피로시험편은 Fig. 1과 같이 KS B 0802 및 KS B 0851에 따라 제작하였으며 레이저용접부 윗면 비드에 대해서는 용접부 언더컷에 의한 노치 효과를 방지하기 위한 별다른 기계가공은 하지 않았다.
성능/효과
- 1) 인장-전단 시험 결과, 그 강도는 입열량의 증가에 비례하였으나, 갭의 유무는 인장강도에 별 영향을 미치지 않았다. 파단은 용접조건에 상관없이 용접부가 슬립 되는 형태로 파단 되었으며 이를 응력의 개념(단위면적당 받는 하중)으로 생각할 때 비드 폭에 전체적으로 작용되는 전단하중의 의한 파단이다.
- 2) 피로시험 결과, 저하중이 적용될수록 용입 깊이에 따른 피로 수명의 차이가 나며 임계하중은 피로한도를 lxl°6으로 정의할 때 약 l, 100N에서 그 수명을 만족하였다. 모든 피로시험편은 인장-전단 시험편과는 달리 용접부가 슬립되는 형태의 파단은 발생하지 않았다.
- 3) 피로수명은 용입 깊이(입열량)의 증가에 따라 향상되는 결과를 보이며, 갭이 존재하는 경우 노치 효과를 나타내어 피로수명을 현저히 저하시켰다. 이러한 경향은 저 하중에서 피로시험 시 그 정도가 심하였으므로 공정 상 철저한 이음부 관리가 무엇보다 요구된다.
- 4) 입열량이 높을수록 더 높은 피로강도를 나타내는 이유는 모재와 용접금속간의 안정된 조직 변태(6-페라이트 함량)로 인해 초기 균열 생성이 지연되었기 때문이다. 따라서 건전한 접합부를 얻기 위해서는 적절한 입 열 조건을 통해 6-페라이트 함량에 대한 제어가 요구된다.
- 2와 같다. Fig. 2는 각 용접 조건에 대해 최대 인장전단하중 및 항복하중의 변화를 나타낸 그래프인데, 항복하중의 경우 용접조건에 상관없이 평균 항복하중 5, 124N을 기준으로 거의 일정한 값을 나타내었으나, 인장전단하중의 경우 입열량이 적은 조건에서 하중이 비교적 약하게 나타났다. 또한 갭의 유무는 인장전단하중에 별 영향을 미치지 않았으며 STS 301L 모재의 항복하중과 겹치기 용접된 시편과는 그 결과에 대해 상관관계가 없었다.
- 5에 나타내었다. 두 그래프는 각각 갭이 없는 상태와 및 갭이 존재하는 시편에서 입열량에 따른 피로수명을 나타내는 그래프로서 동일한 하중 값에서 입열량에 따라 피로 수명은 적용하중 값이 작을수록 그 차이가 현저히 나타나는 것을 확인할 수 있으며 l, 250N의 피로하중 조건에서는 용입 깊이에 따라 최대 27% 정도의 수명 차이를나타냈다. Fig.
- 2는 각 용접 조건에 대해 최대 인장전단하중 및 항복하중의 변화를 나타낸 그래프인데, 항복하중의 경우 용접조건에 상관없이 평균 항복하중 5, 124N을 기준으로 거의 일정한 값을 나타내었으나, 인장전단하중의 경우 입열량이 적은 조건에서 하중이 비교적 약하게 나타났다. 또한 갭의 유무는 인장전단하중에 별 영향을 미치지 않았으며 STS 301L 모재의 항복하중과 겹치기 용접된 시편과는 그 결과에 대해 상관관계가 없었다. 그 이유는 겹치기 용접부에서 전단응력이 추가적으로 작용했기 때문으로 사료된다.
- 본 실험에 사용된 STS 301L 강의 경우 니켈당량이 9.5%, 크롬당량이 20%로서 쉐플러 선도를 통해 전체적으로 약 15%의 페라이트가 존재할 것으로 예측할 수 있다. 그러나 입열량 및 냉각속도에 민감한 페라이트의 함량 및 그 형상은 큰 폭으로 변할 수 있으므로, 화학조성만으로 예측되는 쉐플러 선도의 페라이트 함량은 실제 값과 차이가 나게 된다7-9).
- 6-페라이트는 FCC의 격자구조를 가지며 이는 Y-오스테나이트의 BCC 구조에 비해 강도가 높고 또한 취성의 성질을 갖게 되어 HAZ 부분에 집중된 6-페라이트 분포는 용접 후 가장 취약한 부위로 나타나게 되며모든 시험편에서 HAZ 라인에서 파단이 일어난 사실이 이러한 근거를 뒷받침한다. 본 실험에서는 HAZ부분의 6-페라이트 함량만을 정량적으로 측정하기는 어려웠으나 경도측정 및 기존에 발표된 결과들을 근거로7-9) 저입열로용접된 시편일수록 피로수명이 적게 나타나는 결과 또한 HAZ 부분의 페라이트 집중에 따른 강도저하 때문으로 판단할 수 있다.
- 시험 결과는 레이저 용접공정 변수 중 크게 용입 깊이(입 열량)와 갭의 유무에 따라 비교할 수 있는데, 일단 용입 깊이에 따른 피로한도에 대해 비교해 보면, 용입의 증가로 인해 향상된 피로수명을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있으며 이는 Fig. 4 및 Fig. 5에 나타내었다. 두 그래프는 각각 갭이 없는 상태와 및 갭이 존재하는 시편에서 입열량에 따른 피로수명을 나타내는 그래프로서 동일한 하중 값에서 입열량에 따라 피로 수명은 적용하중 값이 작을수록 그 차이가 현저히 나타나는 것을 확인할 수 있으며 l, 250N의 피로하중 조건에서는 용입 깊이에 따라 최대 27% 정도의 수명 차이를나타냈다.
- 6mm의 용입을 갖는 시편에서 갭의 유무에 따른 피로 수명 저하 정도를 나타내고 있는데, 용입 깊이 또는 적용 하중에 상관없이 갭의 존재는 피로수명을 현저히저하시키는 요인이 되는 것을 알 수 있다. 실제 시험 결과 갭이 없는 상태의 경우 겹치기 용접부 항복하중인 5, 000N의 약 22%인 l, 100N에서 피로한도에 도달하였으나 갭이 0.1mm 존재하는 경우 파단수명은 317, 376 cycle로 그 차이가 현저히 저하된 결과를 보더라도 이음부의 관리가 피로수명을 결정짓는 매우 중요한 인자가 될 것으로 판단된다. 이러한 결과는 갭이 피로 하중 적용 시 노치효과로 인해 국부적 응력집중 발생 정도가 갭이 없는 상태보다 더욱 심했기 때문으로 사료되며 인장전단시험 결과와는 반대로 갭의 존재유무가피로수명을 결정짓는 최대 공정 인자로 사료된다.
- 9는 각각 레이저 용접부에서의 경도변화를 나타낸 그래프인데 일반적인 용접 시편의 경도 측정 결과와 마찬가지로 HAZ 부분에서 최고 경도를 나타냈다. 최고경도 값은 용접 입열량이 적을수록 모재와의 경도 차이가 현저하게 나타났으며 용접조건에 따라 최대 30Hv 정도의 차이를 나타내었다.
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