[논문]경량화 쇽업소바 피스톤로드에 사용되는 SM45C/SM20C-Pipe의 마찰용접에 관한 연구

민병훈; 최수현; 강정식; 이형호; 민택기

경량화 쇽업소바 피스톤로드에 사용되는 SM45C/SM20C-Pipe의 마찰용접에 관한 연구
A Study on the Friction Welding of SM45C/SM20C-Pipe which Used in the Light Piston-Rod 원문보기

한국공작기계학회논문집 = Transactions of the Korean society of machine tool engineers, v.17 no.4, 2008년, pp.42 - 50

민병훈 (충남대학교 교육대학원) , 최수현 (충남대학교 교육대학원) , 강정식 (한국기계연구원) , 이형호 (태산 ENG) , 민택기 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Various researches to reduce weight of a vehicle are achieving. One of these researches is tendencious to manufacture the hollow piston rod using friction welding instead of solid one of the vehicle shock absorber. This study deals with the friction welding of SM45C to SM20C-pipe that is used normally in the vehicle shock absorber. The friction time was variable conditions under the conditions of spindle revolution of 2,000rpm, friction pressure of 55MPa, upset pressure of 75MPa, and upset time of 2.0seconds. Under these conditions, the microstructure of weld interface, tensile fracture surface and mechanical tests of friction weld were studied and so the results were as follows. When the friction time was l.5seconds under the conditions, the maximum tensile strength of the friction weld happened to be 837MPa, which is 113% of SM20C's tensile strength and 97% of SM45C's. The optimal welding conditions were n=2,000rpm, $P_1=55MPa$, $P_2=75MPa$, $t_1=1.5sec$, $t_2=2.0sec$ when the total upset length is 1.7mm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 이러한 기존 중실의 쇽업소버피스톤로드(conventional type)를 마찰압접과 파이프사용으로 중공화하여 경량화, 자동차 연비 개선, 원자재 절감, 물류비용 절감을 하기위한 목적으로 연구하였다.
본 연구에서는 기계적 성질이 우수하여 널리 쓰이는 SM45C 봉재와 값이 상대적으로 저렴하고 가벼운 SM20C 관재를마찰 용접하여 용접부에 대한 접합특성 및 신뢰성을 고찰하고자 하였고, 마찰압력과 시간을 주요 변수로 하여 용접 품의 변형과 접합시 사용되는 에너지를 최소화 하고 적절한 강도를 얻기 위하여 용접부에 대한 총 업셋량 변화, 인장강도, 굽힘강도, 경도시험, 현미경 조직분석 등을 실시하였다.

제안 방법

현미경 조직은 마찰시간(l1)을 l.Osec 조건으로 마찰 용접한 시험편의 모재부, 용접계면, 열영향부(HAZ)부를 현미경으로 1,000배 촬영하여 관찰하였다.
: 최대하중, Z : 지점간 거리, d : 시험편 직경

경도시험을 위하여 용접시험편의 축 단면을 절단하여 폴리코트(polycoat)로 마운팅한 시험편을 샌드페이퍼 #200~ #1500의 순으로 연마한 후 그라인딩 폴리셔 (model : 95-2810)에서 알루미나 파우다 1㎛, 0.5㎛의 분말을 증류수와 혼합하여 폴리싱 하였다. 용접부의 경도시험은 마이크로 비커스경도시험기 (model : MVK-H₁, Mitutoyo Co.
마찰용접부의 굽힘강도를 시험하기 위하여 Fig. 2와 같이지그(jig)에 펀치의 하중작용점이 용접계면에 위치하도록 시험편을 장착하고 크로스헤드(cross head)의 이송속도를 1mm/min로 설정하여 굽힘시험을 하였다. 굽힘강도는 다음
본 실험에 사용된 마찰용접기는 브레이크 타입(NSF-30H, 남선기공, revolution: 2,000rpm, maximum axial force:98, 000N)을 사용하였다. 마찰용접부의 기계적 시험을 위해최대 용량 50ton의 만능재료시험기(model: DYHU-50- AD, Dae Yeong)f- 사용하였으며, 경도시험은 마이크로 비커스경도시험기 (model: MVK-H₁, Mitutoyo Co., Jap)를 사용하였다. 조직검사는 광학현미경(model: Bi-12882, Uintron Co, U.
본 연구에서는 우수한 마찰용접강도와 최소의 치수 변화를 위해 최적의 마찰압력 R과 업셋압력 P2를 산출하여 다시 마찰 시간 ti을 0.2sec에서 1.2sec까지 0.2sec씩 증가시켜서,업셋길이 변화, 인장시험, 굽힘시험, 경도시험, 현미경 조직검사를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험조건에 명시된 바와 같이 최적 마찰압력 Pi과 최적 업셋 압력 P2를 얻기 위해 각각 Table 3, Table 4와 같은 용접조건으로 실험했으며, 위의 조건하에서 용접부의 강도를향상시킬 수 있는 시간규제법을 활용하여, 마찰시간을 변수로 Table 5와 같은 용접조건으로 본 실험을 실시하였으며그 결과를 Fig. 6, Fig. 8 및 Fig. 10에 각각 나타내었다. 또한 시편의 플래시 형상과 파단면을 Fig.
5㎛의 분말을 증류수와 혼합하여 폴리싱 하였다. 용접부의 경도시험은 마이크로 비커스경도시험기 (model : MVK-H₁, Mitutoyo Co., Jap)로 하였으며, 측정은 하중 500gf으로 용접계면의 중심에서 축 방향 및 반지름 방향으로 0.25mm의 일정한 등간격으로 측정하였다. 조직검사는 광학현미경(model : Bi-12882, Uintron Co, U.
, Jap)를 사용하였다. 조직검사는 광학현미경(model: Bi-12882, Uintron Co, U.S.A)을 이용하였다.
회전수는 척에 고정된 용접시험편이 스핀(spin)을 일으키지 않고 충분한 발열이 일어나는 2,000rpm으로 하고, 최적 마찰압력 Pi과 최적 업셋압력 P2를 얻기 위해 각각 Table 3, Table 4와 같은 용접조건으로 실험했으며 위의 조건하에서 용접부의 강도를 향상시킬 수 있는 시간규제법을 활용하여, 마찰시간을 변수로 하여 Table 5와 같은 용접조건으로 본 실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 마찰용접기는 브레이크 타입(NSF-30H, 남선기공, revolution: 2,000rpm, maximum axial force:98, 000N)을 사용하였다. 마찰용접부의 기계적 시험을 위해최대 용량 50ton의 만능재료시험기(model: DYHU-50- AD, Dae Yeong)f- 사용하였으며, 경도시험은 마이크로 비커스경도시험기 (model: MVK-H₁, Mitutoyo Co.
본 실험에 사용된 탄소강 SM45C 봉재와 내경 13mm SM20C 관재의 화학조성과 기계적 성질을 Table 1과 Table 2에서 각각 나타내었고 사용된 실험 재료는 모두 직경 22mm, 길이를 100mm로 선반 가공하였다. 마찰용접 직전에 용접면을 정밀하게 선삭 가공 하고 이물질 제거를 위해 아세톤으로 세척하였다.
인장실험은 Table 3, Table 4 및 Table 5와 같은 용접조건으로 시편을 제작하여 본 실험을 실시하였으며, 인장시험편은 Fig. 1과 같이 제작하였다.
25mm의 일정한 등간격으로 측정하였다. 조직검사는 광학현미경(model : Bi-12882, Uintron Co, U.S.A)을 이용하였으며 시험편 준비는 축 단면을 절단하여 채취한 시험편을 폴리코트(Ploycoat)로 마운팅한 다음 용접 단면을 샌드페이퍼로 #200~#1500순으로 1차 연마한 후 2차 연마재로 입경 0.5|im의 알루미나 파우더를증류수와 혼합하여 사용하였고, 그라인드 폴리셔(model : 95-2810)로 폴리싱하였다. 시험편의 부식은 나이탈(nital 3%)로 에칭액을 만들었으며, 시험편을 에칭액에 약 3sec 담근 후에 에칭액 제거를 위하여 흐르는 물에 세척하고 알코올로 최종 씻어내어 전기 드라이어로 다시 충분히 건조시켰다.

성능/효과

(1) 마찰압력 Re 40MPa일 때 모재강도 이하로 낮게 나왔으며 50M%일 때 가장 우수한 강도를 나타냈다. 업셋압력 P2는 70MJ&일 때 가장 우수한 강도와 최소의 치수변화를 나타냈다.
(2) 최대 인장강도는 마찰시간이 l.Osec 일 때이며, 인장강도는 837MPa이다.
(3) 굽힘실험 결과 최고의 굽힘강도는 마찰시간이 0.2sec일 때이며 굽힘강도는 l, 749MPa로 SM20C관재 굽힘 강도의 약 110%에 해당하는 값으로 나타났으며 0.8sec 이상의 조건에서는 굽힘강도가 급격히 줄어들었다. 또한 마찰 시간이 증가하면 굽힘의 정도가 줄어들며 취성파괴 형상을 나타냈다.
13는 인장시험과 동일한 조건에서 마찰용접한 시험편의 굽힘시험 결과를 보여주고 있다. 마찰시간이 증가하면 굽힘 강도는 점차 감소하는 경향을 보이고 있으며 1.2sec는모재의 굽힘강도와 비슷하고 그 외 모든 마찰시간에서 굽힘 강도는 모재보다 높게 나타났다.
위의 결과를 적용하고 시간규제법을 활용하여, 마찰 시간을 변수로 둔 실험결과 Fig. 10을 보면 인장강도는 마찰 시간이 증가함에 따라 증가하다 1.2sec에서 감소하는 경향을 나타내고 있다. 최고 인장강도는 마찰시간 t, 이 l.
이는 SM20C관재에 비해 113%에 해당하는 결과가 나타났다. 최저 업셋길이는 마찰시간이 0.2sec 일 때 1.2mm이며 마찰시간이 증가함에 따라선형적으로 증가됨을 알 수 있었다.

참고문헌 (8)

Vill, V. I., 1957, "Friction Welding of Metals," Svarochne Proizvodstvo, Vol. 3, No. 9, pp. 8-23
Lee, S. Y. and Yun, B. S., 2001, "Heat Transfer Analysis of Friction Welding of A2024 to SM45C," KSMTE, Vol. 10, No. 1, pp. 65-70
Jeong, H. S., 1997, "Fundamentals and Basic Application of Friction Welding," KWS, Vol. 15, No. 6, pp. 1-12
Spindler, D. E., 1994, "What Industrial Needs to Know about Friction Welding," Welding Journal, Vol. 73, Issue 3, pp. 37-42
Nicholas, E. D., 1977, "Where Industry Uses Friction Welding," Welding Design & Fabrication Magazine, Mar, pp. 74-76
Park, K. H., Min, T. K., Yoon, Y. J., and Park, C. S., 2006, "A Study on the Joint Properties accoding to the Friction Welding Area Change of Carbon Steel(SM45C)," KSMTE, Vol. 15, No. 1, pp. 102-107
Oh, S. K., Park, J. B., and Kong, Y. S., 1999, "A Study on Optimization of Friction Welding of Automobile Component Materials(SM40C) and Its Real Time Quality Evaluation by AE," KCORE, Vol. 13, No. 1, pp. 88-93
Park, K. H. and Min, T. K., 2007, "A Study on Mechanical Properties According to the Radius Change Position of Outer Circumference in A2024- T4 Friction Welding," KSMTE, Vol. 16, No. 3, pp. 109-116

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