[논문]레이저-아크 하이브리드 용접을 이용한 SS400의 맞대기 용접 특성

김종도; 명기훈; 박인덕

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.7.667

레이저-아크 하이브리드 용접을 이용한 SS400의 맞대기 용접 특성
Butt Weldability for SS400 Using Laser-Arc Hybrid Welding 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.7, 2016년, pp.667 - 672

김종도 (한국해양대학교 대학원 기관공학과) , 명기훈 (한국해양대학교 기관공학부) , 박인덕 (한국기계연구원 부산레이저 기술지원센터)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 SS400에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접을 이용하여 맞대기 용접을 실시하였다. 맞대기 용접시 입열에 직접적으로 영향을 미치는 레이저 출력, 용접 전류 및 속도를 변화시켜 실험을 실시하였다. 이를 통해, 결함 없이 원 패스 관통 용접이 이루어지고, 미려한 비드가 형성되는 최적의 맞대기 용접 조건을 도출하였다. 용접부의 기계적 및 조직적 특성을 파악하기 위해 레이저 및 아크 영역에 대해 경도측정 및 미세조직 관찰을 실시하였다. 또한 모재와 용접 시험편의 강도를 비교하기 위해 인장강도 실험을 실시하였으며, 결과적으로 두 시험편의 인장강도 값은 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents results of an experimental investigation of the laser-arc, hybrid, butt welding process of SS400 structural steel. Welding parameters including laser power, welding current and speed were varied in order to obtain one-pass, full-penetration welds without defects. The conditions that resulted in optimal beads were identified. After welding, hardness measurements and microstructure observations were carried out in order to study weld properties. The mechanical properties of both the base material and welded specimen were compared based on the results of tensile strength measurements. The yield and tensile strengths were found to be similar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 레이저-아크 하이브리드 용접을 이용한 SS400강재의 맞대기 용접을 실시하여 용접특성을 조사하였으며, 용접부의 조직적, 기계적 특성을 파악하였다.
1에 나타낸다. 맞대기 용접시에는 맞대기 면을 밀링처리하여 갭(gap)의 영향을 최소화함으로써 형상인자가 용접에 미치는 영향을 배제하고자 하였다. 또한 용접부의 기계적 성질을 파악하기 위하여 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 용접부 경도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 인장강도 시험을 통하여 모재와 용접 시험편의 강도를 비교하였다.

제안 방법

경도는 맞대기 용접 시험편에 대하여 아크영역의 중심과 레이저 영역의 중심에서 횡 방향으로 200μm의 간격을 두고 측정하였다.
또한 용접부의 기계적 성질을 파악하기 위하여 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 용접부 경도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, 인장강도 시험을 통하여 모재와 용접 시험편의 강도를 비교하였다.
6kW의 CW 디스크 레이저와 펄스 파형의 MIG를 사용하였다. 실험은 비초점 거리(f_d) -3mm, 레이저-아크간 거리(D_LA) 3mm, 전면 실드가스 유량(G_s) 80% Ar + 20% CO₂ 20 l/min, 이면 실드가스 유량(G_sb) Ar 15 l/min의 조건에서 전류 및 속도를 변화시켜 맞대기 용접을 실시하였으며, 용접시의 상황과 모식도를 Fig. 1에 나타낸다. 맞대기 용접시에는 맞대기 면을 밀링처리하여 갭(gap)의 영향을 최소화함으로써 형상인자가 용접에 미치는 영향을 배제하고자 하였다.
용접부의 강도를 평가하기 위해 최적의 조건으로 맞대기 용접된 시험편에 대해 인장시험을 실시하였다. Fig.

대상 데이터

7은 광학 현미경을 이용하여 용접부를 각 영역별로 관찰한 미세조직을 나타낸다. 모재는대부분 페라이트로 구성되어 있으며 소량의 펄라이트 조직이 존재하였다. 아크 영역과 레이저 영역의 용융부에서는 열영향부와 용융부의 경계면으로부터 성장한 덴드라이트 조직을 관찰할 수 있었으며, 아크 영역에서의 덴드라이트가 레이저영역보다 더욱 성장한 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에 사용된 재료는 일반 구조용 압연 강재인 SS400이다. 실험은 실제 조선용 강판 AH36의 적용을 목적으로 SS400을 사용하여 실시되었으며, SS400은 용접성과 가공성 및 경제성 등으로 인해 주요부품을 제외한 건축용 자재, 자동차용, 선박용, 해양 구조물, 건축 교량용과 같은 기계 및 구조물의 보조 부재로 흔히 사용되고 있으며 그 활용도가 높은 강종이다.
실험에 사용된 판재의 크기는 200 ×50× 8mmt이며, 와이어는 직경 1.2mm의 SM-70을 사용하였다.
본 연구에 사용된 재료는 일반 구조용 압연 강재인 SS400이다. 실험은 실제 조선용 강판 AH36의 적용을 목적으로 SS400을 사용하여 실시되었으며, SS400은 용접성과 가공성 및 경제성 등으로 인해 주요부품을 제외한 건축용 자재, 자동차용, 선박용, 해양 구조물, 건축 교량용과 같은 기계 및 구조물의 보조 부재로 흔히 사용되고 있으며 그 활용도가 높은 강종이다. 실험에 사용된 판재의 크기는 200 ×50× 8mm_t이며, 와이어는 직경 1.
용접 열원으로는 최대출력 6.6kW의 CW 디스크 레이저와 펄스 파형의 MIG를 사용하였다. 실험은 비초점 거리(f_d) -3mm, 레이저-아크간 거리(D_LA) 3mm, 전면 실드가스 유량(G_s) 80% Ar + 20% CO₂ 20 l/min, 이면 실드가스 유량(G_sb) Ar 15 l/min의 조건에서 전류 및 속도를 변화시켜 맞대기 용접을 실시하였으며, 용접시의 상황과 모식도를 Fig.

성능/효과

(1) 맞대기 용접 결과, P=5 kW, I=300 A, v=2.25 m/min의 조건에서 미려한 전면 및 이면 비드를가진 용접부가 형성되었으며, 기공 및 균열과 같은 용접 결함은 관찰되지 않았다.
(2) 경도를 측정 한 결과, 용융부와 열영향부의 경도는 모재보다 높았으며, 조직의 재결정 및 변태로 인해 열영향부에서 최대 경도값이 용융부와 유사한 값을 나타내었다.
(3) 용접부의 미세조직을 관찰한 결과, 아크 및 레이저 영역의 용접부는 덴드라이트 조직을 나타냈으며, 레이저 영역에서의 결정립이 더욱 미세하였다.
(4) 모재와 용접된 시험편의 인장강도를 측정한 결과, 용접된 시험편의 파단은 모재에서 발생하였으며, 연성파괴가 일어났다.
(3) 용접부의 미세조직을 관찰한 결과, 아크 및 레이저 영역의 용접부는 덴드라이트 조직을 나타냈으며, 레이저 영역에서의 결정립이 더욱 미세하였다. HAZ는 조대화 된 HAZ와 미세화 된 HAZ로 구분되었으며 조대화 된 HAZ에서는 소량의마르텐사이트가 관찰되었고, 미세화 된 HAZ에서는 재결정으로 인해 미세한 조직이 관찰되었다.
5에 나타낸 인장시험편의 용접결과에서 300 A의 경우, 안정적인 이면 비드가 얻어졌으나 270 A에서 시편의 크기가 증가하면서 아크의 열전도 효과 감소로 이면에 험핑이 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 위의 결과를 통해 맞대기 및 인장시험편 용접시 최적의 용접조건은 P=5 kW, I=300 A, v=2.25 m/min으로 판단된다.
이는 용접시 모재와 가까운 열영향부에서는재결정이 일어나고, 용접부와 가까운 열영향부에서는 용접열에 의해 조직의 변태가 일어나기 때문으로 생각된다. 또한 레이저 영역에서는 오직레이저만 직접적으로 작용하기 때문에 아크 영역보다 상대적으로 응고속도가 증가하여 결정립이 미세하게 되므로 아크 영역의 용융부에 비해 경도값이 다소 상승하는 것을 확인할 수 있다.
또한 레이저의 높은 에너지 밀도로 인해레이저 영역에서의 열영향부는 아크 영역보다 상대적으로 HAZ에 투입되는 입열량이 적어 결정립의 오스테나이트화가 덜 일어나기 때문에 아크 영역과 비교하여 저온상 조직의 비율이 적었다. 미세화 된 HAZ에서는 결정립 미세화에 의한 강화효과로 모재보다 경도가 높았으며, 조대화 된HAZ의 경우 마르텐사이트, 베이나이트와 같은 저온상 조직의 존재로 인해 모재보다 경도가 높고, 최대 경도값이 용접부와 유사한 것을 알 수 있었다.
레이저 영역의 경우, 열영향부에서 200 ~ 220 Hv, 용접부는 270 ~ 300 Hv이었다. 아크 영역과 레이저 영역에서의 열영향부 경도값은 모재보다 높은 값을 나타냈으며, 용접부 부근에서 모재방향으로 점차 경도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 용접시 모재와 가까운 열영향부에서는재결정이 일어나고, 용접부와 가까운 열영향부에서는 용접열에 의해 조직의 변태가 일어나기 때문으로 생각된다.
아크 영역과 레이저 영역의 용융부에서는 열영향부와 용융부의 경계면으로부터 성장한 덴드라이트 조직을 관찰할 수 있었으며, 아크 영역에서의 덴드라이트가 레이저영역보다 더욱 성장한 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과로부터 용접 시험편의 강도는 모재와 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
2에 나타낸다. 전류가 증가함에 따라 비드폭이 증가하고 열영향부가 넓어졌으며, 전류는 와이어 용융량과 비례하므로 덧살높이 또한 높아졌다. 이면비드폭의 경우, 전류가 증가함에 따라 점차 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SS400의 용도는?	본 연구에 사용된 재료는 일반 구조용 압연 강재인 SS400이다. 실험은 실제 조선용 강판 AH36의 적용을 목적으로 SS400을 사용하여 실시되었으며, SS400은 용접성과 가공성 및 경제성 등으로 인해 주요부품을 제외한 건축용 자재, 자동차용, 선박용, 해양 구조물, 건축 교량용과 같은 기계 및 구조물의 보조 부재로 흔히 사용되고 있으며 그 활용도가 높은 강종이다. 실험에 사용된 판재의 크기는 200 ×50× 8mmt이며, 와이어는 직경 1.
	모재는 무엇으로 구성되어 있는가?	7은 광학 현미경을 이용하여 용접부를 각영역별로 관찰한 미세조직을 나타낸다. 모재는대부분 페라이트로 구성되어 있으며 소량의 펄라이트 조직이 존재하였다. 아크 영역과 레이저 영역의 용융부에서는 열영향부와 용융부의 경계면으로부터 성장한 덴드라이트 조직을 관찰할 수 있었으며, 아크 영역에서의 덴드라이트가 레이저영역보다 더욱 성장한 것을 확인할 수 있었다.
	인장강도 실험의 결과와 그 원인은 무엇인가?	파단면의 SEM 이미지 관찰을 통해 연성 파단이 일어난 것을 확인할 수 있다. 인장시험 결과 통해 용접 시험편의 인장강도 및 항복강도 값이 모재와 유사한 것을 알 수 있었다. 용접 시험편의 연신율은 34.55 %로 모재보다 낮은 값을 나타내었으며, 이는 용접된 시험편의 용접부 및 열영향부에 존재하는 경한 조직으로 인해 연성이 부족하여 연신율이 낮은 값을 나타내는 것으로 생각된다. 이상의 결과로부터 용접 시험편의 강도는 모재와 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (7)

Gerritsen, Christoph H. J. and Howarth, David J., 2005, "A Review of the Development and Application of Laser-Arc Hybrid Welding in European Shipbuilding," 11th CF/DRDC International Meeting on Naval Application of Materials Technology.
Yamaoka, 2008, Application of Laser Processing in the Heavy Industry Field, Collection of papers for the 70t Meeting of The Laser Society of Japan.
Koga, H. and Goda, H., 2010, "First Application of Hybrid Laser-arc Welding to Commercial Ships," Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, Vol. 36, No. 3, pp. 59-64.
Bagger, C. and Olsen, FO, 2005, "Review of Laser Hybrid Welding," Japan Laser Application, Vol. 1, No. 1, pp. 2-5.
Ribic B., 2009, "Problems and Issues in Laser-Arc Hybrid welding," Int Mater Rev, Vol. 54, No. 4, pp. 223-44.

상세보기
Roepke, C., 2009, "Hybrid Laser Arc Hybrid Welding of HY-80 Steel," Weld J.
Roepke, C. and Liu, S., 2010, "Hybrid Laser Arc Welding Process Evaluation on DH36 and EH36 Steel," Weld J, Vol. 89, pp. 140-150.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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