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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 원패스 관통 용접 조건의 도출을 목적으로 10 mmt 두께의 AH36 강판에 대해 근적외선 레이저인 디스크 레이저와 전류밀도가 높은 MIG 용접을 사용하여 맞대기 용접을 실시하였으며, 용접 후 용접부의 조직적 및 기계적 특성을 파악하고자 한다.
제안 방법
- 경도는 AH36의 맞대기 시험편에 대하여 하중을 970.7 mN, 유지시간을 10초로 설정하였으며 아크영역의 중심과 레이저 영역의 중심에서 횡방향으로 200 μm간격을 두고 측정하였다.
- 75m/min, 비초점 거리( fd) -4 mm, 레이저-아크간 거리(DLA) 3 mm, 레이저 입사각 0 °, 아크선행 조건에서 전압 및 아크의 펄스형상을 변화시켜 최적의 원패스 맞대기 용접 조건을 도출하였다. 맞대기 용접시에는 높은 입열량과 용융 후 응고로 인해 용접부 끝단으로 갈수록 부재 사이의 간극이 발생하기 때문에 이를 최소화하기 위해 지그 끝단에 볼트를 사용하여 시험편을 고정하였다. Fig.
- 실험은 사전 실험을 통해 관통용접이 얻어진 레이저 출력(P) 6 kW, 용접 전류(I) 360 A, 용접속도(v) 1.75m/min, 비초점 거리( fd) -4 mm, 레이저-아크간 거리(DLA) 3 mm, 레이저 입사각 0 °, 아크선행 조건에서 전압 및 아크의 펄스형상을 변화시켜 최적의 원패스 맞대기 용접 조건을 도출하였다.
- 용접부의 기계적 특성을 파악하기 위해 마이크로 비커스 경도기로 용접부의 경도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 레이저 및 아크 영역에 대한 미세조직을 관찰하였다. 맞대기 용접된 시험편의 용접부 강도를 평가하기 위해서 인장시험을 실시하였으며, 이때 사용한 인장시험편은 KS B 0801 5호 규격으로 제작하였다.
- 인장강도 특성 파악을 위해 20개의 시험편에 대해 인장 시험을 실시하였다. 실험 결과 모든 시험편은 Fig.
대상 데이터
- 용접부의 기계적 특성을 파악하기 위해 마이크로 비커스 경도기로 용접부의 경도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 레이저 및 아크 영역에 대한 미세조직을 관찰하였다. 맞대기 용접된 시험편의 용접부 강도를 평가하기 위해서 인장시험을 실시하였으며, 이때 사용한 인장시험편은 KS B 0801 5호 규격으로 제작하였다. Fig.
- 본 연구에 사용된 재료는 선체 구조용 강재인 AH36이다. 선박 및 해양구조물은 지속적으로 파도의 영향에 의한 충격을 받기 때문에, 선체에 사용되는 강재는 저온 취성에 강하고 피로 강도가 높아야 한다.
- 실험에 사용된 판재의 크기는 200× 50 × 10 mmt이며, 와이어는 직경 1.2 mm의 연강 및 50 kg급 고장력강용으로 사용되는 SM-70을 사용하였다.
성능/효과
- (2) 경도 측정 결과, 조직의 변태로 인해 열영향부에서의 최대 경도가 용융부보다 더욱 높게 나타났으며 모재방향으로 점차 경도가 감소하는 경향을 나타내었다.
- (3) 용접부의 미세조직을 관찰한 결과, 아크 영역의 용융부에서의 덴드라이트가 레이저 영역보다 더욱 성장한 것을 확인할 수 있었다. 조대화된 HAZ에서는 마르텐사이트 및 베이나이트와 페라이트가 관찰되었으며, 미세화된 HAZ는 재결정에 의해 미세한 조직이 관찰되었다.
- (4) 모재와 용접시험편의 인장강도 측정 결과, 용접 시험편의 파단은 조대화된 열영향부에서 발생하였다. 용접시험편의 연신율은 모재의 약 1/2 정도였지만, 항복 및 인장강도는 모재와 유사하게 나타났다.
- 5 V에서 용접부 양단에 융합불량이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 너무 짧은 아크 길이로 인한 용적과 와이어 사이에 단락 발생시, 아크의 생성과 소멸이 주기적으로 반복되기 때문에 입열량이 감소하여 발생한 것으로 판단된다. 따라서 이와 같은 결과를 통해 전압이 감소할수록 언더컷의 면적이 주기적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 과도하게 낮은 전압에서는 불균일한 이면 비드 및 융합불량이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 8은 AH36의 미세조직을 나타낸 것으로, 모재는 페라이트와 펄라이트로 구성되어 있다. 아크 영역 및 레이저 영역의 용접부는 모재와 용접 금속의 경계면으로부터 성장한 덴드라이트 조직을 나타냈으며, 아크 영역에서의 덴드라이트 조직이 레이저 영역에 비해 더욱 성장한 것을 확인할 수 있다. 이는 아크 영역에서의 많은 입열로 인해 상대적으로 입열량이 적은 레이저 영역보다 응고속도가 더욱 느리기 때문에 덴드라이트가 더욱 성장한 것으로 판단된다.
- 언더컷 면적의 경우, 24V와 25.5V에서는 언더컷이 거의 존재하지 않았으며 전압의 증가와 함께 비례적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 Fig.
- 11과 Table 2는 각각 모재와 용접시험편의 응력-변형 곡선과 측정값을 나타낸다. 용접 시험편과 모재는 유사한 항복강도 및 인장강도 값을 나타내었지만, 연신율은 용접시험편의 경우 21.3 %로 모재에 비해 약 1/2만큼 낮게 나타났다. 이는 조대화된 HAZ에서 Mn의 영향으로 인해 저온상의 경한 조직의 분율이 높아져 연성이 저하되었기 때문으로 판단된다.
- 이는 조대화된 HAZ에서 Mn의 영향으로 인해 저온상의 경한 조직의 분율이 높아져 연성이 저하되었기 때문으로 판단된다. 이상의 결과로부터 용접시험편의 경우 모재에 비해 연신율은 감소하였지만 강도는 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 이와 같은 경도 측정 결과, AH36의 경우 열영향부의 최대 경도가 용접부보다 더욱 높게나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 3은 용접 전압을 24~30 V로 변화시켰을 때의 전면 비드와 횡단면, 언더컷 면적을 나타낸다. 전압 변화에 따른 전면 비드폭을 관찰하면, 용접 전압이 증가할수록 비드 폭이 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 용접 전압과 아크 길이가 비례하며, 아크는 호의 형상을 나타내므로 전압이 증가하여 아크길이가 길어지게 되면 시편 위에 아크가 작용하는 면적이 증가하기 때문이다.
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