[논문]FCAW 이종접합에서 용접자세에 따른 기계적 시험 특성 평가

조병준; 이성준

doi:10.5762/kais.2019.20.8.649

FCAW 이종접합에서 용접자세에 따른 기계적 시험 특성 평가
Evaluation of Mechanical Test Characteristics according to Welding Position in FCAW Heterojunction 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.8, 2019년, pp.649 - 656

조병준 (한국폴리텍대학 신기술교육원) , 이성준 (시흥시시설관리공단)

초록
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조선소, 교량 구조물, 건설기계, 플랜트 산업 등 다양한 분야에서 폭 넓게 활용되고 있는 이산화탄소 아크용접(FCAW: Flux Cored Arc Welding)은 피복 아크 용접(SMAW: Shielded Metal Arc Welding)의 단점을 보완하기 위한 대안으로 1950년대 초 개발되었다. FCAW는 모든 자세에서 용접이 가능하고 작업여건 변수가 많은 현장에서 우수한 품질을 얻을 수 있는 장점이 있어 탄소강과 합금강의 중판, 후판 용접에 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 FCAW를 이용하여 SS400(일반구조용 압연강재)와 SM490A(용접구조용 압연강재)를 이종용접한 후 용접부의 기계적 특성(인장시험, 굽힘시험, 경도시험, 충격시험, 매크로시험)을 분석하고 다음과 같은 결론을 도출하였다. 인장시험 결과, 모든 용접자세에서 KS 규격 인장강도 범위($400{\sim}510N/mm^2$)를 만족하였다. 굽힘시험 결과, 대부분의 시편에서 굽힘시 표면의 터짐 현상이나 기타 결점이 나타나지 않았고, 소성변형 후에도 충분한 인성을 발휘하는 것을 확인할 수 있었다. 경도시험 결과, 모든 결과 값이 KS B 0893의 규격치 350Hv보다 낮게 나타나 양호한 것으로 판단된다. 충격시험 결과, 모든 결과가 KS 기준 수치인 27J 보다 큰 것으로 나타났다. 매크로시험 결과 용접부의 형상별로 균일한 조직 상태를 나타냈으며, 용접부 전단면에 걸쳐 내부 결함, 기포 또는 불순물 등이 발견되지 않아 라미네이션의 우려가 없는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flux cored arc welding (FCAW), which is used widely in many fields, such as shipyards, bridge structures, construction machinery, and plant industry, is an alternative to shielded metal arc welding (SMAW). FCAW is used largely in the welding of carbon and alloy steel because it can be welded in all poses and obtain excellent quality in the field under a range of working conditions. In this study, the mechanical properties of welded parts were analyzed after different welding of SS400 and SM490A using FCAW. The following conclusions were drawn. The tensile test results satisfied the KS standard tensile strength in the range of 400~510 N/mm2 in all welding positions. The bending test confirmed that most of the specimens did not show surface breakage or other defects during bending and exhibited sufficient toughness, even after plastic deformation. The hardness test results were lower than the standard value of 350 Hv of KS B 0893. Similar to the hardness test, were greater than the KS reference value. The macro test revealed no internal flaws, non-metallic inclusions, bubbles or impurities on the entire cross section of the weld, and there were no concerns regarding lamination.

주제어

표/그림 (25)

표 Table 1. Mechanical characteristics of base metal and filler metal
표 Table 2. Chemical compositions of base metal and filler metal
표 Table 3. Welding procedure
그림 Fig. 1. Flat position(1G)
그림 Fig. 2. Horizontal position(2G)
그림 Fig. 3. Vertical position(3G)
그림 Fig. 4. Tensile test results
표 Table 4. Tensile test results(1G)
표 Table 5. Tensile test results(2G)
표 Table 6. Tensile test results(3G)
표 Table 7. Bend test results(1G)
표 Table 8. Bend test results(2G)
그림 Fig. 5. Hardness test result(base material)
그림 Fig. 6. Hardness test result(heat affected part)
표 Table 9. Bend test results(3G)
표 Table 10. Hardness test results(1G)
표 Table 11. Hardness test results(2G)
표 Table 12. Hardness test results(3G)
그림 Fig. 7. Hardness test result(weld metal part, SS400)
그림 Fig. 8. Bend test results(heat affected part)
그림 Fig. 9. Bend test result(weld metal part, SM490A)
그림 Fig. 10. Welded part macro test result(1G)
표 Table 13. Impact test results(1~3G)
그림 Fig. 11. Welded part macro test result(2G)
그림 Fig. 12. Welded part macro test result(3G)

AI 본문요약
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문제 정의

단면의 조직을 육안으로 관찰하여 불순물 개입여부, 조직 균일정도, 라미네이션 발생여부 등을 확인하는 것을 목적으로 한다. KS D 0210(강의 매크로조직 시험방법) 에 따라 조직시험을 계획하였으며, 시험편을 모재의 용접부 방향으로 설정하여 실험을 하였다[7].
본 연구에서는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 SS400과 SM490A를 이종용접 후 시험편을 채취하여 한국산업규격(KS)에 따라 인장시험, 굽힘시험, 경도시 험, 충격시험, 매크로시험을 실시하고자 한다. 이를 통해 용접한 강재의 기계적 특성을 명확히 파악하여 용접부의 품질 및 안정성을 확인할 수 있는 구체적인 근거를 제시하는데 목적이 있다[3-4].
본 연구에서는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 SS400과 SM490A를 이종용접 후 시험편을 채취하여 한국산업규격(KS)에 따라 인장시험, 굽힘시험, 경도시 험, 충격시험, 매크로시험을 실시하고자 한다. 이를 통해 용접한 강재의 기계적 특성을 명확히 파악하여 용접부의 품질 및 안정성을 확인할 수 있는 구체적인 근거를 제시하는데 목적이 있다[3-4].
충격시험은 강재의 기계적 성질 및 소재특성을 파악하고 강재의 각 방향별 충격 특성을 파악하기 위해 실시한다. 본 연구에서는 KS B 0809(금속재료 충격시험편)에 따라 10mm×10mm×55mm의 규격을 가진 3개의 시험편을 제작하였으며, 천이온도를 파악하고자 20℃의 온도에서 실험을 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 KS B 0809(금속재료 충격시험편)에 따라 10mm×10mm×55mm의 규격을 가진 3개의 시험편을 제작하였으며, 천이온도를 파악하고자 20℃의 온도에서 실험을 하였다.
본 연구에서는 SS400(일반구조용 압연강재)와 SM490A(용접구조용 압연강재)를 플럭스 코어드 아크용 접(FCAW: Flux Cored Arc Welding)을 이용하여 이종 용접 한 후 용접부의 기계적 특성을 인장, 굽힘, 경도, 충격, 매크로 시험을 통해 살펴보았다. 본 연구를 통해 도출 된 주요 내용은 다음과 같다.

대상 데이터

1G 에서는 판 두께 25t(mm)에 루트간격 6s(mm), 각도는 45°, 뒷 받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm)를 이용하였다.
2G 에서는 판 두께 25t(mm), 각도는 35°, 뒷 받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm) 를 이용하였다.
SS400, SM490A의 굽힘 시험을 위해 직경은 표본의 4 배, 굽힘 강도는 180°로 설정하여 실험을 하였다.
인장시험은 강재의 기계적 성질 및 소재특성을 파악하기 위한 일반적인 시험방법으로 이를 통해 항복강도, 인 장강도, 항복비 및 연신율 등을 알 수 있다. SS400, SM490A의 인장시험을 위해 KS B 0801(금속재료 인장 시험편)에 따라 압연방향으로 인장시험편 4호 2개를 제작하여 실험을 하였다[5].
마지막으로 3G 에서는 1G와 동일하게 판 두께 25t(mm)에 루트간격 6s(mm), 각도는 45°, 뒷 받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm)를 이용하였다.
본 연구에서는 일반구조용 압연강재인 SS400과 용접구조용 압연강재인 SM490A을 이종 용접하여 시험용 모재(두께 25 mm)로 사용하였으며, Table 1, 2에 각각 화학성분 및 기계석 성질을 나타내었다.
용가재의 경우 현대종합금속에서 생산된 SF-71(∅ 1.4), AWS Spec는 A5.20, AWS-class는 E-71T-1을 사용하였다.
용접부 보호를 위하여 CO2(Composition of gas mixture 99.9%) 가스를 사용하였으며 (유량: 20∼25ℓ /min, gas sup size: 10∼20 mm), 전류형태는 역극성 (Direct Current Reverse Polarity, 이하 DCRP)을 사용하였다.
일반구조용 압연강재인 SS400과 용접구조용 압연강재인 SM490A을 이용하여 이종용접 하였다. 1G, 2G, 3G에 따른 용접 자세별 이음형상은 Figs.

이론/모형

이때 생긴 오 목 자국의 대각선을 측정하고 미리 계산 되어진 환산표와 비교하여 경도를 표시한다[6]. KS B 0893(용접 열영 향부의 최고경도 시험방법)에 따른 비커스 경도 시험기를 사용하였으며, 자세별 3개의 시험편을 제작하여 10 kgf의 하중을 가해 실험을 하였다.
강재의 자세별 굽힘시험 결과는 Tables 7∼9에 나타내었다. KS B ISO 5173(금속재료 용접부의 파괴시험굽힘 시험) 방법에 따라 시험편을 구부려, 굽힘 시 표면 의 터짐이나 기타 결점의 유무를 확인하였다. 용접자세별 (1G∼3G) 각 4개의 샘플(총 12개 샘플) 중 1G와 3G 에서 각각 1개씩 0.
단면의 조직을 육안으로 관찰하여 불순물 개입여부, 조직 균일정도, 라미네이션 발생여부 등을 확인하는 것을 목적으로 한다. KS D 0210(강의 매크로조직 시험방법) 에 따라 조직시험을 계획하였으며, 시험편을 모재의 용접부 방향으로 설정하여 실험을 하였다[7].
용접부 굽힘 시험은 용접부의 연성을 육안으로 확인하기 위한 방법으로 KS B ISO 5173(금속재료 용접부의 파괴시험-굽힘 시험)을 준용한다. 시험편을 구부려, 굽힘 시 표면의 터짐이나 기타 결점의 유무를 확인할 수 있다.

성능/효과

1. 인장시험 결과 용접 자세와 상관없이 모든 시편의 시험 결과가 KS 규격의 인장강도 범위(400∼510N/mm2 ) 내에 있었다.
2. 굽힘시험 결과 대부분의 시료에서 표면의 터짐 현장이 발생하지 않았고 기타 결점의 유무를 확인할 수 없었다. 따라서 용접 후 소성변형 후에도 충분한 인성을 발휘하고 있는 것으로 나타났으며, 모든 자세의 용접 방법이 굽힘 성능에 유효한 것을 확인하였다.
2G 자세에서 용접한 부분에 대해 경도시험을 한 결과 SM490A의 모재부에서는 164∼165, 열영향부에서는 270∼284, SS400의 모재부에서는 178∼186, 열영향부에서는 153 ∼156, 용착 금속부에서는 193∼194의 결과가 나타났 다.
4. 충격시험 결과 모든 시험시료의 모재부, 열영향부, 용착금속부 강도가 KS 기준 값인 27J 보다 훨씬 높은 수치로 나타나 충격에 효율적인 것으로 밝혀 졌다. 이를 통해 용접 후 강도에 용접 자세 및 부위 가 큰 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다.
4와 같이 각 자세별 인장시험 결과를 그래프로 나 타내었으며, KS 규격 인장강도 범위 (400∼510 MPa)를 만족하였다.
5. 매크로 시험 결과 용접부 형상별로 균일한 조직 상태를 나타냈으며, 용접부 전단면에 걸쳐 개재물 등 의 불순물이 전혀 발견되지 않았다. 따라서 모든 용접 자세에서 용접 후 라미네이션 등의 하자 우려가 발생되지 않는 것으로 사료된다.
3G 자세에서 용접한 부분에 대한 충격시험결과를 나타낸 것이다. SS400의 열영향부에서는 124J, 120J, 144J, SM490A는 181J, 190J, 186J, 용착금속부에서는 76J, 76J, 59J로 KS 기준값 27J보다 큰 것으로 나타났다.
1G 자세에서 용접한 부분에 대한 충격시험결과를 나타낸 것이다. SS400의 열영향부에서는 163J, 162J, 164J, SM490A는 144J, 152J, 166J, 용착금속부에서는 164J, 170J, 160J로 KS 기준값 27J보다 큰 것으로 나타났다.
다른 샘플에서는 터짐 현상이 나타나지 않았다. 결론적으로 소성변형 후에도 충분한 인성을 발휘 하고 있는 것으로 판단되며, 용접방법에도 특별한 이상이 없음을 확인하였다.
3. 경도시험 결과 모든 시험시료의 모재부, 열영향부, 용착금속부 경도가 KS B 0893의 규격치인 350 Hv보다 낮아 양호한 것으로 확인되었다. 이를 통해 용접 후 경도에 용접 자세 및 부위가 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다
굽힘시험 결과 대부분의 시료에서 표면의 터짐 현장이 발생하지 않았고 기타 결점의 유무를 확인할 수 없었다. 따라서 용접 후 소성변형 후에도 충분한 인성을 발휘하고 있는 것으로 나타났으며, 모든 자세의 용접 방법이 굽힘 성능에 유효한 것을 확인하였다.
매크로 조직시험은 강재의 단면에 불순물의 개입여부, 조직균일의 정도를 육안으로 관찰하는 것이다. 시험 결과 용접부 전단면에 걸쳐 개재물 등의 불순물이 발견 되지 않아 라미네이션 등의 우려가 없고, 판 두께 방향으로 균질한 조직상태를 나타낸 것을 확인할 수 있었다.

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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