[논문]필릿 용접의 기계적 시험 특성 평가

조병준; 이성준; 임종국

doi:10.5762/kais.2020.21.2.535

필릿 용접의 기계적 시험 특성 평가
Evaluation of Mechanical Test Characteristics of Fillet Welding 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.2, 2020년, pp.535 - 541

조병준 (한국폴리텍대학 신기술교육원) , 이성준 (시흥도시공사) , 임종국 (한국교통대학교 안전공학과)

초록
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FCAW는 모든 자세에서 용접이 가능하고 작업여건 변수가 많은 현장에서 우수한 품질을 얻을 수 있는 장점이 있어 탄소강과 합금강의 중판, 후판 용접에 많이 사용되고 있다. 최근 국내에서 진행한 연구논문의 대부분이 피로 강도 평가 방법 연구, 잔류응력 및 변형, 필릿 용접 공정 개발 등의 연구가 시행되었으나 필릿 용접을 대상으로 경도, 매크로, 자분탐상 결과를 토대로 하여 기계적 특성을 나타낸 연구가 부족함에 따라 본 연구에서는 FCAW를 이용하여 상부는 SS400(일반구조용 압연강재) 후판은 SM490A(용접구조용 압연강재)를 이용하여 필릿 용접 후 경도시험, 매크로 시험, 자분탐상시험을 통해 아래와 같은 결론을 도출하였다. 경도시험 결과, 모든 결과 값이 KS B 0893의 규격치 350Hv보다 낮게 나타나 양호한 것으로 판단되었고, 매크로 시험 결과 용접부의 형상별로 균일한 조직 상태를 나타냈으며, 용접부 전 단면에 걸쳐 내부 결함, 기포 또는 불순물 등이 발견되지 않아 lamination의 우려가 없었으며, 자분탐상검사 결과 별도의 문제점이 발견되지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

FCAW is used mainly in the welding of carbon steel and alloy steel because it can be welded in all positions and can obtain excellent quality at sites with variable working conditions. Recently, many studies in Korea have estimated the fatigue strength, residual stress, and deformation, and to develop a fillet welding process. On the other hand, there have been few studies of the mechanical properties based on the strength, macro and magnetic particle test results for fillet welding. This study shows the following results through fillet welding, macro testing and strength testing using SM490A (solid-structure rolled steel) for thick plates using SS400 (rolled steel) for the upper plate and FCAW. The hardness test, macro test and magnetic particle test were then conducted. The hardness tests showed that all result values were smaller than the KS B 0893 standard values of 350Hv. The macro-test showed that each type of welded part was in a normal organic state and that there were no internal errors, bubbles, or impurities on the front of the welded part. Therefore, there were no concerns about lamination. The magnetic particle examination showed no problems.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Mechanical characteristics of base metal and filler metal
표 Table 2. Chemical compositions of base metal and filler metal
그림 Fig. 1. Joint Detail
그림 Fig. 2. Flat position(1F & 3F)
그림 Fig. 3. Horizontal position(2F)
표 Table 3. Welding procedure
그림 Fig. 4. Hardness tester
그림 Fig. 5. Macro test device
그림 Fig. 6. Magnetic Particle Testing Equipment
표 Table 4. Magnetic Particle Examination procedure
그림 Fig. 7. Welded Part macro test result(1F)
표 Table 5. Hardness test results(1F)
표 Table 6. Hardness test results(2F)
표 Table 7. Hardness test results(3F)
그림 Fig. 8. Welded Part macro test result(2F)
그림 Fig. 9. Welded Part macro test result(3F)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SS400과 SM490A를 필릿 용접을 통해 시험편을 채취하여 한국산업규격(KS)에 따라 경도시험, 매크로 시험, 자분탐상검사를 실시하고자 하며, 이를 통해 용접부의 기계적 안정성을 명확히 파악하여 용접부의 품질 및 안정성을 확인하고자 하였으며, 도출된 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 다양한 산업 현장에서 다수 사용되고 있는 SS400과 SM490A를 필릿 용접을 통해 시험편을 채취하여 한국산업규격(KS)에 따라 경도시험, 매크로 시험, 자분탐상검사를 실시하고자 하며, 이를 통해 용접부의 기계적 안정성을 명확히 파악하여 용접부의 품질 및 안정성을 확인할 수 있는 구체적인 근거를 제시하는데 목적이 있다[3-5].
용단 면의 조직을 낮은 배율의 현미경을 이용하여 관찰하는 시험으로 불순물 개입 여부, 조직 균일 정도, lamination 발생 여부 등을 확인하는 것을 목적으로 한다. Figs.
자분탐상검사는 결함 등과 같은 불연속 부가 있는 강자성체를 자화했을 때, 불연속부 가까이의 공간에 자속이 누설하는 것을 검출하여 불연속부의 존재 및 위치를 찾아내는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

Figs.4의 장비를 활용하여 KS B 0893(용접 열 영향부의 최고 경도 시험방법)에 따른 비커스 경도 시험기를 사용하였으며, 자세별 4개의 시험편을 제작하여 10 kgf의 하중을 가해 실험을 하였다.
Figs.6는 자분탐상검사를 하기 위해 반드시 필요한 자화장치, 자분 살포장치, 자외선 조사장치, 탈자장치를 나타내고 있으며, Table 4에는 자분탐상검사 방법을 나타낸 것으로 표면 상태는 용접부, 자화 방법은 연속법 및 극간법을 사용하였고, 자극 간격은 10∼15Cm, 자화전류는 L/P 4.5Kg, AC 4.5 Amp, 탈자는 미실시 하였으며, 자분은 Spraying로 적용하여 검사를 실시하였다.

대상 데이터

1F에서는 판 두께 30t(mm)에 루트 간격 6s(mm), 각도는 45°, 뒷 받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm)를 이용하였다.
2F에서는 판 두께 25t(mm), 각도는 35°, 뒷받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm)를 이용하였다.
마지막으로 3F에서는 1G와 동일하게 판 두께 25t(mm)에 루트 간격 6s(mm), 각도는 45°, 뒷 받침대는 SS400(두께 9mm, 길이 75mm)를 이용하였다.
본 연구에서는 일반구조용 압연 강재인 SS400과 용접 구조용 압연 강재인 SM490A을 필릿 용접하여 시험용 모재(두께 30 mm)로 사용하였으며, Table 1, 2에 각각 화학성분 및 기계적 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), 전류 형태는 역극성(DCRP: Direct Current Reverse Polarity)을 사용하였다.
일반구조용 압연 강재인 SS400과 용접 구조용 압연강재인 SM490A을 이용하여 필릿 용접을 하였다. 필릿 용접의 이음 형태는 Figs.

이론/모형

용단 면의 조직을 낮은 배율의 현미경을 이용하여 관찰하는 시험으로 불순물 개입 여부, 조직 균일 정도, lamination 발생 여부 등을 확인하는 것을 목적으로 한다. Figs.5의 장비를 활용하여 KS D 0210(강의 매크로 조직 시험방법)에 따라 조직 시험을 계획하였으며, 시험편을 모재의 용접부 방향으로 설정하여 실험을 하였다[7].

성능/효과

1. 경도시험 결과 모든 시험 시료의 모재부, 열 영향부, 용착 금속부 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.
2. 매크로 시험 결과 용접부 형상별로 균일한 조직 상태를 나타냈으며, 용접부 전 단면에 걸쳐 개재물 등의 불순물이 전혀 발견되지 않았다. 따라서 모든 용접 자세에서 용접 후 lamination 등의 하자 우려가 발생되지 않는 것으로 사료된다.
2F 자세에서 용접한 부분에 대해 경도시험을 한 결과 SM490A의 모재부에서는 154∼157, 열 영향부에서는 172∼173, SS400의 모재부에서는 151∼154, 열 영향부에서는 234∼237, 용착 금속부에서는 189∼195의 결과가 나타났다.
3. 자분탐상검사 결과 노치(notch)가 발생하지 않았고, 용접부의 결함이 발생되지 않은 것으로 보아 안정성이 있는 것으로 판단된다.
3F 자세에서 용접한 부분에 대하여 경도시험을 한 결과 SM490A의 모재부에서는 157∼160, 열 영향부에서는 221∼230, SS400의 모재부에서는 152∼155, 열 영향부에서는 193∼198, 용착 금속부에서는 211∼214의 결과가 나타났다.
매크로 조직 시험은 강재의 단면에 불순물의 개입 여부, 조직 균일의 정도를 육안으로 관찰하는 것이다. 시험 결과 용접부 전 단면에 걸쳐 개재물 등의 불순물이 발견되지 않아 lamination 등의 우려가 없고, 판 두께 방향으로 균질한 조직 상태를 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
자분탐상검사 결과 정밀한 결과를 얻기 위해 탐상면을 서로 직각으로 2이상의 방향에서 자화하였고, 재료 및 구조물에 사용되는 철 재료 등에 결함이나 구멍이나 홈 또는 파인 부분들에서 나타나는 노치(notch)가 발생하지 않아, 이는 응력의 감소를 나타내는 것으로 용접부에 대한 영향 및 별도의 결함은 나타나지 않았다.

참고문헌 (7)

B. J. Cho, S. J. Lee, "Evaluation of Mechanical Test Characteristics according to Welding Position in FCAW Heterojunction", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.20, No.8, pp.649-656, 2019 DOI: http://doi.org/10.5962/KAIS.2019.20.8.649
J. H. Koh, J. H. Kook, "A Study on the Effect of Heat Input on the Microstructure and Toughness of Weldments Made by Domestic Flux Cored Wires", Journal of the Korean Welding society, Vol.11, No.4, pp.57-69, 1993.
B. H. Kim, W. I. Kim, C. Choi, Y. H. Park, "Study of Weld Part Status Change by $CO_2$ Welding According to the Variation of Gas Composition and Welding Wire on SS400 Material", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.11, No.5, pp.129-136, 2012.
B. C. Goo, "Fatigue of SS490A and SS400 Corroded Specimens", Journal of Korean Railway Association, Vol.12, No.5, pp.725-731, 2009.
J. Y. Kim, S. S. Kang, G. Y. Kim, S. C. Park, C. K. Kim, "Research on Fafigue Life Prediction of Muffler with Weld-zone Shape", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.36, No.1, pp.85-93, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2012.36.1.85

원문보기 상세보기
D. H. Kim, D. Y. Kim, K. T. Lee, H. Y. Kim, "Strength Analysis of MIG Welding Specimen Considering Weld Characteristics", Conference on the Sector of the Korean Society of Automotive Engineers, Ilsan, Korea, pp. 1195-1201, 2012. 5.
J. U. Park, "Computational Modelling to Predict the Welding Deformation in Steel Structures", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.8, No.1, pp.96-102, 2007

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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