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1 55 기술논문 경량피스톤로드를위한마찰용접적용연구 (SM45C/SM45C-Pipe 사용 ) 민병훈 * 임형택 * 민택기 ** * 충남대학교대학원 ** 충남대학교기계공학과 A Study on the Welding for Light Piston-Rod (SM45C/SM45C-Pipe) Byung-Hoon Min*, Hyung-Taek Lim* and Taeg-Ki Min** *Graduate School, Dept. of Mechanical Engineering, Chung-Nam National Univ., Dae-jeon , Korea **Dept. of Mechanical Engineering, Chung-Nam National Univ., Dae-jeon , Korea Abstract Various research to reduce weight of a car is achieving. This research is tendencious to manufacture solid piston rod of shock absorber as hollow piston rod using friction welding. This study deals with the friction welding of SM45C to SM45C-Pipe that is used in car shock absorber, The friction was variable conditions under the conditions of spindle revolution of 2,000rpm, friction of 55 MPa, upset of 75 MPa, and upset of seconds. Under these conditions, the microstructure of weld interface, tensile fracture surface and mechanical tests were studied of friction weld, and so the results were as follows. 1. In tensile strength, the hole processing is better than non-hole processing. 2. When the friction was 1.5seconds under the conditions, the maximum tensile strength of the friction weld happened to be 869 MPa, which is 103% of SM45C's tensile strength and 91% of SM45C's Pipe. 3. When the friction was seconds under the conditions, the maximum bending strength of the friction weld happened to be 1599 MPa, which is 80% of SM45C's bending strength and 118% of SM45C's Pipe. *Corresponding author : hoonyx@nate.com (Received February 2, 2008) Key Words : welding, SM45C, Shock absorber, Piston rod 1. 서론 마찰용접 ( welding, FRW) 은비가열식고상용접으로피용접재에회전운동과함께가압시켜접촉면에서발생하는마찰열을이용하여접합하는용접방법으로접촉면이용융되기전일정한온도에도달하였을때, 압력을가하면소성변형을일으키면서접합된다 1). 따라서접합강도가우수하고, 신뢰성이좋으며, 격심한소성운동으로결정의조대화나금속간화합물이생기기 어렵고, 모재부에미치는열영향이적어용접으로인한변형이작고치수정밀도가높다 2). 자동차, 선박, 기계, 건설등각종산업현장에서가장광범위하게사용되는탄소강은기계적성질뿐만아니라경제적인면에서많은장점이있어많은연구가있었다. 국내에서처음마찰용접에관한연구가발표된이래현재 30여년의역사를갖고있어여러관련연구가진행되고있다. 최근각종기계부품의재료비와에너지절감을위해마찰용접이사용되는연구가활발하다 3-5). 지금까지자동차의무게를줄이기위해비강도 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 157

2 56 민병훈 임형택 민택기 가높은소재로교체하는방법이많이쓰였다. 하지만고강도를유지하면서가벼운부품을만들기위해마찰용접을도입하는연구는많지않았다. 쇽업소버는내구성, 강성, 강도등이우수해야하며특히여러부품중큰충격및굽힘과인장력을받는피스톤로드 (piston rod) 는우수한기계적성질이요구된다 6). 현재쇽업소버피스톤로드는중실 ( 中實 ) 의탄소강을사용하거나무개를줄이기위해장공 ( 長空 ) 가공을하여생산하기때문에불필요한재료, 공정과시간및에너지가소모되었다. 따라서본연구는이러한기존중실의쇽업소버피스톤로드 (conventional type) 를마찰압접과파이프사용으로중공화하여경량화, 자동차연비개선, 원자재절감, 물류비용절감을하기위한목적으로연구하였다. 본연구에서는기계적성질이우수하여널리쓰이는 SM45C 봉재와값이저렴하고가벼운 SM45C 관재를마찰용접하여용접부에대한접합특성및신뢰성을고찰하고자하였고, 마찰압력과시간을주요변수로하여용접품의변형과접합시사용되는에너지를최소화하고적절한강도를얻기위하여용접부에대한총업셋량변화, 인장강도, 굽힘강도, 경도시험, 현미경조직분석등을실시하였다. 2. 실험재료및실험방법 2.1 시험편 본실험에사용된탄소강 SM45C 봉재와 SM45C 관재 ( 내경 19.7mm) 의화학조성과기계적성질을 Table 1과 Table 2에서각각나타내었고, 사용된실험재료는모두직경 25.2mm, 길이를 100mm로선반가공하였다. 마찰용접직전에용접면을정밀하게선삭가공하고이물질제거를위해아세톤으로세척하였다. 2.2 시험기구본실험에사용된마찰용접기는브레이크타입 (NSF-30 H, 남선기공, revolution: 2,000rpm, maximum axial force: 98,000N) 을사용하였다. 마찰용접부의 Table 2 Chemical compositions of materials(wt. %) Materials Elements SM45C SM45C-Pipe C Si Mn P S Cr Mo - - W - - V - - Co - - Fe Bal. Bal. 기계적시험을위해최대용량 50ton 의만능재료시험 기 (model: DYHU-50- AD, Dae Yeong) 를사용하 였으며, 경도시험은마이크로비커스경도시험기 (model: MVK-H1, Mitutoyo Co., Jap) 를사용하였다. 조직 검사는광학현미경 (model : Bi-12882, Unitron Co., U.S.A) 을이용하였다. 2.3 실험조건마찰용접은재료끝단이면일경우추가적인가공이필요치않는다. 하지만설계문제나강도향상을고려하여가공이필요하다 6). 본실험에서는 Fig. 1과같이 SM45C 봉재의끝단부분을내경 19.7mm로드릴가공한시편과가공하지않은시편을각각 SM45C 관재와 Table 3의조건으로마찰용접한후강도를측정하여용접시편의형상을결정하였다. 또한예비실험을통해적절한마찰압력 P1, 업셋압력 P2를산출하여용접부의강도를향상시킬수있는시간규제법을활용하여 Table 4와같은용접조건으로본실험을실시하였다. 2.4 실험방법인장실험은 Table 3, Table 4와같은용접조건으로 Table 1 Mechanical properties of materials Materials Tensile strength (Mpa) Mechanical properties Bending strength (Mpa) Elongation (%) Hardness (Hv) SM45C SM45C-Pipe Fig. 1 Specimen 158 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

3 경량피스톤로드를위한마찰용접적용연구 (SM45C/SM45C-Pipe 사용 ) 57 Table 3 welding conditions with Hole processing Proces sing Spindle revolution (N, rpm) (P 1, MPa) (P 2, MPa) Hole 2, Non- Hole 2, (t 1, sec) (t 2, sec) Table 4 welding conditions by friction Spindle revolution (N, rpm) (P 1, MPa) (P 2, MPa) 2, (t 1, sec) (t 2, sec) 시편을제작하여본실험을실시하였으며, 인장시험편은 Oagawa 등 7) 이사용했던노치시험편을 Fig. 2과같이제작하였다. 마찰용접부의굽힘강도를시험하기위하여 Fig. 2와같이지그 (jig) 에펀치의하중작용점이용접계면에위치하도록시험편을장착하고크로스헤드 (cross head) 의이송속도를 1mm/min로설정하여굽힘시험을하였다. 굽힘강도는다음식 (1) 으로구하였다. : MVK-H1, Mitutoyo Co., Jap) 로하였으며, 측정은하중 500gf 으로용접계면의중심에서축방향으로 0.25mm의일정한등간격으로측정하였다. 조직검사는광학현미경 (model : Bi-12882, Uintron Co, U.S.A) 을이용하였으며시험편준비는축단면을절단하여채취한시험편을폴리코트 (Ploycoat) 로마운팅한다음용접단면을샌드페이퍼로 #200 #1500순으로 1차연마한후 2차연마재로입경 μm 의알루미나파우더를증류수와혼합하여사용하였고, 그라인드폴리셔 (model : ) 로폴리싱하였다. 시험편의부식은나이탈 (nital 3%) 로에칭액을만들었으며, 시험편을에칭액에약 3sec 담근후에에칭액제거를위하여흐르는물에세척하고알코올로최종씻어내어전기드라이어로다시충분히건조시켰다. 3.1 인장시험실험조건에명시된바와같이 SM45C 봉재에 Hole 을만든시편과본래의시편중접합특성이우수한접합부형상을고려하기위해예비실험을 Table 3와같은조건으로실험하였다. Fig. 4에서보는바와같이 Hole 가공을한시편이그렇지않은시편보다약 7% 강 (1) 여기서, σ b : 굽힘강도, M : 최대굽힘모멘트, Z : 단 Fig. 3 3-Point Bending test specimen 면계수, P Max : 최대하중, l : 지점간거리, d : 시험편직경경도시험을위하여용접시험편의축단면을절 단하여폴리코트 (polycoat) 로마운팅한시험편을샌드 800 페이퍼 #200 #1500 의순으로연마한후, 그라인딩폴리셔 (model : ) 에서알루미나파우다 1μm, μm의분말을증류수와혼합하여폴리싱하였다. 용접부의경도시험은마이크로비커스경도시험기 (model Tensile strength σ t (MPa) NoneHole Holl 0 Fig. 2 Specimen of tensile test t 1 sec Fig. 4 Relationship between Hole processing and tensile strength 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 159

4 58 민병훈 임형택 민택기 도향상의효과가있었다. 이것은 SM45C 에 Hole 가공을하지않은시편은재료의질량효과에의해마찰용접시발생하는열이접합부에충분히집중되지못하고분산되므로 Hole 가공을한시편보다결합강도가낮아지기때문으로사료된다. 앞으로실험의시편을모두내경 19.7mm로가공하여진행하였고위의조건하에서용접부의강도를향상시킬수있는시간규제법을활용하여 Table 4와같은용접조건으로본실험을실시하였으며그결과를 Fig. 5에나타내었다. 또한위조건으로접합한시편의접합부형상과인장시험후파단면을 Photo. 1, Photo. 2 에각각나타내었다. Fig. 5를보면인장강도는마찰시간이증가함에따라증가하다가 sec 부터약간감소하는경향을보이고있다. 최고인장강도는마찰시간 t 1 이 1.5sec 일때 869MPa이며모재인 SM45C 봉재에비해 103%, SM45C 관재에비해 91% 에해당한다. 이는 1.5sec 까지는접합에필요한마찰열이충분히발생하여양소재의구성원소가잘결합할수있는상태가되어양호한소성유동을일으켜접합하였기때문이고, 가열시간이 1.5sec 이상에서는필요마찰열이상으로발열하여플래시로배출되는양이많아지고접합면에도달하는온도가낮아결국부적절한용접상태가되어강도가감소한것으로사료된다. Photo. 1은마찰시간조건변화에따른플래시모양이나타난다. 플래시의양과모양은시간변화에따라점차커지며안쪽으로감기는형상이다. 또한산화막띠가일정간격으로증가하는것으로보아마찰시간에의해마찰열의증가가비례하는것으로사료된다. Photo. 2는파단면의형상을나타내고있다. 전체적으로접합부에서파단이되었으며취성파괴형상이다. 마찰시간이적은시편은파면의굴곡이적으며거칠기가양호한모양이지만마찰시간이많은시편은파면의굴곡이많으며몇몇의시편에서는모재측의일부분이붙어있는것을확인할수있 1000 Photo 1 Appearance of welded joint P 1 : 55MPa, P 2 : 75MPa, t 2 : sec, t 1 : sec t 1 : sec t 1 : 1.5 sec t 1 : sec t 1 : 2.5 sec t 1 : 3.0 sec Photo 2 Fracture appearance of tensile test P 1 : 55MPa, P 2 : 75MPa, t 2 : sec t 1 : sec t 1 : sec t 1 : 1.5 sec t 1 : sec t 1 : 2.5 sec t 1 : 3.0 sec Tensile strength σ t (MPa) t 1 sec N = 2000rpm P 1 = 55 Mpa P 2 = 75 Mpa t 2 = sec Fig. 5 Relationships between friction t 1 and tensile strength 다. 이것은플래시형상과파단면의형상으로최소한의성공여부를예측하는자료로활용될수있으리라사료된다. Photo. 2에서내부플래시의형상이상대적으로강도가약한 SM45C 봉재에서더욱크고두껍게형성되어플래시에의한직경변화가 SM45C 관재보다크게관찰된다. 160 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

5 경량피스톤로드를위한마찰용접적용연구 (SM45C/SM45C-Pipe 사용 ) 업셋길이변화 3.3 굽힘시험 업셋길이변화측정은 Table 4와같은용접조건으로시편을제작하여용접전의시편길이와용접후시편의길이를측정하여 Fig. 6에나타내었다. Fig. 6에서최저업셋길이는마찰시간 t 1 이 sec 일때 1.7mm, 최고업셋길이는마찰시간이 3.0sec 일때 5.5mm로선형으로증가하였다. 이와같이마찰시간이증가할수록업셋길이가길어지는것은마찰용접의전형적인양상으로소성유동이활발해져플래시로많이배출되기때문이다. 업셋길이는용접할때발생하는압축변형에의한결과이지만, 접합면에존재하는산화물이나불순물등의이물질을접합면밖으로배출하면서접합부의신뢰성을높이고더불어접합강도를향상시키는원인이될수있다. 최대인장강도를갖는조건에서, 업셋길이의조절은재료의절약, 품질및생산성에있어서간과할수없는중요한문제라고사료된다. 6.0 Fig. 7는인장시험과동일한조건에서마찰용접한시험편의굽힘시험결과를보여주고있다. 마찰시간이증가하면굽힘강도또한점차증가하는경향을보이고있으며 1.5sec 는모재의굽힘강도와비슷하고그이상의마찰시간에서는 SM45C 관재의강도를넘어섰다. 최고의굽힘강도는 3.0sec 일때이며굽힘강도는 1,599MPa 로 SM45C관재굽힘강도의약 118%, SM45C봉재의약 80% 에해당된다. 본실험의경우최대인장강도는 1.5sec 에서나타났으나이때의굽힘강도는 SM45C 관재의모재굽힘강도보다낮게나왔으므로본실험의최적조건을산출시고려해야할부분으로사료된다. Photo. 3에서보는바와같이마찰시간에관계없이모두굽힘파단되었다. 파단부가모두취성파면의형상을띄는것으로보아열효과를많이받는 SM45C 의특성상마찰에의해발생된열이접합부를취성이큰조직으로변화시켰기때문에취성파괴가일어나는것으로사료된다. Total upset length (mm) t 1 sec N = 2000rpm P 1 = 55 Mpa P 2 = 75 Mpa t 2 = sec Fig. 6 Relationship between friction t 1 and upset length 3.4 경도시험 Fig. 8은실험조건에서최대인장강도를나타낸마찰시간 1.5sec 와최소인장강도를나타낸마찰시간 sec 의조건으로경도시험편을만들어용접계면을중심으로좌우측각각 3.5mm 를 0.25mm 간격으로측정하여나타낸경도분포이다. 실험결과전구간에걸쳐마찰시간이 1.5sec 일때보다 sec 일때경도가높았으며두시편모두용접부의근방에서급격한경도상승을나타냈다. 각시편 Photo 3 Fracture appearance of Bending test P 1 : 55MPa, P 2 : 75MPa, t 2 : sec 1700 t 1 : sec t 1 : sec Bending strength σ b (MPa) N = 2000rpm P 1 = 55 Mpa P 2 = 75 Mpa t 2 = sec t 1 : 1.5 sec t 1 : 2.5 sec t 1 : sec t 1 : 3.0 sec t 1 sec Fig. 7 Relationships between friction and bending strength 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 161

6 60 민병훈 임형택 민택기 Vickers hardness(hv) Distance from weld interface(mm) Fig. 8 Hardness distributions of friction weld Photo 4 Micro-structure of friction welds A : Welding Interface(x50) (t 1: sec) B : Welding interface( 50) (t 1: 1.5sec) 의용접계면으로부터경도분포를보면, 마찰시간 1.5sec 의조건일때가장경도가높은곳은용접부에서 SM45C 관재쪽으로 0.25mm 떨어진지점에서 497Hv 로나타났다. 접합부를중심으로각모재방향으로약 1.5mm 떨어진지점부터는각각 250Hv 과 300Hv 안팎으로거의일정하게나타난다. 마찰시간 sec 의조건일때는용접부경도가 442Hv 로 1.5sec 의용접부경도 384Hv 보다높고용접부로부터양쪽모재방향으로 0.25mm 떨어진지점에서는각각 563Hv, 622Hv 로 1.5sec 일때보다다소높게나타났다. 접합부를중심으로각모재방향으로약 1.5mm 떨어진지점부터는각각 250Hv 와 310Hv 안팎으로나타났다. 마찰시간 sec, 1.5sec 두조건의시편모두 SM45C관재 2mm 부근에서경도저하가나타났는데이것은마찰용접시국부가열에의한어닐링효과와업셋압력작용에의한내부응력의영향인것으로사료된다. 경도분포에서나타난것처럼급격한경도의급상승및하강현상이나타나고있는데, 이것은마찰용접시발생하는마찰열에의해고온이된접촉면과열영향부가공랭하면서조직의변화가생겼으며그에따른경도상승효과가발생했기때문으로사료되며선행연구와비슷한결과이다 6,8). 3.5 용접부의미세조직 Photo. 4은마찰시간을 sec, 1.5sec 조건으로마찰용접한시험편의용접계면, 모재부를현미경으로 50배, 1,000 배촬영하여관찰하였다. Photo. 4 A와 B는각각마찰시간 sec, 1.5sec 의조건으로용접한시편의접합부를 50배로촬영한사진이다. 접합부의폭이 1.5sec 의조건으로용접된시편에서더욱좁은것을알수있다. 이것은긴마찰시간에의해충분히연화된부분이업셋압력에의해모두 C : Welding interface(x1000) (t 1: sec) E: Base Metal SM45C (x1000) 200μm D : Welding interface(x1000) (t 1: 1.5sec) F: Base Metal SM45C Pipe (x1000) 10μm 외부로배출되어플래시로형성이되었기때문이다. 또한 A와 B 사진을통해접합계면으로부터조직이변화되는구간을한눈에볼수있고이와같은조직의변화는강도및경도등재료의접합특성에큰영향을미치는것으로사료된다. C, D는위시편들의접합부를 1000 배로확대한사진이다. C사진은마찰시발생한열에의해높은온도까지올라압접후상온에서의비교적빠른냉각속도에의해마르텐사이트와유사한조직이형성된것으로보이고 D사진은마르텐사이트유사조직과펄라이트의혼합조직으로구성되어있다. 이것은플래시로배출되고남은연화구역의영향으로비교적고온에도달했다가냉각되면서조직의혼합현상이나타난것으로사료된다. E와 F는각각 SM45C 봉재와관재의모재부조직사진이다. 두사진모두전형적인 SM45C 의페라이트와시멘타이트, 층상의펄라이트를관찰할수있다. 162 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

7 경량피스톤로드를위한마찰용접적용연구 (SM45C/SM45C-Pipe 사용 ) 61 위결과로보아마찰시간 sec, 1.5sec 로용접된두시편모두용접결함없이잘접합되었으며, 마찰과정에서열을받아냉각되는과정에서모재에비해접합부가열처리된조직으로변화하였음을알수있다. 또한마찰시간에따라발열된온도가다르기때문에접합부의조직과연화정도가달라져경도및접합강도변화에영향을끼쳤으리라사료된다. 4. 결론 본연구에서는우수한용접강도와최소의치수변화를위해 SM45C봉재에홀 (Hole) 가공유무에따른접합특성을살펴보았고위실험의결과에마찰시간 t 1 을 sec 에서 3.0sec 까지 sec 씩증가시켜서, 업셋길이변화, 인장시험, 굽힘시험, 경도시험, 현미경조직검사를통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 홀가공한시편이약 7% 의인장강도향상을보였다. 2) 최대인장강도는마찰시간 t 1 이 1.5sec 일때 869MPa 이며모재인 SM45C봉재에비해 103%, SM45C 관재에비해 91% 에해당하는결과이다. 3) 굽힘강도는 1.5sec 일때모재의굽힘강도보다조금낮은 1298MPa 이며그이상의마찰시간에서는 1600MPa 부근으로급격한상승이나타났다. 4) 본실험의결과를고려한최적의조건은회전수 2000pm, 마찰시간 sec, 업셋시간 sec, 마찰압력 55MPa, 업셋압력 75MPa 이다. 참고문헌 1. Vill, V. I : Welding of Metals, Svarochne Proizvodstvo, 3-9(1957), Sang-Yun Lee, Byeong-Soo Yun : Heat Transfer Analysis of Welding of A2024 to SM45C, KSMTE, 10-1(2001), Ho-Shin Jeong : Fundamentals and Basic Application of Welding, KWS, 15(1997) Spindler, D. E : What Industrial Needs to Know about Welding, Welding Journal, Mar (1994), Nicholas, E. D : Where Industry Uses Welding, Welding Design and Fabrication, Aug (1997), Joong-Hoon Jeong : A study on the Welding Poperties of SM25C Carbon Steel Rod and SMn420 Alloy Steel Pipe, M. S. Thesis(2001), Chung-Nam Univ 7. K. Oagawa, H. Yamaguchi, S. Kaga and K. Sakaguchi : Optimization of welding Condition for S45C Carbon Steel Using a Statical Techique Tansactions of the Welding Society, 24-2(1993), Keun-Hyung Park, Taeg-Ki Min, Young-Joo Yoon and Chang-Soo Park : A Study on the Joint Properties accoding to the Welding Area Change of Carbon Steel(SM45C), KSMTE, 15-1(2006), 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 163