69 연구논문 김용 * 양현석 * 박기영 * 이경돈 * * 고등기술연구원로봇생산기술센터 Effects of Nd:YAG Laser Welding Parameters on Fatigue life of Lap Joint Structure in Stainless Steel Yong Kim* Hyun-Seok Yang* Ki-Young Park* and Kyoung-Don Lee* *Institute for Advanced Engineering, Yongin, Gyeonggi-do, 449-863, Korea Abstract Spot welding which use the main process for side block production of stainless steel railway vehicle is legged behind in laser welding about a quality and productivity. Although the laser welding has many potential advantages such as low heat input and aspect ratio of weld bead, its application to a new structural component still is required many engineering data including mechanical properties such as tensile, fatigue strength, etc on. Therefore, experimental analysis was carried out to understand the fatigue phenomena of different thickness stainless steel overlap joining panels by Nd:YAG laser welding. The fatigue life curves were obtained through fatigue tests with the various levels of applied load. The fatigue life is related with the parameters such as gap size and penetration depth through experiment. As the results, tensile strength and fatigue life were proportional in heat input level and gap was identified the major factor for fatigue life. Also we could know that deferent δ-ferrite content at HAZ depend on welding heat input was important factor to determine a formation of initial crack and total fatigue life cycle. * Corresponding author : welding@iae.re.kr (Received November 27, 2007) Key Words: Stainless Steel, Laser Welding, Fatigue life, Overlap Joining, Railway Vehicle, δ-ferrite 1. 서론 현재철도차량에사용되는스테인리스강판의전동차차체를제작하는데대부분이저항용접을이용하고있으나최근레이저의급속한발달로이를적용한차체개발이가속화되고있다. 기존의저항용접은전극을모재에가압하는방식으로접합하기때문에가압에의한외판표면의용접압흔발생으로인해미려도가저하되는본질적문제외에도일정간격으로접합되어구조강도피로강도가심 (seam) 용접된일체형구조에비하여현저히떨어지며용접건에의한접촉식용접으로접촉부위의폭을일정이상유지하여야한다 1). 따라서현재의 저항용접기술은최근의에너지절감및경량화추세에미흡한생산기술이다. 이에반해레이저용접의경우저항용접에비해생산성뿐만아니라우수한기계적성질및미려한용접부외관을얻을수있다는장점이있다 2). 따라서이를극복하기위해최근에유럽, 일본등철도차량선진국에서스테인리스강판으로제작된전동차객차나선박및버스등의차체패널등에레이저용접을적용하여고품질의경량패널을적용하는연구가활발히진행중에있으며일부는이미공정안정화상태에접어들어양산화되고있다 3). 그러나이와같은레이저용접을적용하기위해서는용접공정개발외에도공정에적합한레이저발진기의선택, 자동화된시스템 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 69
70 김용 양현석 박기영 이경돈 및제어기술등많은연구가필요할뿐만아니라차체의최대요구조건인안전성을만족시키기위한접합부의인장, 피로강도및기타기계금속학적특성에관한정량적인데이터가요구된다. 특히, 최적의공정조건을얻기위해서는차체수명에결정적인역할을하는피로강도에대한선행연구가필요한실정이다. 따라서본연구에서는스테인리스 301L강의이종두께겹치기용접에서부분용입이피로수명에영향을미치는공정인자를파악하고자하였으며, 이를위하여용접속도및갭 (gap) 크기를주요변수로놓고실험을실시하였다. 2. 실험방법 2.1 실험장치및재료 본연구에사용된레이저발진기는빔직경이 600μm, 초점거리 200mm인 HL3006D 3KW CW Nd:YAG 발진기로본실험에서는발진기의최대효율을사용하기위해최대출력인 3kW로고정하여실험하였다. 레이저헤드는 6축로봇에장착하여사용하였으며초점위치는재료상부표면에일치하도록하였다. 실험에사용한스테인리스 301L 강판은 180 180 mm 사이즈로상판 1.5t, 하판 2.0t로놓고전자석클램프로고정하였다. 또한갭의유무에따른접합강도의변화를파악하기위해 0.1mm 두께의칩 (chip) 을용접선좌우로정렬하여인위적으로갭을생성시켰으며, 실험에사용된 STS 301L의화학조성및기계적성질은 Table 1 및 Table 2와같다. 2.2 용접조건및시험편제작시편은 180 180 mm 사이즈로끝단 40mm 가서로겹치도록용접하였다. 보호가스로는 He을사용하였으며노즐직경 4mm로레이저빔을뒤따라가도록공급하였고그유량은 15L/min으로고정하였다. 용접조건은예비실험을통하여부분용입깊이가하판을기준으로 0.3, 0.6 Table 1 Chemical composition of STS 301L 및 0.9mm 가되도록하였으며그속도는각각 5.0, 4.2 및 3.4m/min로나타났다. 이세가지용접조건에대해각각갭이없는상태와갭이 0.1mm 존재하는시편을제작하였으며각조건에대해 2세트씩용접하였다. 용접된시편은각장당인장시편 2개, 피로시편 3개및단면관찰을위한샘플 1개가채취되었으며, 단면분석결과실측용입깊이와비드폭은 Table 3과같이측정되었다. 인장및피로시험편은 Fig. 1과같이 KS B 0802 및 KS B 0851에따라제작하였으며레이저용접부윗면비드에대해서는용접부언더컷에의한노치효과를방지하기위한별다른기계가공은하지않았다. 2.3 인장및피로시험방법 본연구에사용된인장전단및피로시험장비는최대 100KN의용량을갖는유압식만능재료시험기로수행되었다. 인장전단시험조건은하중제어방식으로초당 65N의하중을적용하였으며, 시험결과를토대로하중- 변위선도를작성하였다. 항복하중의경우는통상적으로사용되는방법인 0.2% 오프셋항복강도 (offset yield strength) 를구하였다. 실험은각용접조건당 2세트씩실시하였으며실측갭의크기를광학현미경으로측정, 기록하였다. 피로시험의경우, 응력제어식피로하중 (stress controlled fatigue loading) 형태의고사이클피로시험을하였으며, 1축반복인장하중형태로적용하였다. 응력비 (Load ratio) 는압축하중없이 0부터설정된최대하중 Specimen No. Table 3 Test specimen conditions Welding speed (m/min) gap (mm) Depth (mm) Width (mm) 1 3.4 0.89 1.15 2 4.2 0 0.60 1.12 3 5.0 0.32 1.04 4 3.4 0.88 1.16 5 4.2 0.1 0.62 1.12 6 5.0 0.34 1.04 Material C Si Mn Ni Cr Others R=4 P : Tensile load % 0.03 1.0 2.0 6~8 16~18 N2.0 P1 welded line 12.5 20 P2 Table 2 Mechanical Properties of STS 301L Y.S T.S E.L Material Hv (MPa) (MPa) (%) Partial Penetration Fig. 1 Specimen for tensile-shear and fatigue test STS 301L 215 550 45 200 70 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 2008
71 값 (load level) 까지가하는 R=0 방식으로하였다. 이때그주기는 20Hz 로하였으며, 5Hz 간격으로시간, 횟수, 하중및변위량에대한결과를얻었다. 겹치기용접부에대한항복하중은선행인장전단시험결과, 평균 5,124N이나왔고편의상 5,000N으로결정하였으며이에대해기본적으로 70, 50, 30, 25 및 22% 의하중값을준뒤파단될때까지의피로주기를기록하였다. 또한 1 10 6 까지파단되지않고견디는경우를피로한도 (fatigue limit) 로정의하였다. 항복하중을 5,000N 으로설정하였을때적용된피로하중값은 Table 4와같다. 3. 결과및고찰 3.1 용접변수에따른인장전단시험결과 일반적으로피로시험을수행하기위해서는원소재의항복응력값을기준으로피로하중값을설정한다. 실제 STS 301L의경우기계적성질은항복응력이 215MPa 이상, 인장응력은 550MPa 그리고경도는 Hv 200 이하로규정되어있다 4). 응력은단위면적당받는하중으로정의되는데, 겹치기용접과같은특수한구조를갖는경우단면적에대한정의가불명확하다 5). 따라서별도의인장시험을통해항복하중을구해야하며, 응력-변형률선도가아닌하중-변위선도를가지고결과를취급한다. 즉, 동일한용접부넓이를갖는시편만이본실험데이터와비교될수있다 ( 본연구에서는시편넓이를 12.5mm로가공함 ). 이와같은이유로피로시험에앞서항복하중을선정하기위한선행실험으로인장전단시험이수행되었으며, 각조건별로최대인장전단하중및항복하중을도출하였고, 용접변수에따른하중값을비교분석하였다. 인장전단실험은각용접조건당 2세트씩진행되었으며그결과는 Fig. 2와같다. Fig. 2는각용접조건에대해최대인장전단하중및항복하중의변화를나타낸그래프인데, 항복하중의경우용접조건에상관없이평균항복하중 5,124N을기준으로거의일정한값을나타내었으나, 인장전단하중의경우입열량이적은조건에서하중이비교적약하게나타났다. 또한갭의유무는인장 Load(N) 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 No gap Gap 0.1 Peak Load Yield Load 3.4m/min 4.2m/min 5.0m/min 3.4m/min 4.2m/min 5.0m/min Welding condition Fig. 2 Results for Tensile-shear load depend on weldin g parameters 전단하중에별영향을미치지않았으며 STS 301L 모재의항복하중과겹치기용접된시편과는그결과에대해상관관계가없었다. 그이유는겹치기용접부에서전단응력이추가적으로작용했기때문으로사료된다. 파단은용접조건에상관없이 Fig. 3과같이용접부가슬립 (slip) 되는형태로파단되었으며이를응력의개념 ( 단위면적당받는하중 ) 으로생각할때비드폭에전체적으로작용하는전단응력이파단에큰영향을준것으로판단된다. 3.2 피로시험결과 피로시험은기본적으로피로하중값에따라 2 세트씩진행되었으며각로트 (Lot.) 에대해예측수명의오차가심하게나는경우에한해추가적인실험을실시하였다. 실험결과는적용하중에따른파단주기의평균값으로계산하여 Table 5에나타내었으며실험오차범위내에서모든피로하중에따른파단주기의경향은비슷하게나타났다. 시험결과는레이저용접공정변수중크게용입깊이 ( 입열량 ) 와갭의유무에따라비교할수있는데, 일단용입깊이에따른피로한도에대해비교해보면, 용입의증가로인해향상된피로수명을얻을수있다는것을 Table 4 Applied fatigue load level conditions Test No. Fatigue level (%) Test value (N) 1 70 3,500 2 50 2,500 3 30 1,500 4 25 1,250 5 22 1,100 Fig. 3 Specimen after tensile-shear test 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 71
72 김용 양현석 박기영 이경돈 Table 5 Results of fatigue test *Fatigue limit = 1 10 6 Specimen Fatigue load level (N) No. 3500N 2500N 1500N 1250N 1100N 1 11833 43693 209436 457416 limit 2 11493 36458 235069 382746 limit 3 9888 38967 188774 331458 limit 4 10413 43613 159033 216388-5 9614 31378 172218 210616 317376 6 8253 26254 128856 209873 284975 알수있으며이는 Fig. 4 및 Fig. 5에나타내었다. 두 그래프는각각갭이없는상태와및갭이존재하는시 편에서입열량에따른피로수명을나타내는그래프로서 동일한하중값에서입열량에따라피로수명은적용하 중값이작을수록그차이가현저히나타나는것을확 인할수있으며 1,250N의피로하중조건에서는용입깊 이에따라최대 27% 정도의수명차이를나타냈다. Fig. 6은이러한결과를더욱쉽게확인하기위해제시 된그래프로서갭이없는상태에서각각 3,500N 및 1,250N의피로하중에서용입깊이의증가로인해비교적선형적으로수명이증가되는현상을확인할수있었다. 시험결과갭의존재유무또한피로수명을결정짓는데중대한영향을미치는것으로나타났으며이는 Fig. 7에나타내었다. Fig. 7은하판기준각각 0.3 및 0.6mm 의용입을갖는시편에서갭의유무에따른피로수명저하정도를나타내고있는데, 용입깊이또는적용하중에상관없이갭의존재는피로수명을현저히저하시키는요인이되는것을알수있다. 실제시험결과갭이없는상태의경우겹치기용접부항복하중인 5,000N 의약 22% 인 1,100N에서피로한도에도달하였으나갭이 0.1mm 존재하는경우파단수명은 317,376 cycle로그차이가현저히저하된결과를보더라도이음부의관리가피로수명을결정짓는매우중요한인자가될것으로판단된다. 이러한결과는갭이피로하중적용시노치효과로인해국부적응력집중발생정도가갭이없는상태보다더욱심했기때문으로사료되며인장전단시험결과와는반대로갭의존재유무가피로수명을결정짓는 500,000 450,000 350,000 250,000 200,000 150,000 100,000 0.9mm 0.6mm 0.3mm 500,000 12,000 11,000 at 3,500N at 1,250N 50,000 10,000 0 1,250N 1,500N 2,500N 3,500N 9,000 0.3 0.6 0.9 Load[N] Penetration depth[mm] Fig. 4 Relationship between fatigue life and ation depth on no gap condition penetr Fig. 6 Relationship between fatigue life and ation depth depend on load level penetr 500,000 450,000 350,000 250,000 200,000 150,000 100,000 0.9mm 0.6mm 0.3mm 450,000 350,000 250,000 200,000 150,000 12,500 10,000 0.6mm at 3,500N 0.3mm at 3,500N 0.6mm at 1,250N 0.3mm at 1,250N 50,000 7,500 0 1,250N 1,500N 2,500N 3,500N Load[N] Fig. 5 Relationship between fatigue life and penetr ation depth having gap 0.1mm 5,000 No gap Gap 0.1 Gap condition Fig. 7 Variation of fatigue life depend on depth and loa d at no gap condition 72 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 2008
73 최대공정인자로사료된다. 3.3 용접부기계 / 금속학적특성 3.3.1 용접부금속학적변화문헌에따르면오스테나이트계스테인리스강용접부에서적절한 δ-페라이트함량의제어는필수적이다. 5~10% 정도의적절한 δ-페라이트의존재는고온균열 (Hot cracking), 응력부식균열및공식 (pitting corrosion) 에대한저항성을향상시켜주지만, 너무과하면연성이나, 인성그리고부식저항성이감소되며, 너무적은량은응고균열을야기시킬수있다 6). 본실험에사용된 STS 301L 강의경우니켈당량이 9.5%, 크롬당량이 20% 로서쉐플러선도를통해전체적으로약 15% 의페라이트가존재할것으로예측할수있다. 그러나입열량및냉각속도에민감한페라이트의함량및그형상은큰폭으로변할수있으므로, 화학조성만으로예측되는쉐플러선도의페라이트함량은실제값과차이가나게된다 7-9). 즉최종형성되는페라이트는페라이트의초정 (primary) 변태양상및입열량과냉각속도에따라최종적인함량이결정되는것이다. Fig. 8은용접부에존재하는페라이트형상을보여주고있다. 용접시생성되는 δ-페라이트는빠른냉각속 (a) b 20 µm 도로인한비평형응고조직으로서, 현미경관찰결과전체적으로 γ-오스테나이트상의기지위에 δ-페라이트상이형성된모습이관찰되었다. 또한모든용접조건에서 HAZ 부근의 δ-페라이트가용융부중앙보다더욱많이존재하였는데이는 HAZ 부분의온도변화가급격하여초정페라이트가오스테나이트로변태하는시간이용융부중심부보다더욱짧기때문이다. δ-페라이트는 FCC 의격자구조를가지며이는 γ-오스테나이트의 BCC 구조에비해강도가높고또한취성의성질을갖게되어 HAZ 부분에집중된 δ-페라이트분포는용접후가장취약한부위로나타나게되며 10-11) 모든시험편에서 HAZ 라인에서파단이일어난사실이이러한근거를뒷받침한다. 본실험에서는 HAZ부분의 δ-페라이트함량만을정량적으로측정하기는어려웠으나경도측정및기존에발표된결과들을근거로 7-9) 저입열로용접된시편일수록피로수명이적게나타나는결과또한 HAZ 부분의페라이트집중에따른강도저하때문으로판단할수있다. 3.3.2 경도분포입열량차이에의해형성되는 δ-페라이트함량차이가어느정도의취성구조를가지고있는지확인하기위하여경도를측정하였다. 경도는비커스경도계로측정하였으며적용하중을 1kg f 로설정하였다. 하판 (2.0t) 윗면기준 0.2mm 아래깊이에서 0.3mm 간격으로측정하였으며측정구간은열영향부를완전히벗어날때까지충분히긴구간으로범위를설정하였다. Fig. 9는각각레이저용접부에서의경도변화를나타낸그래프인데일반적인용접시편의경도측정결과와마찬가지로 HAZ 부분에서최고경도를나타냈다. 최고경도값은용접입열량이적을수록모재와의경도차이 (a) HAZ microstructure in laser weld δ-ferrite Austenite Vickers hardness(hv 1) 250 240 230 220 210 200 3.4m/min 4.2m/min 5.0m/min (b) δ-ferrite distribution Fig. 8 δ-ferrite distribution on HAZ of laser welded for STS steel B.M HAZ W.M HAZ B.M 190-1.5-1.0-0.5-0.0 0.5 1.0 1.5 Distance(mm) Fig. 9 Hardness distribution depend on heat input level 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 73
74 김용 양현석 박기영 이경돈 가현저하게나타났으며용접조건에따라최대 30Hv 정도의차이를나타내었다. 일반적으로경도값의차이가많이발생하는경계면에잔류응력이집중되며, 따라서외부에서응력이가해질때이부위가가장취약한부위가되어초기균열이발생할가능성이가장높다 12). 따라서입열량차이로인해발생된경도차이는페라이트생성정도의차이로인해나타난결과이며이러한사실은미세조직분석결과와도일치한다. 3.3.3 피로시험파면관찰 파단면관찰을위해에칭을하여초기균열이어느위치 ( 열영향부또는모재부 ) 에서시작되었는지확인하였다. 파단면은실체현미경및광학현미경으로각각관찰하였으며그결과는 Fig. 10과같다. Fig. 10은 4.2m/min의속도로용접되어약 0.5mm의용입을갖는시험편에대해 1,500N의반복피로하중을가한뒤파단된시험편에대해나타내고있다. 균열은 (b) 와같이 δ- 페라이트조직이집중된열영향부와모재의경계면에서발생하였으며, 이후입계에상관없이균열이모재쪽으로랜덤하게전파되어파단에이르렀다. 파괴이론의관점에서볼때, 일단취약부에서초기균열이형성되면이후균열의성장에서파단에이르기까지의차이는크지않다. 따라서구조물의수명향상을위해서는초기균열의생성시기를최대한억제시켜야한다. 본연구결과에서입열량이높을수록더높은피로강도를나타내는이유는모재와용접금속간의안정된조직변태 (δ-페라이트함량 ) 때문으로, 건전한접합부를얻기위해서는적절한입열조건을통해 δ-페라이트함량에대한제어가요구된다. 단, 갭이존재하는구조물의경우갭은곧노치로작용하기때문에초기균열이보다일찍생성되고이것이비드폭이나용입깊이와상관없이더욱짧은피로수명을나타내기때문에공정상철저한이음부관리가무엇보다요구된다. Fig. 10 OM result of fracture surface after atigue testin g (a) 100 µm 4. 결론 본실험에서는 STS 301L 강의레이저겹치기용접에서부분용입시피로수명에영향을미치는공정인자를파악하기위해용접입열량및갭의상태를주요변수로놓고인장및피로시험을실시하여그결과를비교분석하였으며다음과같은결론을얻었다. 1) 인장-전단시험결과, 그강도는입열량의증가에비례하였으나, 갭의유무는인장강도에별영향을미치지않았다. 파단은용접조건에상관없이용접부가슬립되는형태로파단되었으며이를응력의개념 ( 단위면적당받는하중 ) 으로생각할때비드폭에전체적으로작용되는전단하중의의한파단이다. 2) 피로시험결과, 저하중이적용될수록용입깊이에따른피로수명의차이가나며임계하중은피로한도를 1 10 6 으로정의할때약 1,100N에서그수명을만족하였다. 모든피로시험편은인장-전단시험편과는달리용접부가슬립되는형태의파단은발생하지않았다. 3) 피로수명은용입깊이 ( 입열량 ) 의증가에따라향상되는결과를보이며, 갭이존재하는경우노치효과를나타내어피로수명을현저히저하시켰다. 이러한경향은저하중에서피로시험시그정도가심하였으므로공정상철저한이음부관리가무엇보다요구된다. 4) 입열량이높을수록더높은피로강도를나타내는이유는모재와용접금속간의안정된조직변태 (δ-페라이트함량 ) 로인해초기균열생성이지연되었기때문이다. 따라서건전한접합부를얻기위해서는적절한입열조건을통해 δ-페라이트함량에대한제어가요구된다. 참고문헌 1. H. Ohaba, C. Ueda and K. Agatsuma : Innovative Vehicle of the A-train, Hitachi Review, 50-4 (2001), 130-133 2. Y. Shimokusu, S. Fukumoto, M. Nayama, T. Ishide, S. Tsubota. Mitsubishi : Heavy Industries. Ltd. Tech. Review, 38-1 (2001), 1-5 3. Sung Il Seo : A Study on the Strength Characteristics of Welded Joints in Aluminum Carbody of Rolling Stock, Journal of KWS, 23-1 (2005), 35-40 (in Korean) 4. G. F. Vander : METAL HANDBOOK(9th Edition), Metallography and Microstructures, ASM Int., 9, (1985), 289-292 5. S. K. Cho et al., Finite Elements in Analysis and Design, 40 (2004), 1059-1070 6. Sindo Kou : Welding Metallurgy (2nd Edition), Wiley Co., 2002, 216-239. 74 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 2008
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