49 연구논문 STS429L 겹침용접부의파단특성에관한연구 최동순 * 김재성 * 김현재 * 이보영 **, * 한국항공대학교공과대학항공우주및기계공학부대학원 ** 한국항공대학교공과대학항공우주및기계공학부 A Study on Characteristic of Fracture in Lap Joint Welded STS429L Dong-soon Choi*, Jae-seong Kim*, Hyun-jae Kim* and Bo-young Lee**, *Graduate School, Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi 412-791, Korea **Dept. of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi 412-791, Korea Corresponding author : bylee@kau.ac.kr (Received March 26, 2009 ; Revised June 2, 2009 ; Accepted September 22, 2009) Abstract Recently, a demand of ferritic STS is increasing rapidly in automobile exhaust system. Exhaust manifolds are the part nearest to the engine so that the material is exposed to high temperature exhaust gas. Excellent heat resistant properties, especially high temperature strength, thermal fatigue resistance and high corrosion resistance are necessary for these parts. STS429L contains 15 weight percent of Cr and low Mo, so has good price competitive. And it has excellent high temperature strength and corrosion resistance, so receives attentions as material that applying to exhaust manifold. In tensile test of lap joint welded STS 429L, most of specimens are failed in base metal, but occurs brittle fracture in weld metals at some specimens in the face of good welding conditions. In the process of tensile test, lap joint welded STS429L specimens are transformed locally. The brittle fracture occurs that local transforming area exists in weld metals. But, butt welding specimens made by same materials showed ductile fracture in tensile test and bending test. In this study, suppose the reason of brittle fracture is in the combined local transform and tensile stress, through analysis of bead geometry, evaluate geometrical factor of brittle fracture in lap joint welded STS429L. Key Words : STS429L, Lap joint, Exhaust manifold, Automobile industry, Ferritic stainless steel, Bead geometry, Brittle fracture 1. 서론 최근자동차배기계의보증연한이길어지고엔진성능향상에따라배기가스의온도가높아지면서, 배기계소재에더높은고온특성및열피로특성이필요해졌다. 보통구상흑연주철로대표되는주철소재가지금까지배기매니폴드에적용되어왔으나, 점차적으로배기가스의온도가상승함에따라내열성에서한계를나타내고있다. 경량화와환경문제에관한요구까지더해지면서, 위요구들을모두만족할수있는다른소재에의관 심이높아지고있다. 그중페라이트계스테인리스스틸은오스테나이트계스테인리스스틸에비하여가격면에서유리하고, 고온강도및내식성이우수하며, 열팽창계수가낮다는장점을가지고있어이소재에대한관심이증대되고있다 1). STS429L 은페라이트계스테인리스스틸중 15Cr wt% 의소재로서, 배기계부품중에서도가장높은고온강도와열피로특성을요구하는부품인배기매니폴드에적용되고있는소재이다. 스테인리스스틸의내열성과산화한계온도는우선적으로 Cr 함량의영향을받는다 1). 하지만 STS429L 은 15Cr wt% 계이면서도다른 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 2009 年 10 月 519
50 최동순 김재성 김현재 이보영 배기매니폴드용 18Cr wt% 소재인 STS 430J1L에버금가는산화한계온도 (950 ) 와고온강도 (21N/ 2, at 900 ) 를가지고, 고온내식성이우수하여향후지속적으로적용될것으로기대가되는소재이다 1-2). STS430LNb wire를사용한 STS429L 의 MAG 맞대기용접부의인장강도는모재와비슷하며용접금속에서연성파단이발생한다고밝혀져있다. 3) 하지만실제배기매니폴드의제작현장에서는제품의복잡한형상으로인한성형시의공차발생및가공의난해함등을이유로맞대기이음을사용하지않고, 겹침이음을사용한다. 따라서현장용접조건을최대한모사하고올바르게적용하기위해서겹침이음에대한정적강도및파단특성을연구할필요가있다. 이는차체에장착된배기매니폴드의경우높은고온에의한피로및엔진, 차체에서오는진동에의한피로또한손상을일으키는원인이되기때문이다. 이에본연구에서는, 단순인장실험으로배기매니폴드소재의기초적인겹침용접이음의파단특성을용접부단면형상분석을통해확인하고자하였으며, 실제차량테스트에서활용할수있는조건을확보하기위해엄격한용접조건을선정하였다. 본실험에사용한용접기는 Hitachi 社의 350CAⅡ 용접기이며, 보호가스로는 Ar 98%+O2 2% 혼합가스를사용하여 PB( 아래보기필릿 ) 자세의 MAG 용접을실시하였다. 본연구에서는다양한용접부의형상을제작하여형상인자에의한파단특성을도출하기위하여 Fig. 1 에나타낸용접조건과입열량을변화시켜기초실험을통하여우선적으로적정한용접조건의범위를도출하였다. 기초실험에서선정한용접조건범위와생산현장의용접속도를고려하여용접속도를 60cm/min, CTWD 를 13 로고정하여 Table 3과같이 8개의조건을선정하였으며, 200*130의 STS429L 판재를 5 겹쳐용접하였다. 2.3 인장시험인장시험에사용된시험기는 Shimadzu 社의 AG- 10TA 이며, 인장속도는 Test speed를 50/min로하여시험을진행하였다. 인장시험시편의채취및제작은 Fig. 2와같이 KS표준규격 5) 을따랐다. 2. 실험방법 2.1 사용재료본실험에사용한재료는 STS429L 이며, 두께 2의냉간압연재이다. 용접와이어는 STS430LNb 재질의 Solid wire로, 두소재의화학조성은 Table 1과같다. Table 2는 STS 429L의기계적물성을보여주고있다. CTWD Fig. 1 welding conditions Torch angle Teaching distance 2.2 겹침이음용접 Table 1 Base metal Filler wire STS 429L STS 430LNb Chemical compositions of STS429L sheet and STS430LNb wire (wt%) C Cr Mo Nb Ni Si Mn P S 0.007 15.0 0.01 0.33 0.13 1.02 0.27 0.02 0.001 0.01 18.5-0.45-0.50 0.50 0.013 0.003 Table 3 Welding conditions and results of lap joint tensile test No. Heat input (kj/cm) Teaching distance Torch angle ( ) Number of weldment fracture specimens No. 1 2.17 0.5 45 0/5 No. 2 2.17 0.5 50 1/5 No. 3 2.17 0.5 60 0/5 STS 429L Table 2 Mechanical properties of STS429L Yield Strength [MPa] Tensile Strength [MPa] Max. Bending Strength [MPa] Fracture Elongation [%] 360 480 640 19 No. 4 2.17 1.0 50 1/5 No. 5 1.78 0.5 50 1/5 No. 6 1.97 0.5 50 1/5 No. 7 2.39 0.5 50 0/5 No. 8 2.60 0.5 50 0/5 520 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 2009
STS429L 겹침용접부의파단특성에관한연구 51 Table 4 Tensile test specimen Unit: 5 120 120 Cross section analysis specimen Fig. 2 Schematic illustration of making specimens 3.1 인장시험결과 3. 실험결과및고찰 겹침이음과모재및맞대기이음의인장강도 3) 를비교한데이터를 Table 4에나타내었다. 겹침이음시편은전체적으로모재나맞대기이음의인장강도값에비해낮게측정되었으며, 이는겹침이음에서나타나는형상적인특징으로인해토우부및루트부가응력이집중되는노치로작용하여상대적으로낮은값이나온것으로판단된다. 겹침이음의각용접조건당 5개시편의인장시험을실시한결과총 40개의시편중 36개의시편은모재에서연성파단이발생하였다. 이는모두용접부에서파단이발생한맞대기이음의인장시험과는다른결과로 3), 덧살을제거하지않고인장시험을실시함에따라보강덧살로인한인장하중분산이그원인인것으로판단된다. 세부적인파단양상을 Table 3에서살펴보면, 4개의조건에서각 1개씩의용접부파단이발생하였다. 용접부파단은파단부단면의수축이거의보이지않은순간적인파단으로, 파단위치또한 HAZ나 fusion line이아닌용접금속을가로질러발생하였다. 이전맞대기용접을실시한시험편의경우모든시험편이용접부에서연성파단의양상을보였으나 3), 겹침용접의경우동일한조건에서용접하였음에도불구하고맞대기이음과는달리 Tensile properties of base metal, butt joint and lap joint of STS429L 20 일부용접부에서순간적인파단이발생하였다. 이는고입열조건으로용접한 STS 400계열의경우상온인장시험시모재파단이일어나는것을볼때 4), 고온에서나타나는크롬탄화물 (Cr 23C 6, Cr7C3) 과같은입계석출물등에의한파단보다는용접부의형상이더큰영향을준것으로판단된다. 3.2 단면형상분석 3.2.1 표준규격형상인자의분석 용접부단면형상측정은우선 Fig. 3과같이 KS 표준규격 6) 에정의된 Penetration, 각장 (Leg length) 을측정하였으며, 각치수가파단형태에미친영향을보기위하여측정결과를파단위치별로분류하여 Fig. 4에나타내었다. Fig. 4에서제외된형상인자인목두께는이론목두께로, 각장을양변으로하는이등변삼각형의높이에해당하여 {( 각장 )/ } 로나타낼수있어각장의길이에비례하므로제외하였다. 각장은 KS표준규격 5) 에서의정의에따라용접금속에내접하는직각이등변삼각형의한변의길이를적용하였다. 그결과 No. 3과 4의시편을제외하고모든시편의각장 1이모재두께인 2를넘는것으로나타났 Penetration Leg length Theoretical throat Fig. 3 KS standard geometry factors 2.2 2.1 2.0 Failed at base metal Failed at weld metal 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 Base metal Butt joint failed at base metal Lap joint failed at weld metal 1.9 1.8 0.8 0.6 0.4 Tensile strength (MPa) 510 510 462 448 1.7 Leg length 0.2 Penetration Elongation (%) 19 16 16 10 Fig. 4 Results of analysis on KS standard geometry factors 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 2009 年 10 月 521
52 최동순 김재성 김현재 이보영 으며, No.3 시편도 1.97로모재두께에거의근접한것으로나타났다. 순간적인파단이발생한시편중 No.4 시편은각장 1의길이가 1.8 로나타나, 기본적으로변형집중부위의두께가부족할경우인장하중이집중되면서취성파단과같이용접금속이순간적으로파손된것으로판단된다. 또한각장의길이가 2.15 이상인경우에도용접금속의순간적인파단이일어났다. 덧살은일반적으로인장시험시하중을분산시켜주는역할을하지만, 인장초기에국부변형이발생하는겹침인장시편의경우일정두께이상의덧살은국부변형부위의변형진행을방해하여, 인장시험기에서더큰인장하중이인가되어도변형이완료되지않아복합하중을변형부위에집중시키는것으로판단된다. Penetration 은 0.5 이내의작은값에서용접금속에서순간파단이발생하는경향을보였으나, No. 2 시편에서 1.49의값에서도용접금속의순간적인파단이발생하여, 용접금속파단에영향을미치는주요한인자라고판단하기엔충분치않다. 3.2.2 표준규격외형상인자의분석 KS 표준규격은구조물의바람직한이음부설계를목적으로규정된것으로, 용접성에하자가없어구조재로많이사용되는재료와형상을바탕으로제안되었다. 그러므로최근까지용접성에대한연구가충분하지않아, 구조재로사용하지않은박판재의페라이트계스테인리스스틸에표준규격을그대로적용하는것은바람직하지않다. No.5의시편용접부단면의인장시험전의형상과인장시험후모재와용접부에서각각파단이발생한시편의단면을 Fig. 5에나타내었다. 박판재겹침이음의인장시험은특징적으로인장시험중루트부와토우부에서국부적인소성변형이집중적으로일어나고, Fig. 5의 b) 에서보는바와같이모든용접금속파단시편이두부위중상판쪽의변형부위에서용접금속을횡단하여순간적으로파단이발생하였다. 따라서상판에만존재하는루트부의노치형상과국부적인다축 Before tensile test After tensile test a) 응력집중이이용접금속의파단에영향을미쳤다고판단할수있다. 실제시편의경한정도를확인하기위해인장시험전후에경도시험을실시하여평균값을 table 5에나타내었으며, 그중 No. 2 시편의수평경도분포를 fig. 6과 Fig. 7에서보여주고있다. x축의거리는상판의 fusion line을 0으로한거리이며, 측정간격은 0.2 이다. Fig 6과 fig. 7에서보는바와같이인장시험전의경우평균적으로 180 (HV 0.2) 정도의경도분포를보였으나, 인장시험후파단면을중심으로왼쪽편의경도가다른부위에비하여평균 250 (HV 0.2) 으로높게측정되었다. 이는파단면의가까운곳부터국부적인경도상승이진행되었음을의미한다. 결국, 다축응력의집중과노치형상의존재는겹침이음의인장시험시용접금속의경도를상승시키고이에따라취성파단과같이순간적으로파손시킨다. 지금까지의분석들을토대로하여표준형상인자보다는국부변형부위를기준으로하는형상인자의분석이필요하다고판단하여 Fig. 8과같이 L 1, L 2, θ 1, θ 2 의형상인자를설정하였다. 또한각인자를측정하여그결과를 Fig. 9에나타내었다. Table 5 Average of the hardness value before and after tensile test Hardness(HV 0.2) 측정부위 인장이전경도 (HV0.2) 인장이후경도 (HV0.2) STS429 180±30 280±30 300 280 260 240 220 200 180 160 Fig. 5 Local plastic deformation b) Results of tensile test (No. 5) a) Failed at base metal b) Failed at weld metal -3-2 -1 0 1 2 Distance of center Fig. 6 Horizontal hardness distribution of No. 2 specimen before tensile test 522 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 2009
STS429L 겹침용접부의파단특성에관한연구 53 Table 6 Comparisons of θ 1 and actual deformation angle Hardness(HV 0.2) 300 280 260 240 220 200 180 160-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 Distance of center Fig. 7 Horizontal hardness distribution of No. 2 specimen after tensile test 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 Fig. 8 Additional geometry factors 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 Failed at base metal Failed at weld metal Ratio 160 140 120 100 80 60 40 20 L 1 L 2 θ 2 Fig. 9 Results of analysis on additional geometry factors 0 No. L 1/L 2 (tanθ 1) θ 1 Actual deformation angle( ) error (%) 1 0.298 16.6 17.08 2.8 2 0.312 17.31 17.86 3.1 3 0.277 15.51 15.90 2.5 4 0.330 18.25 18.89 3.4 5 0.470 25.16 25.91 2.9 6 0.351 19.36 20.13 3.8 7 0.276 15.42 15.80 2.4 8 0.240 13.48 13.74 1.9 분석에서각장의변화에따른용접금속의순간적인파단이발생하지않는범위를알수있었으나, 그범위가 1.95-2.15 정도로매우좁고실측시오차에의한한계가존재하여용접금속의순간적인파단의원인으로판단하기에는무리가있다. L 2 는하판의각장으로, 7 정도를기준으로길이가부족할경우용접금속에서취성파단과같은순간적인파손이일어났다. L 1 의길이가동일할때 L 2 의길이가짧으면겹침이음인장시험시변형부위의변형각도가증가하여루트부의다축하중도증가하는것으로판단된다. 만약인장시험중변형집중부위에서만변형이발생하고상판과하판이인장방향과완전히일치한다고가정한다면, 이변형각도는 L 1 과 L 2 를양변으로하는직각삼각형의 L 2 쪽예각, 즉 θ 1 과같아진다. 이러한가정은 Fig. 5에서보는바와같이실제인장시험후시편의단면을볼때상당히적절하다는것을알수있다. 실제인장시험후시편이변형된각도와 θ 1 을비교해보면 Table 6에서보는바와같이거의일치함을확인할수있으며 θ 1 이 17도이상일경우용접금속에서파단된다. 이는자동차배기매니폴드소재로주로사용하고있는페라이트계스테인리스스틸의겹침이음에대한안정화된용접조건을확보하기위해서는 KS 표준규격에서규정하고있는각장만을적용하는것보다상판과하판의각장을변수로구분하여적용하는것이적절하다고사료된다. θ 1 은 tan -1 (L 1 /L 2 ) 이므로 θ 1 의직접측정이곤란한경우 L 1 과 L 2 의길이를측정하여그비를사용할수도있다. Table 6에나타낸 L 1 /L 2 의비가약 0.3 이상일경우용접금속에서취성파단과같은순간적인파손이발생하였다. 4. 결론 L 1 은표준규격에서의각장과같다. 표준형상인자의 페라이트계스테인리스스틸인 STS 429L 의겹침용 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 2009 年 10 月 523
54 최동순 김재성 김현재 이보영 접금속에대한파단특성을요약하면다음과같다. 1) STS 429L 겹침이음의인장강도는모재보다우수하나간헐적으로용접금속에서취성파단과같은형태로순간적인파단이발생하며, 이는이음형태자체의형상적원인에서기인한다고판단된다. 2) KS 표준규격에명시된용접부단면형상인자에대하여분석하여본결과각장이 1.95 2.15 사이일때인장시험시용접금속의순간적인파단이발생하지않음을알수있었다. 3) 집중변형부위를중심으로형상인자를정하고분석해본결과 KS 표준규격에서의각장 (L 1) 과표준규격외형상인자인하판의각장 (L 2) 이변형부위의변형각도에영향을주는것으로분석되었으며, 이에 L 1/L 2 의비를사용하여배기매니폴드에사용되는페라이트계 STS 소재의겹침이음용접시발생하는용접금속의순간적인파손을해결할수있을것으로판단된다. 참고문헌 1. Sang-gon Ahn : A recent tendency on development, techniques of manufacturing and welding of STS used in automobile exhaust system, A institute of welding techniques, 10-1(1994), 1~26 2. Beddoes J, Parr JG, : Introduction to stainless steels, ASM International (3rd ed), 1998 3. Gyeong-cheol Lee, Young-gi Lee, Jae-seong Kim, Bo-young Lee, Soon-woo Kwon and Do-seok Han : A Study on the Mechanical Properties of MAG Weld on Ferritic Stainless Steel Sheets, KWJS 2008 spring, 49-61(2008), 69~69 (in Korean) 4. Young-gi Lee, Jae-seong Kim, Gyeong-cheol Lee, Bo-young Lee, Sung-kyu Hong : Characteristics of aging treatment in ferritic stainless steel welds, KWJS 2008 autumn, 50-28(2008), 45~45 (in Korean) 5. KS B 0841 Destructive test on welds in metallic materials Tensile Test on cruciform and lapped joints, KSJC, 2001 6. KS B ISO 5817 Arc-welded joints in steel Guidance on quality levels for imperfections, KSJC, 2007 (in Korean) 후 기 본연구는국가지정연구실 (No.M20604005402-06B0400-40210) 사업의일환으로수행되었기에이에감사드립니다. 참 조 시편번호 단면형상 파단수 (5 개중 ) 각장 KS 표준규격 목두께 용입 L 1 표준규격외형상인자 L 2 θ 1( ) θ 2( ) No. 1 0 2.09 1.4779 1.17 2.09 7.01 16.6 141 No. 2 1 2.21 1.5627 1.49 2.21 7.09 17.31 145 No. 3 0 1.97 1.393 0.35 1.97 7.1 15.51 0 No. 4 1 1.8 1.2728 0.13 1.8 5.46 18.25 134 No. 5 1 2.4 1.6971 0.11 2.4 5.11 25.16 0 No. 6 1 2.15 1.52.3 0.45 2.15 6.12 19.36 0 No. 7 0 2.14 1.5132 1.75 2.14 7.76 15.42 152 No. 8 0 2.11 1.492 1.78 2.11 8.8 13.48 157 524 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 2009