42 연구논문 CD 스터드용접의해석및결함분석 Part 2 : 기공제어 오현석 * 유중돈 ** * 현대모비스, 응용기술연구부 ** 한국과학기술원, 기계공학과 Analysis of CD Stud Welding Process and Defects Part 1: Control of Void Hyun-Seok Oh* and Choong-D. Yoo** *Hyundai MOBIS Technology Research Institute, Yongin, Gyunggi-do 446-912, Korea **Dept. of Mech. Eng., KAIST, Daejeon 5-71, Korea Abstract Since the oids occur at the CD stud welds, the mechanism of oid formation and oid reduction method are inestigated in this work. It is speculated that the oids are formed because of high short-circuit current aboe A. When the simple flow model is used to estimate the oid trapping condition, the most oids are trapped at the weld mainly due to fast cooling rate of the CD stud weld. Since it is almost impossible to remoe the oids completely, a method is proposed to reduce the oid by decreasing the short-circuit current at the end of the arcing time. The experimental results show that the oid is reduced by decreasing the short-circuit current to A. *Corresponding author : cdyoo@kaist.ac.kr (Receied February 2, 6) Key Words : CD stud welding, Void formation, Flow model, Short-circuit current 1. 서론 ㅜ스터드용접 (stud welding) 은아크열과압력을이용하여스터드를모재에접합시키는공정으로 CD(Capacitor Discharge) 스터드용접은생산성이높고열변형과잔류응력이작기때문에산업현장에널리사용되고있다. 그러나급냉으로인하여용접부의경도가높고다수의기공이발생하기때문에용접부의품질은아크용접에비해낮은것으로알려져있다 1-3). CD 스터드용접에서발생하는결함의원인은정렬불량, 부적절한용접조건등으로다양하지만, 적절한용접조건을사용하는경우에도용접부에기공이발생한다. 급냉에의한용접부의조직변화에관한연구를포함하여 CD 스터드용접의신뢰성향상을위한연구들 이수행되었다 4-6). 실험계획법을이용하여모재표면의도금상태및청결도, 스터드극성및디자인, 모재두께등의공정변수에대한접합부의신뢰성을평가하고자하였다. 스터드의직경이증가할수록접합부에기공이많이발생하고모재표면에아연도금과같은코팅층이존재할경우기공이빈번하게발생함을관찰하였다 5). 또한, 알루미늄의경우에는비정상적으로높은아크전압이발생하는현상을관찰하고, 스터드표면에서코팅층을제거함으로써접합부에서기공을감소시키고접합강도를향상시켰다 6). 기공은아크열에의해모재성분이기화되면서형성된가스가바깥으로배출되지못하고접합부에갇혀서생성되며공정변수의제어를통해기공을감소시켰다고보고된바있다 7). 그러나이는재료특성에기인한것으로일반적인 CD 스터드용접에는적용하기힘들 248 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Part 2 : 기공제어 43 다. 강과구리금속에대해서적절한용접조건을사용하는경우에도접합부의기공이발생함이알려져있다 8). 고속카메라를이용하여 CD 스터드용접공정을분석하기위한연구가시도되어다양한현상을관찰하였지만 9), ms 이내의짧은용접시간과강한아크빛으로인하여용접부가형성되는과정을정밀하게관찰하기어렵다. 이와같은연구에도불구하고 CD 스터드용접부에기공이발생하는원인과기구 (mechanism) 에대한연구는미흡한실정이다. 본연구에서는기공발생기구를규명하고, 해석을통하여기공제거의어려움을정량적으로계산하였다. 기공발생기구를이용하여기공을억제하는방법을제시하였다. 2. 기공발생기구 앞에서언급한바와같이적절한용접조건을사용하는경우에도 CD 스터드용접부에기공이발생한다. 그러므로용접부에기공이발생하는원인을용접전류와전압파형및스패터가발생하는용접과정으로부터유 추하였다. Fig. 1은스프링힘에따라변화하는용접전류와전압파형을측정한결과이다. 스터드용접은 3ms 이내에완료되며, 스프링힘을증가시키면스터드의속도가증가하여용접시간이 2.6ms 에서 2ms 로단축되고주로아킹 (arcing) 시간이감소한다. 스프링힘이변화하더라도초기의용접전류와전압은크게변화하지않지만, 용접의마지막에스터드와모재의용융부가접촉하는순간의단락전류는 25A, 17A, A 로매우큰차이를보인다. 용접전류와전압의파형으로부터용접부의형성과정을 Fig. 2와같이유추할수있다. Fig. 2(a) 에서스터드팁 (tip) 이저항열에의해용융되면서아크가발생하면아크열에의해스터드와모재가용융된다. 용접전류가 A 이상으로매우높기때문에용융금속의기화와아크압력에의한용융풀표면에서큰변형이발생한다. Fig. 2(b) 에서스터드와모재의용융부가접촉하는순간전기적으로단락이발생하므로스패터 (spatter) 가발생하여스터드와모재의용융부표면은불규칙한형상으로변화한다. Fig. 2(c) 에서불규칙한표면이접촉하면서용접부의내부에기공이형성된다. 이와같은현상은 GMA 용접에서단락이행모드를사 Arc oltage (V) 68.7N 75.9N 9.2N force arc..1.2.3.4 Time (s) (a) Welding oltage (a) Arcing short-circuit 5 Current (A) 68.7N 75.9N 9.2N (b) Short-circuit oids..1.2.3.4 Time (s) (a) Welding current Fig. 1 Effect of spring force on welding oltage and current (c) Compression Fig. 2 Sequence of welding process and oid formation 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 6 年 6 月 249
44 오현석 유중돈 용하는경우와매우유사하며 ), 스터드용접의경우에는단락순간의전류가 GMA 용접에비해크게높기때문에스패터가더욱격렬하게발생한다. Fig. 3은스터드용접부의단면을나타내며, 용접전류는매우높지만용접시간이짧기때문에용융부의크기가작다. 또한, 압력에의해용융부의상당부분이외부로배출되고압착되기때문에용접부의두께가수십 m 정도로매우얇다. 단순한유동모델을이용하여용융부를실린더라고가정하면, 기공의배출은 Fig. 4에보인바와같이기공의초기위치와용접부의응고시간동안기공이이동하는거리 L 를이용하여판별할수있다. L = t (1) 여기서 는기공의반경방향속도, t 는용접부의응고시간을나타낸다. 용융부의체적이일정하다고가정하면, 기공의반경방향속도 는다음과같다. T t = Cr (3) 여기서 T는용융부금속의최고온도와용융온도의온도차, C r 은용접부의냉각속도이다. 식 (1)~(3) 으로부터기공이이동하는거리는다음과같다. L r T h C = z 2 r (4) 기공의이동거리인 L 와기공이배출되기위해이동해야하는거리인 (R t -r ) 의비를나타내는 를이용하여기공의배출여부를판별할수있다. L r / Rt T = = z R r 2h(1 r / R ) Cr (5) t t 위의식에서 ( > 1) 이면기공이배출되고, ( < 1) 이면기공이용접부에서빠져나오지못한다. r = 2 h z (2) 이때, r 는기공의위치, h는용융부의두께, z 는수직방향의스터드속도를나타낸다. 위의식으로부터기공의속도는반경에비례하여증가한다. 식 (1) 에서용접부의응고시간 t는용융부금속의최고온도와시편용융온도의온도차그리고냉각속도를이용하여구할수있다. (a) Spring gun Fig. 3 Cross-section of stud weld Fig. 4 Schematic of flow model (b) Sero gun Fig. 5 Stud guns with spring and sero-motor 25 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Part 2 : 기공제어 45 3. 실험 Fig. 5는실험에사용된스프링건과서보건을나타낸다. Fig. 5(a) 에나타낸스프링건은접촉모드 (contact mode) 전용으로건내부에스프링이장착되어있어서스프링의압축변위를조절해서초기가압력설정이가능하다. 스프링건은스터드팁이모재와접촉한상태에서통전후아크가발생하여스터드와모재사이에간극이형성되면스프링힘에의해스터드가이동한다. 그러므로스프링힘에따라아크시간이변하고스터드의이송시간이결정된다. Fig. 5(b) 는서보모터를이용하여제작한서보건을나타낸다. 서보모터를이용하면스터드를일정한속도로이송시킬수있지만, 모터가일정한속도에도달하는데시간이소요되기때문에스터드와모재사이에간격이필요하다. 그러므로서보건을이용하는경우에는갭모드 (gap mode) 로용접하는것과유사하다. 실험의공정변수는용접기의커패시턴스, 충전전압, 스프링힘, 스터드팁의길이와직경이다. CD 용접기는 48, 8, μf의세단계로커패시턴스용량을변화시킬수있으며, 충전전압은 8~ V 범위에서설정할수있다. 충전전압범위는 9~1V, 스프링힘은 ~15N, 스터드팁의길이와직경은각각.4~1.mm와.4~.8mm이다. 용접에사용된스터드는부식방지를위해구리도금처리된 저탄소강재질로서규격은 M5이다. 팁의직경과길이가용융에미치는영향을확인하기위하여팁을가공하여직경과길이를변화시켰다. 모재로사용한판재는 1.2mm 두께의 SS 일반구조용저탄소강이다. 션트를이용하여용접전류를측정하였으며, 스터드와모재사이의용접전압을측정하였다. 전압과전 류파형측정하기위하여 5kHz 의샘플링주파수로데이터를수집하였다. 모든실험에서 DCEN 극성을사용하였으며, 각실험조건에대해 5회이상실험하였다. 용접부의상태를확인하기위하여시편을절단하고광학현미경으로단면을관찰하고기공의길이를측정하였다. 굽힘시험 (bending test) 과전단시험 (shear test) 을통하여용접부의품질을평가하고적정용접조건을구하였다. 4. 결과및고찰 4.1 용접조건에따른기공의배출 Fig. 6는전압변화에대한접합부의굽힘시험결과 를나타내며파괴가모재에서발생하였으며, 전단시험 결과스터드에서모두파단이발생하였다. 굽힘시험 결과와용접부외관으로부터구한적정용접조건을 Table 1에나타내었으며, Fig. 7은적정용접조건을 이용하여용접한경우의용접부단면을보여준다. 굽힘 시험과전단시험을만족시키지만, 거의모든용접부에 서기공이존재하였다. 스터드용접은냉각속도가매 Table 1 Proper welding conditions Gun type Spring gun Sero gun Charged oltage (V) 1 1 Capacitance (μf) 8 8 Spring force (N) 76 Not used Electrode elocity (mm/s) Not used 38 Stud tip length (mm).6.6 Stud tip diameter (mm).9.9 9V 1V 1V Spring gun (contact mode) Sero gun (gap mode) Fig. 6 Bending test results 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 6 年 6 月 251
46 오현석 유중돈 2. Fig. 7 Cross section of weld interface with oids 1. 우빨라서용접부가경화되고기공과같은용접결함이존재하더라도접합부의품질은낮다. 그러나굽힘시험등에서파괴는모재또는스터드의나사부위에서발생하며, 이는접합부의크기에비해모재의두께가얇거나나사부위의반경이작기때문이며, 접합부의강도나건전성이높기때문인것은아니다. 식 (5) 를이용하여용접부에서기공이배출되는조건을계산하였으며, 계산에사용된상수값을 Table 2에정리하였다. 냉각속도로 6 ~5 7 /s의값을사용한계산결과를 Fig. 8에나타내었다. 냉각속도가증가할수록기공은배출되기어렵고, 냉각속도가 5 7 /s 인경우에는용접부의기공은거의배출되지못한다. 계산에사용된냉각속도는스테인리스강의냉각속도이며, 본연구에서사용한저탄소강은스테인레스강에비해열전달계수가높으므로냉각속도가더빠르다. 또한, 용접부두께를응고가완료된시편을측정하였기때문에압축시두께에비해작다. 그러므로계산결과는기공이배출되는최소한의조건을나타낸다. 저탄소강에가장가까운 5 7 /s 의냉각속도조건에서스터드의이동속도를최대속도인 6mm/s로증가시키더라도 Fig. 9와같이기공이스터드테두리부근에존재하는경우를제외하면대부분의기공은외부로배출되지못한다. 이와같은계산결과로부터저탄소강을이용한스터드용접에서기공이발생하면외부로배출되어기공이없는건전한용접부를얻는것은거의불가능하다고판단된다..5. 2. 1..5. 1..5. ΔT=5'C ΔT='C ΔT='C..2.4.6.8 1. r /R t (a) 6 /s ΔT=5'C ΔT='C ΔT='C..2.4.6.8 1. r /R t (b) 7 /s 2. ΔT=5'C ΔT='C ΔT='C..2.4.6.8 1. r /R t (c) 5 7 /s Fig. 8 Effect of cooling rateto oid extrusion (a>1: oid extrusion, a<1: oid trapping) 4.2 기공감소방법계산결과로부터 CD 스터드용접에서기공이존재하지않는용접부를얻는것은거의불가능하기때문에기공을감소시키고기공의비율을일정하게유지하는방법을모색하였다. 본연구에서는아크용접의단락이행에서스패터를감소시키기위하여단락전류를감소시키는방법을적용하였다 ). 즉, 스프링힘이나스터드팁길이를조절하여낮은용접전류에서단락이발생하도록아킹시간을조절하는방법을제안하고, 실험을통해제안한방법을검증하였다. 스프링힘과팁길이를조절하여아킹시간을변화시 2. 1..5. ΔT=5'C ΔT='C ΔT='C..2.4.6.8 1. r /R t Fig. 9 Void extrusion with maximum stud elocity of 6mm/s (a>1: oid extrusion, a <1: oid trapping) 252 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Part 2 : 기공제어 47 킴으로서단락전류값을변화시키고, 용접부의단면사 35 SC current (ag.) 6 진으로부터기공비율 (oid ratio, R ) 을측정하였다. 기공비율은용접부길이에대한기공길이의비로다음과같이정의하였다. R = (L /L w) x (6) SC current (A) 25 15 oid ratio oid ratio (ag.) 5 Void ratio (%) Fig. 은스프링힘에따라단락전류를변화시키는경우의실험결과를나타낸다. 스프링힘을조절하여단락전류를간접적으로제어하기때문에동일한조건에서도약 ~A 의편차가발생하지만, 각실험조건에서약 7A 의간격으로설정하였기때문에경향성을파악하는데에는문제가없을것으로판단된다. 단락전류가낮아지면기공비율이감소하는경향성을보이고있다. 스프링힘이 116N 인조건에서단락전류는 29A, 기공비율은 38% 이지만, 스프링힘을조절하여 76N 인조건에서는단락전류가 A 로낮아지고기공비율은 25% 로감소하였다. 그러나스프링힘이 56N 으로낮은조건에서단락전류가감소하지만오히려기공비율이증가하였다. 이는스프링힘이너무약해서냉접 (cold weld) 이발생하기때문이며, 이러한냉접현상은낮은입열량, 낮은파워밀도, 낮은가압력, 긴팁길이등에의해서도발생한다. Fig. 11은스터드팁길이에따라단락전류를변화시키는경우의실험결과를나타내며, 단락전류가낮아지면기공비율이감소한다. Fig. 11(a) 는스프링건을사용하는경우에팁의길이가단락전류와기공비율에미치는영항을나타낸다. 팁의길이가.6mm 인조건에서단락전류는 18A, 기공비율은 36% 이지만, 팁의길이가 1.mm인조건에서단락전류는 8A 로낮아지고기공비율은 24% 로감소하였다. Fig. 11(b) 는서보건을사용하는경우에팁의길이가 SC current (A) 35 25 15 5 SC current (ag.) oid ratio oid ratio (ag.) 56 76 96 116 Spring force (N) Fig. Effect of spring force on short-circuit current and oid ratio 6 5 Void ratio (%) SC current (A) 5 5.6.8 1. Tip length (mm) (a) Spring gun SC current (ag.) oid ratio oid ratio (ag.).4.6.8 1. Tip length (mm) (b) Sero gun Fig. 11 Effect of tip length on short-circuit current and oid ratio 단락전류와기공비율에미치는영항을나타낸다. 이전실험조건과비교하여팁의지름이.8mm 에서.4mm 로감소하였으며, 이는서보건을사용하는경우에는갭모드로용접하기때문이다. 단락전류가낮아지면기공비율이감소하는경향성을보이며, 이전스프링건을이용한실험과유사한추세를나타내고있다. 팁길이가.4mm인조건에서단락전류는 45A, 기공비율은 32% 이지만팁길이가.8mm 인조건에서는단락전류는 A 로낮아지고기공비율은 25% 로감소하였다. 팁길이가 1.mm 인조건에서는오히려기공비율이증가하였고입열량이작아서냉접현상이발생하였다. 일반적으로단락전류가감소할수록기공비율이감소하며단락전류가 A 부근에서가장낮은기공비율을보인다. 그러나단락전류가 5A 이하로너무낮을경우에는냉접현상이발생하여기공비율이증가한다. 기공비율이낮은경우에도편차가크지만, 단락전류가 A 보다높거나너무낮은경우에비해편차가감소하므로균일한기공분포를얻을수있다. 단락전류에따라기공비율이변화하지만, 기공의위치에대한경향성은발견하지못하였다. 서보건을사용하면스프링건에서발생하는불안정한가압의영향을제거할수있지만, 기공비율과편차는유사하였다. 6 5 Void ratio (%) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 6 年 6 月 253
48 오현석 유중돈 5. 결론 CD 스터드용접부의기공은스터드와모재의용융부가접촉하면서발생하는용융금속의기화와스패터에의해형성되는것으로추정되며, 유동해석을통해 CD 스터드용접부의기공을완전히제거하는것은불가능함을입증하였다. 기공을감소시키는방법으로스프링힘이나서보모터를이용한아킹시간의제어를통해단락전류를감소시키는방법을제안하였다. 스프링건과서보건을이용하는경우에기공비율과편차가유사하며, 단락전류가 A 정도인경우에용접부의기공이감소하였다. 참고문헌 1. AWS: Welding Handbook, Vol.2, 1991, 299-327 2. R. D. Wilson: Explore the Potential of Capacitor- Discharge Welding, Adanced Materials & Processes, 145-6 (1994), 94-95 3. W. Nishikawa: The Principle and Application Field of Stud Welding, Welding International, 17-9 (3), 699-75 4. S. Venkataraman, J. H. Deletian: Rapid Solidification of Stainless Steels by Capacitor Discharge Welding, Welding J., 67-6 (1998), 111s-118s 5. S. Ramasamy, J. Gould, D. Workman: Design of Experiments Study to Examine the Effect of Polarity on Stud Welding, Welding J., 81-2 (2), 19s-26s 6. S. Ramasamy: Drawn Arc Aluminum Stud Welding for Automotie Applications, J. of the Minerals, 54-8 (2), 44-46 7. J. W. Simmons, R. D. Wilson: Joining of High- Nitrogen Stainless Steel by Capacitor Discharge Welding, Welding J., 75-6 (1996), 185s-19s 8. B. K. Paul, R. D. Wilson, E. McDowell, J. Benjarattananon: Study of Weld Strength Variability for Capacitor Discharge Welding Process Automation, Science and Technology of Welding and Joining, 6-2 (), 9-115 9. R. D. Wilson, J. R. Woodyard, J. H. Deletian: Capacitor Discharge Welding: Analysis through Ultrahigh-Speed Photography, Welding J., 72-3 (1993), 1s-6s. H. J. Kim, H. S. Ryoo, B. Y. Kang: Application of Waeform Control Technology in GMA Welding, J. of KWS, 21-1 (3), 21-26 (in Korean) 254 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6