22 연구논문 SPC 용접부의강도특성에미치는 CO 2 용접조건의영향 송준희 * 최준용 ** 임재규 *** * 전북대학교공학연구원자동차산학협력원, 성연산업 ( 주 ) ** 전북대학원기계설계학과 *** 공학연구원공업기술연구센터, 전북대학교기계항공시스템공학부 Effect of CO 2 Welding Conditions on Property of Strength in Welded Joint of SPC Steel Jun Hee Song*, Jun Yong Choi** and Jae Kyoo Lim*** *SUNG YOUN Ind.Co./Research Center of Industrial Technology, Automobile Research Institute, Chonbuk Nat'l Univ., Jeonju 561-756, Korea **Dept. of Mechanical Design, Chonbuk Nat'l Univ., Jeonju 561-756, Korea ***Research Center of Industrial Technology, Engineering Research Institute, Faculty of Mechanical & Aerospace System Eng., Chonbuk Nat'l Univ., Jeonju 561-756, Korea Abstract It is necessary to investigate the welding performance and fracture resistance of welding part in structure. This study presented a most suitable condition of welding process for butt and lap joints by CO 2 arc welding which is widely used in the vehicle structure. Also it was conducted to tensile and fatigue test under various welding conditions. For butt and lap joints, the best conditions of welding voltage and current were V and 3A, respectively, in 3.2 and 4.5 mm thick steel plate. Under this condition it could be taken the highest tensile strength and fatigue strength, and a good bead appearance. *Corresponding author : jklim@chonbuk.ac.kr (Received October, 5) Key Words : CO 2 arc welding, tensile strength, fatigue strength 1. 서론 오늘날자동차, 토목 건축, 조선분야에서는용접시공방법의개선에의한생산성향상을꾀하기위하여용접의자동화가강력히추진되어왔다. 기존의피복아크용접법은사용율이떨어지고가스금속아크용접인 CO 2 가스아크용접의이용이급속히증대되어있는실정이다. 이러한 CO 2 가스아크용접에서는용접외관을양호하게하고스패터링을줄이려는요구가크게늘고있지만현재까지연구는주로이음성능에대한야금학적연구가많다. 최근용접구조물의신뢰성확보라는차원에서관심이집중되고있는피로강도에대해서는상대적으로연구가미비하다. CO 2 가스아크용접법은다른용접법에비해전자세 용접이가능하고용접능률의우수성, 생산적인측면의뛰어난경제성으로인해중공업분야에서적용범위가날로증가하는추세이다. 용접전류와전압, 용접속도, 와이어공급속도, 위빙속도등은실제용접시결함발생과밀접한관련이있으며이러한결함들은구조물의강도에직접적인영향을끼친다. 자동차제조사에서새로운차량을개발하여고객에게제공하면, 보통은여러가지조건의도로에서수년에서수십년동안사용되어주행거리가수십만 km에달한다. 자동차한대의조립에수많은용접이이루어지는데차체에서발생되는내구력상의문제점중대부분이바로이용접부주위에서발생한다. 따라서상용차의다양한모델변화에의해여러가지용접이음형태를가지는차체부품이요구됨으로생산성향상을위해용접재의두께별, 형태별용접조건의최적화가시급하다 1-2). 228 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6
SPC 용접부의강도특성에미치는 CO 2 용접조건의영향 23 본연구에서는다양한두께의강재를이용하여맞대기이음, 겹치기이음에서현장에서의생산성향상을위해 184cm/min 용접속도에서의최적의용접전압, 전류조건을찾고자한다. 또한차체구조에서많이사용되는요소들을대상으로 CO 2 가스아크용접부가가질수있는최적의용접조건을제시하고인장강도및피로강도의특성들을다양한용접조건별로비교평가하고자한다 3). 2. 사용재료및실험방법 2.1 시험편제작 일반냉연철판인 SPC 를용접모재로하여자동 CO 2 가스아크용접기를사용하여각조건별로시험편을제작하였다. 용접은시험편채취가용이하도록 mm 의판상에용접한후맞대기용접 (butt welding) 시험편은 ISO4136, 겹치기용접 (lap welding) 시험편은 ISO918 에의거하여가공하였다. 용접조건으로는용접속도는일반적으로사용되는 136 cm/min보다생산속도향상을위해 16, 184 cm/min 로예비실험후두조건의강도조건이비슷하여 184 cm/min로일정하게하고용접전압과용접전류를변화시켰다. 두께에대한영향을조사하기위하여시험편의두께는 3.2 mm와 4.5 mm로하였다. 또한간극에대한용접강도의영향을알아보기위하여모재의간극을조절하였다. 이종두께의용접강도를비교하기위하여각두께에대한최적용접조건으로두께별 2.3/3.2, 2.3/4.5, 3.2/4.5 mm 시험편을제작하였다. 맞대기용접재와겹치기용접재는인장특성을조사하였고, 반복하중을받는구조재로많이사용되고있는겹치기용접재는피로시험을병행하였다. 2.2 시험장치각조건별인장특성을조사하기위하여만능시험기 (Instron 46) 를사용하였다. 시험기의용량은 7.5 ton이고 crosshead speed 는 2 mm/min였다. 피로시험은피로시험기 (Instron 8516) 를사용하여그특성을조사하였다. 평균주파수는 Hz 이고, 응력비 R= 인 haversine파형을사용하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 인장강도 3.1.1 맞대기용접모재금속의두께가 3.2 mm인맞대기용접재의인 장시험결과를 Fig. 1(a) 에나타냈다. 전압과전류를달리했을때인장강도의분포를나타낸것이다. 전압이증가함에따른인장강도의변화는거의없었다. 시험편용접조건내에서전류가증가하면인장강도가높아지고있다. 그러나전압과전류의인자를동시에조절하면, 유사한입열량에서도강도가다르며어느용접수준을넘으면인장강도가변화되지않음을확인하였다. 더구나본연구에서제작된전압 / 전류조건이상과이하에서는용접이되지않았다. V/3A, V/3A, 28V/3A, V/3A의조건들은인장강도가약 MPa로유사하였다. 따라서 3.2 mm의두께를갖는강판의맞대기용접에서는 V/3A 의조건이가장좋다고판단된다. 또한용접속도를기존의 136 cm/min 보다빠른 184 cm/min 에서제작하여생산속도의증진에기여할수있다. 강판의두께가 4.5 mm인맞대기용접재의인장강도분포를 Fig. 1(b) 에나타냈다. 두께 3.2 mm 재료에비해상대적으로입열량이더증가되어야하며, 용접조건의강도에미치는영향은 Fig. 1(a) 에서보인결과 5 5 Butt welding(t=3.2 mm) 28 32 3 3 3 28 3 28 Butt welding(t= 4.5 mm) 32 32 32 3 3 3 3 36 Fig. 1 Tensile strength distribution with welding conditions in butting welding 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 6 年 6 月 229
24 송준희 최준용 임재규 와유사하였다. V/3A, V/3A, 32V/36A 의조건들에서약 MPa로비슷한인장강도수준을보였다. 따라서본조건들에서는 V/3A 의용접조건이인장특성측면에서가장적합하다고보여진다. 3.1.2 겹치기용접 Fig. 2(a) 는겹치기용접의형태로용접조건에따른인장강도의분포를두께 3.2 mm 강판에대해나타낸것이다. 용접전압의증가에따라인장강도는차이가없지만용접전류의증가에따라서는인장강도의변화가나타났다. 전류가증가하면인장강도는큰폭으로증가하다가 3A 이상에서는급락하였다. 또한 32V/3A 의조건에서는오히려강도가감소하는경향을나타내어입열량의증가가강도의증가로나타나지않았다. 따라서두께 3.2 mm 강판에서는비드모양도가장양호한 V/3A 의용접조건이인장강도의측면에서가장적합하다고여겨진다. Fig. 2(b) 는겹치기용접으로용접조건에따른인장강도의분포를두께 4.5 mm 강판에대해나타낸것이 다. Fig. 2(a) 에서처럼용접전압의증가에따라인장강도는차이가없지만용접전류의증가에따라서는인장강도의변화가나타났다. 용접전압이 V 와 32V 에서유사한강도분포를나타내었고용접전류가증가하면인장강도가증가하다가 3A 이상에서는변화를나타내지않았다. 따라서용접조건이 V/3A, V/3A, 32V/3A, 32V/3A 의조건에서인장강도가약 42 MPa로비슷하며이중에서 32V/3A 의조건이강도분산이없고파괴형태도우수하여가장적합한용접조건이라고판단되었다. Fig. 3은 V/3A 용접조건으로겹치기간극에대한인장강도의영향을도시한것이다. 용접간극이,.5, 1 mm로증가함에따라인장강도는현저히낮아지고있다. 이것은간극이증가함에따라용접할면적이증가되어용접비드의형성도증가되어야하는데동일용접조건으로용접될경우부하를견디는힘이부족하기때문이라고생각된다. 또한겹치기형상으로인해인장시모멘트가발생하는데간극이증가하면모멘트역시증가되어간극이없는경우보다있는경우에서과 7 Lap welding(t=3.2 mm) 6 6 Lap welding(t=3.2 mm) 5 5 32 32 32 3 3 36 28 3 -.5.5 1 1.5 Welding clearance, C[mm] 5 Lap welding(t=4.5 mm) 45 Lap welding(t=4.5 mm) 32 32 32 32 28 3 3 28 3 3 Fig. 2 Tensile strength distribution with welding conditions in lap welding -.5.5 1 1.5 Welding clearance, C[mm] Fig. 3 Tensile strength distribution with welding clearance in lap welding 2 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6
SPC 용접부의강도특성에미치는 CO 2 용접조건의영향 대한응력이집중되어인장강도가낮아졌다고여겨진다. Fig. 4는모재의두께에대한영향을알아보기위하여다른두께하에서제작된용접재의인장강도경향을나타내었다. 그림에서원모양은두께 2.3 mm, 네모모양은두께 3.2 mm, 세모모양은두께 4.5 mm 강판에용접한것이다. 두께 2.3 mm와 4.5 mm 강판에서는상대모재의두께가달라져도강도에는큰차이가없지만두께 3.2 mm인경우는차이가발생하여용접할상대모재의두께가달라지면인장강도에변화가생긴다는사실을보이고있다. 이와같은결과를두께별로재정리한것이 Fig. 5이다. 동일조건으로동일한두께면에용접을할지라도인장강도에는변화가있음을나타낸다. 용접부위가두께 2.3 mm의경우에동일한두께 2.3mm 강판에용접을하면강도가약 MPa이지만두께 3.2 mm 로증가하면강도가증가하고두께 4.5 mm 에서는약간감소하였다. 용접부위가두께 3.2 mm의경우에두께가 2.3, 3.2, 4.5 mm로증가함에따라인 7 6 5 necking Lap welding(different thickness) 28 28 3 3 3 3 2.3/3.2 2.3/4.5 3.2/2.3 3.2/4.5 4.5/2.3 4.5/3.2 Fig. 4 Tensile strength distribution with lap welding conditions for different thickness 8 7 6 5 Lap welding(different thickness) 2.3 2.3 2.3 3.2 3.2 3.2 4.5 4.5 4.5 /2.3 /3.2 /4.5 /2.3 /3.2 /4.5 /2.3 /3.2 /4.5 Lap welding thickness, t [mm] Fig. 5 Tensile strength distribution with lap welding thickness 장강도는증가하였다. 용접부위가두께 4.5 mm인경우두께 2.3 mm와 3.2 mm는유사하지만두께 4.5 mm 에서는강도가증가하였다. 즉, 용접모재의두께보다작은두께의강판을용접하면인장강도가낮지만큰두께에대해용접을할경우인장강도가증가됨을시사하고있다. 이종두께의구조물에서는두께가작은쪽의면에용접하는것이훨씬유리함을알수있다. 3.2 피로강도본절에서는인장시험을토대로하여인장강도가우수한조건들을선택하여피로시험편을제작하고피로시험을행한결과들이다. 시험편형상은겹치기용접재를대상으로하였고용접조건에따른피로거동을비교하기위하여몇가지용접조건들을대상으로하고있다. Fig. 6(a) 는두께 3.2 mm에대한피로시험의결과이다. 대표적인용접조건들인전압과전류가그림에서제시되어있다. 그림에서피로강도를살펴보면 V/ 3A와 V/3A가약 MPa로비슷하게가장높았고, V/A가약 9 MPa, 32V/28A가약 8 MPa이었다. 피로강도가높았던 V/3A 와 V/ 3A 의조건은인장강도에서도우수한특성을나타낸것이어서기계적특성이가장우수한조건임을알수있었다. Fig. 6(b) 는두께 4.5t mm에대한피로시험의분포를보이고있다. 32V/3A 가약 16 MPa로서피로강도가가장높았고, V/3A 가약 13 MPa, V/A가약 12 MPa, V/28A가약 7 MPa 로낮아졌다. 대체적으로두께 3.2 mm의조건보다두께 4.5 mm의조건에서피로강도가낮게분포하였고이러한경향은인장강도분포에서도동일한결과이다. 32V/3A 의조건이우수한피로강도를나타내었고, 인장강도의분포에서도가장좋은결과를나타내어기계적특성이가장우수한조건이라고판단된다. 3.3 용접부관찰 Fig. 7은본연구에서수행한용접조건들에따라가장우수한기계적특성을나타낸조건들의용접부를확대하여나타낸그림이다. 보이는바와같이비드폭이적절하고균일함을확인할수있으며용접상태가양호함을볼수있다. 인장, 피로강도값이낮게측정된타조건들은상대적으로비드폭이좁거나넓고, 불균일하였고겹치기용접 ( 두께 =4.5 mm/v/28a), 맞대기용접 ( 두께 =3.2 mm/v/28a), ( 두께 =3.2 mm (32V/28A) 경우에서는상대적으로용접성이낮음을 大韓熔接學會誌第 24 卷第 3 號, 6 年 6 月 231
26 송준희 최준용 임재규 5 Fatigue of lap welding(3.2t) 확인할수있었다. 이는비드의폭과균일성이강도값과밀접한영향을가짐을나타낸다. Maximum stress, S(kgf/mm 2 ) Maximum stress, S(kgf/mm 2 ) V-A V-3A V-3A(C.5) V-3A 32V-28A 2 4 4 4 6 4 8 4 1 5 Number of cycle, N Fatigue of lap welding(4.5t) V-28A V-A V-3A 32V-3A 5 2 4 4 4 6 4 8 4 1 5 1.2 5 Number of cycle, N Fig. 6 Stress(S) and cycle(n) curves for fatigue test in lap welding 4. 결론 CO 2 가스아크용접에서최적용접조건을구하기위한실험결과다음과같은결론을얻었다. (1) 맞대기용접형태에서두께 3.2 mm 용접재는 V/3A 의조건이인장강도측면에서가장적합하였으나비드폭이넓어 V/3A 가최적조건으로결정되었다. 두께 4.5 mm에서는인장강도와비드형성측면모두 V/3A 조건이가장우수하였다. (2) 겹치기용접형태에서두께 3.2 mm 용접재는 V/3A 가인장강도측면에서적합하나비드형성이많아지고, 유사한강도치를갖는 32V/A 는비드폭이작아 31V/3A 가가장적합할것으로판단된다. 두께4.5 mm에서는 32V/3A 가인장강도와비드폭이적절하여최적조건이라고생각된다. (3) 겹치기용접의경우간극이,.5, 1 mm로증가함에따라동일한용접조건에서는인장강도가현격히낮아져간극에따라전압 / 전류의용접조건이증가되어야함을시사하였다. 따라서간극이없는형상이되도록가압한상태에서용접하는방법이좋다고여겨진다. (4) 모재의이종두께에따른용접재의인장강도평가에서는두께가작은쪽의면에용접하는방법이훨씬유리함을알수있었다. (5) 겹치기용접에대한피로시험에서두께 3.2 mm 용접재는 V/3A 와 V/3A 의조건이인장강도와더불어피로강도에서도우수한특성을나타내어기계적특성이가장우수한조건임을알수있었다. 또한두께4.5 mm 용접재는 32V/3A 의조건이우수한피로강도를나타내었고, 인장강도의분포에서도가장좋은결과를나타내어기계적특성이가장우수한조건이라고판단된다. V/3A(t=3.2mm) V/3A(t=4.5mm) (a) Butt welding V/A(t=3.2mm) 32V/3A(t=4.5mm) (b) Lap welding Fig. 7 Photographs of welded specimens with various welding conditions 참고문헌 1. M. T. Shin, J. H. Kim : A Study on the Optimum Welding Conditions of Thick Plate by SEG Arc Welding Process, Journal of KWS, 1-1(1983), 13- (in Korean) 2. J. K. Lim, K. H. Chung, J. H.Kuk : A Study on the Welding Conditions of Weldability of Seam Wlding for Galvanized Steel Sheets of Automotive, Journal of KWS, 19-1 (1), 27-32 (in Korean) 3. D. S. UM, S. W. Kang, H. J. Kim : A Study on the Fatigue Crack Growth of Mild Steel Weldments Using Flux Cored Wire CO 2 Welding, Journal of KWS, 7-1 (1989), 42-5 (in Korean) 232 Journal of KWS, Vol. 24, No. 3, June, 6