마찰용접(friction welding)은 동종재 뿐만 아니라 전자빔용접과 가스아크용접 등 기존의 용접법에서는 적용하기 어려운 이종금속, 비철금속까지 광범위하게 접합시키는 특성이 있다. 또한 경제적인 측면과 기술적인 측면에서도 많은 장점이 있어 그 적용 범위는 넓고 도입 목적도 광범위하다. 마찰용접은 고체상태의 두 재료를 가압하면서 접촉면에 기계적 상대운동을 일으킬 때 발생하는 마찰열에 의해 두 재료를 압접시키는 고상용접의 일종으로서 특히 재료절감을 위해 이종금속간의 접합에 많이 응용되고 있다[1-3].
한편 각종 플랜트용 배관재는 단조품과 파이프를 용접이음한 제품으로서, 일반 기업체에서만 년 평균 생산개수는 수십만개에 이른다. 한편 용접후열처리 및 가공공정이 난이하고 피로파괴에 따른 제품수명 저하 등의 문제점으로 인한 경제적 손실이 우려되는 실정이다[4-8].
아울러 마찰용접은 융합부품소재 분야에서 복잡한 제품의 단순화에 따른 공정수 감소, 생산원가의 절감을 위한 이종 마찰용접에 의한 경제성 향상, 신속하고 신뢰성 높은 제품을 대량생산하는 등의 접합수단으로 많이 이용되고 있다. 또한 마찰용접의 특성을 효과적으로 활용하고 이종 마찰접합재의 강도특성 평가와 피로수명 향상 방안이 필요하다. 따라서 이 문제해결 방안으로 종전의 일반 용접품을 이종 금속간의 마찰용접 제품을 생산하고자 한다. 이는 재료비용의 저감, 피로수명 향상, 가공공정수의 저감, 양산 효과의 향상 등 많은 장점을 가질 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서는 각종 플랜트용 배관재 및 파이프로 사용되는 단조재와 스테인레스 파이프강재에 대한 이종 마찰용접을 수행하고, 적정 조건을 규명하기 위해 마찰용접 변수 등의 상호 작용에 의한 마찰용접부 강도특성을 규명하고자 한다. 또한 음향방출 기법[9-11]을 이용하여 가열 시간 및 업셋시간에 발생하는 신호의 파라미터를 평가하고 가열시간의 변화에 따른 파라미터의 변화를 평가하여 마찰용접된 재료의 기계적 특성과 비교분석하여 최적의 마찰용접조건을 도출하고자 하였다.
본 연구에 사용된 실험 재료는 Fig. 1과 같이 각종 플랜트용 배관재 및 파이프로 사용되는 단조재(A105)와 스테인레스 파이프강재(A312)에 대한 강도와 인성, 내마모성에 중점을 두었으며, 국내 제품이다. 단조재는 각종 기계부품에 다양하게 사용되는 재료이며, 스테인레스 파이프강재는 내열성, 내마모성, 고온강도 등이 우수하며, 주된 용도는 일반기계, 자동차, 항공기 등의 축류, 치차류, 냉간단조품, 볼트류 등에 이용된다. 마찰용접은 고온의 마찰 열원을 사용하기 때문에 접촉면의 온도는 통상 1200℃ 정도이고 접촉부에서는 온도상승에 의해 소성 유동이 일어나며, 이 때 마찰 추력을 이용하여 용접이 이루어진다. 또한 본 연구에 사용된 브레이크 방식은 재료의 한쪽을 우측의 고정척에 부착하고, 다른 재료 한쪽은 좌측의 회전척에 부착하여 일정한 회전수로 회전하여 축방향으로 가압하면서 두 재료를 마찰시키며, 마찰부가 적당한 온도로 가열되었을 때 브레이크에 의해 회전척을 급정지 시키고 업셋하여 접합을 시행한다. 마찰용접의 변수로는 회전수(n), 가열압력(HP), 업셋압력(UP), 가열시간(HT), 업셋시간(UT), 재료손실량(Mo) 등이다. 먼저 마찰용접의 압력 조건을 선정하기 위해 마찰용접기의 사용 설명서와 참고문헌 [4-8]을 통하여 Table 1에서 와 같이 1차적으로 가열압력을 변화시켜 6가지 조건으로 실험을 수행하였고, 그 결과 가열압력과 업셋압력의 적정조건을 도출하였다. 그리고 2단계 실험은 가열시간을 1초에서 9초까지 1초 간격으로 9가지 변화를 주어 실험하였으며, 이에 따른 상관관계 등의 변화를 조사하였다. 마찰용접기의 회전척은 파이프강재를 고정하였고, 고정척은 단조재를 고정하여 마찰용접을 시행하였다.
Table 1의 1단계에서와 같이 가열시간과 업셋시간을 각각 5초로 고정하고, 가열압력과 업셋압력을 변화시켜 실험을 수행하였다. HP = 10, 20 MPa의 인장강도는 각각 230, 244 MPa 로 비교적 낮게 나타났고 용접계면에서 파단되었다. 반면에 HP = 30, 40, 50, 60 MPa의 인장시험 결과는 A105 모재의 인장강도(494 MPa)에 비해 높게 나타났다. 특히 HP = 40, 50 MPa의 인장강도가 596, 589 MPa로 가장 높게 나타났으며, HP=60 MPa의 인장강도는 508 MPa로 낮아지는 경향으로 나타났다. 한편, Table 1의 2단계에서는 인장강도가 우수하게 나타난 가열압력과 업셋압력을 각각 50, 100 MPa을 고정하고 가열시간(HT)을 1초에서 9초, 업셋시간(UT)을 10초로 변화시켜 실험을 수행하였다. 이 결과는 3.1절에서 고찰하고자 한다.
| Welding condition | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Step | N(rpm) | Diameter(mm) | Length(mm) | Pressure(MPa) | Time(sec) | ||
| HP | UP | HT | UT | ||||
| 1 | 2000 | Φ22 | 150 | 10 | 20 | 5 | 5 |
| 20 | 40 | ||||||
| 30 | 60 | ||||||
| 40 | 80 | ||||||
| 50 | 100 | ||||||
| 60 | 120 | ||||||
| 2 | 2000 | Φ22 | 150 | 50 | 100 | 1~9 | 10 |
마찰용접기(Model : TOHO TH-25) 는 Fig. 2와 같이 연속구동 브레이크형 (continuous drive brake type)이며, 용량은 최대 재료치수로서 회전측은 ø25 mm이며 고정측은 ø40 mm이다. 그리고 인장강도시험에 사용된 시험기는 만능시험기 (KDMT-120)로서, 인장속도는 2 mm/min으로 하였고, 모재와 용접재를 CNC 선반 가공한 후 인장시험을 시행하였다.
한편 음향방출기법을 이용하여 최적의 마찰용접 조건을 도출하기 위하여 Fig. 3과 같이 시험시스템을 구성하였다. 그림에서 보여주는 바와 같이 마찰용접기의 한쪽에 시험편에 부착된 가이드를 이용하여 음향방출 센서를 부착하였다. 본 연구에 사용된 센서는 광대역 센서(100 kHz - 1200 kHz)를 사용하였으며 시험편과 가이더 사이에 진공 커플런트를 이용하였다. 그리고 마찰 및 마찰역에 의한 시험편의 급격한 변형에 의해 발생한 음향방출신호는 가이드를 통해 센서에 수신되고 프리앰프에서 40 dB 증폭되어 음향방출시스템(PCI2)에서 각 파라미터에 의해 분석되어 진다. 그리고 발생하는 신호의 파형을 관찰하기 위해 디지털 오실로스코프(LeCroy)를 이용하였다. 본 연구에서는 마찰용접기의 마찰소음 및 주위의 기계적 노이즈가 많이 발생하기 때문에 이를 제거하기 위하여 문턱전압값(threshold)은 45 dB로 높게 설정하였다.
Table 2는 Table 1의 2단계에 나타낸 가열시간을 각각 변화시켜 마찰용접을 시행하였으며, 이를 1차적으로 마찰용접부 강도를 평가하기 위해 시편 채취를 생략하고 용접 형상 그대로 인장시험한 결과를 각각 정리하여 나타낸다. Table에 나타낸 바와 같이 모든 인장강도는 A105 모재의 인장강도(494 MPa)에 비해 다소 높게 나타났으며, 가열시간 1초에서 6초의 결과는 거의 680 MPa 정도로 비교적 높게 나타났고, 7초 이상에서는 인장강도치가 다소 낮아지는 경향으로 나타났다. 특히 가열시간이 5초와 6초일 때 680 MPa로 나타났다.
| Strength) | Elongation | ||
|---|---|---|---|
| No | σt(MPa) | σy(MPa) | ε(%) |
| 1 | 684 | 421 | 58.2 |
| 2 | 683 | 432 | 56.2 |
| 3 | 683 | 418 | 48 |
| 4 | 672 | 426 | 44.4 |
| 5 | 680 | 457 | 48.9 |
| 6 | 680 | 405 | 55.3 |
| 7 | 637 | 408 | 10.4 |
| 8 | 637 | 438 | 10.5 |
| 9 | 582 | 430 | 7.4 |
Fig. 4(a)는 가열압력과 업셋압력이 각각 50 및 100 MPa, 가열시간 5초, 업셋시간 10초일 때의 플래쉬(Flash) 형상을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 두 이종재료가 플래쉬의 형상과 재료손실량은 약간의 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 회전척(좌측, A312)과 고정척(우측, A105)의 차이이며, 우산처럼 감기는 플래쉬 형상을 보여 주고 있는데 이는 직경의 차이에 의한 영향도 있을 수 있으나, 마찰압력에 의한 온도 구배의 영향 때문이라고 사료된다. 플래쉬의 형상에 미치는 압력이나 회전수의 영향을 나타낸 결과가 타 문헌[4,11]에 나타나 있다. 한편 Fig. 4(b)는 가열 시간 5초에서 파단양상을 나타내며, 용접계면측 A105 단조재의 열영향부에서 파단되었다.
본 연구에서는 마찰용접시 가열시간을 1초에서 9초로 증가함에 따라 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 최적의 마찰용접 조건을 도출하고자 하였다. Fig. 5에서는 마찰용접시 발생하는 전형적인 파형을 나타낸 것으로 먼저 가열시간(HT)시 발생하는 신호는 전압이 8 V정도의 매우 높은 연속형의 신호가 발생하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 이 연속형의 파형에 대한 주파수 분석결과 363 kHz (0.363 MHz)의 낮은 주파수 대역을 나타내었다. 반면 업셋시간 (UT)에서 발생하는 신호는 돌발형에 가까운 신호가 발생하지만 전압은 가열시간에 발생하는 신호에 비하여 현저히 낮았다. 그리고 주파수 분석결과에서는 엡셋시간에 발생하는 신호의 주파수는 1875 kHz (1.875 MHz)의 매우 높은 주파수를 나타내는 신호가 발생하고 있음을 알 수 있다. 따라서 마찰시보다는 업셋시간에 급격한 소성변형에 의해 발생하는 신호의 주파수가 매우 높다는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 6에서는 마찰용접시 발생한 음향방출 신호에 대한 파라미터 분석을 나타낸 것으로 Fig. 6(a)에서는 가열시간이 1초부터 9초까지 증가함에 따라 발생한 신호의 누적계수를 나타낸 것이다. 그림에서 보여주는 바와 같이 가열시간에서는 카운터가 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있으며 업셋시간에서는 두드러진 증가는 보여주고 있지 않다. 또한 1초에서 9초까지 가열시간이 증가함에 따라 발생한 카운터의 수도 점차적으로 증가하는 경향을 나타내었지만 5초의 가열시간에서 발생한 카운터는 4초에 비하여 현저히 많이 발생하였고 6초 가열시간에서의 카운터 수는 5초에 비하여 적게 발생하고 있음을 알 수 있다.
가열시간에 비하여 업셋시간에 발생하는 음향 방출 신호의 카운터는 Fig. 5의 파형분석에 알 수 있듯이 전압이 낮고 돌발형에 가까운 신호가 발생하기 때문에 가열시간에 비하여 카운터가 비교적 적게 발생하고 있음을 알 수 있다. 특히 인장강도와 카운터와 비교하면 누적계수가 600000개 이하일때는 Table 2에 보여주는 바와 같이 680 MPa정도의 값을 나타내었지만 가열시간 7초 이상인 경우 600000개 이상의 카운터가 발생하며 인장강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 누적계수의 수를 이용하여 인장강도의 변화를 평가할 수 있는 가능성을 제시하였다. 그리고 Fig. 6(b)와 Fig. 6(c)에서는 가열시간(HT)이 3초와 5초일때 발생한 음향방출 신호의 진폭(amplitude)을 나타낸 것으로 가열시간에 발생한 음향방출 신호의 진폭은 거의 100 dB의 매우 높은 신호가 발생하였으며 업셋시간동안 발생한 신호는 주로 45 dB-70 dB 사이의 진폭을 나타내는 신호가 다수 발생하고 있음을 알 수 있다. 즉, 두 재료의 마찰 시에는 높은 진폭의 신호가 대부분 발생하고 업셋동안 가열된 재료 변형에서 발생한 신호의 진폭은 가열시간에서의 신호와 비교해서 그렇게 높은 진폭을 나타내지는 않았다. 따라서 가열시간이 변화함에 따른 음향방출 신호의 각종 파라미터는 큰 변화는 발생하지 않았다. 단지 마찰시간이 증가하면 발생하는 음향방출의 누적계수가 증가할 뿐이지 신호의 파라미터는 큰 변화는 보이지 않았다. 가열시간과 업셋시간동안 발생하는 신호의 파라미터는 두드러진 차이를 보였다.
각종 배관재의 제작 공정 개선을 위한 마찰용접을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 용접부의 건전성을 확인하였고, 최적 마찰용접 조건의 이음효율이 100 ％ 이상으로 나타났다.
2) 마찰용접시 발생하는 음향방출신호는 가열시간에 발생하는 신호는 360 kHz정도의 낮은 주파수 성분과 8 V이상의 높은 진폭을 나타내고 연속형 파형이 발생하고 업셋시간에 발생하는 신호는 진폭은 낮지만 1870 kHz 정도의 고주파수 성분을 나타내는 돌발형 신호가 발생하였다.
3) 음향방출기법을 이용하여 최적의 마찰용접조건을 도출한 결과 음향방출 파라미터들 중 누적계수가 500000-600000개 정도 발생할 때 마찰용접된 시험편의 기계적 특성이 가장 양호한 결과를 나타내었다.
4) 가열시간에 발생하는 신호의 진폭(amplitude)은 100 dB의 매우 높은 진폭을 나타내었지만 업셋시간동안 발생한 신호의 진폭은 45-60 dB 정도의 낮은 값을 나타내었다.