Figure 11. SEM micrograph of fracture surface of the specimen with treatment 4. a) Ductile fracture outside the welding joint; b) Poor ductility perpendicular to the rolling direction.

이 기술 요약은 Rodolfo Rodríguez Baracaldo 외 저자가 2018년 Scientia et Technica에 발표한 논문 “Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 플래시 맞대기 용접 (Flash Butt Welding)
  • Secondary Keywords: SPFH 590, 자동차 휠 림, 용접 파라미터, 미세구조, 기계적 특성, 고장력강(HSLA)

Executive Summary

  • 도전 과제: 자동차 휠 림 제조에 사용되는 고장력강(HSLA)의 플래시 맞대기 용접(FBW) 부위는 인성이 낮아 벤딩, 컬링 등 후속 공정에서 균열이 발생하여 제품의 안전성과 품질을 저하시킬 수 있습니다.
  • 연구 방법: SPFH 590 강재의 플래시 맞대기 용접 시 전압, 업셋 높이, 플래싱 시간 등 주요 공정 변수가 용접부의 기계적 특성과 미세구조에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다.
  • 핵심 발견: 전압 5V, 업셋 높이 2.3mm, 플래싱 시간 2초의 조합이 모든 시험에서 강도와 연성의 가장 우수한 조합을 보여주었으며, 이는 취성 파괴의 원인이 되는 비드만스태튼 페라이트 조직의 생성을 억제한 결과입니다.
  • 핵심 결론: 자동차 휠 림의 품질과 생산성을 향상시키기 위해서는 플래시 맞대기 용접 파라미터를 정밀하게 제어하여 열 입력을 최적화하고, 이를 통해 용접부의 미세구조를 제어하는 것이 매우 중요합니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가

자동차 산업에서 연비 효율이 높은 차량을 개발하기 위해 고장력 저합금강(HSLA)의 사용이 증가하고 있습니다. 휠 림 제조 공정에서 플래시 맞대기 용접(FBW)은 높은 생산성으로 널리 사용되지만, 용접부의 인성이 부족할 경우 벤딩이나 드로잉 같은 후속 성형 공정 중에 용접부 또는 열영향부(HAZ)에서 미세 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 제품의 안전성과 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 기계적 강도와 용접 연속성을 모두 만족시키는 최적의 용접 조건을 찾는 것이 업계의 중요한 과제였습니다. 본 연구는 이 문제를 해결하기 위해 FBW 공정 변수가 HSLA 강재인 SPFH 590의 용접 품질에 미치는 영향을 규명하고자 했습니다.

Figure 1. Schematic of the flash butt welding process.
Figure 1. Schematic of the flash butt welding process.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구에서는 일본 산업 표준(JIS) G 3134에 따른 SPFH 590 강재(두께 2.3mm)를 사용하여 플래시 맞대기 용접을 수행했습니다. 용접 장비로는 400kVA 용량의 Swift-Ohio 91-AA 모델이 사용되었습니다. 연구의 핵심은 세 가지 주요 공정 변수를 두 가지 수준(고/저)으로 조합하여 용접 품질에 미치는 영향을 평가하는 것이었습니다.

  • 전압(Voltage): 5V (저) / 7V (고)
  • 업셋 높이(Upset height): 2.3 mm (저) / 4.6 mm (고)
  • 플래싱 시간(Flashing time): 2초 (저) / 4초 (고)

총 8가지 조합의 시편을 제작하여 인장 시험, 굽힘 시험, 로크웰 경도 시험을 통해 기계적 특성을 평가했습니다. 또한, 광학 현미경과 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 용접부, 열영향부(HAZ), 모재의 미세구조 변화와 파단면을 정밀하게 분석했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 용접부 미세구조의 변화와 취성 상(Phase) 형성

연구 결과, 용접 공정을 통해 모재의 층상 페라이트(laminar ferrite) 구조가 용접부에서 침상 페라이트(acicular ferrite)로 변태되는 것이 확인되었습니다. 특히 냉각 과정에서 비드만스태튼 페라이트(Widmanstatten Ferrite) 구조가 형성되었습니다(그림 5 참조). 이 구조는 취성을 증가시켜 조기 파괴의 위험을 높일 수 있습니다. 높은 전압이나 긴 플래싱 시간과 같이 열 입력이 과도한 조건에서는 이러한 취성 상의 생성이 촉진되어 용접부의 연성이 크게 감소하는 경향을 보였습니다.

결과 2: 최적의 용접 파라미터 조합 규명

다양한 기계적 시험 결과, 특정 용접 조건이 강도와 연성 측면에서 가장 우수한 성능을 보였습니다.

  • 최적 조건: 전압 5V, 업셋 높이 2.3mm, 플래싱 시간 2초 (Treatment 1)
  • 성능: 이 조건에서 제작된 시편은 인장 강도 596.85 MPa, 연신율 30%를 기록했습니다 (표 4 참조). 이는 모재의 연신율(22%)을 상회하는 우수한 연성을 보여주면서도 충분한 강도를 확보한 결과입니다. 반면, 높은 열 입력 조건(예: Treatment 2, 3, 8)에서 제작된 시편들은 연신율이 5% 미만으로 매우 낮았고, 모두 용접부에서 파단이 발생하여 취성 거동을 보였습니다. 이는 낮은 열 입력이 용접 품질 확보에 유리함을 명확히 보여줍니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 공정 엔지니어: 본 연구는 전압 5V, 업셋 높이 2.3mm, 플래싱 시간 2초가 SPFH 590 강재의 플래시 맞대기 용접에 가장 적합한 파라미터임을 제시합니다. 열 입력을 최소화하는 방향으로 공정을 제어하면 취성 상인 비드만스태튼 조직의 생성을 억제하여 용접부의 연성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
  • 품질 관리팀: 표 4의 데이터는 용접부에서 파단이 발생한 시편들의 연신율이 현저히 낮다는 것을 보여줍니다. 따라서 인장 시험 시 연신율을 핵심 품질 지표로 관리하고, 경도 분포(그림 9)를 통해 용접부의 경화 정도를 모니터링하면 불량을 사전에 예측하고 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 이 연구 결과는 용접 공정 중 발생하는 미세구조 변화가 부품의 최종 성능에 큰 영향을 미친다는 점을 보여줍니다. 특히 높은 열 입력이 취성을 유발할 수 있다는 점을 고려하여, 용접이 필요한 부위의 설계 시 열 집중을 피하거나 적절한 용접 조건을 적용할 수 있는 형상을 고려하는 것이 중요합니다.

논문 상세 정보

Efecto de los parámetros de la soldadura a tope por destello sobre las propiedades mecánicas de rines metálicos (Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims)

1. 개요:

  • 제목: Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims
  • 저자: Rodolfo Rodríguez Baracaldo, Mauricio Camargo Santos, Miguel Arturo Acosta Echeverría
  • 발행 연도: 2018
  • 게재 학술지/학회: Scientia et Technica
  • 키워드: Flash Butt Welding, SPFH 590 steel, voltage, flashing time

2. 초록:

SPFH 590 강재의 플래시 맞대기 용접 품질에 대한 공정 변수의 영향을 연구했습니다. 용접 금속 및 열영향부는 인장 시험, 굽힘 시험, 로크웰 경도 시험으로 기계적 특성을, 광학 현미경 및 주사전자현미경으로 미세구조를 분석했습니다. 결과는 금속 접합부가 층상 페라이트에서 침상 페라이트로 변태되었음을 나타냈습니다. 용접 과정에서 길쭉한 결정립이 둥근 형태로 성장했고, 냉각 과정을 통해 일부 측판형 비드만스태튼 페라이트 구조가 형성되었습니다. 공정 인자 수준이 미세구조, 용접부 강도, 파괴 특성에 미치는 중요성을 분석했습니다. 전압 5V, 업셋 2.3mm, 플래싱 시간 2초의 용접 공정 파라미터가 수행된 모든 시험에서 가장 우수한 특성 조합(강도 및 연성)을 보였습니다.

3. 서론:

플래시 맞대기 용접(FBW)은 마주 보는 재료의 면을 한 번의 타격으로 용접하는 평면 용접으로, 매우 효율적인 공정입니다. 기본적으로 용융 및 단조 공정으로, 모재와 동등한 강도를 가진 용접 접합부를 생산할 수 있습니다. 이 공정은 저항 용접 공정의 일부로, 플레이트, 라인 파이프, 레일, 해양 구조물, 선박 계류 체인, 특히 자동차 산업의 강철 휠 림 용접에 적용됩니다. FBW의 특징은 용접 공정 파라미터에 직접적인 영향을 받으므로, 필요한 접합 요구 사항을 달성하기 위해 여러 공정 변수를 제어하는 것이 필수적입니다. 본 연구는 자동차 산업에 적용되는 고장력 저합금강(HSLA)에서 이러한 유형의 용접을 연구할 필요성을 제시합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업에서 휠 림 제조 시 HSLA 강재의 사용이 증가하고 있습니다. FBW 공정 후 벤딩, 컬링 등의 공정에서 용접부의 낮은 인성으로 인해 균열이 발생할 수 있으며, 이는 제품의 안전성과 품질에 영향을 미칩니다. 따라서 기계적 강도와 용접 연속성 요구 사항을 만족시키는 FBW 공정 파라미터의 적절한 조합을 찾는 것이 중요합니다.

이전 연구 현황:

FBW 파라미터의 영향에 대한 이론적, 실험적 연구가 보고되어 왔습니다. 대부분의 연구는 인장 강도나 파괴 인성을 최대화하고 변형, 잔류 응력, 기공을 최소화하기 위해 플래싱 시간, 업셋 시간, 업셋 전류, 플래싱 패턴, 업셋 치수 등의 변화를 연구했습니다. Ziemian 등의 연구는 용접 파라미터가 결함 및 내부 개재물에 미치는 민감도를 통계적으로 연구했으며, Min과 Kang은 자동차 차체에 사용되는 냉연 강판의 플래시 용접성을 연구했습니다.

연구 목적:

본 연구는 전압, 업셋 높이, 플래싱 시간과 같은 공정 변수가 SPFH 590 HSLA 강재의 FBW 공정에서 기계적 강도와 용접 불연속성에 미치는 영향을 조사하는 것을 목적으로 합니다.

핵심 연구:

세 가지 주요 공정 변수(전압, 업셋 높이, 플래싱 시간)를 각각 두 수준(고/저)으로 설정하여 총 8가지의 처리 조합을 만들어 시편을 제작했습니다. 제작된 시편에 대해 인장 시험, 굽힘 시험, 경도 시험 및 미세구조 분석(광학 현미경, SEM)을 수행하여 각 조건이 용접부의 기계적 특성과 미세구조에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 최적의 공정 조건을 도출했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

전압(A), 업셋 높이(B), 플래싱 시간(C) 세 가지 요인을 각각 고/저 두 수준으로 설정한 2³ 요인 설계를 기반으로 8가지 실험 조합(Treatment)을 구성했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 재료: SPFH 590 (JIS G 3134) 강재, 두께 2.3mm
  • 용접 장비: Swift-Ohio 91-AA 모델 (400kVA)
  • 기계적 시험: 인장 시험(JIS G 3134 표준), 3점 굽힘 시험(AWS B4.0: 2000 표준), Knoop 미세 경도 시험을 수행했습니다.
  • 미세구조 분석: 광학 현미경(Leco 100x-800x)과 주사전자현미경(FEI Quanta 200)을 사용하여 용접부, 열영향부(HAZ)의 미세구조 및 파단면을 관찰했습니다. 시편은 5% 나이탈 용액으로 에칭했습니다.
Figure 11. SEM micrograph of fracture surface of the specimen with treatment 4. a) Ductile fracture outside the welding joint; b) Poor ductility perpendicular to the rolling direction.
Figure 11. SEM micrograph of fracture surface of the specimen with treatment 4. a) Ductile fracture outside the welding joint; b) Poor ductility perpendicular to the rolling direction.

연구 주제 및 범위:

이 연구는 SPFH 590 강재의 플래시 맞대기 용접에서 전압, 업셋 높이, 플래싱 시간이 용접부의 미세구조 변태(층상 페라이트 → 침상 페라이트, 비드만스태튼 페라이트 형성), 기계적 특성(인장 강도, 연신율, 경도, 굽힘 특성) 및 파괴 거동에 미치는 영향을 분석하는 데 초점을 맞춥니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 용접 공정 중, 모재의 층상 페라이트가 용접부에서 침상 페라이트로 변태되었으며, 냉각 과정에서 비드만스태튼 페라이트 구조가 형성되었습니다.
  • 높은 열 입력(높은 전압, 긴 플래싱 시간) 조건에서 제작된 시편(Treatment 2, 3, 5, 8)은 취성 거동을 보이며 낮은 연신율과 굽힘 특성을 나타냈습니다.
  • 전압 5V, 업셋 높이 2.3mm, 플래싱 시간 2초(Treatment 1) 조건이 인장 강도 596.85 MPa와 연신율 30%로 강도와 연성의 가장 우수한 조합을 보였습니다.
  • 용접부 중심의 경도는 모재보다 높게 나타났으며, 이는 비드만스태튼 페라이트 구조 형성 및 업셋 공정에 의한 가공 경화에 기인합니다.
  • 파단면 분석 결과, 우수한 연성을 보인 시편은 미세 기공(micro voids)이 특징인 연성 파괴를, 용접부에서 파단된 시편은 입내 파괴와 입계 파괴가 혼합된 혼합형 파괴를 보였습니다.

그림 목록:

  • Figure 1. Schematic of the flash butt welding process.
  • Figure 2. Tensile resistance specimen. Adapted from [13].
  • Figure 3. Optical Micrographs of image base material sheet (SPFH 590).
  • Figure 4. SEM Micrographs of the base material.
  • Figure 5. Optical Micrographs of Acicular Ferrite (light color) of the (upset joint) welded joint. GBF: Grain boundary Ferrite. WSP: Widmanstatten side-plate Ferrite. P: Pearlite.
  • Figure 6. SEM Micrographs. a) Joint zone, b) Base material
  • Figure 7. Optical Micrographs of macro section of Flash Butt Welding. White line indicates the decarburized zone.
  • Figure 8. Tensile test specimens which presented a fracture outside the welded join; a) with treatment 1 and b) with treatment 7.
  • Figure 9. Knoop microhardness of the specimens for each treatment.
  • Figure 10. Bending test imagines. a) Experimental arrangement; b) Specimen 1 meeting the requirements of the test; c) Specimen 2 does not meet the requirements.
  • Figure 11. SEM micrograph of fracture surface of the specimen with treatment 4. a) Ductile fracture outside the welding joint; b) Poor ductility perpendicular to the rolling direction.
  • Figure 12 a) SEM micrograph of the fracture surface on welding joint of the specimen of treatment 8. b) Superficial cracking.

7. 결론:

SPFH 590 강재에 대한 플래시 맞대기 용접 공정의 8가지 파라미터 설정에 대한 미세구조 및 기계적 특성 결과가 인장 시험, 굽힘 시험, 로크웰 경도 시험, 광학 현미경, 주사전자현미경을 사용하여 적절하게 평가되었습니다. 접합부의 미세구조 분석은 층상 페라이트에서 침상 페라이트로의 변태를 보여줍니다. 용접 과정에서 길쭉한 결정립이 둥글게 성장하며, 냉각 과정에서 일부 측판형 비드만스태튼 페라이트 구조가 형성됩니다. 기계적 거동은 경도 시험, 인장 시험, 굽힘 시험을 통해 평가되었으며, 여러 파라미터 조합에 대해 다른 거동을 보였습니다. 전압 5V, 업셋 2.3mm, 플래싱 시간 2초의 용접 공정 파라미터는 수행된 모든 시험에서 가장 우수한 특성 조합(강도 및 연성)을 보였습니다. 이러한 결과는 FBW로 생산되는 구조 요소의 제조 공정에서 불량 부품을 줄이는 데 적용될 수 있습니다.

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전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 연구에서 전압, 업셋 높이, 플래싱 시간을 핵심 변수로 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 이 세 가지 변수는 플래시 맞대기 용접에서 열 입력과 단조 효과를 결정하는 가장 중요한 요소이기 때문입니다. 전압과 플래싱 시간은 용접부에 가해지는 총 에너지 양을 조절하여 용융 상태에 직접적인 영향을 미칩니다. 업셋 높이는 용융된 금속과 산화물을 밀어내고 깨끗한 접합부를 형성하는 단조 공정의 정도를 결정합니다. 따라서 이 변수들을 제어하는 것이 최종 용접부의 미세구조와 기계적 특성을 결정하는 데 핵심적입니다.

Q2: 그림 5에 나타난 비드만스태튼 페라이트 구조는 기계적 특성에 구체적으로 어떤 영향을 미칩니까?

A2: 비드만스태튼 페라이트는 일반적으로 판상 또는 침상 형태를 가지며, 결정립계에서 성장하여 결정립 내부로 뻗어 나갑니다. 이 구조는 경도는 높지만 매우 취약하여 균열의 시작점 및 전파 경로가 되기 쉽습니다. 논문에서도 이 구조가 “취성 용접을 생성하고 조기 파괴의 위험을 증가시킬 수 있다”고 지적합니다. 표 4에서 높은 열 입력으로 인해 이 구조가 많이 생성되었을 것으로 추정되는 시편(Treatment 2, 3, 8)들의 연신율이 극히 낮은 것이 이를 뒷받침합니다.

Q3: 그림 7에서 보이는 탈탄층(decarburized zone)의 중요성은 무엇인가요?

A3: 탈탄층은 플래싱 과정에서 모재의 탄소가 용접 영역으로 확산된 후 업셋 과정에서 외부로 밀려나가면서 형성됩니다. 이 영역은 주변보다 탄소 함량이 낮아 상대적으로 연하고 강도가 낮을 수 있습니다. 이는 용접부의 국부적인 기계적 특성 불균일성을 유발할 수 있는 요인 중 하나이며, 플래시 맞대기 용접에서 흔히 관찰되는 특징적인 불연속부입니다.

Q4: 그림 9를 보면 용접부 중심에서 경도 값이 가장 높게 나타납니다. 그 원인은 무엇입니까?

A4: 논문에서는 두 가지 주요 원인을 제시합니다. 첫째, 용접부의 급격한 가열 및 냉각 사이클로 인해 모재의 미세구조가 더 단단한 비드만스태튼 페라이트 구조로 변태되었기 때문입니다. 둘째, 업셋 단계에서 가해지는 강한 축 방향 힘에 의해 용접부가 소성 변형되면서 발생하는 가공 경화(work hardening) 효과 때문입니다. 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 용접부 중심에서 가장 높은 경도 값을 나타냅니다.

Q5: Treatment 1(저전압, 저업셋, 저플래싱 시간)과 Treatment 7(고전압, 저업셋, 저플래싱 시간) 모두 양호한 결과를 보였는데, 왜 Treatment 1이 최적의 조건으로 결론 내려졌나요?

A5: 두 조건 모두 인장 시험 시 용접부가 아닌 모재에서 파단이 발생하여 용접 품질이 우수함을 입증했습니다. 하지만 표 4의 데이터를 자세히 보면, Treatment 1은 연신율이 30%로 모재(22%)보다 월등히 높게 나타나 우수한 연성을 보였습니다. 반면 Treatment 7의 연신율은 27.75%였습니다. 강도와 연성을 종합적으로 고려할 때, 충분한 강도를 유지하면서도 최고의 연성을 보여준 Treatment 1이 가장 이상적인 조합으로 평가된 것입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

자동차 휠 림 제조 시 발생하는 용접부 균열 문제는 플래시 맞대기 용접 공정의 정밀한 제어를 통해 해결할 수 있습니다. 본 연구는 SPFH 590 강재 용접 시 낮은 열 입력 조건(5V 전압, 2.3mm 업셋, 2초 플래싱 시간)이 취성 조직의 생성을 억제하고, 강도와 연성이 가장 뛰어난 용접부를 만든다는 것을 명확히 보여주었습니다. 이는 미세구조 제어가 최종 제품의 품질을 좌우한다는 사실을 다시 한번 확인시켜 줍니다.

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  • 이 콘텐츠는 “Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims” (저자: Rodolfo Rodríguez Baracaldo 외) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
  • 출처: Scientia et Technica Año XXII, Vol. 23, No. 01, marzo de 2018. ISSN 0122-1701

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