휠 림의 기계적 성질에 미치는 플래시 버트 용접 파라미터의 영향

Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims

본 연구는 자동차 산업에서 휠 림 제조에 널리 사용되는 SPFH 590 고장력 저합금강(HSLA)의 플래시 버트 용접(Flash Butt Welding, FBW) 공정 변수가 용접부의 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 공정 최적화를 통해 용접 결함을 최소화하고 구조적 신뢰성을 확보하기 위한 기술적 근거를 제시한다.

Paper Metadata

Industry: 자동차 (Automotive)
Material: SPFH 590 강 (JIS G 3134)
Process: 플래시 버트 용접 (Flash Butt Welding)

Keywords

Flash Butt Welding
SPFH 590 steel
Voltage
Flashing time
Upset height
Microstructure
Acicular ferrite

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 400kVA 용량의 Swift-Ohio 91-AA 모델 용접기를 사용하여 두께 2.3mm의 SPFH 590 강판에 대해 플래시 버트 용접 실험을 수행하였다. 실험 설계는 전압(Voltage), 업셋 높이(Upset height), 플래싱 시간(Flashing time)의 세 가지 주요 변수를 각각 고수준(High)과 저수준(Low)으로 설정하여 총 8가지 조합의 처리를 구성하였다. 용접된 시편은 AWS B4.0M 및 JIS G 3134 표준에 따라 인장 시험, 굽힘 시험, Rockwell 경도 시험을 거쳤으며, 광학 현미경과 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 미세구조 및 파단면을 분석하였다.

Figure 1. Schematic of the flash butt welding process.

Key Findings

실험 결과, 5V 전압, 2.3mm 업셋 높이, 2초 플래싱 시간 조합(Treatment 1)에서 인장 강도 596.85 MPa와 연신율 30%를 기록하며 가장 우수한 기계적 성질을 나타냈다. 용접부의 미세구조는 모재의 층상 페라이트에서 침상 페라이트(Acicular ferrite)로 변태되었으며, 냉각 과정에서 위드만스테텐 페라이트(Widmanstatten ferrite) 구조가 형성됨을 확인하였다. 과도한 입열량(높은 전압 및 긴 플래싱 시간)은 결정립 조대화와 위드만스테텐 상의 과도한 형성을 유발하여 연신율을 5% 미만으로 급격히 저하시키고 용접부 취성 파괴를 초래하는 것으로 분석되었다.

Industrial Applications

연구 결과는 자동차 휠 림 제조 공정에서 플래시 버트 용접 장비의 파라미터 설정 가이드라인으로 활용될 수 있다. 특히 고장력강 적용 시 발생할 수 있는 용접부 파손 문제를 해결하기 위해 입열량을 정밀하게 제어함으로써 불량률을 감소시키고 제품의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 용접 후 발생하는 탈탄층 및 수소 유입에 의한 균열 가능성을 고려한 공정 설계의 중요성을 시사한다.

Theoretical Background

플래시 버트 용접(FBW)의 메커니즘

플래시 버트 용접은 접합할 두 금속 면 사이의 저항에 의해 발생하는 전기적 아크(플래싱)를 이용하여 단면을 가열한 후, 강력한 축 방향 압력(업셋)을 가해 접합하는 저항 용접 방식이다. 이 공정은 별도의 용가재가 필요 없으며, 용융된 금속과 불순물이 업셋 과정에서 외부로 배출되므로 모재와 동등한 수준의 강도를 확보할 수 있는 고효율 접합 공정이다. 자동차 휠 림과 같이 연속적인 생산이 필요한 부품 제조에 적합하다.

HSLA 강의 미세구조 변태

SPFH 590과 같은 고장력 저합금강(HSLA)은 열간 압연 공정을 통해 형성된 층상 페라이트 및 펄라이트 구조를 가진다. 용접 시 발생하는 급격한 가열과 냉각 사이클은 용접부(WZ) 및 열 영향부(HAZ)의 미세구조를 변화시킨다. 특히 오스테나이트 결정립계에서 핵생성되는 침상 페라이트는 강도를 유지하는 데 유리하지만, 냉각 속도와 입열량에 따라 형성되는 위드만스테텐 페라이트는 판상 구조의 특성상 응력 집중을 유발하여 재료의 인성과 연성을 저하시키는 원인이 된다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 JIS G 3134 표준의 SPFH 590 강판(두께 2.3mm)이 사용되었으며, 화학 성분은 탄소 0.09%, 망간 1.69% 등을 포함한다. 용접 파라미터는 전압(5V, 7V), 업셋 높이(2.3mm, 4.6mm), 플래싱 시간(2s, 4s)으로 설정되었다. 시편은 200 x 1086 mm 크기로 준비되었으며, 용접 후 비드 제거 및 외관 검사를 실시하였다. 기계적 특성 평가를 위해 Knoop 미세 경도 측정과 1m/min 속도의 인장 시험을 수행하였다.

Visual Data Summary

광학 현미경 관찰 결과, 용접 접합부에서 백색의 수직선 형태인 탈탄층(Decarburized layer)이 확인되었다. 이는 플래싱 단계에서 탄소가 확산되고 업셋 단계에서 압출되면서 발생하는 현상이다. SEM 분석을 통해 처리 조건 4에서는 미세 기공의 유착으로 인한 연성 파괴 형상이 관찰된 반면, 처리 조건 8에서는 결정립계를 따라 균열이 전파되는 혼합 파괴(Mixed fracture) 양상과 수소 유입에 의한 표면 균열이 확인되었다.

Figure 6. SEM Micrographs. a) Joint zone, b) Base material

Variable Correlation Analysis

변수 간 상관관계 분석 결과, 입열량(Heat input)은 전압과 플래싱 시간에 비례하며, 이는 용접 품질에 결정적인 영향을 미친다. 높은 전압(7V)과 긴 플래싱 시간(4s)이 결합될 경우 과도한 입열로 인해 열 영향부의 결정립이 조대해지고 강도가 급격히 하락한다. 반면, 적절한 업셋 높이는 용접부의 불순물을 배출하고 미세구조를 치밀하게 만들어 강도를 회복시키는 역할을 수행한다. 실험 데이터는 낮은 전압과 짧은 플래싱 시간이 연성 확보에 유리함을 입증하였다.

Paper Details

Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims

1. Overview

Title: Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims
Author: Rodolfo Rodríguez Baracaldo, Mauricio Camargo Santos, Miguel Arturo Acosta Echeverría
Year: 2018
Journal: Scientia et Technica Año XXII, Vol. 23, No. 01

2. Abstract

SPFH 590 강의 플래시 버트 용접 품질에 미치는 공정 변수의 영향이 연구되었다. 결과물인 용접 금속 및 열 영향부는 인장 시험, 굽힘 시험, Rockwell 경도 시험 및 광학 현미경과 주사 전자 현미경을 통한 미세구조 분석으로 특성화되었다. 결과는 금속 접합부가 층상 페라이트에서 침상 페라이트로 변태되었음을 나타냈다. 용접 과정에서 길쭉한 형태의 결정립이 성장하여 둥근 형태로 변했으며, 냉각 과정을 통해 일부 사이드 플레이트 위드만스테텐 페라이트 구조가 형성되었다. 미세구조, 용접부 강도 및 파괴 특성에 대한 공정 인자 수준의 유의성이 분석되었다. 용접 공정 파라미터 중 5V(전압), 2.3mm(업셋), 2s(플래싱 시간) 조건이 수행된 모든 시험에서 가장 우수한 특성 조합(강도 및 연성)을 나타냈다.

3. Methodology

3.1. 시편 준비: JIS G 3134 표준에 따른 SPFH 590 강판을 200 x 1086 mm 크기로 절단하고 용접 전 세척 공정을 수행함.
3.2. 용접 공정: 400kVA Swift-Ohio 용접기를 사용하여 8가지 파라미터 조합(전압, 업셋 높이, 플래싱 시간)으로 플래시 버트 용접을 실시함.
3.3. 외관 및 미세구조 검사: 10배 확대경을 이용한 외관 검사 후, 5% Nital 에칭액을 사용하여 광학 현미경 및 SEM으로 미세구조를 관찰함.
3.4. 기계적 특성 평가: AWS B4.0M 표준에 따른 굽힘 시험과 JIS G 3134 표준에 따른 인장 시험을 수행하고 Knoop 경도 프로파일을 측정함.

4. Key Results

인장 시험 결과, 처리 조건 1(LV, LUH, LFT)은 596.85 MPa의 강도와 30%의 연신율을 보여 모재(624 MPa, 22%) 대비 우수한 연성을 나타냈다. 반면 처리 조건 8(HV, LUH, LFT)은 369.6 MPa의 낮은 강도와 2.1%의 극히 낮은 연신율을 기록하며 용접부에서 파단되었다. 경도 측정 결과 용접 중심부에서 가장 높은 경도값이 나타났으며, 이는 업셋 과정에서의 변형 경화와 위드만스테텐 구조 형성에 기인한다. 굽힘 시험에서도 낮은 입열량 조건의 시편들만이 균열 없이 요구 사항을 만족하였다.

Figure List

플래시 버트 용접 공정의 개략도
인장 강도 시험편 규격 (JIS G 3134 기반)
SPFH 590 모재의 광학 현미경 사진 (층상 페라이트 구조)
모재의 SEM 사진 (펄라이트 및 페라이트 분포)
용접부의 침상 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트 미세구조
용접부와 모재의 SEM 비교 분석
용접부 횡단면의 탈탄층 관찰 결과
인장 시험 후 파단된 시편의 외관
시편별 Knoop 미세 경도 분포 그래프
굽힘 시험 결과 및 장치 구성
처리 조건 4의 연성 파괴면 SEM 사진
처리 조건 8의 혼합 파괴 및 표면 균열 SEM 사진

References

Y. Ichiyama, et al. (2007). Flash-Butt Welding of High Strength Steels.
ASM Handbook: Welding, Brazing, and Soldering (1994).
AWS Welding Handbook: Welding Processes (2001).
D. E. Ziemian, et al. (2008). Flash butt-welding process optimization.
JIS G 3134:2006. Hot-rolled high strength steel plate for automobile.

Technical Q&A

Q: 용접부에서 관찰된 침상 페라이트(Acicular Ferrite)의 역할은 무엇인가요?

침상 페라이트는 용접 과정에서 층상 구조가 변태되어 형성되며, 무질서한 방향성 덕분에 균열 전파를 억제하는 효과가 있습니다. 본 연구에서는 이 구조가 모재 수준의 인장 강도를 유지하는 데 기여하는 것으로 분석되었습니다. 하지만 냉각 속도에 따라 함께 형성되는 위드만스테텐 페라이트와 적절한 비율을 유지해야만 취성을 방지할 수 있습니다.

Q: 왜 높은 전압과 긴 플래싱 시간이 용접 품질을 저하시키나요?

전압과 플래싱 시간이 증가하면 용접부에 가해지는 총 입열량이 과도해집니다. 이는 열 영향부(HAZ)의 결정립 성장을 촉진하여 조직을 조대하게 만들고, 취성이 강한 위드만스테텐 상의 형성을 대폭 증가시킵니다. 결과적으로 응력 집중이 심화되어 연신율이 급격히 감소하고 조기 파단을 유발하게 됩니다.

Q: 용접부 횡단면에서 발견된 백색 선(White line)의 정체는 무엇인가요?

이 백색 선은 탈탄층(Decarburized layer)을 의미합니다. 플래싱 단계에서 고온에 노출된 금속 내부의 탄소가 용접면으로 확산되어 소실되거나, 업셋 단계에서 탄소가 풍부한 용융 금속이 외부로 압출되면서 형성됩니다. 이는 플래시 버트 용접에서 나타나는 전형적인 불연속성 중 하나입니다.

Q: 수소 유입이 용접부에 미치는 영향은 어떻게 관찰되었나요?

처리 조건 8의 파단면 SEM 분석 결과, 수소 유입으로 인한 표면 균열(Superficial cracking)이 관찰되었습니다. 용접 중 유입된 수소가 열 영향부의 불연속 지점에 축적되어 가스 압력을 형성하고, 이것이 결정립계에 높은 내부 응력을 가해 균열을 발생시키는 현상으로 설명됩니다.

Q: 휠 림 제조 공정에서 가장 권장되는 파라미터 조합은 무엇인가요?

본 연구의 실험 범위 내에서는 5V 전압, 2.3mm 업셋 높이, 2초 플래싱 시간(Treatment 1)이 가장 권장됩니다. 이 조건은 모재보다 높은 연신율(30%)을 확보하면서도 충분한 인장 강도를 유지하여, 이후 진행되는 굽힘이나 컬링(Curling) 공정에서 균열 발생 위험을 최소화할 수 있습니다.

Conclusion

본 연구를 통해 SPFH 590 강의 플래시 버트 용접 시 공정 파라미터가 미세구조 변태와 기계적 성능에 미치는 결정적인 영향을 확인하였다. 적절한 입열량 제어는 침상 페라이트 형성을 유도하여 강도를 확보하는 반면, 과도한 입열은 위드만스테텐 구조와 결정립 조대화를 초래하여 심각한 취성 저하를 유발한다. 특히 5V 전압과 짧은 플래싱 시간 조건이 휠 림 제조에 필요한 최적의 강도-연성 조합을 제공함을 입증하였으며, 이는 생산 현장에서의 공정 최적화 및 품질 관리를 위한 핵심 지표로 활용될 수 있다.

Source Information

Citation: Rodolfo Rodríguez Baracaldo, Mauricio Camargo Santos, Miguel Arturo Acosta Echeverría (2018). Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of wheel rims. Scientia et Technica.

DOI/Link: Not described in the paper

Technical Review Resources for Engineers:

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