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유한요소해석을 활용한 WAAM 적층 경로에 따른 열적/기계적 특성 분석
천주용(JooYong Cheon),김재훈(JaeHun Kim),김재원(JaeWon kim),김재득(JaeDeuk Kim),김원호(Wonho Kim),지창욱(Changwook Ji) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
와이어 아크 3D 적층 공정(Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM)은 아크를 열원으로 와이어를 송급하여 적층되는 공정으로 높은 용착량으로 인해 생산속도가 높고 대면적층이 가능한 장점으로 인하여 조선·해양플랜트 산업 분야의 해수 펌프, 프로펠러 등 중대형 부품 생산에 활용되고 있다. 이러한 WAAM 공정을 활용하여 3D 형상의 적층물을 제조하기 위해서는 용접 전류 및 전압, 와이어 송급속도와 같은 기본이 되는 공정 변수뿐만 아니라 적층 경로, 냉각 시간에 대한 변수에 따라서 적층물의 특성이 달라지게 된다. 특히, 두 변수는 높은 입열에 의한 기판 변형 및 적층물 내 열 축적에 의한 비드 재현성에 따른 표면 조도, 기계적 물성치에도 영향을 미치게 된다. 따라서, 특정 소재에서 두 변수에 따른 적층물의 열적/기계적 변화를 확인하고 전체 공정 설계 시 반영이 필수적이다. 본 연구에서는 높은 마모 및 부식 저항성과 기계적 강도가 우수한 니켈-알루미늄 브론즈(Nickel-Aluminum Bronze, NAB) 와이어를 CAC 703 기판에 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW) 공정 중 Cold Metal Transfer(CMT) 방식 선정하여 적층 경로 및 냉각 시간에 따른 유한요소해석을 수행하여 변수에 따른 온도, 응력, 변형률에 대한 특성을 비교하고 실제 적층물을 제작하여 기계적 특성을 분석하고자 하였다.
Jae-Deuk Kim(김재득),JooYong Cheon(천주용),JaeHun Kim(김재훈),JaeWon kim(김재원),Junsoo Kim(김준수),Hyunwook Jun(전현욱),Wonho Kim(김원호),Changwook Ji(지창욱) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
Recently, global environmental regulations getting more strict, and hence it is increasing that the interest and investment of automobile companies on the aluminum die casting parts to make light-weight vehicles. Die casting molds are fabricated by the machining of billets of tool steels such as AISI 4140 or H13, in general. But, it has disadvantages like a large material loss and long lead time. Meanwhile, a Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process could be an alternative fabrication method of the die casting mold. It has advantages such as less material loss, short lead time, easy repair and modification, the chance to make a reinforced mold using dissimilar materials, etc. The 5 Cr - 4 Mo tool steel wire is a commercial tool steel solid wire which designed for the repair and modification of tools and molds. It has superior hot wear resistance and toughness as well as the high strength, thus has high potential to produce die casting molds via the WAAM process. On the other hand, the WAAM process is basically the process that stacking the layers repetitively using a conventional arc welding process based on the designed tool paths by CAD/CAM. Thus, the predictability and the reproducibility of every single layer are the most important core factor to obtain the advantages of the automated WAAM process. Due to its nature, a new process parameter whose named an interpass distance should be considered as well as the conventional process parameters such as current, voltage, travel speed, etc. However, there are lack of researches on the interpass distance of WAAM process. In this research, it was found that the interpass distance greatly affect the arc stability due to arc interference induced by the variation of distance from the prior deposited pass. That is to say that the more arc interference was observed as the less interpass distance was given. This phenomenon had been proven through the analysis of high-speed camera results and the variation in the amount of spatter. Further, it was observed that the interpass distance affects the dimension precision and predictability of automated WAAM process of the 5 Cr - 4 Mo tool steel. And it was found the critical interpass distance that could be utilized in the automated WAAM process of the 5 Cr - 4 Mo tool steel. The effect of the interpass distance on the arc interference would exist unless the interpass distance would be given over 100 %, thus, it is important to find out a point of compromise based on the arc stability, dimension predictability, and reproducibility.
핫스탬핑 보론 강판의 ARM 레이저 용접 시 용융 거동 및 미세조직에 미치는 링 빔 모드의 효과
전현욱(Hyun-Uk Jun),천주용(Jooyong Cheon),김재훈(Jae-Hun Kim),김재득(Jae-Deuk Kim),김원호(Wonho Kim),지창욱(Changwook Ji) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
최근 세계적인 환경 규제 강화로 인하여 자동차 산업에서는 온실 가스 배출 저감과 연비향상을 위한 차체의 경량화와 더불어 운전자의 안전을 위한 강성 및 내구성 확보가 요구되어, 보론강과 같은 1.5 GPa급 이상인 고강도강 적용이 증가하고 있다. 하지만 강재가 고강도화됨에 따라 프레스 성형시 연성이 부족하여 복잡한 형상의 성형이 제한적이며, 금형에 가해지는 하중 증대로 인하여 금형의 수명단축이 문제로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해, 경화능이 우수한 보론강에 고온에서 성형과 동시에 빠른 냉각을 통한 강도 및 성형성을 동시에 확보할 수 있는 핫스탬핑 공법을 적용함으로써 실용화되고 있다. 이 공법은 900℃ 이상의 가열공정으로 강재의 표면산화에 의한 스케일 생성 및 표면탈탄 현상을 방지하기 위해서는 Al-Si(10wt%) 도금이 필수적이다. 이러한 도금층으로 인해 핫스탬핑용 Al-Si 도금 보론강의 단일 빔 파이버 레이저 용접시 도금층이 용융부에 혼입되어 페라이트를 형성하여 용접부의 강도를 저하시키는 문제점이 발생한다. 레이저 용접은 타 용접법에 비해 용접속도가 빠르고 입열량이 작아 열변형이 작은 이점이 있고, 비드 외관 및 정밀성이 뛰어나다. 현재는 파이버 레이저 시스템에서 독립적으로 조정 가능한 링 모드(ARM)를 추가한 차세대 고출력 파이버 레이저가 개발되었다. ARM 레이저는 스패터 저감, 심 품질 향상 및 생산성 증가와 같은 많은 이점이 제시되었지만, ARM 레이저 용접 메커니즘 연구 및 공정 개발에 관한 연구는 미비한 실정이다. 특히 ARM 레이저 용접의 경우, 빔 모드에 따른 용접 효율이 달라지기 때문에 용접부의 형상 및 미세구조 특성에 많은 변화가 예상된다. 본 연구의 목적은 자동차 차체 소재인 Al-10Si 도금된 보론강을 레이저 용접시 센터 빔과 링 빔의 출력 값의 조정에 따른 용접부의 용융거동 및 미세구조의 변화를 통해 링 빔의 효과를 명확하게 고찰하는 것이며, 이를 위해 도금층의 성분인 Al과 Si의 용융부 혼입 위치(농도)에 따른 편석 현상과 상변화에 대한 경향을 체계적으로 검토하고자 현미경과 전자탐침미량분석기(EPMA)를 이용하여 비교·분석하였다.
자동차용 핫스탬핑 보론강판의 ARM 레이저 용접시 센터 빔/링 빔 출력 조정에 따른 용접부의 편석과 미세조직 비교
전현욱(Hyun-Uk Jun),김재원(Jae Won Kim),천주용(Jooyong Cheon),김재득(Jae-Deuk Kim),지창욱(Changwook Ji) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
최근 세계적인 환경 규제 강화로 인하여 자동차 산업에서는 CO2 가스 배출 저감과 연비향상을 위한 차체의 경량화와 더불어 운전자의 안전을 위한 강성 및 내구성 확보가 요구되어, 보론강과 같은 1 GPa급 이상인 고강도강 적용이 증가하고 있다. 하지만 강재가 고강도화됨에 따라 프레스 성형시 연성이 부족하여 복잡한 형상의 가공이 어려운 실정이다. 이러한 성형성 문제를 해결하기 위해 고온에서 성형과 동시에 빠른 냉각을 함으로써 강도 및 성형성을 동시에 확보할 수 있는 핫스탬핑 공법이 적용되었다. 그러나 이 공법은 900℃ 이상의 가열공정으로 강재의 표면산화에 의한 스케일 생성 및 표면탈탄 현상을 방지하기 위해서는 Al-Si(10wt%) 도금이 필수적이다. 이러한 도금층으로 인해 핫스탬핑용 Al-Si 도금 보론강의 단일 빔 파이버레이저 용접시 도금층이 용융부에 혼입되어 페라이트를 형성하여 용접부의 강도를 저하시키는 문제로 인해 많은 어려움을 겪고 있다. 레이저 용접은 타 용접법에 비해 용접속도가 빠르고 입열량이 작아 열변형이 작은 이점이 있고, 비드 외관이 미려할 뿐만 아니라 정밀성, 안정성이 높다. 현재는 파이버 레이저 시스템에서 조정 가능한 링 모드(ARM)를 추가한 차세대 고출력 파이버 레이저가 개발되었다. ARM 레이저는 스패터 저감, 심 품질 향상 및 생산성 증가와 같은 많은 이점이 제시되었지만, ARM 레이저 용접 메커니즘 연구 및 공정 개발에 관한 연구는 미비한 실정이다. 특히 ARM 레이저 용접의 경우, 센터 빔/링 빔의 출력 값에 따라 용접 효율이 달라짐으로써, 용접부의 형상 및 미세조직 특성에 차이가 발생할 것으로 예상된다. 본 연구의 목적은 핫스탬핑용 Al-Si 도금 보론강의 ARM 레이저 용접시 센터 빔과 링 빔의 출력 값의 조정에 따른 용접부의 형상, 미세구조의 변화를 통해 링 빔의 효과를 명확하게 고찰하는 것이며, 이를 위해 도금층의 성분인 Al과 Si의 용융부 혼입에 따른 편석 현상과 상변화에 대한 경향을 현미경과 전자탐침미량분석기(EPMA)를 이용하여 비교·분석하였다.
A6014-T4 합금 소재의 저항 용접 시 용접부 미세구조 및 전극 열화에 미치는 전극 패터닝 효과
전현욱(Hyun-Uk Jun),김재훈(Jae-Hun Kim),천주용(Jooyong Cheon),김재득(Jae-Deuk Kim),김원호(Wonho Kim),지창욱(Changwook Ji) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
세계적으로 온실가스 배출, 연료 경제에 대한 규정이 강화됨에 따라, 자동차 산업분야에서는 연비 개선 및 환경문제가 지속적으로 대두되고 있다. 차체 경량화를 위해 알루미늄, 마그네슘, 탄소섬유 강화 복합재료 등의 다양한 경량소재의 적용이 필요하다. 특히 알루미늄 합금 판재를 차체에 적용할 경우, 주철이나 강철보다 전체 중량의 40-60 % 감소하는 효과와 더불어 다른 경량소재에 비하여 많은 장점을 지니고 있어 차체부품에 대한 적용 및 확대가 이루어지고 있는 실정이다. 하지만, 알루미늄 합금 판재는 높은 산화 특성으로 인해 수초 내에 표면에 불균일한 산화층을 형성시키는데, 이는 저항 점 용접 공정에서는 절연체 역할을 함으로써 알루미늄 합금 판재 판재와 구리 전극 계면 사이에 높은 발열을 야기시켜 전극 표면 합금화, 전극열화, 비산형상, 표면 균열 등의 문제를 발생시킨다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해 많은 공법들이 제시되었으며, 실용성 및 경제성 측면에서 전극 패터닝을 활용한 공법에 대한 이슈가 가장 부각되어지고 있다. 기존에 전극 패터닝 공법을 통해 용접성 향상 및 전극 열화를 개선시킨 연구가 보고되어 있으나, 전극 패터닝에 따른 용융 거동 및 용접성 향상 효과의 원인에 대한 연구가 미흡하다. 본 연구에서는 격자 모양의 형상으로 금형을 제작하여 반복 가압을 통해 전극 패터닝공법을 구현하였으며, 격자 모양의 패턴 형상을 사용한 이유는 전극 표면에 인장 및 압축 변형을 교차로 방생시키는 지점을 극대화하기 위함이다. 연구의 목적은 A6014 - T4 합금 소재의 저항 점 용접에서 모니터링 시스템을 활용한 전극 패터닝 유무에 따른 용융 거동에 대한 영향을 전기적, 열적 특성을 통해 간접적으로 분석하여 패터닝 효과에 대해 고찰하는 것이며, 연속적인 용접 공정에서 전극 형상에 따른 용접부 미세구조 및 전극 열화를 현미경과 고분해능 전자현미분석기를 이용하여 용접성 비교·분석해보았다.
Al 5052 합금의 저항 점 용접 시 가압력 제어에 따른 용접부 특성 비교
김원호(Wonho Kim),김재훈(JaeHun Kim),전현욱(HyunUk Jun),천주용(JooYong Cheon),이은경(Eunkyung Lee),지창욱(Changwook Ji) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
자동차의 배기가스 및 연비 규제가 심화됨에 따라 자동차 연료의 효율 증대 및 배출 가스 저감 등을 목적으로 자동차의 경량화가 지속적으로 요구되고 있다. 자동차에 적용되는 경량 소재는 알루미늄 합금, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic), 마그네슘 합금이 존재하며, 그중 알루미늄 합금은 높은 신뢰성과 효율성으로 자동차의 차체에 광범위하게 적용되어 사용되는 추세이다. 그러나 알루미늄 합금의 저항 점 용접 시, 알루미늄 표면에 분포하는 Al2O3 산화층 및 높은 열전도도와 전기전도도, 660 °C의 낮은 융점과 같은 고유한 소재 특성으로 인해 용접부 내부의 기공과 수축공으로 인한 용접품질을 열화 시키는 문제가 지속적으로 초래되고 있다. 이와 관련되어 예비 통전, 용접 시간에 따른 용접성 평가, 전극 표면 가공을 통한 품질향상 연구들이 활발하게 이뤄지고 있으나, 가압력 제어를 통한 용접성 특성 및 영향에 대해서는 연구가 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 용접부 내부에 발생되는 결함 감소 및 용접품질 향상을 목적으로 용접 가압력에 변수를 두고 선 가압(Pre-force) 및 후 가압(Post-force), 선 가압과 후 가압을 결합한 다단 가압(Multi-force) 등을 적용하여 너겟경의 크기와 용접부 내부에 발생되는 결함 분포 양상을 비교·고찰해보았다.