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용접 열싸이클 측정

1. 실험 목적상변태를 하는 재료의 용접 시 가열에 의한 조직의 성질을 알아보기 위해 열 싸이클을 측정하여 그래프를 통해 파악할 수 있는 정보를 알아본다.2. 실험 방법 및 조건■ 열 사이클 실험① 크기가 225 x 45 x 25mm인 탄소강 모판을 준비한다.② FCAW 용접기 및 용접할 준비를 마친 후 bead-on-plate용접을 한다.와이어(규격)사용가스(유량)전류(A)전압(V)속도(cpm)flux cored wire(AWS A 5.29, K-110TK3, 1.2Ø)CO₂(20L/min)2302820 사용할 와이어, 보호가스 및 용접 조건③ 용접 후 단면을 잘라 용융선의 위치를 파악한다. (모재의 윗면으로부터 2mm)④ 용접하려는 시험편의 바닥면에서부터 모재의 최대용입깊이(2mm)로부터 2mm, 4mm 까지 각각 다른 깊이의 구멍이 파인 3종류 시험편을 준비한다.⑤ 열전대에서 받은 온도신호를 전기신호로 바꾸어 전달하는 컨버터를 컴퓨터에 연결한 후 ‘Labview' 프로그램을 실행시킨다.⑥ K-type의 열전대를 준비하여 컨버터에 연결하고 반대편 양극의 끝단을 2~3회 꼬아준 후 올바른 열전대 연결을 확인하기 위하여 꼬아진 부분을 라이터 불에 달구어 온도가 상승하는 모습을 모니터를 통해 확인한다.⑦ 구멍 안쪽 끝에 열전대를 접지한 후 콘덴서 용접기를 이용하여 미리 가접한다.⑧ 구멍 안쪽에 열전대가 붙은 시험편을 용접작업대 위에 두고 용접되어질 방향이 열전대 가 가접되어 있는 구멍을 지나갈 수 있도록 용접 토치를 위치시킨다.⑨ 용접이 시작되면 아크 빛을 직접 보지 않도록 주의하며 온도가 측정되는 모습을 모니터 로 실시간 확인하고 200℃ 까지 냉각 되도록 그대로 유지한 후 측정을 종료한다.열전대 접지 후 용접하는 모습용접 후 비드의 형상■ 입열량에 따른 열 사이클 실험① 크기가 225 x 45 x 25mm 탄소강 모판을 준비한다.② 와이어를 장착하고, CO₂용접을 아래 표의 2가지 조건에서 실험한다. 사용할 와이어, 보호가스 및 용접 조건와이어(규격)사용가스} over {V(용접속도)}(1) 230A-28V-20cpm 경우 :입열량`Q``=` {230A*28V} over {(20cm/min)*(1min/60sec)} `=``19kJ/cm(2) 190A-19V-20cpm 경우 :입열량`Q``=`` {190A*19V} over {(20cm/min)*(1min/60sec)} `=`10kJ/cm③ 선행실험과 동일한 과정으로 용융선의 위치를 확인한 후 모재의 최대용입깊이(2mm)로부터 4mm에 위치하는 동일한 깊이의 구멍이 파인 시험편을 2개 준비한다.④ 이후의 과정은 용융선으로부터의 위치에 따른 열 사이클 실험과 동일하게 진행한다.■ 측정항목① 최대용입깊이로부터 위치에 따른 최고가열온도, 냉각속도(800-500℃까지 시간)차이② 입열량에 따른 냉각속도(800℃~500℃ 까지의 시간)의 차이3. 실험 이론 및 고찰■ 열전대1) 열전대의 정의두 종류의 금속선 양단을 접합시켜 양단접점에 온도차를 주면 이 온도차에 따른 열기전력이 발생한다. 이 열기전력을 직류밀리볼트계나 전위차계로 측정하여 온도를 표시하는 온도계이다. 서로 다른 두 종류의 금속도체에 폐회로가 형성되도록 결합하고, 두 결합사이에 온도차이를 유지하면 폐회로 내에 기전력이 발생한다. (seeback Effect) 이렇게 한쪽(냉접점)을 정확하게 0℃로 유지하고, 다른 한쪽(측정접점 또는 온접점)을 측정하려는 대상에 놓아두면 기전력이 측정되어 온도를 알 수 있다. 서로 다른 금속 도체의 결합을 “열전대”라 한다.2) K 열전대 (Chromel-Alumel)K 열전대는 (＋)쪽에 Cr을 약 10%를 포함한 Ni-Cr합금(chromel)과 (－)쪽에 Al, Mn을 포함한 Ni합금(Alimel)을 사용한 열전대이다. 미국 호스킨스사에서 1906년 A.L.Marsh씨에 의해서 개발되었고, 그 후 개량을 더하여 현재 공업용의 열전대로서 가장 넓게 사용되며 신뢰성이 높은 것이다.이 열전대는 고온(약 1200℃)까지 측정이 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 비교적 내열, 내 때에는 충분한 배려가 필요하다.3) 열전대의 특징① 접촉식온도계 중 가장 높은 온도를 측정할 수 있는 온도계이다.② 제백효과를 이용한 온도계이다③ 기준접점을 가지고 있는 온도계이다.④ 냉접점의 온도를 0℃로 유지하고 0℃가 아닌 때에는 보정할 필요가 있다.⑤ 원거리지시 및 기록이 가능, 1대의 계기로 여러 개소의 온도를 측정가능하다.⑥ 사용온도 범위가 넓고 가격이 비교적 저렴하며 내구성이 우수하다.⑦ 응답이 빠르고 시간 지연에 의한 오차가 비교적 적다.⑧ 적절한 열전대를 선정하면 0℃~2500℃온도 범위의 측정이 가능하다.⑨ 특정의 점이나 좁은 장소의 온도측정이 가능하다.⑩ 온도가 열기전력으로써 검출되므로 측정, 조절, 증폭, 변환 등의 정보처리가 용이하다.교재에 제시된 저탄소강의 응고경로교재에 제시된 중탄소강의 응고경로■ 탄소강의 탄소함량에 따른 기본 모재의 조직탄소강이란 용매원자인 Fe 격자 사이에 비교적 원자반경이 작은 탄소원자(용질원자)가 들어가 있는 침입형 고용체이다. 일반적으로 0.3wt% 이하의 탄소를 함유하는 탄소강을 저탄소강(low carbon steel) 또는 연강(mild steel)이라고 부르고, 0.3∼0.6wt%의 탄소량을 함유하는 탄소강을 중탄소강(medium-carbon steel), 그리고 0.6wt% 이상의 탄소량을 가진 탄소강을 고탄소강(high-carbon steel)이라고 한다.교재에 제시된 저탄소강의 모재 조직교재에 제시된 중탄소강의 모재 조직교재에 제시된 저탄소강과 중탄소강의 모재 조직을 비교해 보았을 때 가장 큰 차이점은 페라이트와 펄라이트의 양이다. 저탄소강의 경우 응고 경로를 따라 내려올 때 모재의 조직은 페라이트가 펄라이트보다 더 많다. 하지만 중탄소강의 경우 초석 페라이트의 양이 저탄소강보다 더 적기 때문에 펄라이트가 페라이트보다 많이 나타난 조직을 띄고 있다. 같은 탄소강이어도 탄소의 함량에 따라 기본적인 모재의 조직이 다르게 나타난 상태로 용접하기 때문에 처음 조직의 형상을 잘 알면 용접 시 조직의 변화를탄소강보다 같은 열량에도 γ조직의 결정립의 성장 구간이 길게 되어 최종 조직에 열량이 미치는 영향이 더 크게 된다.■ 모재의 표면 오염이 용접에 미치는 영향우리가 실험에서 사용한 모재는 표면이 녹이 쓴 함량을 알 수 없는 탄소강이었다. 모재 표면의 오염이 어떠한 영향을 미칠지 알아보아야 하는데 탄소강의 표면 생긴 녹은 용접 시 용접금속에 섞여 들어가 인성을 안 좋게 만들거나 탄소강 내부의 합금원소와 반응하여 산화물을 만들어 기계적 성질에 안 좋은 영향을 미칠 수 있다.( 일부의 조건을 충족해 침상 페라이트를 형성하는 경우를 제외하고) FCAW 용접 시 사용하는 와이어의 플럭스의 염기도가 표면의 녹에 의해 녹아들어간 산소량을 다 제어하기는 어려울 것으로 사료된다. 또한 표면에 녹이 용접 금속과 모재의 표면 경계에서 오염을 더 일으킬 수도 있으며 아직 표면의 녹이 많지 않으므로 표면 주변이 아닌 내부의 열영향부(HAZ)에는 녹이 미치는 영향은 없을 것으로 사료된다.■ 모재의 물리적 형상이 응고모드에 미치게 될 영향그림1. 시편의 홈과 단면도그림2. 홈 위쪽의 용접 방향과 거리우리가 사용한 시편의 생김새를 다음과 같이 나타내 보았다. 그림1을 보기 전 모재의 두께가 두꺼울수록 용접 시 두께 방향으로 열이 더 빠져나가기 쉬워서 시편의 냉각이 더 잘 된다. 저 홈의 깊이와 폭은 두께의 영향으로 인한 냉각속도에 큰 변화를 주지 않는 규격으로 설계되었다고 한다. 이때 각 구멍 마다 한 번씩 열전대를 연결하여 용접 시 나타나는 열 싸이클을 관찰하려고 할 때 몇가지 문제점이 발생한다.첫 번째로 용접의 시작점이 다른 홈의 직상 위치와 가까워 한 시편에 여러 번 용접 시 먼저 종료된 실험조건의 영향을 받게 된다. 그러면 제일 처음 용접을 진행할 때의 모재의 조직성질과 다음의 다른 조건의 모재의 조직성질이 달라져 버린다. 용접방향으로 모재의 조직이 거리마다 다른 상태로 용접이 진행되어 정확한 비교가 어려워진다.두 번째는 용접 시 예열 된 정도가 다르게 조정될 수 있다. 용접을 진행로 인해 미세 구조와 특성이 변경된 기본 재료 영역이다. HAZ에서는 냉각 도중 다른 상으로 바뀔 가능성이 있다. 이때 이 구역은 탄소강의 경우 A1 변태 온도 이상으로 가열 되어야 하고 빠르게 냉각 시 조직이 변한다. 이 HAZ의 폭은 용접 입열량이 크거나 냉각속도가 느리다면 HAZ폭이 넓어지고 이는 냉각과정 중 조직이 바뀌는 구역이 그만큼 넓어진다는 것이다.■ 탄소강의 용접열영향부HAZ 는 크게 부분 결정립 미세화 구간, 결정립 미세화 구간, 결정립 조대화 구간으로 나누어진다. 교재에 제시된 저탄소강의 열영향부 모식도에서 볼 수 있듯이 Fusion zone과 제일 가까운 D 부분이 최고가열온도가 가장 높으며 이로 인해 결정립의 크기도 가장 크다. 마찬가지로 Fusion zone 에서 가장 먼 B 구간은 최고가열온도가 낮고 결정립의 크기도 작다. 탄소강의 용접 열영향부의 조직을 보면 결정립 조대화 구간에서는 베이나이트가 많이 관찰되며 베이나이트는 펄라이트보다 경도가 높기 때문에 결정립 미세화 구간보다 경도가 높다.4. 실험결과 및 고찰용접조건 : 230A-28V-20cpm , 2mm용접조건 : 230A-28V-20cpm , 4mm최대 용입 길이에서 떨어진 거리최고 가열온도최고온도까지 걸린 시간800~500℃까지 걸린 시간2mm1173℃5.56s5.31s4mm881℃7.51s9.02s위 두 그림은 동일한 용접조건에서 열전대 측정 깊이를 달리하여 용융선 으로 부터 거리에 따른 차이를 보여주는 그래프이다. 4mm에서 최고가열온도는 A2와 A3온도 사이인 881℃까지 가열 됐고 2mm에서 최고가열온도는 A3와 A4온도 사이인 1173℃까지 가열됐다. 용접선에서 멀어질수록 열의 영향을 덜 받기 때문에 최대 용입 깊이에서 더 떨어진 4mm가 2mm보다 최고가열온도가 낮았고 최고온도까지 걸린 시간도 약 2초정도 더 느렸다.가열온도에 따라서 탄소강의 결정립성장과 조직이 다르게 나타나기 때문에 가열온도는 중요한 요인이다. 2mm는 전 조직이 오스테나이트로 변태되고 오스테나이다.

공학/기술| 2017.11.27| 9페이지| 1,000원| 조회(169)

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