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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.4 pp.52-57
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.04.052

Mold Quality Improvement through Overlay Welding

Il-Woo Yun*#, Jong-Dae Hwang*
*Department of Mechanical System, Busan Campus of Korea Polytechnics
#Corresponding Author : yun15@kopo.ac.kr Tel: +82-51-330-7781, Fax: +82-51-332-4801
11/02/2020 25/02/2020 01/03/2020

Abstract


The frequency of the manufacturing and modification of automotive press dies via overlay welding has recently increased, but the welding quality depends on the operator skills and the working conditions. Therefore, this study presents a way to improve the overlay welding quality regardless of the operator skills. Three welding conditions with different pre- and post-heating treatments were tested on some specimens; the weld surface quality was analyzed by examining the cutting face. The results demonstrated the best quality of the weld surface that was heated before and after the welding.



육성용접을 통한 금형 품질 향상에 관한 연구

윤 일우*#, 황 종대*
*한국폴리텍대학 부산캠퍼스 기계시스템과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 자동차 분야 프레스 주물 금형 분야에서 용 접을 활용한 부품제작 및 수정작업 등의 빈도가 높 아지고 있으나 현장에서의 용접 품질은 작업자의 숙련도 및 작업조건에 따라 차이가 발생하고 있다. 게다가 최근 국제 사회의 유가 상승 및 환경 규제 강화 요구에 맞춰 자동차 산업에서 무게를 줄이면 서도 안전을 강화시킬 수 있는 초고강도 강판 (Ultra high strength steel, UHSS)사용의 증가로 자 동차 차체 제품에서 스프링 백(Spring back)이 과 도하게 발생되어 이를 수정하기 위한 방법으로 육 성용접(Overlay welding)을 통한 보정가공 작업이 널리 사용되고 있다. 초고강도 강판 사용의 증가 로 품질 확보를 위해 수정 작업이 증가하는 추세 이며, 이는 용접의 품질이 금형의 품질을 좌우할 만큼 금형 제작에 있어서 중요한 공정으로 자리 잡고 있다. 하지만 용접작업의 특성상 육안으로 불량여부를 확인하기 힘들고 일정시간 경과이후 문제점이 부각되는 경우가 많아 용접 품질 문제가 발생 시 많은 낭비 요소를 발생시킨다. 게다가 해 외 양산 이관 금형에 대한 용접 품질 문제 발생에 대한 수정은 소재 수급, 가공, 조립, 코팅, 운송비 등 어느 한 공정도 국내에서와는 비교가 되지 않 을 정도의 많은 시간과 비용이 낭비되어 글로벌 경쟁을 벌이고 있는 금형산업의 문제점으로 대두 되고 있다.

    용접의 불량은 비드나 엠보싱 형상, 형상이 급 변하는 구간 등 금형에서 면압이 많이 발생되는 부위에서 주로 발생되며 Fig. 1, 2는 금형에서 육 성용접 불량이 자주 발생되는 부위와 용접 불량 사례를 보여준다. 기존에는 육성용접에 대한 재료 나 공정 등에 관한 연구가 주를 이루었으나[1-5] 실 제 현장에서의 용접품질에 대한 연구가 부족함이 현실이다. 따라서 본 연구를 통해 금형에서 주로 사용되는 용접 재질에 따른 용접품질을 분석하고 용전 전 예열처리 및 용접 후 후열처리에 따른 용 접 품질을 평가함으로써 현장에서 작업자 숙련도 와 관계없이 육성용접을 통한 금형품질 향상을 유 도하고자 한다.

    2. 실 험

    용접조건에 따른 품질 변화를 분석하기 위하여, 시험편의 모재(Base metal)는 프레스 금형에서 빈 번한 수정이 발생되는 트리밍 다이(Trim die) 및 형상부에 많이 사용하는 SKD11과 FC300 을 사용 하였다.

    2.1 실험방법

    본 연구에서 사용된 모재 시편을 300×200×40 사이즈로 제작하고 예비용접 사양서를 작성하여 운봉각도, 비드형상, 용접법 등의 시험용접 조건을 기록하고 시편 상부를 3개의 구간으로 나누어 각 기 다른 용접조건을 적용하여 3층 구조로 육성 용 접한 시편을 제작하였다.

    각 구간의 용접 조건으로 A구간은 용접 전 예 열(Pre-Heating) 및 용접 후 후열(Post-Heating)처리 를 하지 않은 구간, B구간은 용접 전 예열처리만 실시하고 용접 후 후열처리를 실시하지 않은 구 간, C구간은 용접 전 예열 및 용접 후 후열처리를 실시한 구간으로 나누었으며 예열의 온도는 메이 커 권장 온도인 250°C 로 실시하였다. 3가지 용접 조건을 적용하여 용접한 시편을 와이어 컷팅기 (Wire Cutting machine)로 용접면을 절단하여 3가 지 조건의 용접 절단면을 동시에 육안 및 현미경 검사, 자분탐상 검사를 실시하여 용접면의 품질을 분석하였다. Fig. 3 및 Fig. 4는 시편의 주요 스펙 및 용접 후 제작된 시편의 형상을 보여준다.

    2.2 용접조건 및 용접봉

    실험에 사용한 용접방식은 수동아크 용접법을 사용하였으며 용접봉으로는 금형수정에 있어 현장 에서 범용적으로 널리사용하는 MASSER사의 GRICAST#31과 GRIDUR#61 두 종류의 용접봉을 사용하였으며 SKD11 시편에는 열간 및 냉간 트리 밍 다이 육성 용접용으로 적합한 GRIDUR#61 용 접봉을 FCD300 시편에는 주철과 강의 이음 용접 용으로 적합한 GRICAST#31 용접봉을 사용하였으 며 운봉법은 시편의 두께 및 형상, 다층용접을 고 려하여 후진법(Back hand method)를 사용하였다. 세부적인 용접조건은 Table 1 에 나타내었으며 Table 2 에는 SKD11, FC300에 대한 물리적 특성 을 Table 3 에는 용접봉의 화학적 조성을 나타내 었다. Fig. 5는 용접시의 운봉 각도 및 비드형상을 Fig. 6은 본 실험의 가장 중요한 실험조건인 예열 및 후열에 사용한 산소-아세틸렌 불꽃의 원리 도 식도 이다.

    2.3 예열

    용접예열은 본 용접 전에 금속이 융착되는 모 재면을 일정한 온도로 가열하는 것을 의미하며 냉 각속도 조절에 따른 재료 경화 정도 감소, 불순물 편석억제, 변형방지, 균열 등을 방지 할 수 있다 [6,7]. 용접부에 대한 예열은 산소 아세틸렌 불꽃을 이용하여 예열하였고 합금강의 용접에 적합한 탄 화염(Carburizing Flame)을 사용하였으며 산소와 아 세틸렌의 혼합 비율은 2:5 비율로 산화불꽃인 겉 불꽃은 대략 3200˚C온도로 환원불꽃인 속불꽃은 1200˚C 수준으로 유지하여 예열을 실시하였다. 온 도에 대한 측정은 일본 sato사의 적외선 온도계 SK-8700II 를 이용하여 측정하였으며 Fig. 7은 예 열 및 온도측정 작업을 보여준다.

    2.4 후열

    용접후열은 본 용접 후에 금속이 용착된 모재 면을 일정한 온도로 가열하는 것을 의미하며 적당 한 후열은 잔류응력을 소실시켜 크리프에 의한 소 성변형을 예방시키며, 인성 및 강도를 개선 할 수 있다.

    3. 용접면 검사

    용접은 용접조건에 따라 여러 가지 용접 결합 을 유발하게 된다. 즉, 용접열에 의한 모재의 변 질, 변형과 수축, 잔류응력의 발생, 용접부 내의 화학 성분과 조직의 변화를 어느정도 피할 수 없 기 때문에 용접부의 안전성과 신뢰성을 조사하는 데 다양한 방법들이 사용되고 있다[6].

    3.1 외관검사

    초음파 탐상, 방사선 투과 등 비파괴 검사를 채 택하는 경우라 하더라도 용접후의 외관검사(Visual inspection)은 용접품질 평가에 중요한 역할을 한 다. 외관검사로 나타난 균열, 기포, 크레이터, 함몰 등의 결함은 다른 기계적 검사를 실시하지 않더라 도 바로 시정해야 할 결함이기 때문이다. 용접부 의 미세 금(Crack) 등의 명확한 외관검사를 할 수 있도록 슬래그 등을 말끔히 청소하고 피이닝이나 숏 블라스트를 하지 말아야 한다. 결과적으로 이 외관검사만으로도 비싼 비파괴검사를 대신해서 사 전에 용접결합을 판별하여 시정할 수 있다[8]. 외관 검사는 일반적으로 용접후의 외관검사만을 생각하는 경우가 많으나 균일한 용접품질을 위해서는 용접전의 모재선택, 온도, 용접면 불순물제거 등도 살펴야 한다.

    3.2 자분탐상검사

    자성을 띤 물체의 조직 내부의 단절부를 발견 해내는 방법으로 자분탐상검사(Magnetic particle inspection)이 있다. 이 검사는 검사하려는 부분 양 쪽에 프로브(Probe)를 대고 모재에 큰 전류를 흐르 게 하면 전류의 방향과 직각으로 발생하는 자속 (Magnetic flux)이 모재내부에 원형으로 흐르게 되 며 이 자력이 어떤 단절부에 부딪치면 그곳으로 새어나와 대기중에 빠지면서 자력의 양극을 형성 하여 자분을 당겨 모은다. 따라서 검사할 모재 면 에 뿌려놓은 자분 즉 쇳가루가 모이는 것은 그 곳 에 금(crack)이 있다는 것을 나타내는 것이다[6].

    4. 실험결과

    4.1 절단면 분석

    실험에 대한 용접면을 평가하기 위한 검사방법 으로는 육안 및 자분탐상법에 의한 절단면 분석을 실시하였다. 두 종류의 시편을 와이어 컷팅기를 이용하여 절단하여 절단면을 확인한 결과 육안으 로는 시험편의 불량여부를 판단하기 힘들었으나 자분 탐상법을 이용한 크랙검사를 실시한 결과 용 접 전/후 예열을 실시한 C구간을 제외하고는 크랙 으로 판단되었다. Fig. 8, 9는 SKD11과 FC300의 절단면 형상 및 크랙 부위에 대한 자분탐상 및 확 대 형상을 보여준다.

    4.2 현미경 검사를 통한 원인 분석

    크랙부위에 대한 원인 분석 및 크랙형상을 확 인하기 위한 현미경 검사 결과 용접 전/후 예열을 실시하지 않은 A구간에서는 두 시편 모두 모재와 용접봉 융착 부위에서 다량의 흑연 경계층이 발생 된 걸 확인할 수 있었으며 이는 용접 전후 예열 미 실시에 따른 모재 열화에 의한 현상으로 분석 된다. 용전 전 예열처리를 실시하진 않았지만 용 접 후 예열처리를 실시한 B구간에 대해서는 A구 간 만큼 확연한 경계층은 아니었지만 곳곳에 흑연 발생을 확인할 수 있었으며 이는 후열처리 미흡에 따라 열변화에 따른 모재의 열화가 발생된 거로 판단된다. Fig. 10은 SKD11의 A, B구간에 대한 현 미경 확대 형상을 Fig. 11은 FC300의 A구간에 대 한 현미경 확대 형상을 보여준다. 반면 육성용접 전/후 예열처리를 하였던 C구간 확인 결과 SKD11, FC300 두 소재 모두 흑연이 안정적인 미 세 형태로 존재함을 확인할 수 있었다. Fig. 12는 SCK11에 대한 C구간을 Fig. 13은 FC300에 대한 C구간 현미경 확대 형상을 보여준다.

    5. 결 론

    자동차 차체분야 프레스 금형에서 많이 사용되 는 금형 재료인 SKD11, FC300에 대하여 예열 및 후열 조건을 달리하여 육성 용접을 실시하고 시편 을절단하여 육안검사, 자분탐상검사, 현미경 검사 를 실시하여 용접품질을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. 실험 결과 용접 전/후 예열을 실시한 C구간을 제외하고 세부 용접면 검사결과 크랙으로 판단 되었다.

    2. 용접 용접부 및 그 주위를 일정한 온도로 유지 시킴으로써 급냉에 의해 발생되는 내부응력을 제거하고 금속조직을 균일하게 하기 위하여 용 접 전 예열처리는 필수로 요구된다.

    3. 용접직후 고온 환경 속에서 금속은 크리프에 의해 소성변형이 발생되어 잔류응력을 남기게 되나 적당한 고온으로 유지하면 잔류응력을 소 실시킬 수 있으므로 용접 후 후열 처리는 필수 로 요구된다.

    4. 용접 작업자는 용접 전 적외선 온도 측정기, 접 착 고온계 등을 통하여 작업 온도를 파악하고 모재에 맞는 용접봉 및 용접 내용을 정확히 숙 지한 후 작업을 실시해야 하며 예열 및 후열의 온도는 모재의 성분 용접봉, 용접 두께 및 용접 법 등에 따라 다르게 선정되어야 한다.

    5. 향후 용접작업에 대한 계획과 용접 품질 관리 에 필요한 사항을 제공하기 위하여 용접절차 승인 기록서(Welding Procedure Approval Record, WPAR) 및 용접시험 상세기록서(Welding Procedure Qualification Test Record, PQR) 작성 을 통한 용접 작업 조건 표준화가 필요하다.

    Figure

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    Major welding defect areas

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    Overlay welding defect cases

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    Schematic of test specimen (mm)

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    Test specimen geometry

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    Welding angle and geometry

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    Principle of oxy acetylene welding

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    Pre-Heating and temperature measurement

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    Cutting plane geometry of SKD11

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    Cutting plane geometry of FC300

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    Microscopic shape for section A, B of skd11

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    Microscopic shape for section A of FC300

    KSMPE-19-4-52_F12.gif

    Microscopic shape for section C of SKD11

    KSMPE-19-4-52_F13.gif

    Microscopic shape for section C of FC300

    Table

    Overlay welding condition

    Chemical composition of SKD11, FC300 steel substrate(wt%)

    Chemical composition.(wt.%)

    Reference

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