1. 서 론
석출경화 스테인리스강 17-4PH는 고온 강도와 내식성이 뛰어나 항공우주산업을 비롯한 고성능 산업 분야에서 널리 사용되는 소재이다. 특히, 경량화와 고강도가 요구되는 환경에서 얇은 두께의 17-4PH 판재를 접합하는 기술의 정밀성과 품질 확보가 중요한 과제로 부각되고 있다. 저항 점용접(RSW, resistance spot welding)은 금속 박판의 접합에 널리 사용되는 방식으로, 짧은 공정 시간과 높은 생산성을 제공한다. 하지만 17-4PH와 같은 마르텐사이트계 석출경화 스테인리스강은 높은 열팽창 계수와 낮은 열전도율로 인해 용접 공정 변수에 따른 품질 변화가 크며, 특히 이종 두께 간 용접 시 균일한 너깃 형성 및 용접 날림을 해결하는 것은 매우 중요한 과제이다1,2).
기존 연구는 주로 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강의 용접 특성에 초점을 맞췄으며, 마르텐사이트계 강재, 특히 17-4PH의 이종 두께 접합에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. 한편, 알루미늄 용접 공정에서도 실험계획법을 활용한 공정 최적화 사례가 보고된 바 있다. 본 연구에서는 중심합성계획법(CCD, central composite design)을 적용하여 17-4PH의 저항 점용접 공정 변수를 최적화하고, 용접 전류와 통전 시간이 접합부의 인장전단강도와 너깃 크기에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다3,12).
이 연구는 17-4PH의 저항 점용접 공정 최적화와 접합 품질 향상을 위한 기초 자료를 제공하며, 고성능 산업 분야에서의 적용 가능성을 확대하는 데 기여할 것으로 기대된다.
2. 실험 방법
2.1 시험편 제작
본 연구에서는 시험 소재로 석출경화 스테인리스강 17-4PH(H900)를 사용하였다. 17-4PH는 우수한 고온 강도와 내식성을 특징으로 하며, ASTM E8/E8M 표준에 따라 시험편을 설계하고 제작하였다.
시험편은 두께 0.3 mm와 0.66 mm의 이종 두께 판재로 구성되었으며, 용접부의 품질 평가를 위해 인장 시험 및 단면 분석에 적합한 크기로 가공되었다. Table 1에는 17-4PH의 화학성분을 요약하였으며, Fig. 1은 설계된 시험편의 도면을 나타낸다.
2.2 반응표면분석방법
17-4PH 스테인리스강의 저항 점용접 공정을 최적화하기 위해 중심합성계획법(CCD)을 적용하였다. CCD는 공정 변수와 품질 특성 간의 상관관계를 효율적으로 분석하고 최적의 공정 조건을 도출하기 위한 실험 설계 기법이다1,11). 본 연구에서는 용접 전류(4~6 kA)와 통전 시간(200~300 ms)을 독립변수로 설정하였으며, 종속변수로는 인장전단강도, 너깃 크기, 날림 발생 여부를 선정하여 평가하였다.
Fig. 2는 예비 실험을 통해 용접 전류와 통전 시간의 적정 범위를 결정하여 나타낸 결과이다. 용접 전류 2-3 kA 구간에서는 최소 너깃 크기(2.73 mm)를 충족하지 못하였고, 7 kA 이상에서는 과도한 전류로 인해 날림 및 너깃 파손이 발생하였다. 이를 바탕으로 적정 범위를 용접 전류 4-6 kA, 통전 시간 200-300 ms로 설정하였다. Table 2는 CCD를 이용해 도출한 실험 조건이며, Coded Level은 각 용접 인자를 -1, 0, +1과 같은 무차원화된 수준으로 표시한 것이다. -1은 최솟값, 0은 중심값, +1은 최댓값에 대응하며, 독립변수를 이와 같이 단순화하여 ANOVA 및 회귀모형 분석을 보다 직관적으로 수행할 수 있었다1).
2.3 실험 장치 구성 및 품질 평가 방법
17-4PH 스테인리스강 이종 두께 판재의 저항 점용접 특성을 평가하기 위해 정격 용량 150 kVA의 저항 점용접기와 ISO 5821 표준에 따른 구리합금 전극(직경 6 mm)을 사용하였다. 용접 품질 평가는 인장전단강도, 너깃 크기, 날림 여부, 그리고 단면 분석을 통해 이루어졌다.
인장전단강도는 ASTM D1002 표준에 따라 만능재료시험기를 사용하여 측정하였다. 시험 과정에서 시편은 바이스에 고정되었으며, 일정한 인장 속도로 너깃부가 파단될 때 까지의 하중을 측정하는 방법으로 인장 시험을 수행하였다. 또한 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 용접부 단면을 관찰하여 용융부 형상 및 미세조직 특성을 분석하였다.
너깃 크기는 시편의 표면을 연마하지 않은 상태에서 버니어캘리퍼스를 사용해 측정하였으며, 용접 품질의 기준으로 활용되었다. 날림 여부는 용접 과정에서 시각적으로 관찰하였으며, 발생 시 1, 미발생 시 0으로 기록하여 데이터화하였다. 이러한 품질 평가 방법은 용접 조건이 최적화된 결과를 평가하고, 용접 품질에 미치는 영향을 다각도로 분석하는 데 기여하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 인장전단강도 및 너깃 크기
9개의 실험 조건에서 5회 반복 실험을 통해 용접 전류와 통전 시간이 인장전단강도와 너깃 크기에 미치는 영향을 평가하였으며, 결과는 Fig. 4에 나타내었다.
인장전단강도는 용접 전류 증가에 따라 전반적으로 상승하는 경향을 보였으나, 5 kA에서 6 kA로 증가할 때는 용접 날림과 균열 발생으로 인해 상승 폭이 감소하였다. 통전 시간 200 ms, 250 ms, 300 ms에서 인장전단강도는 각각 18.0%, 19.5%, 15.2% 증가하였으나 이후 증가폭은 10.5%, 8.1%, 6.7%에 그쳤다. 이러한 결과는 용접 전류가 증가할수록 저항 가열 효과가 커지면서 용융 영역이 확대되지만, 일정 전류 이상에서는 급격한 열 축적으로 인해 내부 조직이 취약해지고, 급랭에 따른 응력 집중이 발생하여 균열이 형성될 가능성이 높아지기 때문으로 해석된다. 용접 전류가 증가함에 따라 너깃 크기는 12.7%~15.5%의 증가율을 보였으며, 전류가 5 kA에서 6 kA로 증가할 때는 14.2%~19.0%로 더 큰 증가율을 기록하였다. 이는 전류가 증가하면 저항 가열이 강해져 용융부가 확장되기 때문이며, 두꺼운 판재에서 이러한 현상이 더욱 두드러지게 나타난다4,5). 그러나 용접 전류가 6 kA에 도달하면 날림이 발생하면서 너깃 형상이 불규칙해지고, 일부 영역에서는 불완전 융합이 발생하였다. 날림은 과도한 열 입력으로 인해 급격한 금속 증발 및 응고 불균형이 초래되어 발생하는 현상으로, 여러 선행 연구에서도 높은 전류 조건에서 관찰된 바 있다4-6).
3.2 저항 점용접부 단면 거동 분석
용접 조건에 따른 인장전단강도와 너깃 크기의 분석 결과를 기반으로 통전 시간을 300 ms로 고정하고, 용접 전류를 4~6 kA로 설정하여 용접부 단면 형상을 OM 및 SEM을 통해 관찰하였다.
4 kA 조건에서는 너깃 크기가 약 4.05 mm로 작고 불완전한 융합부가 관찰되었다. 이는 낮은 전류로 인해 충분한 열 에너지가 공급되지 못하여 용융이 부분적으로 진행된 결과로 해석된다. 5 kA 조건에서는 너깃 크기가 약 4.65 mm로 균일하고 적절하게 형성되었으며, 용접 품질이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 적절한 열 입력과 냉각 속도가 조절되면서 균일한 용융 및 응고가 이루어졌기 때문으로 판단된다. 6 kA 조건에서는 과도한 열 입력으로 인해 너깃 크기가 약 5.40 mm로 비정상적으로 크게 형성되었고, 균열 및 날림 현상이 발생하였다. 이는 과도한 열이 금속 증발을 초래하여 급격한 응고를 유발하고, 내부 응력 집중으로 인한 균열이 형성된 것으로 해석된다1,2,4).
이종 두께의 강판을 점용접하는 경우, 초기 용융은 강판 계면에서 시작되며, 용융이 얇은 두께의 강판으로 이동하는 경향을 보인다.
이는 얇은 두께의 강판이 열용량이 작아 빠르게 가열되면서 용융이 더 쉽게 이루어지기 때문이다. 두께가 증가할수록 용융의 이동 범위가 커지며, 두꺼운 강판에서 더 큰 너깃이 형성된다. 특히, 17-4PH 스테인리스강은 연강과 비교하여 높은 열전도율을 가지고 있어 짧은 통전 시간에서도 빠른 냉각이 이루어지는 특성이 있다. 이로 인해 전극과 용융부 간 거리가 증가할수록 열추출량이 감소하며, 두꺼운 강판에서 용입량이 증가하여 비대칭적인 너깃 형상이 형성된다1).
Fig. 6은 SEM 관찰을 통해 열영향부(HAZ)와 너깃 내부의 미세구조 변화를 비교하였다. 용접 전류 증가에 따라 미세조직의 크기와 균일성이 변화하며, 석출물 형성과 분포에도 차이가 발생하였다. 이러한 변화는 17- 4PH 강의 특성과 맞물려 발생한 것으로 분석된다.
4 kA 조건에서는 용융이 충분하지 않아 미세조직이 조대하고 불균일하게 형성되었다. 이는 용융 영역 내의 석출물이 완전히 재용해되지 못하고 국부적인 응집 현상을 보였기 때문으로 해석된다. 특히, Cu 기반 석출물은 1050-1150℃ 범위에서 용해되며, 본 실험의 낮은 전류 조건에서는 충분한 열 입력이 이루어지지 않아 기존 석출물이 잔존하거나 부분적으로 응집된 것으로 보인다7,8).
5 kA 조건에서는 균일하고 상대적으로 작은 석출물이 형성되었으며, 이는 적절한 열 입력과 응고 속도로 인해 용융부 내 열 이력이 최적화된 결과로 해석된다. 17-4PH 강의 Cu 기반 석출물은 특정 온도에서 완전 용해 후 다시 균일하게 석출되는 특징을 가지며, 5 kA 조건에서 이러한 용해-응고 과정이 안정적으로 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 너깃 내 미세조직이 균일하게 형성된 것은 적절한 냉각 속도와 응고 거동 덕분이다. 용접 후 응고 속도가 지나치게 빠르면 내부에 미세 수축 결함이 발생할 수 있으나, 5 kA 조건에서는 이러한 결함이 최소화 되었다7,8).
6 kA 조건에서는 과도한 열 입력으로 인해 국부적인 미세균열과 조대한 석출물이 관찰되었다. 17-4PH 스테인리스강은 강화 열처리 과정에서 CuAl₂와 같은 Cu 기반 석출물이 형성되며, 용접과 같은 고온 가열 공정 중 입자 성장이 촉진되는 것으로, 장시간 고온에 노출될 경우 크기가 증가하고, 응고 과정에서 급격한 변형을 초래할 수 있다7,8). 또한, 높은 전류에서 너깃 크기가 비정상적으로 커지고 국부적 취성이 증가하는 현상이 확인되었다. 이는 전류 증가로 인해 국부적인 과열이 발생하면서, 응고 시 석출물 및 미세조직의 균일성이 저하되었기 때문으로 분석된다.
Fig. 7과 Table 3은 각 전류 조건에서 용접부 단면의 경도 분포를 정량적으로 비교한 결과이다. 세 조건 모두 HAZ와 용융부가 모재보다 전반적으로 높은 경도를 보였으며, 이는 저항 점용접 시 열 이력으로 인해 미세조직이 치밀화되고 Cu 기반 석출물이 형성된 결과로 판단된다.
Table 3
Hardness distribution at weld cross-section according to weld currents
4 kA 에서 국부적으로 가장 큰 경도 편차가 관찰되었다. 이는 열 입력 부족으로 인해 일부 구간에서 불완전한 융합과 석출물 분포 불균형이 초래되어 기계적 성질을 저하시켰기 때문으로 분석된다7,9,10). 반면, 5 kA 조건은 비교적 안정적인 분포를 보여 너깃 중심부(0 mm) 경도가 376 Hv로, 4 kA(367 Hv) 대비 약 2.5% 높았다. 6 kA 조건은 과도한 열 입력에도 불구하고 국부 편차가 4 kA만큼 극단적이진 않았으며, 중심부 경도는 371 Hv로 5 kA 대비 1.3% 낮았다.
반면, 5 kA 조건은 비교적 안정적인 분포를 보여 너깃 중심부(0 mm) 경도가 376 Hv로, 4 kA(367 Hv) 대비 약 2.5% 높았다. 6 kA 조건은 과도한 열 입력에도 불구하고 국부 편차가 4 kA만큼 극단적이진 않았으며, 중심부 경도는 371 Hv로 5 kA 대비 1.3% 낮았다. 이는 5 kA가 적절한 열 입력으로 석출물 분포와 미세조직 형성이 균형을 이루어 가장 높은 중심부 경도를 달성한 것으로 해석할 수 있으며, 6 kA 역시 과열에 따른 결함 우려와는 달리 중심부 경도가 4 kA 대비 높고 편차가 크지 않았다.
경도 측정을 통하여 모재, HAZ, 및 용융부간 기계적 특성을 비교하였고, 세 조건 모두 모재 대비 높은 경도를 얻었으며, 국부 편차는 전류에 따라 다소 차이를 보였으나, 전반적으로 유사한 경향을 확인하였다.
4. 반응표면 분석방법을 활용한 용접 공정변수 최적화
4.1 회귀식 도출
본 연구에서는 용접 전류와 통전 시간이 인장전단강도, 너깃 크기, 날림 여부에 미치는 영향을 평가하고 최적의 용접조건을 도출하기 위해 반응표면 분석법을 적용하였다. 중심합성계획법을 활용하여 설계된 실험 결과를 바탕으로 2차 회귀식을 도출하였으며, 이를 통해 품질 특성을 예측하고 최적화하였다1,3,11).
인장전단강도(TS), 너깃 크기(NS), 날림 여부(E)의 회귀식은 아래 (1), (2), (3)과 같다.
단, I = 용접 전류(kA), T = 통전 시간(ms) 이다.
회귀식 분석 결과, 인장전단강도와 너깃 크기에서 용접 전류의 1차 항 계수(0.19130, 0.6420)는 통전 시간의 1차 항 계수(0.06343, 0.1997)보다 더 큰 영향을 미치는 주요 변수로 확인되었다. 날림 발생 회귀식에서는 통전 시간 항이 제거되었으며, 용접 전류가 결정적인 영향을 미쳤다. 결정계수(R2)는 인장전단강도 99.16%, 너깃 크기 98.94%로, 두 회귀식이 실험 데이터를 높은 정확도로 설명할 수 있음을 보여주었다. 날림 발생의 경우, 결정계수가 100%로 나타나 모델이 실험 결과와 완벽히 일치함을 확인하였다.
Fig. 8은 회귀식의 잔차 분석 결과를 나타낸다. 정규 확률도에서는 잔차가 직선 근처에 고르게 분포하여 데이터의 정규성을 만족하였다. 히스토그램은 잔차가 종형 대칭 분포를 따르며, 적합치 대 잔차와 순서 대 잔차 그래프에서도 데이터가 무작위로 분포하여 모델의 독립성과 적합성을 확인하였다. 날림 발생의 경우, 모든 실험 결과가 동일한 값(결정계수 R2=1)을 가지므로, 잔차 분석에서 나타날 수 있는 변동이 존재하지 않는다. 이는 날림 발생 회귀 모델이 데이터를 완벽히 설명하며, 회귀식이 실험 결과를 예측하는 데 있어 높은 신뢰도를 보인다.
4.2 분산분석
분산분석(ANOVA)을 통해 용접 전류와 통전 시간이 인장전단강도, 너깃 크기, 날림 발생에 미치는 영향을 평가하였다. Table 5와 Table 6는 인장전단강도와 너깃 크기에 대한 결과를 나타내며, 두 변수 모두에서 용접 전류가 가장 중요한 요인으로 확인되었다1,11).
Table 4
The summary of regression model accuracy for response surface analysis
| Response | S | R-sq | R-sq(Adj) | R-sq(pred) |
|---|---|---|---|---|
| Tensile shear strength | 0.0174158 | 99.16 % | 98.94 % | 98.62 % |
| Nugget size | 0.0647569 | 98.94 % | 98.67 % | 98.22 % |
| Expulsion | 0 | 100 % | 100 % | 100 % |
Table 5
The results ANOVA for tensile shear strength
| Source | DF | F-Value | P-Value |
|---|---|---|---|
| Model | 9 | 459.19 | 0.00 |
| Weld current (kA) | 1 | 3619.63 | 0.00 |
| Weld time (ms) | 1 | 397.99 | 0.00 |
| Interaction | 1 | 17.20 | 0.00 |
| Error | 35 | - | - |
| Total | 44 | - |
4.3 반응표면분석 및 최적용접조건 도출
반응표면분석을 통해 용접 전류와 통전 시간이 인장전단강도와 너깃 크기에 미치는 영향을 시각화하고 최적화된 용접 조건을 도출하였다. Fig. 9는 인장전단강도와 너깃 크기에 대한 반응표면 및 등고선도를 나타낸다. 가로축과 세로축은 각각 용접 전류(I)와 통전 시간(T)이며, 수직축은 각각 인장전단강도 및 너깃 크기의 예측값을 의미한다. 용접 전류가 증가함에 따라 인장전단강도와 너깃 크기가 큰 폭으로 변화함을 확인할 수 있는데, 이는 반응표면의 기울기가 전류 축에서 더 가파르게 나타나는 것으로 해석할 수 있다. 반면, 통전 시간(T)은 이 범위 내에서 상대적으로 영향을 덜 미치므로, 등고선들이 전류 축 쪽으로 더 밀집되어 있다. 인장전단강도의 반응표면에서 용접 전류가 6 kA 이상으로 올라가면 일부 등고선이 급격하게 꺾이는 양상이 나타나는데, 이는 과도한 열 입력으로 인해 날림이나 미세균열 발생 등으로 인장전단강도가 오히려 저하될 수 있음을 시사한다. 너깃 크기의 등고선 역시 용접 전류가 4~5 kA에서 크게 증가하다가, 6 kA 이상에서는 날림 발생 등으로 인해 형상이 불규칙해져 더 이상의 유효증가를 기대하기 어려움을 보여준다1,11).
최적 조건은 다중 반응 최적화 도구를 활용하여 도출되었으며, 최적화 기준은 인장전단강도의 최댓값, 너깃 크기 기준 충족, 날림 발생 최소화로 설정하였다. 도출된 최적 조건과 예측값은 Table 7에 나타내었다. Fig. 10(c)은 용접부 내부 미세구조를 보다 자세히 관찰하기 위해 약 50,000배(50.00 kx) 고배율로 촬영하였으며, Cu 기반 석출물로 추정되는 상을 확인하였다.
4.4 재현성 실험
재현성 실험을 통해 예측값과 실제 측정값의 일치도를 확인하였다. Table 8은 최적화 결과를 기반으로 용접 전류 5.25 kA, 통전 시간 300 ms로 설정하여 용접한 시험편의 인장전단강도와 너깃 크기를 5회 반복 측정한 평균값과 표준편차, 그리고 예측 값을 비교한 결과를 나타낸다.
Table 8
The results of verification experiment
| Category | Predicted value | Mean value | Std. Dev. | Error (%) |
|---|---|---|---|---|
| Tensile Shear strength (kN) | 1.75 | 1.72 | 0.07 | 1.6 |
| Nugget size (mm) | 4.88 | 4.69 | 0.15 | 3.9 |
| Expulsion | 0 | 0 | 0 | 0 |
인장전단강도의 오차율은 1.6%, 너깃 크기의 오차율은 3.9%로 나타났으며, 날림 발생은 일어나지 않아 예측 값과 일치하였다. 이러한 결과는 도출된 회귀식이 실험 데이터를 기반으로 높은 신뢰성을 갖고 있음을 의미한다. Fig. 10은 최적 용접조건에서 용접부 단면과 미세구조를 OM 및 SEM으로 분석한 결과를 나타낸다. 분석 결과, 용융부는 균일하고 안정적인 미세구조를 보여주었으며, 결함이 관찰되지 않았다.
따라서, 본 연구에서 도출한 회귀식은 17-4PH 석출경화 스테인리스강의 이종 두께(0.3 mm, 0.66 mm) 간 저항 점용접 품질을 평가하는 데 적합한 모델임을 검증하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 석출경화 스테인리스강 17-4PH의 이종 두께(0.3 mm, 0.66 mm) 간 저항 점용접을 대상으로 반응표면분석법을 활용하여 최적 용접조건을 도출하고, 이를 검증하였다.
1) 실험 조건에 따른 용접부 특성
4 kA : 불완전한 용융과 거친 미세조직이 형성되었으며, 너깃 크기는 3.2 mm로 작고 국부적 결함이 발생하였다.
5 kA : 균일한 석출물과 미세조직이 형성되었으며, 너깃 크기는 4.8 mm로 증가하고 경도 분포도 균일하게 유지되었다.
6 kA : 과도한 열입으로 인해 너깃 크기(5.6 mm 이상)가 급격히 증가하고 날림 및 미세균열이 발생하였다.
2) 반응표면분석 및 회귀식 도출 결과 중심합성계획법(CCD) 기반 실험설계를 통해 용접 전류와 통전 시간을 독립변수로, 인장전단강도, 너깃 크기, 날림 발생을 종속변수로 설정하여 회귀식을 도출하였다. 결정계수(R2) 값이 0.99 이상으로 높은 적합도를 보이며, 실험 데이터를 효과적으로 설명할 수 있음을 확인하였다.
3) 분산분석 결과 용접 전류가 인장전단강도와 너깃 크기에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 통전 시간의 영향은 상대적으로 낮았다.
4) 다중 반응 최적화를 통해 용접 전류 5.25 kA, 통전 시간 300 ms가 최적 조건으로 도출되었으며, 실험 검증 결과 인장전단강도와 너깃 크기의 예측 오차율은 각각 1.6% 및 3.9%로 낮은 편차를 보였고, 날림은 발생하지 않았다.
본 연구를 통해 도출된 최적 조건은 17-4PH 스테인리스강 이종 두께 점용접의 품질 평가 및 공정 최적화에 신뢰할 수 있는 기초 데이터를 제공할 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
XML Download
Full text via DOI
Download Citation
Print
