스테인리스강 436의 WAAM 적층 효율에 대한 연구
Research on WAAM Deposition Efficiency of STS436
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Abstract
Wire arc additive manufacturing (WAAM), which uses arc as a heat source during the direct energy deposition (DED) process, is a melting-based additive manufacturing process that melts metal wires using an arc and then deposits them layer by layer to create components. It has the advantages of fast production speed and low cost. The WAAM process is mainly performed using a cold metal transfer (CMT) welder capable of low heat input. In this study, the deposition efficiency was studied through a deposition experiment on ferritic stainless steel 436 material. The research method is as follows: first, the appropriate variables of the deposition process (Arc length, Pulse/dynamic, Z-offset, Cooling time) were evaluated and conditions were selected, second, the amount of post-processing loss and deposition performance were evaluated through the deposition efficiency, and third, the mechanical properties were verified through a tensile test evaluation using the deposited specimen, and the appropriate process conditions were selected to create pipes that can be used in industrial sites by multilayer deposition of ferritic stainless steel 436 material.
1. 서 론
적층제조 공정에서 와이어의 재료와 아크 열원을 사용하는 공정을 WAAM(와이어 아크 적층제조, wire arc additive manufacturing)이라고 하며 다른 금속 적층제조 공정에 비하여 빠른 생산속도와 저렴한 비용의 장점을 가지고 있다1). 또한 부품의 형상과 크기에 따라 작업의 공수를 40~60%, 후처리 시간을 15~ 20% 단축할 수 있어 공정 효율화 및 원가절감 측면에서 WAAM을 적용하는 것이 유리할 수 있다2). 해결해야 할 과제는 표면 품질이 좋지 않은 점이 있고3), 그렇기에 WAAM에서 적층 효율과 표면 품질 향상을 위한 다양한 접근의 연구들이 진행되고 있다4-6).
특히 알루미늄 합금의 적층 연구7,8)와 오스테나이트계 STS(stainless steel) 소재의 적층 제조에 대해서는 많은 연구9,10) 들이 진행되었지만 페라이이트계 STS 436 소재에 대한 적층 사례가 많지 않아 연구가 필요하다. 다른 소재에 대한 연구 사례를 적용할 경우 적층 형상과 효율에 대한 차이가 있을 수 있고 후가공에도 많은 시간과 비용이 발생할 수 있다. 특히, 안정적인 형상으로 적층하기 위해서는 일정한 층간 온도를 유지하는 것이 중요하고 다층 적층 시 층간 온도11)와 구간 온도를 별도로 적용하지 않으면, 적층 구조물의 형성과정에서 열의 누적으로 인한 형상 정밀도 확보의 어려움과 적층부 물성의 변화, 제작시간 지연 등 제품의 품질 및 생산성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 적층 품질의 향상과 반복 재연성을 높이기 위해서는 공정 중 층간 온도와 구간 온도에 대한 냉각 시간 제어가 필요하며 이에 따른 공정평가가 필요하다.
본 연구에서는 GMAW(gas metal arc welding)을 이용하여 적층 효율 향상을 위한 공정변수를 평가하였다. 입열로 인한 적층부의 품질 저하를 방지하기 위하여 Fronius 社의 CMT(cold metal transfer) 용접기를 아크 열원으로 적용하였다. 평가된 공정 변수는 용접기의 고유 변수인 “arc length”, “pulse/dynamic”과 Z-offset, 냉각 시간으로 이에 따른 적층 형상, 적층 효율 및 인장 강도와 연신율을 평가하였다. 또한 공정 개발의 목적은 롤투롤(roll to roll) 공정에서 사용되는 STS 436 소재의 기능성 파이프를 제작하기 위한 것이다. 즉, 얇고 높은 박벽(thin-wall) 구조물의 제조가 필요하기 때문에 적층성 평가로 공정변수에 따른 종횡비를 분석하였다. 따라서 롤투롤 부품의 제작 공기 및 단가 저감을 위해 적합한 WAAM 공정조건을 제안하고자 한다.
2. 실험장치 및 방법
GMAW STS 436 용접공정에서 적층 형상과 적층 효율을 실험하기 위해 Fronius 社의 TPS 400i CMT 용접기, Hyundai Robotics 社의 HA 006B 6-axis robot, Hi5a controller, 용접 지그로 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 WAAM 공정을 구성하였으며, 적층 형상과 효율을 분석하기 위해 이미지 분석 프로그램인 Image-pro plus를 통해 비교 평가하였다.
본 실험에서는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 400 mm × 100 mm × 3 mm 크기의 스테인리스 강판을 베이스로 선정하였고, 용가재는 현대종합금속 社의 SF-436 메탈 코어드 와이어를 사용하였으며, 직경은 1.2 mm로 화학적 조성 및 기계적 특성은 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 또한, 기초실험12)을 통해 와이어 송급 속도는 4.3 m/min, 전류 166A, 전압 18.7V, 이송 속도는 100 CPM(cm/min), CTWD(contact tip to workpiece distance)는 12 mm로 고정하였다. 정밀 이송을 위해 토치를 6축 로봇에 고정하였고, 토치의 각도는 모재와 수직이 되도록 하였다. 용접부의 보호를 위하여 99.99% 고순도 아르곤 가스(20 L/min)를 송급하였다. 기초실험에 대한 공정조건은 단층 용접후 비드의 단면 형상과 용입에 대한 평가를 통하여 선정하였다. 본 실험에서는 Fronius 社에서 제공하는 고유변수인 arc length, pulse/dynamic과 Z-offset, 층간 냉각 (interlayer cooling time)이 적층 형상과 입열에 영향을 미치기에, 이를 Table 3과 같이 실험변수로 하여 적층 특성을 확인하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 Arc length 변수 평가
Fronius 社에서 정의하는 arc length 변수는 용적 침지 이후 역인칭 시에 발생하는 실제 아크 길이를 의미한다. arc length의 값이 작을 경우 와이어 역송급이 작아져 아크의 길이와 아크 전압이 감소하며 arc length의 값이 커질 경우 와이어 역송급이 커져 아크길이와 아크 전압이 증가한다13). 본 실험에서 arc length는 -8.0 ~ +7.0 까지 변화시켜, Fig. 3과 같이 단면 형상에 대해 평가하였다. arc length를 +8.0 으로도 실험을 하였으나 용접비드 이상으로 평가에서는 제외하였고, 비드의 넓이와 높이를 기준으로 Fig. 4와 같이 종횡비 (aspect ratio)를 평가하였다.
평가결과 arc length 가 증가(+4~7)할수록 비드 폭과 높이가 감소하는 경향을 보였다. 이는 arc length가 증가할 경우 와이어 역송급이 커져 아크 길이와 아크의 전압이 커지면서 아크가 불안정해지기 때문에 비드의 높이와 넓이가 낮아진다고 추측된다. 기존 연구사례에서는 주로 arc length 값으로 0을 사용하였고,13) 본 실험에서도 arc length 가 0일때 종횡비가 가장 높아 얇고 높은 박벽 구조물에 적합하다고 판단하여 본 연구에서는 arc length를 0으로 선정하였다.
3.2 Pulse/dynamic 변수 평가
마찬가지로, Fronius 社에서 정의한 고유변수인 pulse/dynamic은 용적 이행과 관련된 변수로 피크 전류를 조절하여, 용적 이행에 필요한 핀치 포스를 제어하는 역할을 한다. 따라서, 더 높은 pulse/dynamic 값은 더 큰 핀치 포스를 발생시켜 용적 이탈이 보다 쉽게 이루어진다. 반대로 값이 작아질수록 피크 전류의 값이 작아져 핀치 포스가 작아지며 이에 따른 용적이행이 더디게 되는 특징이 있다13). 본 실험에서는 arc length 조건을 0 으로 하고 pulse/dynamic을 -10.0 ~ +10.0 까지 조건을 변경하며 Fig. 5와 같이 실험을 하였고 Fig. 6과 같이 종횡비를 평가하였다.
arc length가 0일 때 pulse/dynamic 값별로 용접 비드 분석을 진행한 결과 pulse/dynamic 조건은 -일 때 보다 +일 때 종횡비가 좋은 것을 확인하였다. 이는 +일 때 피크 전류 값이 커지면서 핀치 포스가 커지고 용적이행이 보다 쉽게 이루어진 결과로 볼 수 있다. 다만, pulse/dynamic 10 조건은 판재 두께의 5% 수준으로 용입이 형성되었는데 이는 젖음성이12) 부족하여 비정상적인 비드 형상을 보였고, 향후 적층성에 영향을 미칠 수 있다고 판단되어 종횡비와 용입이 상대적으로 적합한 pulse/dynamic 8 조건으로 선정하였다.
3.3 Z-offset 이론 값 도출
WAAM 에서는 이전 비드 상단에 용접을 진행하므로 CTWD에 대한 기준이 모호할 수 있다. 그렇기 때문에 로봇의 절대 좌표계를 도입하여 Z축 방향으로의 이동거리를 Z-offset으로 정의하고 이를 공정변수로 제어하여 적층을 진행하고자 arc length와 pulse/dynamic 실험을 통해 선정된 적정한 공정변수로 Z-offset의 이론값을 Fig. 7과 같이 도출하였다. Z-offset의 이론값은 0.9 mm 이다.
3.4 Z-offset 적층 효율 평가
Z-offset 이론값에 대한 검증과 적정한 조건을 선정하기 위하여 Fig. 8과 같이 Z-offset을 0.9~1.9 mm 까지 6가지 조건으로 변화시켜 다층 적층(10층)한 후 적층 효율을 평가하였다.
후가공 손실량에 대한 지표로 적층 효율(η)은 Fig. 9와 같이 정의하였고14), 이미지 분석 프로그램인 Image-pro plus를 통해 적층 효율을 평가하였다.
단면 효율을 평가한 결과 Table 4와 같이 Z-offset이 1.5 mm 일 때 적층 효율이 가장 높은 것으로 확인되어 Z-offset은 1.5 mm로 선정하였다.
3.5 층간 냉각 (적층: 40층)
층간 냉각은 다층 적층 시 안정적인 적층물을 제작하기 위해 공랭 시간을 적용하여 층간 온도15-17) 를 제어 하는 변수이다. Fig. 10의 (a)는 층간 냉각 시간을 적용하지 않았고, (b)는 층간 냉각 시간을 적용하였다. (a)와 같이 층간 냉각 시간을 적용하지 않고 다층 적층(40층)을 진행한 결과 적층부 측면의 불균일성이 크게 증가하였으며 적층부 상면의 높이도 일관성이 부족하였다. 아울러 적층 시작부와 종료부에서 열의 누적으로 인하여 용락(flow down)이 발생되었다. 이는 적층 효율을 감소시키는 주된 원인으로 개선이 필요하다.

Wire arc additive manufacturing 40 Path: (a) without interlayer cooling; (b) with interlayer cooling
위 실험을 통하여 층간 냉각 시간에 대한 제어가 필요한 것을 확인하였고, Fig. 11과 같이 층간 냉각 시간 (1path → 냉각 → 1path)을 적용하여 적층(20층)실험을 진행하였다. Table 5와 같이 적층 효율을 평가한 결과 층간 냉각 시간은 30, 50, 60sec 일 때 적층 효율이 상대적으로 높고, 유사하였으나 생산성을 고려하여 층간 냉각 시간은 30sec로 선정하였다.
3.6 다층 적층 (100층)
선정된 층간 냉각 조건을 적용하여 적층평가 (100층)를 진행한 결과 20층 이상에서 Fig. 10의 a와 같이 용락이 발생되었다. 300 mm의 짧은 적층 패스로 인해 층간 냉각만으로 적층 안정성을 향상시키는 것은 제한적이다. 대형 구조물 적층에서는 구간 냉각이 불필요할 수 있지만, 본 연구의 적용처인 롤투롤 공정에서의 기능성 파이프는 소형 부품으로써 구간 냉각이 필요하다. 구간 냉각은 특정 층마다 냉각을 수행하는 것을 뜻한다. 기존 연구사례에서는 GMAW를 이용한 적층 시 펄스 공기를 사용하여 상부 표면온도를 70 °C로 낮추어 열 축적을 제어16) 하였다. 본 연구에서는 실험에서 확보한 냉각 온도 데이터를 참고로 공랭을 이용한 구간 냉각 시간 14분, 표면온도 90 °C의 조건을 적용하였을 때, 가장 높은 적층 효율 81.90%를 보였다. 이 조건을 적용하여 다층 적층 시 용락이 개선됨을 확인하였으며, 이를 10층마다 부여하였다. 이와 함께 우수한 적층 효율을 보인 조건으로 층간 냉각 조건17,18)과 구간 냉각 조건을 적용하여 Fig. 12와 같이 안정적인 형상으로 다층 적층(100층)을 하였다.
3.7 기계적 물성 평가
기계적 물성 평가는 선정된 공정 조건으로 다층 적층(100층) 후 기계적 강도의 수준을 평가하기 위하여 Fig. 13과 같이 적층 종방향 및 횡방향 인장 시편을 제작 후 Instron 社의 8801 만능시험기로 평가하였다. 인장시험 속도는 0.1 mm/s, 신율계는 적용하지 않고 인장 변위 기준으로 연신율을 측정하였다.
평가 결과는 Fig. 14와 같고, 적층 시 사용한 SF-436 STS 와이어의 인장 강도 500 MPa, 연신율 35%를 기준으로 기계적 물성 평가를 진행하였다. 인장 강도는 와이어의 인장 강도 대비 평균값을 백분율로 나타내면, 횡방향 76.72%, 종방향 88.04%이고, 연신율 역시 와이어의 연신율 대비 백분율로 횡방향 19.71%, 종방향 59.09%로 측정되었다. 이러한 기계적 물성의 차이가 발생한 원인은 인장 시험 후 시편의 외면 분석을 통해 알 수 있었다. 종방향 시편은 네킹과 뤼더스 띠를 따라 형성된 사선 방향의 파단 형상을 보이며 연성 파괴가 진행되었고, 횡방향 시편은 파단면이 인장 방향과 수직한 형태를 보이며 취성 파괴되었다. 횡방향 에서의 인장 강도와 연신율이 낮은 이유는 다층 용접에 따른 온도 이력이 미세조직에 영향을 미친 결과로 볼 수 있으나, 이에 대한 세부적인 금속학적 고찰은 본 연구의 목적인 적층 효율을 고려한 공정 개발의 범위를 벗어나므로, 별도의 원인 분석을 진행하지는 않았다.
4. 결 론
본 연구는 STS 436의 적층 효율에 대해 연구하고 적정한 공정 조건 개발을 목적으로 한다. STS 적층 제조 공정의 제조원가를 절감하고자 공정변수로 이송속도, Z-offset, 냉각 시간이 적층 효율에 미치는 영향과 기계적 물성에 대해 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) CMT 용접기를 이용한 WAAM 공정에서 STS 436 와이어에 대한 적정 공정변수는 다음과 같다. 와이어 송급 속도 4.3 m/min (166A, 18.7V), 이송 속도 100 cm/min, CTWD 12 mm, Arc length 0, Pulse/dynamic 8, 층간 냉각 시간 30sec, 구간 냉간 시간, 14min, Z-offset 1.5mm.
2) 결론 1)의 조건으로 STS 436 와이어를 이용해 CMT 용접기로 100층을 적층한 결과, 적층물에 대한 기계적 물성은 와이어의 물성 대비 백분율로 인장강도는 횡방향 76.72%, 종방향 88.04%이고, 연신율은 횡방향 19.71%, 종방향 59.09%이다. 아울러, 이 공정 변수에 대한 적층 효율은 81.9%이다.
3) 결론 2)에서 제시한 적층물의 기계적 물성은 roll to roll 공정에서 부품으로 사용하는 STS 436 기능성 파이프가 요구하는 기계적 물성(수요 기업의 요청으로 세부 수치 공개불가)을 상회하는 것으로, 본 연구를 통해 도출한 WAAM 공정변수 조합은 향후 WAAM을 이용한 STS 436 기능성 파이프 생산에 충분히 활용 가능할 것으로 판단한다.
4) 향후 공정변수 조절에 따른 미세조직의 변화와 기계적 강도에 대해 추가 연구를 진행 예정이다.
Notes
감사의 글
이 연구는 산업기술평가관리원(KEIT)의 연구비지원(00433178, 20022438)과 충북과학기술혁신원의 연구비지원(알루미늄 기반 부품 품질 개선을 위한 레이저 아크 하이브리드 헤드 개발)에 의해 수행되었습니다.