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1 67 연구논문 FCAW 에서의아크길이추정방법개발에관한연구 배광무 * 조상명 **, * 대우조선해양산업기술연구소 ** 부경대학교신소재공학부소재프로세스공학전공 A Study on the Development of Arc Length Estimation Method in FCAW Kwang-Moo Bae* and Sang-Myung Cho**, *Daewoo Shipbuilding&Marine engineering, Geoje , Korea **Dept. of material processing engineering, Pukyung national university, Busan , Korea Corresponding author : (Received November 7, 2008 ; Revised November 14, 2008 ; Accepted April 3, 2009) Abstract The flux cored arc welding (FCAW) process is one of the most frequently employed and important welding process due to high productivity and excellent workability. The process is performed either as an automated process or as a semi-automatic process. In FCAW process, welding voltage has been considered as a qualitative indication of arc length. But it is necessary to let welding operators know, maintain and manage the arc length directly by estimating and displaying it. In this study, to develop arc length estimation technique, we measured a welding circuit resistance(r sc ) and then we calculated welding circuit voltage drop(v sc ). Also, we measured arc peak voltage(v ap ). By subtracting V sc from V arc, we can easily calculate net arc voltage drop(v arc). Consequently, we suggested arc length estimating equation and basic algorithm by regressive analyzing the relationship between net arc voltage drop(v arc ) and real arc length(larc) measured by high speed camera. Therefore, arc length can be predicted by just monitoring welding current and voltage. Key Words : FCAW, Short circuit transfer, Arc length estimation, Welding circuit resistance(r sc ), Voltage drop by welding circuit(v sc), Arc peak voltage(v ap), Net arc voltage drop(v arc) 1. 서론 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 는 SMAW (Shield Metal Arc Welding) 나 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 에비해우수한작업성과생산성으로인해조선을비롯한강구조물의수동및자동용접에서널리사용되고있다. 정전압 (Constant voltage) 제어방식의 FCAW에서의아크길이는용접전압에비례한다 1). 따라서설정전압은용접시아크길이를나타내는정성적지표로인식되어왔다. 대부분의 FCAW 용접기는전압미세조절볼륨을이용하여원하는전압을설정하게 되어있으며, 용접기사용자에따라그설정전압값을각자의작업방식에맞추어지극히정성적이고개인경험적감각에의한방법으로조절되고있다. 설정전압을적정전압보다크게하여과도하게긴아크길이로용접을할경우입열량과대에의해용접변형량이증가할수있으며, 그반대의경우에는짧은아크길이로인해스패터발생량이증가할수있다. 이러한문제점을해결하기위해서는용접기설정전압으로아크길이를간접적으로짐작하는것이아니라, 인라인에서용접파형을이용하여아크길이를추정 표시함으로써현장작업자및오퍼레이터로하여금직접적으로아크길이를알수있게하여적절한아크길이를 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 2009 年 6 月

2 68 배광무 조상명 유지, 관리하게하는것이필요하다. Alfaro 2) 등은 GMAW에서의단락시저항, 와이어송급속도, 용접전류를이용한 CTWD(Contact tip to workpiece distance) 추정회귀식을소개하였다. 그리고, Thomsen 3,4) 은솔리드와이어를사용한 GMAW 에서의아크길이피드백제어기술을제안하였다. 하지만플럭스코어드와이어를사용한 FCAW에서아크길이를추정하는기술개발에관한연구는매우부족한실정이다. 본연구에서는회로전압강하 (V sc) 를제외한순수아크전압강하 (V arc) 를이용한 FCAW 에서의아크길이추정방법개발에관한연구를하였다. 싸이리스터제어방식의용접기를사용한 FCAW 에서의회로전압강하 (V sc) 를계산하였고, 아크피크전압 (V ap) 과 V sc 값의차로얻어진순수아크전압 (V arc) 과실측아크길이 (L arc) 와의관계를회귀식으로나타내어아크길이를추정할수있는기본알고리즘을제안하였다. 2. 실험방법 2.1 용접회로저항 (Rsc) 측정 본연구에서는용접회로저항을제외한순수아크저항만을고려하여아크길이추정을하기위해용접회로저항측정실험을하였다. 이를위하여길이 120mm 폭 40mm 두께 6mm의연강 (mild steel) 에 Φ 1.2mm flux cored wire(aws A5.20) 를사용하여비드온플레이트 (bead-on-plate) 용접하였다. Fig. 1은본실험에서검토한 2가지의회로저항측정방법을나타낸다. Cho는용접케이블의저항으로인한에너지손실을고려하여용접시아크효율과용융효율을검토하기위해 Fig. 1의 (a) 와같이용접케이블측정법을사용하여용접케이블저항 (R wc ) 을측정하였다 5). 이는, 컨택팁을모재에접지한상태로용접신호를주어그때의용접저항을계측하여회로저항을측정하는방식이다. Fig. 1의 (b) 와같은단락저항측정법의경우, 전류 250A, CTWD 를 15mm 로하여용접시단락저항 (R sc ) 을측정함으로써회로저항을구하였다. 단락이발생하면, 용접전압이급격히하강하며대부분의단락에서는그값이 10V이하가된다. 따라서본연구에서는용접전압이 10V 이하가되는구간을단락구간으로간주하였다. Kam 9) 등의연구에서도 10V 이하의전압구간을단락구간으로정의하였다. 용접파형의계측에는 Monitech HIWELD 계측장비가사용되었으며계측주파수는 7500Hz로하였다. 2.2 전압변경에따른아크피크전압 (Vap) 및아크길이변동측정 설정전압변경실험의용접조건을 Table 1에나타내었으며, 설정전압을 22V에서 34V까지 2V단위로증가시키며실험을수행하였다. Fig. 2와 Table 2에각각실험모식도와고속카메라촬영조건을나타내었다. 고속카메라촬영을통한아크길이측정을위해 TIG 백라이트와고속카메라가사용되었고, 그사이에고정되어있는 FCAW 토치와 60cpm 의속도로직선이동하는모재를위치시켰다. TIG 백라이트와 FCAW 토치, 고속카메라는일직선상에놓이게배치하였으며각각의거리를 200mm, 400mm 로하였다. Welding machine TAESIN KRⅢ Base metal Welding wire Joint type Shield gas Welding current Welding speed CTWD Setting voltage Table 1 Welding condition Mild steel 120*40*t6 Flux cored wire Φ1.2mm (AWS A5.20) Bead on plate 100% CO 2 (20l/min) 250A (WFR = 12.4m/min) 60cpm 15mm 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34V Power supply Welding cable Resistance(R wc ) Contact tip- Wire contact resistance Bulk resistance of Extended wire Power supply Short circuit Resistance(R sc ) TIG Back light Cu plate 200 FCAW Torch (Fixed) Base metal 400 Base metal Travel direction High speed camera Fig. 2 Schematic of experiment (a) R wc (b) R sc Fig. 1 Schematics of circuit resistance measuremen 3. 실험결과및고찰 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

3 FCAW 에서의아크길이추정방법개발에관한연구 69 Table 2 Condition of high speed camera photo- graphing High speed camera body Lens Filter Sampling frequency Exposure time Phantom v7.2 Nikon 105mm micro F2.8D TOPAZ UV 52mm HOYA IR R72 52mm 5000fps 180μsec 3.1 용접회로저항측정으로인한회로전압강하 (V sc ) 계산 용접케이블저항측정법으로인해 200, 300, 400A의전류로각각 3회의반복실험으로얻어진케이블저항은설정전류에관계없이거의동일했고 5), 평균값은 6.43mΩ으로나타났다. Fig. 3은용접저항의파형이며, 본연구에서정의한각각의저항에대한명칭과 R sc 를구하는방법에대해서나타내었다. 단락시간 (t sc ) 동안의저항을평균하여 R sc 를측정했고이를회로저항으로간주하였다. Fig. 4는단락저항측정법으로측정한회로저항, 즉 R sc 를나타낸다. 설정전압을 22V에서 28V까지 1V 단위로증가시켰으며, 각설정전압조건당 30개의 R sc 값을평균하여하나의점으로나타내었다. 22~24V 조건에서 SCR(Short Circuit Ratio ; 단락시간 / 전체아크시간 ) 이약 3~13% 로정상단락구간이안정적으로존재하여 R sc 값이설정전압에관계없이평균 26.34mΩ으로일정했다. 따라서이값을회로저항으로볼수있다. 반면 25V 이상의설정전압조건에서는 SCR이 3% 이하로낮아정상단락저항에도달하기전에단락이해소되었다. 설정전압의증가에따라단락해소시간이더욱빨라졌고, 이로인해 R sc 가증가하는경향을나타내었다. Hermans 6) 등은단락주파수, 즉단락이발생하는빈도가 WFR, 용접전압에의존한다고보고하였고, 용접전압을일정하게하고와이어송급속도 (WFR) 만을변경하여단락주파수를측정하였다. 하지만본연구에서는단락주파수대신 SCR( 단락시간비 ) 을단락의양을나타내는지표로사용하였으며, WFR을일정하게하고용접전압을변경하여그에따른 R sc 를측정하였다. 식 (1) 의우변에나타낸용접케이블저항 (R wc), 컨택팁-와이어접촉저항 (R con), 와이어돌출길이만큼의와이어벌크저항 (R wire) 을모두측정하기는곤란하다. 따라서 R wc, R con, R wire 를모두고려한단락저항측정법으로회로저항을측정하였고, 이로인한 CTWD 15mm 조건의전체용접회로저항은 26.34mΩ 이며, 회로전압강하는약 6.6V로무시할수없을만큼크게나타났다 7). 또한회로저항측정을위한시험용접은 SCR 5% 또는그이상의용접조건으로행해지는것이바람직할것으로판단된다. R ap R arc R sc = R wc + R con + R wire (1) R sc t sc Fig. 3 R sc Measurement at short circuit 단락저항측정법으로인해측정된 R sc 와단락시간 (t sc ) 동안의단락전류평균값 (I sc ) 을곱하는옴의법칙을이용하여식 (2) 와같이회로전압강하 (V sc ) 를구할수있다 V sc = R sc I sc (2) 3.2 아크피크전압 (V ap ) 측정에따른순수아크전압강하 (V arc ) 계산 R sc, mω Setting voltage, V Fig. 4 Result of circuit resistance(r sc) measurement Fig. 5에는단락이행모드와입상용접이행모드인경우의용접전원의출력단자 (+,-) 에서측정한전압파형을나타내었으며, 전압파형에서의 V ap 를정의하였다. 하나의용적이행주기동안의최대전압, 즉용적이행후전압의기울기가 + 에서 -로바뀌는지점에서의전압을 V ap 로정의하였다. 본연구에서는 Fig. 5와같은실 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 2009 年 6 月

4 70 배광무 조상명 (a) V ap in the case of short circuit transfer mode (b) V ap in the case of globular transfer mode Fig. 5 Definition of arc peac voltage(v ap) 제용접전압파형을이용하여각설정전압조건당 30개의아크최대전압값을직접측정하여평균함으로써 V ap 를구하였다. 하지만아크길이추정방법의실제현장적용시, 전압의기울기가 + 에서 -로바뀌는지점의전압값을 V ap 로자동으로판단해야하는데, Fig. 5나 Table 3의이동평균되지않은원본전압파형을보면, 싸이리스터출력주파수특성을가지는미세한리플이전압의기울기라는수학적파라메터로 V ap 를판단함에있어서노이즈로작용할것이다. 이러한리플을제거하기위해전압을이동평균하였고, 이동평균점의개수에따른전압파형 Table 3 Voltage waveform with point number for moving average point 을 Table 3에나타내었다. Table 3의맨위부터아래로각각이동평균전의원본전압파형, 15점, 21점, 27점이동평균전압파형을나타낸다. Table 3에나타난바와같이 350Hz의싸이리스터출력특성으로인한불필요한미세리플을제거하면서도원본전압파형의패턴을크게왜곡시키지않는 21점이동평균법이가장합리적일것으로판단된다. 이는본연구에서의용접파형계측주파수가 7500Hz로싸이리스터출력주파수의약 21배이기때문이다. 다시말해, 하나의싸이리스터신호로인한전압파형의변동을나타내는미세리플하나는약 21개의데이터점으로이루어져있으며, 이를다시하나의데이터점으로바꾸기위해서는 21점이동평균이가장합리적이라고할수있다. Fig. 6에측정된용접전압과 V ap 간의상관관계를나타내었다. 용접전압이증가할수록 V ap 역시증가하는경향을나타내었다. 식 (3) 과같이용접시회로전압강하와아크전압강하를모두포함하는아크피크전압 (V ap) 에앞서계산된회로전압강하 (V sc) 를뺌으로써순수아크전압강하 (V arc) 를계산할수있다. V arc = V ap - V sc (3) 3.3 순수아크전압강하 (V arc ) 와아크길이 (L arc ) 의상관관계검토 Moving average Original 15 points Waveform Table 4에설정전압에따른용접비드표면과전형적인아크길이를나타내는고속카메라프레임을나타내었다. 전압이증가함에따라아크길이가길어지고, 그에따른아크직경증가로용접비드폭이증가하는경향을나타내었다. Fig. 7은고속카메라촬영에의해획득된영상분석을통하여아크길이 (L arc ) 를측정하는방법을나타낸다 points V ap, V points Measured voltage, V Fig. 6 Relationship between measured voltage and V ap Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

5 FCAW 에서의아크길이추정방법개발에관한연구 71 Table 4 Bead appearances and typical frames with set voltage Set Voltage, V 22 Bead appearance Typical frame V arc =23.15 V arc =24.46 V arc =25.09 V arc =25.73 V arc =26.42 V arc =28.23 V arc = L arc Fig No. of measurement Relationship between V arc and Larc with no. of measurement L arc, mm L arc =0.4264V arc (R= ) V arc, V Fig. 9 Relationship between average of V arc and L arc 관계수 R 은 로나타났다. 단 (4) Fig. 7 Arc length(l arc) measurement by high speed camera frame capture 각용접조건당 30개의용적이행직후최대아크길이측정후평균하여 L arc 를구했다 Fig. 8은가로축을측정번호, 세로축을 L arc 로하여, V arc 와각 V arc 조건당 30개씩측정한 L arc 의데이터를나타낸다. 그리고 Fig. 9는 V arc 와 30개의 L arc 값을각 V arc 조건별로평균한값의상관관계를나타낸다. V arc 가증가함에따라 L arc 도선형적으로증가하는경향을나타내었다. L arc 와 V arc 의상관관계에대한 1차회귀분석을통해식 (4) 와같은아크길이추정방정식을도출하였고, 상 Smartt 8) 등은식 (5) 와같이 L arc 를용접회로저항을고려하지않은용접전압, 전류의함수로정리하였지만, 본연구에서는식 (4) 와같이 V ap 에서 V sc 를제외한순수아크전압의함수로아크길이추정식을도출하였다. 하지만본연구는용접전류 250A의경우에만국한되므로차후에는다양한전류영역에서의실험을통하여그경향을알아보는것이요구된다. L arc = C 0 V + C 1 /I+ C 2 I (5) 여기에서 V는용접전압, I는용접전류, C 0, C 1, C 2 는상수이다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 2009 年 6 月

6 72 배광무 조상명 3) 순수아크전압강하 (V arc) 와고속카메라측정을통한실측아크길이 (L arc) 에대한상관관계검토결과, 순수아크전압강하 (V arc) 에비례하여아크길이가증가하는경향을나타내었고이에대한 1차회귀분석을통해아크길이추정식을도출하였다. 따라서용접시실시간으로용접전류, 전압파형을모니터링하는것만으로 L arc 를합리적으로추정할수있다. 후 기 Fig. 10 Basic algorithm of arc length estimation 3.4 아크길이추정알고리즘 Fig. 10은아크길이추정기본알고리즘에대한 flow chart 를나타내었다. 본연구에서소개하는알고리즘은테스트용접단계를통해 R sc 측정하여 V sc 를도출한후이값을본용접에적용하는방식이다. 본연구에서는 FCAW 에서아크길이를추정할수있는기본방법과알고리즘을제안하였다. 이러한아크길이추정기술의다양한적용과신뢰성향상을위해추후에는다양한용접케이블조건, 용접와이어종류, 용접전류등에따른아크길이추정파라메터의변동에대한연구가필요하다. 4. 결론 FCAW 에서의아크길이추정기술개발에관한연구결과다음의결론을얻을수있었다. 1) 용접케이블저항, 와이어접촉저항, 돌출와이어벌크저항을모두고려하는단락저항측정방법을이용하여회로저항 (R sc ) 을측정하여회로전압강하 (V sc ) 를계산하는방법을제시하였다. 2) 아크피크전압 (V ap) 에회로전압강하 (V sc) 를뺌으로써순수아크전압강하 (V arc ) 를계산하는방법을제시하였다. 본연구의실험을위해용접기를기증해주신 ( 주 )TAESIN G&W와실험에많은도움을준부경대학교석사과정김성호님께감사드립니다. 참고문헌 1. 용접접합편람 - 대한용접학회 1998, ( )(in Korean) 2. S.C. Absi Alfaro., G.C. Carvalho, S.A. de Melo Junior, Stand off's indirect estimation in GMAW, Journal of Materials Processing Technology (2004) Jesper S. Thomsen, Feedback Linearization based Arc Length Control for Gas Metal Arc Welding, 2005 American Control Conference, June 8-10, Jesper S. Thomsen, Advanced Control Methods for Optimization of Arc Welding, Ph.D. Thesis 5. Jin-An Cho, Development and application of high performance calorimeter to measure the melting efficiency of GTAW, Master's thesis of Pukyung national university Feb. 2007(40)(in Korean) 6. M.J.M Hermans and G. Den ouden, Process behavior and stability in short circuit gas metal arc welding, Welding Research Supplement, April, 1999 ( ) 7. Joung-hyun Lee, A study on variation of current, voltage drop and heat input depending on heat condition of welding single cable, Master s thesis of Pukyung national university, Feb. 2008(32-34)(in Korean) 8. Herschel B. Smartt, Intelligent Control of Modular Robotic Welding Cell, 6th International Conference on Trends in Welding Research, April Byoung-Oh Kam, Sang-Myung Cho, Sang-Bong KIM, A Study on Bead Height Control of GMAW by Short Circuit Time Ratio, Korean society of ocean engineering (2002) 53~59(in Korean) Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

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