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영운 순
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1 大韓熔接接合學會誌第 32 卷 6 號別冊

2 35 연구논문 ISSN Online ISSN 김동윤 * 황인성 *, 김동철 * 강문진 * * 한국생산기술연구원용접접합연구실용화그룹 Evaluation of Gas Metal Arc Characteristics according to Contact Tip Materials Dong Yoon Kim*, In Sung Hwang*,, Dong Cheol Kim* and Moon Jin Kang* * & Joining R&BD Group, KITECH, Incheon , Korea Corresponding author : hisman@kitech.re.kr (Received September 22, 2014 ; Revised November 24, 2014 ; Accepted December 1, 2014) Abstract The contact tip for gas metal arc welding has important functions to transmit the welding current to the wire and to guide the wire to molten pool. If the contact tip is damaged, it is a cause of lowering the welding productivity due to removal of welding defects and replacement of contact tip. In case of the use of a contact tip for a long time the arc is unstable because the processed hole in the contact tip center is larger, and the variation of aiming position of the welding wire causes a seam tracking error. In this study, gas metal arc welding experiments using contact tip of three different materials were performed. The contact tips with Cu-P, Cu-Cr, and Cu-ODS were used at the experiments, and the welding characteristics by each contact tip were evaluated. After welding contact tip appearance, welding spatter adhesion amount of the nozzle, and weld bead appearance were evaluated. The welding current and welding voltage were measured to verify arc stability during arc welding. Key Words : Gas metal arc welding, Contact tip, Solid wire, Wear resistance, Spatter, current, voltage, Arc stability 1. 서론 산업현장에서는용접품질및용접생산성등을고려한용접공정자동화가일반화되어있으며, 솔리드와이어를이용한 GMAW(Gas metal arc welding) 등의용접기술이적용되고있다. GMAW 에서아크를일정하게유지하기위해서는와이어의송급속도를일정하게유지하고, 와이어에안정된전류를통전시켜용융지로동일한용적이이행되도록하여야한다. 용접전류는용접토치끝단부에위치한콘택트팁을통해와이어로통전되기때문에콘택트팁은전기전도도가우수한재질인구리를사용하고있다. 그리고콘택트팁은와이어를용융풀로유도하는역할을한다. 이러한기능을하는콘택트팁이용접자동화 공정에서손상되면보수용접에의한용접결함제거및콘택트팁교체등으로인하여용접생산성을저하시키는원인이된다. 또한콘택트팁을장시간사용하면팁구멍이확장되어와이어선단에지향하는위치를벗어나게되고, 아크가불안해져용접품질에도문제가발생된다. 이러한이유로콘택트팁의내마모성에대한신뢰성및수명에대한연구가진행되어지고있다. Kim 은콘택트팁에대한신뢰성평가기준을제정하고평가장비를구축하였다 1). 그리고콘택트팁의수명을높이기위하여크롬동팁개발에대한연구를하였고 2-4), 재질에따른콘택트팁의수명을평가 5) 하고예측 6) 하였다. 이와같이현재까지의연구들은콘택트팁의내마모성에대한연구에만편중되고있는실정이다. 그래서본연구에서는세종류의콘택트팁을사용하 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of and Joining, Vol.32 No.6(2014) pp

36 여연속용접시콘택트팁마모성에대한평가에만국한되지않고노즐의스패터부착량및비드외관을관찰하는등용접특성을확인하였다. 그리고용접시간이경과함에따른아크안정성을평가하였다. 2. 콘택트팁및솔리드와이어 실험에사용된콘택트팁은 Table 1과같이 3가지종류를사용하였다.

이콘택트팁의외부는전기동 (E-Cu), 내부는산화물분산강화동 (Cu-ODS, Cu-Oxide Dispersion Strengthen) 재질이며, 산화물분산강화동은내마모성을향상시키기위하여산화물을인위적으로첨가한것이다. 앞으로본연구에서는이콘택트팁을분산강화형동이라고표기하였다. Fig. 1에서일반적인콘택트팁과분산강화형동의단면을비교하였다.

3 36 여연속용접시콘택트팁마모성에대한평가에만국한되지않고노즐의스패터부착량및비드외관을관찰하는등용접특성을확인하였다. 그리고용접시간이경과함에따른아크안정성을평가하였다. 2. 콘택트팁및솔리드와이어 실험에사용된콘택트팁은 Table 1과같이 3가지종류를사용하였다. 재질이서로다른콘택트팁을이용하여용접을실시하였으며, 인탈산동 (Cu-P), 크롬동 (Cu-Cr), 그리고외부와내부가서로다른재질로이루어진콘택트팁을사용하였다. 이콘택트팁의외부는전기동 (E-Cu), 내부는산화물분산강화동 (Cu-ODS, Cu-Oxide Dispersion Strengthen) 재질이며, 산화물분산강화동은내마모성을향상시키기위하여산화물을인위적으로첨가한것이다. 앞으로본연구에서는이콘택트팁을분산강화형동이라고표기하였다. Fig. 1에서일반적인콘택트팁과분산강화형동의단면을비교하였다. GMA 용접을수행하게되면콘택트팁은고온의아크열에장시간노출되어열에의하여경도가저하하게된다. 이러한경도저하를모사하기위하여 450, 650 에서 1시간열처리를실시한후경도측정을실시하였다 5). Fig. 2는상온및열처리후콘택트팁의경도를측정한결과이다. 상온에서콘택트팁경도를측정한결과약 176HV 로크롬동의경도가가장컸고, 분산강화동은약 160HV 였으며, 전기동은 130HV 였다. 그리고인탈산동이약 135HV 로가장작았다 시간열처 Table 1 Contact tip Component Diameter(ø) Appearance Cu-P 1.2 Cu-Cr 1.2 Cu-ODS 1.2 (a) Cu-P (b) Cu-ODS Fig. 1 The cross section of contact tip Hardness(HV) Hardness(HV) Cu-P Cu-Cr Inside Outside Cu-ODS Contact tip (a) As received As received , 1hour 650, 1hour Cu-P Cu-Cr Inside Outside Cu-ODS Contact tip (b) Heat treatment Fig. 2 The hardness of contact tip 리후분산강화동은 156HV 로상온에서측정하였던경도와거의유사하였으며, 크롬동은 135HV였다. 그리고전기동과인탈산동은약 60HV 로저하되었다 시간열처리후분산강화동는 152HV 로경도의저하가가장작았으며, 크롬동의경도는약 75HV 였다. 그리고전기동와인탈산동은약 60HV 로 450 1시간열처리후경도와유사하게나타났다. 실험에사용한솔리드와이어의 AWS 규격은 ER70S-3 이며, 직경은 1.2mm을사용하였다. 와이어의표면도금방법은화학도금제품을사용하였다. 3.1 실험조건 3. 실험방법 본실험에서는콘택트팁평가규격인 RS D 0031 을이용하여용접장치및용접조건을선정하였다 1). Fig. 3은용접장치를나타낸것이며, 용접장치는용접속도와토치의이송속도제어가가능하다. 용접소재는 400(D) 1000(L) 15(t)mm 크기의대구경파이프를사용하였다. 용접전원은장시간용접이가능한 500A 급정전압인버터용접기를사용하였다. 용접조건은송급속도를 9m/min 으로일정하게하고, 용접전압을 29.0V 로설정하였다. 모재와콘택트팁사이의거리 (CTWD) 는 20mm로고정하였으며, 용접속 572 Journal of and Joining, Vol. 32, No. 6, 2014

37 Table 2 The appearance of contact tip after welding Contact tip (a) system time(min) 19 23 25

2 노즐스패터부착량 (b) torch Fig. 3 system and welding torch 도는 0.5m/min으로설정하였다.

인탈산동은번백이발생하기전 19분동안 5.9g 의스패터가노즐에부착되었고, 크롬동은 23분동안 6.1g 스패터가노즐에부착되었다. 분산강화형동은 25분용접동안 5.

1g 으로가장많은양의스패터가노즐에부착되었고, 크롬동은 2.6g이부착되었다.

용접중번백 (burn back) 이발생하면, 팁외관만관찰하였고, 30분용접이완료시팁마모율을계산하였다. 두번째로노즐의스패터부착량을계측하였다.

세번째로용접후용접부외관을평가하였으며, 마지막으로용접중아크안정성을평가하기위하여계측주파수 10kHz 로 10 초씩연속적으로용접전류와용접전압을계측하였다.

4 37 Table 2 The appearance of contact tip after welding Contact tip (a) system time(min) 있다. 세종류의콘택트팁모두용접중번백이발생하였다. 인탈산동은용접시작후 19분, 크롬동은 23분에번백이발생하였으며, 분산강화형동은 25분용접시번백이발생하였다. 4.2 노즐스패터부착량 (b) torch Fig. 3 system and welding torch 도는 0.5m/min으로설정하였다. 보호가스는 80%Ar +20%CO 2 혼합가스로유량은 20l/min 으로하여실험을실시하였다. 3.2 용접작업성평가방법 용접후노즐외관형상을 Table 3에나타내었다. 인탈산동은번백이발생하기전 19분동안 5.9g 의스패터가노즐에부착되었고, 크롬동은 23분동안 6.1g 스패터가노즐에부착되었다. 분산강화형동은 25분용접동안 5.8g 의스패터가노즐에부착되었다. 스패터발생량을정량적으로비교하기위하여 10분당노즐의스패터부착량으로변환하였고그결과를 Fig. 4에나타내었다. 용접시간 10분기준으로인탈산동이 3.1g 으로가장많은양의스패터가노즐에부착되었고, 크롬동은 2.6g이부착되었다. 그리고분산강화형동은가 Table 3 The appearance of nozzle after welding 용접작업성을평가하기위하여첫번째로콘택트팁외관및마모량을계측하였다. 용접중번백 (burn back) 이발생하면, 팁외관만관찰하였고, 30분용접이완료시팁마모율을계산하였다. 두번째로노즐의스패터부착량을계측하였다. 측정방법으로는용접전노즐의무게와용접후무게를측정하여계산하였다. 세번째로용접후용접부외관을평가하였으며, 마지막으로용접중아크안정성을평가하기위하여계측주파수 10kHz 로 10 초씩연속적으로용접전류와용접전압을계측하였다. 본연구에서는 1회실험시 30분동안연속적으로용접을실시하였으며, 아크불안및번백이발생하면용접을종료하였다. 4. 실험결과 Contact tip Appearance Appearance Amount of spatter(g) time : 10min 콘택트팁외관 Table 2 은용접종료후콘택트팁외관을나타내고 0.0 Contact tip Fig. 4 The amount of spatter after welding(10min) 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 6 號, 2014 年 12 月 573

38 장적은양인 2.3g 의스패터가노즐에부착되었다. 4.3 용접부외관 time current/voltage Table 4는세종류의콘택트팁으로용접후용접부외관을관찰한것이다. 용접부외관은대부분양호하였다. 4.4 아크안정성 30sec Average: 296A / 30.

용접시작후세종류의콘택트팁모두안정적인용접전류, 용접전압을보였으며, 번백이발생할때용접전류가불안하였다. 그리고용접시간경과에따른용접전류, 용접전압의변화를평가하기위하여용접시작부터용접종료 ( 번백 10min 20min 304A / 30.

2V (b) Cu-Cr Appearance time current/voltage Table 5 current and welding voltage 30sec time current/voltage Average: 288A / 30.

5 38 장적은양인 2.3g 의스패터가노즐에부착되었다. 4.3 용접부외관 time current/voltage Table 4는세종류의콘택트팁으로용접후용접부외관을관찰한것이다. 용접부외관은대부분양호하였다. 4.4 아크안정성 30sec Average: 296A / 30.2V 용접중아크안정성을평가하기위하여연속적으로용접전류, 전압을계측하였고, Table 5은각시각에서 10초간계측한용접전류, 용접전압파형을보여주고있다. 용접시작후세종류의콘택트팁모두안정적인용접전류, 용접전압을보였으며, 번백이발생할때용접전류가불안하였다. 그리고용접시간경과에따른용접전류, 용접전압의변화를평가하기위하여용접시작부터용접종료 ( 번백 10min 20min 304A / 30.0V 308A / 39.9V Contact tip Table 4 The shape of bead 23min (Before burn back) 243A / 30.2V (b) Cu-Cr Appearance time current/voltage Table 5 current and welding voltage 30sec time current/voltage Average: 288A / 30.4V 30sec 10min Average: 305A / 30.1V 290A / 30.2V 10min 20min 296A / 30.2V 275A / 30.2V 18min (Before burn back) 25min (Before burn back) 255A / 32.3V (a) Cu-P 217A / 30.9V (c) Cu-ODS 574 Journal of and Joining, Vol. 32, No. 6, 2014

39 Current(A) Current(A) Current(A) 350 340 330 320 310 300 290 280 270 260 Current Voltage 43.0 41.5 40.0 38.5 37.0 35.5 34.0 32.5 31.0 29.5 250 28.0 0 5 10 15 20 25 30 time(min) (a) Cu-P 350 43.

6 39 Current(A) Current(A) Current(A) Current Voltage time(min) (a) Cu-P Current 340 Voltage time(min) (b) Cu-Cr Current 340 Voltage time(min) (c) Cu-ODS Fig. 5 Average current, voltage according to welding times 발생 ) 까지 10초간평균용접전류및용접전압을 Fig. 5에나타내었다. 인탈산동의용접전류는용접시간이경과할수록용접전류가가장크게감소하였으며, 크롬동은인탈산동에비해용접전류의감소가작게나타났다. 그리고분산강화형동은시간이경과할수록용접전류의감소가거의없었다. 이와같이용접시간이경과할수록용접전류가감소하는원인은다음과같이추론할수있다. 콘택트팁과모재사이의저항은 Fig.6 과같다. R 1 은아크저항을나타내며, R 2 는와이어와콘택트팁사이의저항이고, R 3 는콘택트팁마모가일어나면변동되는저항이다. 용접초기의전체저항 (R) = R 1 + R 2 이다. 그리고용접이진행되면콘택트팁마모가진행되면서와이어와콘택트팁의접촉면이 A지점에서 B지점으로이동하게되고, R 3 의저항은계속적으로증가할것이다. 즉용접이진행되면콘택트팁과와이어의접촉부위는변 Voltage(V) Voltage(V) Voltage(V) Fig. 6 The contact resistance of solid wire and contact tip 화하여전체저항은증가하게된다 7). 이러한저항의증가는정전압용접기에서전압은크게변화하지않아도, 용접전류는감소하게된다. R 1 R 2 R 3 5. 결론 콘택트팁재질에따른솔리드와이어연속용접시용접특성에관한연구를수행하였다. 1) 연속용접시인탈산동, 크롬동, 분산강화형동순으로연속용접시간이증가하였다. 2) 노즐에부착된스패터량은인탈산동, 크롬동, 분산강화형동순으로적게부착되어분산강화형동이가장우수한특성을나타내었었다. 3) 비드외관은세종류의콘택트팁으로용접시양호한결과를나타내었다. 4) 아크안정성은번백이발생하기전까지안정적인파형을보였으며, 용접전류는용접시간이증가함에따라감소하는경향을보였다. 인탈산동의용접전류감소폭이가장컸으며, 크롬동, 분산강화형동순으로전류의감소폭이작아지는것을확인하였다. Reference 1. RS D 0031: Contact tip for gas metal arc welding, 1996, (in Korean) 2. Villafuerte: Stronger copper for longer lasting contact tips and electrodes, Journal, (2003), N. H. Kim, H. J. Kim and H. S. Ryoo: The study on development of Cr-Cu contact tips for GMA welding, Journal of KWJS, 43 (2000), B A 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 6 號, 2014 年 12 月 575

7 40 4. N. H. Kim, K. H. Kim, H. J. Kim, H. S. Ryoo and J. H. Koh: Variation of microstructure and hardness of contact tips during GMA welding, Journal of KWS, 22-1 (2004), (in Korean) 5. N. H. Kim, H. J. Kim, H. S. Ryoo and J. H. Koh: Reliability of contact tip of Gas Metal Arc, Journal of KWS, 21-7 (2003), (in Korean) 6. N. H. Kim, H. J. Kim and H. S. Ryoo: Life time prediction of contact tips for GMA welding, Journal of KWS, 23-4 (2005), 1-6 (in Korean) 7. I. G. Kim: Effect of wear of contact tips to welding consumable for gas metal arc welding, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 21-6 (2012), Journal of and Joining, Vol. 32, No. 6, 2014

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DBPIA-NURIMEDIA 88 연구논문 김철희 * 채현병 * 이창우 * 김정한 * 이세헌 ** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 한양대학교공과대학기계공학부 Development of Laser-Rotating Arc Hybrid Welding Process Cheol-Hee Kim*, Hyun-Byung Chae*, Chang-Woo Lee*, Jeong-Han Kim* and Se-Hun