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1 49 연구논문 조선용강재의 CO 2 레이저 GMA 하이브리드용접에서갭브리징능력향상기술개발 채현병 *,** 김철희 * 김정한 * 이세헌 ** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 한양대학교공과대학기계공학부 Improvement of Gap Bridging Ability in CO 2 Laser-GMA Hybrid Welding Hyunbyung Chae*, **, Cheolhee Kim*, Jeong-Han Kim* and Sehun Rhee** *Advanced Welding and Joining Team, KITECH, Incheon 6-130, Korea **School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul , Korea Abstract For laser welding in shipbuilding industry, gap bridging capability is one of the most important characteristics to achieve the high productivity and good weld quality. Recently, laser-gma hybrid welding process is regarded as a distinctive method to overcome the tight gap tolerance with improving the productivity. In this study, the influence of process parameters on the bead formation was experimentally analyzed and the relationship between the process parameters and geometric imperfections was investigated. It was revealed that undercut, excessive weld metal, excessive penetration and incompletely filled groove were the major geometric imperfections. The optimized wire feeding and arc pressure were necessary to ensure the gap bridging ability. The approach to select the process parameters was conducted for butt welding with up to 2mm joint gap, in which the sound weld beads were generated without changing the welding speed. *Corresponding author : (Received February 26, 06) Key Words : Shipbuilding, Gap bridging capability, Laser-GMA hybrid welding, Geometric imperfection 1. 서론 조선산업에서맞대기용접시에는부재가공오차, 핏업 (fit-up) 오차, 용접중열변형등에의하여불가피하게이음부에갭 (gap) 이발생하므로갭브리징 (gap bridging) 능력이뛰어난용접공정의적용이요구된다. 조선산업에서부재의절단시에는가공물의사이즈가크기때문에기계적절단법이아닌열절단법을주로사용한다. 열절단법은기계적절단의절삭공구에해당하는열원의형상과크기가일정하지않고자유롭게변하는전이기체이므로피절단재와의상호작용에의해절단면의형상이수시로변할수있는단점이있고또한이 로인해맞대기용접시간극의크기를관리하는것이필요하다 1). 일반적으로절단품질은기계적절단, 레이저절단, 플라즈마절단, 가스절단순인데경제성은이와반대이다. 따라서간극에대한허용치를확대시킬수있다면보다더경제적인절단공정을이용하여선박제조의생산원가를낮출수있는이점이있다. 평판의맞대기용접에서주로이용되는서브머지드아크용접 (submerged arc welding, SAW) 공정은일반적으로직경 2.4mm 이상의대구경용접와이어를사용하기때문에갭브리징능력이뛰어날뿐만아니라대전류를사용할수있고열효율이가장높다는장점이있다. 그러나대입열공정으로인한열변형이심하여후가공공수가많고턴오버 (turn-over) 를통한양면용 大韓熔接學會誌第 卷第 5 號, 06 年 10 月 397

2 50 채현병 김철희 김정한 이세헌 접을해야하는단점이있다. 따라서, 최근 SAW의단점을극복하기위하여레이저 -아크하이브리드용접에대한관심이높아지고있다. 레이저 -GMA(Gas Metal Arc) 하이브리드용접공정에서의갭브리징능력은기존공정인 SAW에비해서는다소부족하지만, 단독레이저용접에비해서는월등하다. 일반적으로단독레이저용접은 0.1~0.2mm, 용가재를첨가하는레이저용접은 0.4mm 이하, 그리고레이저 -아크하이브리드용접은 1.0mm 정도의갭브리징능력을가지고있다고보고되었다 2). TWI(The Welding Institute) 의연구결과에서는 CO 2 레이저 - GMA 하이브리드용접을두께 8mm의조선용강재를대상으로와이어송급속도와용접속도를조절하여 1.6mm의갭브리징능력을확보한것으로보고되었다. 그러나 1.6mm 의간극에서는 ISO 의 Class D에해당하는결과로서언더필이형성되지않는범위는간극크기 1mm 이하이다 3). 또한 TWI 는 Nd:YAG - GMA 하이브리드용접에서용접속도조절을이용한적응제어를통하여 1.2mm 의갭브리징능력을성취하였다 4). 국내에서도 H. S. Kim은조선에하이브리드용접을적용하기위한연구에서 1mm의간극에서양호한용접비드를얻었으며, 두부재의상하단차에대해서용접특성을분석하였다 5). J. B. Lee et al. 은 mm 두께의강재에대한 CO 2 레이저 -GMA 하이브리드용접에서약 0.8mm의간극에대해양호한용접품질을확보하였다 6). 또한 K. D. Lee는 6000계열알루미늄을대상으로한 Nd:YAG 레이저 -GMA 하이브리드용접이약 1mm의갭브리징능력을가지고있음을조사하였다 7). 그러나약 1mm의갭브리징능력으로는조선에서요구하는수준에크게미치지못하여레이저 - GMA 하이브리드용접공정의현장적용에애로사항이되고있다. 레이저 -GMA 하이브리드용접의선행연구들에서갭브리징능력을향상시키기위한방법을살펴보면레이저용접공정변수보다는 GMA 용접공정변수의조절에의존하는것이대부분이며, 이때사용된변수는 GMA용접의용접전류, 용접전압및용접속도이다. Y. Sugitani et al. 은백킹플레이트 (backing plate) 를사용한 I형맞대기용접부의 GMA단독용접에서갭브리징능력에대한변수들의영향을조사하였는데그중에서용접전류, 용접전압, 용접속도이외에와이어돌출길이가갭브리징능력에영향을미치는것으로보고하였다 8). 이연구결과에서는팁- 모재간거리 (contact tip-toworkpiece distance, CTWD) 를제어하지않은경우에는갭브리징능력이 2.4mm인반면, CTWD 제어를 이용하게되면갭브리징능력이 2.8mm로향상됨을보여주었다. 회전아크를이용한 Y. Sugitani et al. 의다른연구에서는몇가지제어방법을비교하여 CTWD 와와이어송급속도, 용접전압을동시에제어할경우갭브리징능력이보다더향상됨을보여주었다 9). 따라서본연구는선박상부구조의갑판 (deck) 등에사용되는두께 8mm A grade 강재의맞대기용접에 CO 2 레이저 -GMA 하이브리드용접을적용시공정변수와용접비드형상과의상관관계를규명하였으며, 레이저-GMA 하이브리드용접부에나타나는대표적인결함과의관계를조사하였다. 특히본연구에서는 2mm까지의간극이존재하는맞대기용접부에서생산성향상을위하여백킹플레이트를사용하지않는조건에서건전한용접비드형상을얻기위한공정변수를선정하고자하였다. 2. 레이저 -GMA 하이브리드용접부의용접결함 레이저 -GMA 하이브리드용접은레이저와 GMA용접의결합이므로용접부를평가함에있어서본연구에서는레이저용접에대한규격과아크용접에대한규격을함께검토하고자한다. 따라서본절에서는레이저용접부에대한용접결함에관한규격인 ISO 과아크용접에대한용접결함에관한규격인 ISO 5817의특징을비교하여레이저 -GMA 하이브리드용접부의평가를하기위한타당한근거를만들고자한다 10,11). 간극이존재하는맞대기용접부의레이저-GMA 하이브리드용접에서예상되는용접결함으로는언더컷, 과다용접덧살, 과다이면비드그리고언더필이있다. 기공도레이저용접부의중요한용접결함중의하나지만 CO 2 레이저- 아크하이브리드용접에서는적절한보호가스의선정으로이를방지할수있어본연구에서검토한용접결함에서제외하였다 12). 상기의네가지결함에대해 ISO 과 ISO 5817을비교한결과 ISO 이 ISO 5817보다용접부에대한평가를훨씬엄격하게규정하고있다. 그러나 ISO 에서도규정이하의언더컷과언더필을허용하지만실제조선소현장에서는이를허용하지않는등용접결함을보다더엄격하게관리하고있다. 따라서본연구에서는보다높은신뢰성을확보하기위하여 Table 1과같이 ISO 에용접부결함이전혀존재하지않는상태인 Class B 을추가한수정된 ISO 을하이브리드용접부의평가에이용하였다. 3. 실험장치및방법 본연구에서이용한 CO 2 레이저는최대출력 12kW 398 Journal of KWS, Vol., No. 5, October, 06

3 조선용강재의 CO 2 레이저 GMA 하이브리드용접에서갭브리징능력향상기술개발 51 Table 1 The prospective imperfections in laser arc hybrid welding in the modified ISO Imperfection designation Undercut Excess weld metal Excessive penetration Incompletely Filled groove Remarks h: size (height or width) of imperfection b: width of weld reinforcement Limits for imperfections for quality levels Moderate (D) Intermediate (C) Stringent (B) h 0.15t or 1mm, h 0.2mm+0.3t or 5mm,Whichever is the h 0.2mm+0.3t or 5mm,Whichever is the h 0.3t or 1mm, h 0.1t or 0.5mm, h 0.2mm+0.2t or 5mm,Whichever is the h 0.2mm+0.2t or 5mm,Whichever is the h 0.2t or 0.5mm, h 0.05t or 0.5mm, h 0.2mm+0.15t or 5mm,Whichever is the h 0.2mm+0.15t or 5mm,Whichever is the h 0.1t or 0.5mm, Very Stringent (B ) h=0mm h=0mm 급으로가장최소화된레이저빔의지름은 0.4mm 이다. 초점거리는 250mm이며모재표면에초점을두어실험하였다. GMA용접기는 500A급인버터용접기이고용접와이어의송급성을원활히하기위하여푸쉬풀 (push-pull) 토치를사용하였다. Fig. 1은본연구에서사용된 CO 2 레이저- 아크하이브리드용접헤드를보여주고있으며, 용접현상관찰을위하여초당 3000 프레임의고속촬영을실시하였다. 사용된모재는두께 8mm A grade 강재이며조인트형상은개선을치지않은 I형맞대기형태이다. 절단면은밀링가공을하였으며간극의크기를 0~2mm로변화시켜용접을수행하였다. 맞대기용접에서간극이존재하는경우에는이음부의공간을채우기위해요구되는최소용착량이필 High speed camera 요하다. 따라서간극크기에따른와이어용착량을계산하였고그에상응하는와이어송급량및전류값을 Table 2에나타내었으며 GMA용접조건선정의기준으로이용하였다. 본연구에서공통으로사용된용접변수조건을 Table 3에나타내었다. 특히공정의생산성을결정하는용접속도는레이저출력 8kW에서 1.5m/min으로고정하였다. 이것은고출력레이저를이용한하이브리드용접에서용입깊이는레이저출력과용접속도에의해결정되는데, 간극에따른공정변수의적응제어시용접속도를제어하는경우레이저출력이연동되어공정변수제어의복잡성을높일수있기때문이다. 용접부단면에서덧 Table 2 Required wire feed rate according to the gap variation (1.2mm dia. wire) Gap size(mm) Wire feed speed (m/min) Approx. welding current(a) Gap size(mm) Table 3 Welding conditions used in experiments. Torch Specimen CO 2 laser head Fig. 1 Schematic diagram of the experimental arrangement of laser-gma hybrid head Laser head angle 90 deg. Torch angle 60 deg. Travel speed 1.5 m/min Contact tip to workpiece distance 18mm Distance between laser spot and arc 4mm Electrode diameter 1.2mm Type He, Ar, CO 2 Shielding gas Flow rate 50l/min 大韓熔接學會誌第 卷第 5 號, 06 年 10 月 399

4 52 채현병 김철희 김정한 이세헌 살, 이면비드, 언더컷및언더필을실험결과의평가항목으로선정하였으며 Class B 을추가한수정 ISO 을기준으로평가항목에대한공정변수의영향을평가하였다. 4. 갭브리징능력에대한공정변수의영향 CO 2 레이저 -GMA 하이브리드용접에서간극이없는맞대기조인트에약 2~380A 용접전류범위의 GMA 용접조건을적용한결과에대한비드표면및비드단면을 Fig. 2에나타내었다. 비드표면관찰에서는전반적으로균일한비드폭을나타내며언더컷과같은결함은 관찰할수없었다. 비드단면에서도양호한이면비드와함께기공과같은결함은나타나지않았으나용접덧살의양이 300A 이하에서는 ISO 의 Class B에해당하고그이상의전류조건에서는 Class C에해당하는정도로약간과도한것으로나타났다. 따라서간극이없는조건에서는 GMA용접의용착금속이전량용접덧살로형성되기때문에전류조건을 300A이하로설정하는것이바람직한것으로판단된다. 간극이 0.5mm 인경우의하이브리드용접부평가결과를 Fig. 3에나타내었다. 언더필과과다백비드는모두나타나지않았으며, 용접덧살의경우과도한용착량을유발하는 0A이상에서 Class C에해당하는결과 (a) 2A, V (b) 260A, 26V (c) 300A, 29V (d) 3A, V (e)380a, 33V Fig. 2 Top and cross sectional views of hybrid welds on butt joint with no gap (a) Underfill (gap; 0.5mm) (b) Reinforcement (gap; 0.5mm) (c) Back bead (d) Undercut (gap; 0.5mm) (gap; 0.5mm) Fig. 3 Effects of process parameters on bead characteristics (gap;0.5mm, class B ;, class B;, class C; ) 0 Journal of KWS, Vol., No. 5, October, 06

5 조선용강재의 CO 2 레이저 GMA 하이브리드용접에서갭브리징능력향상기술개발 53 가나타났다. 3A, 23V의경우에는용접전압이적정조건에비해낮아과도한덧살이관찰되었다. 언더컷은비교적용접전압이높고용접전류가낮은경우에발생이되었는데 Fig. 3(d) 의점선은 Class B와 Class B 의경계를나타내고있다. 본연구의네가지평가항목을중첩하여평가한결과 8kW레이저출력, 1.5 m/min 용접속도에서맞대기용접부재가 0.5mm 간극을가진경우에서는 3A, V이용접부에결함이유발시키지않는적정한아크용접조건으로판단된다. 간극이 1.0mm인경우를 Fig. 4에나타내었다. 용접비드특성은간극이 0.5mm 인경우와같이 1.0mm 간극에서도비슷한경향을보이고있으나간극을채우기위하여용접전류의값을 0.5mm 간극에서보다더크게선정하여야함을알수있다. 즉, BOP(bead-on-plate) 나간극이없는맞대기용접에서의조건과비교할때, 0.5mm와 1.0mm 간극이존재하는경우에서는간극을채우기위하여상대적으로많은용착량이필요하므로와이어송급속도의증가가요구되고언더컷을방지하기위하여상대적으로낮은용접전압이요구된다. 용접덧 살이과도한경우그라인딩과같은비교적간단한공정으로제거될수있지만언더컷의경우는그라인딩및보수용접에의해서만개선이가능하므로적정용접조건선정에있어서과도용접덧살방지보다는언더컷방지를우선적으로고려해야할것으로판단된다. Fig. 5는용접전압증가에따른비드표면및단면형상을나타내고있다. 용접전압이증가할수록비드폭이증가하고덧살이감소하는경향이나타났으며, V이상에서는언더컷이유발됨을관찰할수있었다. 언더컷을방지하기위해서는 Fig. 3(d) 에서와같이일정수준이하의용접전압이요구되는데그림에서점선은간극이 0.5mm 일때언더컷이발생하지않는영역을나타낸것이다. 이때점선의기울기는약 0.07로써용접전압과용접전류의비를나타내고여기에서과도용접덧살이발생하는임계용접전류값을함께이용하면적정용접전류및용접전압값의선정이가능하다. 간극이 1mm 인경우에도위와같은방법으로적정범위의용접전류와전압조건산출이가능함을알수있다. 간극이 1.5mm 인경우에서의하이브리드용접부의평가결과를 (a) Underfill (gap; 1.0mm) (b) Reinforcement (gap; 1.0mm) (c) Back bead (gap; 1.0mm) (d) Undercut (gap; 1.0mm) Fig. 4 Effects of process parameters on bead characteristics (gap;0.1mm, class B ;, class B;, class C; ) 大韓熔接學會誌第 卷第 5 號, 06 年 10 月 1

6 54 채현병 김철희 김정한 이세헌 Fig. 6에나타내었다. 본연구에서사용된모든조건에서 Class B 에해당하는비드단면형상은나타나지않았고과도한백비드와함께심한언더컷을나타내는경우가대부분이었으 며용락에의한언더필이간혹관찰되었다. 이를개선하기위하여용접전류와전압을다양하게변화시켜보았지만수정된 ISO 의 Class B 에해당되는건전한비드단면형상을확보하는데실패하였다. Table (a) 23V (b) 25V (c) 27V (d) 29V (e) V (f) 35V Fig. 5 The Effect of welding voltage on the bead shape in laser arc hybrid welding (welding current; 3A, joint gap; 0.5mm) (a) Underfill (b) Reinforcement (gap; 1.5mm) (gap; 1.5mm) (c) Back bead (d) Undercut (gap; 1.5mm) (gap; 1.5mm) Fig. 6 Effects of process parameters on bead characteristics (gap;1.5mm, class B;, class C;, class D;X ) 2 Journal of KWS, Vol., No. 5, October, 06

7 조선용강재의 CO 2 레이저 GMA 하이브리드용접에서갭브리징능력향상기술개발 55 2에서와같이간극이 1.5mm인경우간극을용착금속으로채우기위해서는 1.2mm 직경의용접와이어를기준으로 15.8m/min 의와이어송급속도가요구된다. 여기에해당하는용접전류는 413A로써용접덧살, 백비드와스패터를고려하면적정한용접전류가약 0A 수준이된다. 용접전류 0A이상에서는과다백비드와언더컷이함께하는 Class C정도에해당하는비드형상이나타났는데, 이는높은용접전류에의하여아크압력이증가되면서용융풀을중력방향으로함몰시키려는영향이크기때문으로사료된다. 하지만 1.5mm 간극에의한공간을채우기위해서는와이어의송급속도를낮출수없기때문에용접전류감소에의한아크압력감소효과는나타낼수없었다. 따라서차선책으로서용접전압을 31V에서 23V까지단계적으로감소시킴에의한아크압력감소를유도하였으며그때나타나는현상을고속촬영한결과를 Fig. 7 에나타내었다. 용접전압이감소되면서아크길이가짧아지고그에따른용융풀의함몰이감소됨을관찰할수있었으나, 그럼에도불구하고과다백비드와언더컷을완전히제거할수없었다. 이문제를극복하기위하여 1mm 간극까지고정변수였던 CTWD 를 18~mm까지변화시켰으며그결과를 Fig. 8에나타내었다. 비드단면의평가에서 CTWD 를증가시킬수록과도하게나타났던백비드가줄어들면서용접덧살이생성되는것을 관찰할수가있었다. CTWD 가 mm 이상에서육안으로관찰할수있을정도의덧살이생성되었으며건전한비드형상을얻을수있었다. 고속촬영결과에서도 CTWD 의증가에따라용융풀의함몰이현저히감소함을확인할수있다. 이는정전압모드의 GMA 용접전원에서 CTWD 가커지는경우와이어돌출길이가증가하고이에따라용접전류값이낮아지므로아크압력이감소하기때문이다 13). 즉, Fig. 9와같이 CTWD 의증가에따라용접전류값은감소하므로간극을채우기위한 17.2m/min 의와이어송급속도를유지하면서도용접전 CTWD (mm) Fig. 9 Relationship between CTWD and welding current (wire feed speed; 17.2m/min, voltage; 25V) (a) 31V (b) 29V (c) 27V (d) 25V (e) 23V Fig. 7 Effect of welding voltage on the welding pool depression (Welding current; 0A, Gap size; 1.5mm) (a) 18 mm (b) mm (c) mm (d) mm Fig. 8 Effect of CTWD on bead characteristics with 1.5mm gap (wire feed speed; 17.2m/min, voltage; 25V) 大韓熔接學會誌第 卷第 5 號, 06 年 10 月 3

8 56 채현병 김철희 김정한 이세헌 류값을낮추어아크압력제어가가능함을확인하였다. 간극이 2mm인경우에는레이저빔과 GMA의용접와이어가간극사이를통과하여아크가발생되지않거나아크가발생되더라도매우불안정하여심한용락과함께언더필이발생되어정상적인용접이이루어지지않았다. 따라서직경 1.2mm 용접와이어를 1.4mm 로대체하여용접을수행한결과용접은이루어졌으나 1.5mm 간극의경우와같이용접전류와전압의제어만으로는건전한용접부를형성하지못하였다. 따라서 1.5mm 간극에서수행했던동일한방법으로 CTWD 를 34mm 까지증가시켰으며 Fig. 10에서와같이 CTWD 가 mm 이상에서는언더필과과다백비드를방지할수있었으며 ISO Class B 에해당하는결과를획득할수있었다. 5. 결론 간극이존재하는 I형맞대기용접부에 CO 2 레이저 - GMA 하이브리드용접을적용하여 2mm 이하의간극에적용가능한공정변수를선정하고자하는본연구를통하여아래와같은결론을얻었다. (1) 1mm 이하의간극이존재하는맞대기용접부에하이브리드용접을적용할때주로발생되는용접불량은과다용접덧살과언더컷이었으며, 1.5mm 이상의간극을가진경우에는언더컷, 과다백비드, 언더필이주된용접결함임을확인하였다. (2) 1mm 이하의간극에서발생하는과다용접덧살과언더컷의원인은각각과도한와이어송급속도와용접전압이며, 이와같은용접결함을방지할수있는와이어송급속도와용접전압의비를제시하였다. (3) 1.5mm 이상의간극에서는간극이음부를채우기위한와이어송급속도의증가가요구되나이에따른높은용접전류에의한아크압력의증가로인하여용융풀함몰에의한언더필, 과다백비드및언더컷이발생되었다. 이들용접결함은용접전압을낮추고와이어송급속도를유지하면서용접전류를낮출수있는 CTWD 를증가시킴으로서아크압력을감소시켜방지할수있었다. (4) 간극의크기가 1mm이하에서는 CTWD 제어없이용접전류와용접전압의조정만으로건전한비드형상확보가가능하였으며, 간극의크기가 1.5mm 에서는양호한품질의용접비드를얻기위해서는용접전류, 용접 전압및 CTWD 의제어가요구되었다. 또한2mm 간극에서는직경 1.4mm이상의와이어사용과 CTWD 제어가동시에필요함을확인하였다. 참고문헌 1. 대한용접학회편 : 용접 접합편람, 대한용접학회, 1998, 693 (in Korean) 2. S. Herbert: Laser-Hybrid Welding of Ships, Welding Journal, 83-6 (04), S. G. Shi and P. A. Hilton: A Comparison of the Gap-Bridging Capability of CO 2 Laser and Hybrid CO 2 Laser MAG Welding on 8mm Thickness C-Mn Steel Plate, TWI Members Report 798/04 4. S. G. Shi, P. A. Hilton, S. Mulligan and G. Verhaeghe: Hybrid Nd:YAG Laser-MAG Welding of Thick Section Steel with Adaptive Control, Proceedings of the 23th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics H. S. Kim: Study on the Laser Hybrid Welding Technology for Shipbuilding, Journal of Korean Welding Society, 22-2 (04), (in Korean) 6. J. B. Lee and S. K. Hong: 조선분야의레이저 - 아크하이브리드용접기술, 제 1 회중공업생산성혁신을위한차세대하이브리드용접기술개발과제심포지엄, 한국생산기술연구원, 04, 13- (in Korean) 7. K. D. Lee: Laser-Arc Hybrid Welding Process of Aluminum Alloy, Journal of Korean Welding Society, 22-2 (04), (in Korean) 8. Y. Sugitani and Y. Nishi: Investigation of a Method for Optimum penetration control, Welding International, 4-2 (1990), Y. Sugitani and W. Mao: Automatic Simultaneous Control of Bead height and back bead shape using an Arc Sensor in One-Sided Welding with a Backing Plate, Welding International, 9-5 (1995), International Organization for Standardization: Welding-Electron and Laser-Beam Welded Joints- Guidance on Quality Levels for Imperfections; Part 1 (ISO ), ISO, International Organization for Standardization: Arc-Welded Joints in Steel- Guidance on Quality Levels for Imperfections (ISO 5817), ISO, H.-B. Chae, C.-H. Kim, J.-K. Kim, N.-H. Kang, J.-H. Kim and S. Rhee: The Effect of Shielding Gas Composition in CO 2 Laser-MIG Hybrid Welding, Proceedings of the 04 Autumn Meeting of Korean Welding Society, 04, (in Korean) 13. J. F. Lancaster: The physics of welding, 2nd edition, Pergamon Press, 1986, Journal of KWS, Vol., No. 5, October, 06

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