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1 42 연구논문 용접에서용입형상비에미치는아크길이와실드가스의영향 박인기 * 함효식 ** 조상명 *** * CS 윈드타워중국 ** 부경대학교대학원소재프로세스공학전공 *** 부경대학교신소재공학부 The Eeffect of Arc Length and Shield Gas on Penetration Aspect Ratio in Welding In-Ki Park*, Hyo-Sik Ham** and Sang-Myung Cho*** *CS Wind Tech China **Dept of Materials Processing Eng. Graduate School, Pukyong Univ. ***Div. of Advanced Materials Sci. and Eng., Busan , Korea *Corresponding author : (Received April 1, 28 ; Revised June 19, 28 ; Accepted November 14, 28) Abstract TIG welding enables to produce high quality weldment. However it has some problems such as shallow penetration and large distortion due to low penetration aspect ratio after welding. In order to overcome those problems, there are many ongoing studies on welding, which use active flux. In this study, the effect of arc length and shield gas on penetration aspect ratio with melt-run welding on STS 34 6t, on which active flux was spreaded, was investigated. Arc length was changed from 1mm to 3mm, and aspect ratio became higher as arc length was decreased in this range. 1% Ar gas, H 2 mixed gas, He mixed gas, and 1% He gas were used as shield gas in this study. When H 2 mixed gas, He mixed gas, and 1% He gas were applied, penetration and melting efficiency were both increased as compared with 1% Ar gas. Aspect ratio was the highest with 2.5% H 2 mixed gas. Key Words : Aspect ratio, Penetration,, Arc length,, Arc voltage, Active flux, Melting efficiency 1. 서론 TIG 용접은고품질이고용접인자의제어가쉽고정확하다는장점이있지만, 얕은용입과낮은생산성과같은단점이있다. TIG 맞대기용접에서는용입의한계때문에깊고넓은그루브가공을하여다층용접을한다. 이때, 패스수가증가할수록생산성이감소하며입열량은증가해변형이커지는문제가있다. 이러한문제를해결하기위해용입이깊고, 작은변형량을가지는용접방법이필요하다. 활성플럭스를사용하는것과실드가스를변경하는방법등의선행연구가있다 1-3). 스테인리스강판에서활성플럭스 TIG (Active flux TIG, 이하 ) 용접이일반적인 TIG (Conventional TIG, 이하 ) 용접보다용입이깊다는선행연구결과 1-2) 가있다. J J Loweke등의연구에서는플럭스를사용하는 TIG용접에서용입이증가하는메커니즘을연구하였다 1). Paulo J. Mondesi 등은 TIG용접에서여러조성의혼합플럭스가아닌단성분플럭스에대한용접특성을연구하였다 2). 의용입증가메커니즘으로는마랑고니효과 1-2), 음이온들로인한아크수축효과 1), 절연플럭스에의한아크수축효과 1,),2) 등이있다. Manabu Tanaka 등의연구에서는스테인리스에서실 586 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

2 용접에서용입형상비에미치는아크길이와실드가스의영향 43 드가스를 Ar과 He을사용하였을때의아크특성을비교하였다, 동일전류에서 He을사용하였을때 Ar보다더넓은용융단면적을가졌다 3). 따라서, 본연구는깊고형상비가큰용입을얻기위하여활성플럭스와실드가스를변경하였다. 활성플럭스 TiO 2 를써서 용접을 STS 34 6t에용융주행 (Melt-run) 법으로실시하여아크길이와실드가스가용입형상비에미치는영향을검토하였다. 2. 이론적배경 2.1 용입형상비의정의 본연구에서검토한용입형상비는다음과같이계산하였다. (1) 라서본연구에서는 Fig. 1과같이용접기출력전압을계측하고전극을단락시켜계측한용접회로의전압을빼서아크전압을구하였다. Fig. 2는실제전극을단락시켜계측한용접회로의전압이다. 본연구에서는 2A의전류를사용하였고이때전압은 1.61V였다. 이후의전압은용접기출력전압에서용접회로의전압강하인 1.61V를뺀아크전압으로표기하였고, 이값을용융효율계산식에사용하였다. 2.3 용융효율의정의 용융효율은모재로투입된에너지에대한용접금속을녹이는데사용된에너지의비로서본연구에서는 J. Tusek 의용융효율계산식 6) 을이용하였다. (2) 이때용입형상비가크게되면두께에따른횡수축력의편차가작아지기때문에각변형방지에유리하다 4). 2.2 아크전압의정의 용접기출력전압은아크전압과용접회로의전압으로구성된다. 용접시에용접회로의저항으로인해열이발생하고이는용접에유효하지못하다. 실제용접금속을녹이는데는아크전압에의한에너지가이용된다. 5) 따 Fig. 1 Definition of arc voltage 여기서 M [g/s] 은단위시간당용융된용접금속의질량, E [J/g] 는용접금속 1g을녹이기위해이론적으로요구되는에너지 ( 감열 + 잠열 ), I [A] 는전류, V a [V] 는아크전압그리고 t [s] 는시간이다. M은아래와같이계산한다. (3) 여기서 A WM [mm 2 ] 은용융단면적, v [mm/s] 는용접속도그리고 ρ [g/mm 3 ] 는밀도이다. 정상용접인경우를제외하고용락과언더필이생겼을경우에는 Fig. 3과같은방법으로용융단면적을구하였다. 사선을그은것과같이이면비드의면적은잘라내고언더필의면적만큼더해서계산하였다. 이는 Fig. 3 의횡단면에서용융금속의양은이론적으로언더필면적과같은면적의이면비드가나와야하지만이횡단면의선행위치나후행위치에서용융금속이이곳으로흘러와언더필면적보다큰면적의이면비드가생길수있기때문에위와같은방법으로용융단면적을계산하였다. 3. 사용재료및실험방법 Fig. 2 Voltage of short circuit Fig. 3 Calculation of section area of weld metal for the underfill and back bead 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 587

3 44 박인기 함효식 조상명 3.1 사용재료모재로는길이 1mm 폭 5mm 두께 6mm의 STS 34판재를사용하였고, 활성플럭스 TiO 2 를메탄 올에현탁시켜바른후건조시켜사용하였다. 3.2 실험방법 용접에서용입형상비에미치는아크길이의영향 Table 1은용입형상비에미치는아크길이의영향을알아보기위한실험A의용접조건이다. 실험조건에서아크길이 1mm미만은용융풀의유동으로인한아크길이변동으로텅스텐전극이손상을입는문제점이자주발생한다. 따라서아크길이는 1mm이상으로하여실험하였다. Fig. 4는용접시편의모식도를보여준다. 백킹플레이트에의한열전도의차에따른용입의변화를고려하여시편양끝에블럭을놓아용접부는대기중에놓이게하고아래보기자세로용접하였다. TIG 아크모니터링시스템 (WAM 3N) 으로용접전류, 전압을계측하였다. 용접후 Fig. 4의플럭스경계면을기준으로 ±2mm에서시편을절단하고횡단면을관찰하여용입과그형상비를측정하였다. 용입형상비를구하기위해용접횡단면을마크로에칭한후 CAD 디지타이징하여용입과비드폭을측정하였다 용접에서용입형상비에미치는실드가스의영향 Table 1 Welding condition for experiment A Table 2는용입형상비에미치는실드가스의영향을알아보기위한실험B의용접조건이다. 용접시편과용접방향은 Fig. 4와같게하였으며실험 A와같은방법으로용접전류와전압을계측하였고횡단면을관찰하였다. Fixed Varied 4. 실험결과및고찰 4.1 용접에서용입형상비에미치는아크길이의영향 Table 3은아크길이에따른비드외관과용접파형이고 Table 4는아크길이에따른 와 의용접횡단면이다. 에서 로바뀌면서비드폭이좁아졌고아크전압은소폭증가하였고, 용입은 에서현저히깊어진것을볼수있다. Fig. 5는아크길이에따른용입측정결과를보여주고 Fig. 6은아크길이에따른형상비를보여준다. 전체적으로아크길이가짧아질수록용입은증가하였고비드폭은 Table 2 Welding condition for experiment B Electrode Current Welding speed Arc length flow rate DCEN Φ2.4 2%Th-W 6 o 2A 2cpm(3.33mm/sec) 2mm 15l/min 1% Ar 2.5% H2 / 5% H2 33% He / 66% He 1% He Electrode DCEN Φ2.4 2%Th-W 6o Table 3 Weld surface and waveform with arc length Fixed Current Welding speed 2A 2cpm(3.33mm/sec) Arc length Weld surface Waveform flow rate Ar 1% 15l/min Varied Arc length 1mm, 2mm, 3mm 1mm 2mm Bare metal Boundary Flux 3mm Welding direction Fig. 4 Schematic of welding specimen 588 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

4 용접에서용입형상비에미치는아크길이와실드가스의영향 45 Table 4 WM cross section with arc length Arc length 1mm 2mm 4.2 용접에서용입형상비에미치는실드가스의영향 Table 5는실드가스종류에따른비드외관과용접파형이고 Table 6은실드가스종류에따른 와 의용접횡단면이다. Table 5 Weld surface and waveform with shield gas 3mm Shield gas Weld surface Waveform Ar 1% Penetration depth(mm) % H 2 5% H % He Arc length(mm) Fig. 5 Penetration depth with arc length 66% He Aspect ration Arc length(mm) Fig. 6 Aspect ratio with arc length He 1% Table 6 WM cross section with shield gas Ar 1% 2.5% H 2 좁아졌지만, 의경우가 에비해현저히용 5% H 2 입과형상비가커졌다. 아크길이가짧아질수록빛과열 로손실되는열이감소하여아크효율이증가하고아크 33% He 폭은좁아지므로비드폭이좁아지고좁은통전면에의 해전류밀도가증가하여깊은용입을가지게되어형상비가증가한것으로판단된다. 따라서형상비는아크길이가짧아질수록변형에유리한큰값을가졌고, 용접에서 용접보다더큰경향을보인다. 66% He He 1% 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 589

5 46 박인기 함효식 조상명 실드가스변경실험에서도 에서 로바뀌면서비드폭이좁아졌고아크전압이증가하였다. 용입또한 에비해 에서현저히깊어진것을볼수있다. Fig. 7은실드가스종류에따른용입측정결과를보여주고, Fig. 8은실드가스종류에따른형상비를보여준다. 전체적으로각가스에서 보다 에서용입과형상비가현저히증가한것을볼수있다. 에서 H 2 혼합가스와 1% He 가스의경우, 이면비드가나오는깊은용입이얻어졌다. 그러나비드폭은 H 2 혼합가스의경우, 1% Ar 가스에비해좁아졌고 He 혼합가스와 1% He 가스의경우, 1% Ar 가스에비해소폭증가하였기때문에형상비는 1% Ar 가스와비교하여 H 2 혼합가스는 2배이상증가한 1.과 1.2의값을가졌고 He 혼합가스와 1% He 가스는 1% Ar 가스에비해소폭증가한.57과.7정도의값을가졌다. He 혼합가스그리고 1% He 가스를사용했을때비드폭이증가하였는데그이유를 Oh 등의연구결과 7) 인 Fig. 9에서찾을수있다. Fig. 9 는전극팁끝으로부터아크반경거리에따른 Penetration depth(mm) % Ar 1% He Fig. 7 Penetration depth with shield gas Current density(amm 2 ) A Ar He33 He Radial distance from the arc axis(mm) Fig. 9 Current density distribution at 2A 7) 1% Ar 가스와 He 혼합가스의전류밀도를보여준다. 1% Ar 가스보다 He 혼합가스일때, 전극팁직하에서전류밀도가낮았기때문에전류가아크반경방향으로넓게통전되어비드폭이증가한것으로판단된다. H 2 혼합가스일때비드폭이좁아졌는데그이유는다음과같다. 수소는고온에서환원성이강하기때문에아크전방의절연체인 TiO 2 는 9 정도의온도에서환원되어 8) 모재로의좁은통전경로가보다쉽게만들어진다. 따라서아크전류는그통전경로에쉽게집중하므로비드폭이좁아진것으로판단된다. Fig. 1과 11은실드가스종류에따른용융단면적과용융효율을보여준다. Ar과비교하여 H 2 와 He이열전도도가높기때문에 H 2 혼합가스, He 혼합가스그리고 1% He 가스의경우, 와 모두에서용융단면적이증가하였다. 그러나 H 2 혼합가스, He 혼합가스그리고 1% He 가스를사용했을때아크전압이상승하였기때문에용융효율은 의 1% Ar 가스와비교하여비슷하거나약간높았다. 그리고 2.5% H 2 혼합가스에서용융단면적이 가 보다넓었고 2.5% 와 5% H 2 혼합가스에서용융효율이 가 보다높았는데이는수소의플럭스에대한환원특성때문에통전경로 Aspect ration % Ar 1% He Fig. 8 Aspect ratio with shield gas Section area of weld metal(mm 2 ) % Ar 1% He Fig. 1 Section area of weld metal with shield gas 59 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

6 용접에서용입형상비에미치는아크길이와실드가스의영향 47 Melting efficiency(%) % Ar 1% He Fig. 11 Melting efficiency with shield gas 2) 실드가스변경실험에서형상비는 에비해 에서전체적으로높았고, 에서 1% Ar 가스보다혼합가스와 1% He 가스일때큰형상비를나타내었지만, 2.5% H 2 가스의경우가가장큰형상비 1.2를보였다. 3) Ar과수소혼합가스를실드가스로쓸때는 에비해 의용융효율이감소하는결과를보였다. 특히수소혼합비가작은 2.5% H 2 가스에서는용융단면적도 가더작았고용융효율은현저히낮았다. 그이유는 TiO 2 플럭스에대한수소의환원작용으로통전경로가좁아지고그로인해비드폭이좁아져가장큰용입형상비를나타내었기때문인것으로판단된다. Melting efficiency increasing ratio To 1% Ar % Ar 5%H 2 Fig. 12 Melting efficiency increasing ratio to 1% Ar with shield gas 가좁아지고그로인해비드폭이좁아졌기때문인것으로판단된다. Fig. 12는실드가스에따른 1% Ar에대한용융효율증가비를보여준다. 1% Ar에대한용융효율증가비는 의경우 보다현저히작은것을볼수있다. 이것또한 에서비드폭이좁았기때문에위와같은결과가나왔다. 5. 결론 와비교하여 용접에서비드폭에대한용입의비로정의되는형상비에미치는아크길이와실드가스의영향에관한실험을통해다음과같은결론을얻었다. 1) 아크길이 1~3mm구간에서아크길이가짧아질수록형상비는변형방지에유리한큰값을가졌고, 특히 의경우가 에비해현저히큰형상비를가져서변형에유리하다. 참고문헌 1. J J Lowke, M Tanaka and M Ushio : Mechanisms giving increased weld depth due to a flux, Journal of physics D applied physics, 38 (25) Paulo J. Mondesi, Eustaquio R. Apolinario and Iaci M. Pereira : TIG welding with single-component fluxes, Journal of materials processing technology 99(2) Manabu Tanaka : Numerical study of gas tungsten arc plasma with anode melting, Science direct Vacuum 73 (24) Hyo-Sik Ham, In-Ki Park, Young-Duk Moon and Sang-Myung Cho : Development of Welding process for deep Penetration and decreasing deformation, Proceedings of the KOSME 26 Second Conference, (in Korean) 5. Jin-An Cho, Dong-Soo Oh, Dong-Soo Hwang and Sang-Myung Cho : Development of the high performance digital calorimeter to measure the melting efficiency of arc welding, Proceedings of the 26 Autumn Annual Meeting of Korean Welding and Joining Society, (in Korean) 6. J. Tusek and M. Suban : Experimental research of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel, International journal of hydrogen energy 25(2) Dong-Soo Oh, Yeong-Sik Kim and Sang-Myung Cho : Derivation of Current Density Distribution by Arc Pressure Measurement in TIG Welding, Science and Technology of Welding and Joining, 1(4), Chul-Woo Nam, Yeong-Yoon Choi, Byung-Su Kim, Dong-Hyo Yang and Kyung-Ho Park : Recovery Technology of Metals by Chlorination, KIGAM Bulletin 1-1, 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 591

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