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원재 모
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연구논문 용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 벤투리노즐의위보기자세용융금속제어효과 함효식 서지석 최윤환 이연원 조상명 부경대학교대학원소재프로세스공학과 부경대학교대학원조선시스템관리공학협동과정 부경대학교기계자동차공학과 부경대학교신소재공학부 A Study on Optimum Shape of Shield Gas Nozzle for

1 연구논문 용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 벤투리노즐의위보기자세용융금속제어효과 함효식 서지석 최윤환 이연원 조상명 부경대학교대학원소재프로세스공학과 부경대학교대학원조선시스템관리공학협동과정 부경대학교기계자동차공학과 부경대학교신소재공학부 A Study on Optimum Shape of Shield Gas Nozzle for Bead Shape Control in TIG Welding using Gas Force ( ) - Effect of Molten Metal Control by Venturi Nozzle in Overhead Position - Hyo-Sik Ham*, Ji-Seok Seo**, Yoon-Hwan Choi***, Yeon-Won Lee*** and Sang-Myung Cho****, *Graduate school, Dept. of Materials Processing Eng., Pukyong National Univ., Busan , Korea **Graduate school, Dept. of Shipbuilding Systems Management Eng., Pukyong National Univ., Busan , Korea ***Dept. of Mechanical and Automotive Eng., Pukyong National Univ., Busan , Korea ****Div. of Advanced Materials Sci. and Eng,. Pukyong, National Univ., Busan , Korea Corresponding author : pnwcho@pknu.ac.kr (Received October 19, 2010, Revised November 6, 2010 ; Accepted May 24, 2011) Abstract Bead shape control with gas force process has been developed to overcome the concave back bead in pipe orbital welding. However, It is impossible to make a convex back bead using the existing gas nozzle, because it has high gas-consuming and low gas force. The purpose of this paper, to develop optimum shape of nozzle which to reduce the consumption of gas, maximizing the shield gas force with low cost and high productivity coincide the Green welding. In this paper venturi-type nozzle was compared with existing CP-type nozzle by TIG pulse welding in overhead position. As a result, CP-type occurs the wormholes in the overhead position, but the Venturi-type without the pore and formed a good bead appearance. Key Words : TIG welding, Orbital welding, Nozzle shape, Venturi-type nozzle, Shield gas velocity, Shield gas pressure Overhead position, Moltenpool vibration, Wormhole formation, Gas force 1. 서론 1.6 파이프오비탈자동용접에서는루트패스용접시위보기및경사상진자세에서중력에의해이면비드함몰과표면비드쳐짐이발생한다 그래서일반적인 오비탈용접공정에서는 과같이 그루브의루트페이스는최대 로한

용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 정하여용융풀의양을줄여비드형상제어가용이하게하였다 하지만 비용감소와생산성향상을위해서는 허용루트페이스를늘릴수있는즉제어가능한용융풀양을늘릴수있는공법의개발이필요하다 등 은플라즈마용접에의한오비탈용접의경 사상진자세에서이면비드형성에관한연구에서실드가 스의유량을증가시키면볼록한이면비드형성이가능 하다고밝혔고 등

즐의최적화를위하여기존노즐보다동일한유량에서유속 배 압력 배향상된 노즐을개발하였지만 이상의조건에서는대기혼입으로인해기공이발생하였다 등 은 노즐의대기혼입을시뮬레이션을 통해작은수축부내경과급격한확산각으로인해노즐내부로대기혼입이일어났다고밝혔다 이를극복하기위해선행연구에서압력손실이가장 작은구조인벤투리미터를응용하고돌연축소관로에서 의부차적손실계수와점차확대관의확산각에따른손

2 용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 정하여용융풀의양을줄여비드형상제어가용이하게하였다 하지만 비용감소와생산성향상을위해서는 허용루트페이스를늘릴수있는즉제어가능한용융풀양을늘릴수있는공법의개발이필요하다 등 은플라즈마용접에의한오비탈용접의경 사상진자세에서이면비드형성에관한연구에서실드가 스의유량을증가시키면볼록한이면비드형성이가능 하다고밝혔고 등 은 오비탈용접의위보기 및경사상진자세에서용융지제어방법에관한연구에서 위보기및경사상진자세모두실드가스압력을증가시킬수록이면비드가볼록해지는경향을보였다라고밝혔다 하지만기존의가스노즐의경우가스력을이용한볼 록한이면비드형성실험시실드가스소모량이크고 실드가스력이부족하여양호한이면비드형성이불가능하였다 이에 등 은아크용접에서 가스노즐에의한 비드형상제어및방풍효과에관한연구에서실드가스노 즐의최적화를위하여기존노즐보다동일한유량에서유속 배 압력 배향상된 노즐을개발하였지만 이상의조건에서는대기혼입으로인해기공이발생하였다 등 은 노즐의대기혼입을시뮬레이션을 통해작은수축부내경과급격한확산각으로인해노즐내부로대기혼입이일어났다고밝혔다 이를극복하기위해선행연구에서압력손실이가장 작은구조인벤투리미터를응용하고돌연축소관로에서 의부차적손실계수와점차확대관의확산각에따른손 실계수를고려하여벤투리형노즐을설계하였고시뮬 레이션결과동일량의실드가스공급시기존의실드가 스노즐보다높은유속 높은압력 안정된실드가스유동을가진다고밝혔다 또한실제노즐을제작하여유속과압력비교실험그 리고아래보기자세에서의아크형상을관찰한결과동 일한유량 유속과압력이기존 형보다 각각약 배 약 배정도향상되었고아크주변으로의빠 른실드가스유속에의해아크가수축되어입열이증가됨을알수있었다 본연구에서는개발된벤투리형노즐을기존 형 노즐과비교평가하기위해위보기자세에서비드형상비교실험과기공형성원인분석실험을수행하였다 2. 실험방법 2.1 위보기자세에서비드형상비교실험 위보기자세에서벤투리형과 형의비드형상비 기존 Φ Φ Φ Φ Φ l 교및파형계측및동영상촬영을통한기공형성원인 을분석하였다 은벤투리형노즐과기존 노즐의설계도를나타내고두노즐을사용하여위보기 자세에서 축다관절로봇을사용하여 의조건 으로실험하였다 용접전류는평균전류 로 이하 라고한다 이 하 라고한다 의펄스를사용하였다 는실험모식도를나타낸다 여기서토출부에서 표면까지의거리가용융풀에미치는영향을확인하기 위해 를 로변화하였고비드형상을 관찰하기위해시편의중심과중심에서좌우 간 격으로절단하여횡단면을관찰하였고기공형태를관찰 하기위해비드종단면을관찰하였다 2.2 기공형성원인분석실험 위보기자세에서비드형상비교실험의결과를바탕으

함효식 서지석 최윤환 이연원 조상명 NTWD Arc length 3 Welding

에서는가스력이약하고가스력이작용하는면적이가장좁기때문에표면쪽으로용락이발생하였고

에서강한가스력에의해볼록한이면비드가형성되었지만내부에기공과표면비드의중심부쳐짐이발생하였고

동영상을캡쳐한것으로 형의경우가스력이부족하 여중력방향으로쳐지는표면의용융풀을받쳐주지못

스력으로충분히받쳐줄수있음을확인할수있었다 NTWD CP-type Venturi-type 3mm

3 함효식 서지석 최윤환 이연원 조상명 NTWD Arc length 3 Welding direction 로 와동일한용접조건의 에서각노즐별로 회씩실험을실시하였고 아크모니터링장비를사용하여전류 전압파형을계측하였다 기공형성원인을분석하기위해디지털카메라를사용하여아크와용융풀유동을동영상촬영하였다 3. 실험결과및고찰 3.1 위보기자세에서비드형상비교실험 은 형과벤투리형의 에따른비드형상을나타내었다 형의 에서는가스력이약하고가스력이작용하는면적이가장좁기때문에표면쪽으로용락이발생하였고 에서는가스력이약해서표면비드가아래쪽으로쳐지고내부에기공이발생하였다 벤투리형은 에서강한가스력에의해볼록한이면비드가형성되었지만내부에기공과표면비드의중심부쳐짐이발생하였고 에서기공이없고평평한표면비드가형성되었다 에서는기공형상을관찰하기위해비드의종단면을나타내었다 여기서 형 의경우일정한간격을지닌 이발견되었고 벤 투리형의 의경우 의연구결과와 마찬가지로실드가스의빠른유속에의한가스혼입으로 인해블로우홀이생겼다 은 형과벤투리형의 용접 동영상을캡쳐한것으로 형의경우가스력이부족하 여중력방향으로쳐지는표면의용융풀을받쳐주지못 해용락이발생하였고벤투리형은 형과동일한실 드가스유량에서중력방향으로쳐지는용융풀을실드가 스력으로충분히받쳐줄수있음을확인할수있었다 NTWD CP-type Venturi-type 3mm 4mm 5mm F B F B F B Surface burn through 3.2 기공형성원인분석실험 형 에서내부에길게연결된웜홀의발생원인을분석하기위해 에서두노즐의동영상촬영과파형계측을실시하였다 각조건별로 회씩실험하였고 는이때각실험에서계측된 형과벤투리형의평균전류와평균전압을나타낸다 평균전류의경우 회의실험에서모두 형과벤투리형의유의차가없었고 평균전압은 회의실험모두벤투리형이 형보다평균전압이낮게나타났다

4 용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 Welding current[a] Welding voltage[v] CP Venturi Test No. CP Test No. Venturi 앞서아래보기실험에서벤투리형은아크중심부로의 빠른실드가스유속에의한아크수축으로인해 형 보다전압이높게측정되어위보기자세역시벤투리 형이 형보다높을것이라예측하였지만이와반대 로실제위보기실험에서는전압이더낫게나타나서동영상을촬영하여용융풀유동과아크를관찰해보았다 는 형의파형과동영상을캡쳐한것이다 는 일때아크와용융풀을나타내었다 는 일때 와같이가스력으로용융풀을받쳐주지못해아크뒤의표면용융풀이아래로쳐졌다 는표면용융풀과아크직상의용융풀사이에홀이발생하여실드가스가혼입이발생하였다 와 는 일때이홀이막혀지는현상이반복되면서내부에일정한간격의웜홀이발생되었다 등의연구에서아크직하얇은용융지가뛰쪽의용융지로이동중에냉각으로인해발생하는험핑비드또는분리비드형성메카니즘과매우비슷하였다 또한계측된평균전압이 로서벤투리형의평균전압 보다높은데이는실드가스력의부족으로표면의용융풀은중력방향으로쳐지게되고아크직상의용융풀을끌어당겨벤투리형보다아크직상의용융풀의두께가얇아지고이로인해아크길이가길어져전압의상승이일어난것으로판단된다 은 형의용접종료부에서표면용융풀에서가스가분출되는영상을캡쳐한것인데 와같은상황의 에서아크가꺼진후 와같이내부에가스가갇힌채로홀이닫히게되고시간이지남에따라가스가열에의해팽창하면서그압력에의해용융풀이부풀어오르다가 와같이용접종료부표면에기공이발생하였다 이는 형의내부에기공발생원인이실드가스임을다시한번증명해준다

형때와는다르게아크직상의용융풀을끌어당기지않아아크직상의용융풀두께가두꺼워지고이에아크길이가짧아져 형보다전압이낮아진것으로판단된다 따라서 등의연구와같이아크직하에얇은

5 함효식 서지석 최윤환 이연원 조상명 은벤투리형의파형과동영상을캡쳐한것이다 와 일때아크직상의용융풀이 의 형과는다르게아크의바로위에서진동하였다 용융풀이아크가지나가더라도강한가스력에의해용융풀이중력방향으로처지지않았기때문이다 계측된평균전압이 로 형의 보다낮은데이는충분한실드가스력이표면용융풀을중력방향으로쳐지지않게받쳐주어 형때와는다르게아크직상의용융풀을끌어당기지않아아크직상의용융풀두께가두꺼워지고이에아크길이가짧아져 형보다전압이낮아진것으로판단된다 따라서 등의연구와같이아크직하에얇은 용융지가아닌두꺼운용융풀이존재하기때문에아크뒤쪽용융풀이동시가스혼입이발생하지않았다 또한벤투리형의표면용융풀은 형처럼노즐이지나간후쳐지면서느리게응고되지않고상대적으로빠르게응고되는데이는빠른실드가스유속에의해냉각속도가증가한것으로판단된다 4. 결론 가스력을사용한비드형상제어 용접에서실드가스노즐의최적형상에관한연구결과다음과같은결론을얻을수있었다 비드형상비교실험에서 형의경우가스력이

6 용접에서가스력을이용한비드형상제어를위한실드가스노즐의최적형상에관한연구 충분치않아중력방향으로쳐지는표면용융풀을받쳐주지못하여 에서는표면용락이 에서는내부에웜홀이발생하였다 하지만벤투리형에서는 형과동일한실드가스유량에서비록 에서는빠른실드가스유속에의해블로우홀이발견되었지만 의조건은팁돌출길이 에아크길이가 로현장에서일반적으로사용하지않는조건이고 일반적으로사용될수있는 에서매우양호한비드가형성되었다 기공형성원인을분석한결과 형의경우실드가스력의부족으로인해표면의용융풀이아래로쳐지게되면서아크직상의용융풀을끌어당기게되고아크길이가자연스럽게길어지게된다 또한 일때표면용융풀과아크직상의용융풀사이에홀이발생하여실드가스가혼입되고 에서홀이막혀져내부에일정한간격의웜홀이발생되는현상을확인할수있었다 반면에벤투리형은충분한실드가스력이표면용융풀을중력방향으로쳐지지않게받쳐주고노즐에서토출되는빠른실드가스유속에의해표면용융풀이빠르게응고하여매우양호한비드외관을형성하였다 이는벤투리형노즐이실드가스유량 l 에서 도위보기자세에서중력방향으로쳐지는용융풀을실 드가스력으로충분히받쳐줄수있는최적의실드가스 노즐임을확인할수있었다 참고문헌

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DBPIA-NURIMEDIA 71 연구논문 플라즈마아크오비탈용접의경사상진자세에서이면비드형성에관한연구 김효원 * 조상명 **, * 부경대학교대학원소재프로세스공학과 ** 부경대학교신소재공학부소재프로세스공학전공 A Study on Back Bead ormation in Inclined-up Position of Plasma Arc Orbital Welding Hyo-Won Kim* and Sang-Myung