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1 92 연구논문 박판고속플라즈마맞대기용접에서용접시작부의용락과미용융에미치는시작블록과아크길이의영향 추용수 * 홍성준 ** 정재필 *** 조상명 **** * 부경대학교대학원소재프로세스공학과 ** LG 전자생산성연구원 *** 서울시립대학교신소재공학전공 **** 부경대학교신소재공학부소재프로세스공학전공 The Effects of Start Block and Arc Length on Melt Through and Unmelted Zone at Welding Start in High Speed Plasma Arc Welding of Thin Plate Yong-Su Chu*, Seong-Joon Hong**, Jae-Pil Jung*** and Sang-Myung Cho**** *Dept. of Materials Processing Eng., Graduate School, Pukyong National Univ., Busan , Korea **Productivity Research Institute, LG Electronics, Gyeonggi-do, , Korea ***Dept. of Materials Sci. and Eng., University of Seoul, Seoul , Korea ****Div. of Advanced Materials Sci. and Eng., Dept. of Materials Processing Eng., Pukyong National Univ., Busan , Korea Abstract In welding of thin plate, some defects such as melt through and unmelted zone occur easily at welding start, however there is a limited study on those problems. Therefore the effects of start block and arc length on melt through and unmelted zone at start were investigated in this study. When start block height was lower than base metal, there was melt through at start. And when the height was even with base metal, no unmelted zone existed. Unmelted zone was increased as start block height increased from 0mm to 0.5mm. However unmelted zone was not much changed as the height increasing from 0.5mm to 1.0mm. When gap existed between start block and base metal, melt through occurred. However, unmelted zone was increased as the contact force of start block on base metal was increased from 0kgf to 7.5kgf. And when arc length was decreased from 3.8mm to 3.0mm, unmelted zone was decreased. It was concluded that the optimum condition to prevent melt through and to minimize unmelted zone would be with start block height 0.25mm, contact force 3.0kgf, and arc length 3.4mm. This optimum condition was applied to the mass production line and resulted in satisfied outcome. *Corresponding author : hjhus@hanmail.net (Received March 6, 2008) Key Words : Plasma Arc Welding, Thin plate, Unmelted Zone, Melt through, End effect, Melting efficiency, Standoff 1. 서론 플라즈마아크용접은수축된아크로인해그루브없이그리고용가제의첨가없이용접할수있는장점이있다 1). 그러나박판의경우에는용락과같은용접결함 이문제되고있고, 용락을방지하기위해입열량을줄이는경우에는시작부의미용융부가또다른문제점으로대두되고있다. 또한후판에서는시종단부의결함을방지하기위해모재와같은두께와재질의시작탭과종료탭을사용하지만용접후시작탭과종료탭을제거하는후공정이필요하기때문에대량생산라인에적합하 194 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

2 박판고속플라즈마맞대기용접에서용접시작부의용락과미용융에미치는시작블록과아크길이의영향 93 지못하다. 그러나박판의용융주행용접에서와같이열전도율이높은동합금의두꺼운시작블록과종료블록을쓰면용융되지않기때문에연속적으로재사용이가능하다. 또한제거공정이필요없기때문에대량생산라인에적용시경제적인장점이있다. 이런장점에도불구하고시작블록의상태에따라용접부의품질이변동하게되어용락이나미용융부가발생할가능성이있지만그에대한연구는부족한실정이다. 미용융부가지나치게길면용접결함으로간주되기때문에미용융부길이를최소화하는것이필요하다. 그러나미용융부가존재하지않는조건이되면때때로용락발생이문제시되므로미용융부길이는 1mm 이하의적절한값이되도록하는것이바람직하다. 플라즈마용접에서주요공정변수로는크게플라즈마전류, 수축노즐의직경과형태, 그리고가스의종류와유속을들수있다 2). 그러나본연구에서는박판플라즈마용접에서시작부의용락을방지하고미용융부를최소화하는것을목적으로하여시작블록의높이와밀착력이용접시작부의품질상태에미치는영향을검토하였고, 또한아크길이의영향을검토하여실제현장에서적용가능한최적조건을찾아보았다. (a) Clamping equipment and welding robot ing Bar Clamping force Standoff Plasma torch Setback Clamping distance Clamping force (b) Schematic diagram of detailed clamping method and definitions Fig. 1 The equipment for clamping SB Height Start Block Standoff Base plate 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 Contact force ing Bar Welding direction 본연구에서는폭90mm, 길이180mm, 두께0.5mm 의 STS430J1L 을사용하였고, PAW(Plasma Arc Welding) 을이용해멜트인 (melt-in) 용접을실시하였다. Table 1은실험에사용된 STS430J1L 의화학조성과기계적성질을나타낸것이다. 2.2 실험방법 Fig. 1(a) 는클램핑력을정량적으로정밀하게가할수있도록개발된정밀가압장치와클램프그리고플 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of STS430J1L (a) Chemical composition (Wt. %) C Si Mn S Cr Cu (b) Mechanical properties 16.00~ ~ 0.80 Yield Tensile Elongation Hardness strength strength 205MPa 390MPa 22% 200 Hv Fig. 2 Schematic diagram of experimental condition and definitions 라즈마토치와용접용로봇을나타내고, Fig. 1(b) 는클램프의상세모식도및정의, 그리고플라즈마용접에서셋백 (Setback) 과스탠드오프 (Standoff) 의정의를나타낸다. Fig. 2는시작블록의위치와밀착방법의모식도를나타내고, 각각의용어를정의하고있다 mm 크기의 Cr-Cu 블록을스프링상수 1.5kgf/mm를가진스프링을사용하여정량적으로밀착시키는방법을개발하여밀착력변경실험을하였다. 클램프와백킹바사이에모재를넣고클램핑장치로고정시킨후멜트인용접을실시하였다. 모든실험에서클램프와백킹바로의열전도율을동일하게하기위해클램프간격은 10mm, 클램핑력은 41kgf, 그리고백킹바사이의간격은 3mm 로고정하여실험하였고, 용접이면부의산화를방지하기위하여 100% Ar 백실딩을하였다 용접조건변경실험 Table 2는용접조건변경의실험조건을나타낸것 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 195

3 94 추용수 홍성준 정재필 조상명 Table 2 Experimental conditions 3. 실험결과및고찰 Welding Speed Setback 25mm/sec 2mm 3.1 시작블록높이에따른미용융부길이 Fixed Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Clamping distance Clamping force groove distance Current Arc Length Contact Force Start Block Height Current Start Block Height Arc Length Contact Force Current Start Block Height Contact Force Arc Length 10mm 41kgf 3mm 54A 3.8mm 3kgf -0.25, 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00mm 50A 0.25mm 3.8mm 0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0kgf 50A 0.25mm 3kgf 3.0, 3.4, 3.8mm 이다. Ex. 1은시작블록의높이, Ex. 2는시작블록의밀착력그리고 Ex. 3은아크길이에따른시작부의품질비교실험의조건을나타내고있다. 여기서아크길이는셋백과스탠드오프를더한길이다 시작부의미용융부측정방법 Fig. 3은시작부의표면과이면의미용융부길이의정의이다. 미용융부길이를측정하기위하여용접후표면과이면을현미경으로동일한비율로촬영한후 CAD 디지타이저를사용하여정량적으로길이를측정하였다. Fig. 4는시작블록의높이변화에따른시작부의표면과이면의미용융부길이측정결과이다. 시작블록의높이가모재보다낮은 -0.25mm 일때용락이발생했고, 시작블록의높이가모재의높이와같은 0mm일때표면의미용융부가존재하지않았다. 그러나실제대량생산라인에서는시작블록의높이를완전히 0mm로관리하기곤란하고루트간격도강하게밀착관리하기곤란하므로종종용락이발생하였다. 한편시작블록의높이가 0.50mm로높아질수록표면과이면의미용융부길이가증가하는것을그래프에서확인할수있다. 특히표면보다이면의미용융부길이가더긴것을알수가있다. 그러나시작블록높이가 0.50mm 에서 1.00mm로증가하는동안은표면과이면의미용융부길이가큰변화없이유지되었다. Table 3에시작블록높이에따른표면과이면의사진을나타내었다. Fig. 5는토치가시작블록에서모재로진행됨에따른아크의거동을보인것으로서 (a) 는시작블록이모재보다낮은경우를보여준다. 용접시전류는최단거리를통해서가장잘흐르기때문에용접토치가모재위에위치하기전에아크가모재위로편향되고, 그로인한과도한입열로용락이발생하는것으로판단된다. 그러므로시작블록의높이는모재보다낮으면안된다는것을알수있다. (b) 는시작블록이모재보다높은경우를보여준다. 시작블록의높이가모재보다높으면토치가시작블록을지나모재위에위치하여도아크는시작블록위에머무르게되어토치가용접시작부위에위치하여도아크가모재위에생성되지않아용접시작부를용융시키지못하고지나치기때문에미용융부를형성하는것으로판단된다. Top view 1.4 FLum Bead Side view Unmelted zone length(mm) Contact force : 3kgf Arc length : 3.8mm Melt Through BLum 0.1 Flum : Unmelted zone length of front(mm) Blum : Unmelted zone length of (mm) Fig. 3 Definition of unmelted zone length of front and back side of weldment Start block height(mm) Fig. 4 Unmelted zone length with start block height 196 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

4 박판고속플라즈마맞대기용접에서용접시작부의용락과미용융에미치는시작블록과아크길이의영향 95 Table 3 Bead shape of front and back side with start block height Start block height (mm) Arc on start block Arc on base metal Melt through (a) Lower start block 3.2 시작블록밀착력에따른미용융부길이 Fig. 6은시작블록의밀착력에따른시작부의표면과이면의미용융부길이측정결과를보여준다. 시작블록과모재사이의간격이 0.25mm 존재할때용락이발생했고, 시작블록의밀착력이 0kgf 일때미용융부의길이가가장짧았다. 그리고시작블록의밀착력이커질수록미용융부길이가증가했으며, 표면보다이면의미용융부가더길었다. 특히표면의미용융부길이는선형적으로증가하지만이면의미용융부길이는 0kgf 에서 1.5kgf 사이에서급격히증가했고 1.5kgf 에서 7.5kgf 사이에서는길이증가율이완만하였다. 유한의물체인모재의끝부분을넘어서열은전도될수없기때문에전도에의한열손실이발생하지않고다시반사되어끝부분에열집중도가더욱커지는종단효과 (End effect) 가발생한다. Okui 등에의하면종단효과로인해모재끝부분에서의열집중도는 60% 정도더크다고하였다 3). 그러므로시작블록과모재사이에간격이존재하면모재끝부분에열이집중되어용락이발생하는것으로판단된다. 평면을가진두개의고체가접촉을이룰때직접접촉 (direct contact) 은실제로매우제한된수의점들에서만이루어져있기때문에완전열접촉 (perfect thermal contact) 상태에있지않고그틈새가주위유체, 즉공기로채워져있다. 공기의열전도율은금속의그것보다매우작기때문에계면에서열저항으로작용하여열흐름을방해한다. 이계면에서의열저항은표면조도, 물질의종류, 계면압력, 계면온도등에영향을받는다. 계면압력과계면온도의증가와표면거칠기의감소에따라열저항이감소하여계면열접촉전도도를증가시킨다 4). 그러므로시작블록의밀착력이증가할수록계면열접촉 Arc on start block Arc on base metal Melt through (b) Higher start block Fig. 5 Schematic diagrams of arc eccentricity with start block height 이결과를볼때, 시작부의미용융부를없애기위해서는시작블록의높이를모재의높이와동일한 0mm로유지하는것이가장적합할것으로보이지만모재자체의두께및평평도편차와세팅시의부정확함들이존재하기때문에관리가어렵다. 그러므로용락의위험을방지하면서적절한미용융부길이를가지는시작블록높이 0.25mm 정도가가장적합할것으로판단된다. Unmelted zone length(mm) Start block height : 0.25mm Arc length : 3.8mm Contact force(kgf) Fig. 6 Unmelted zone length with start block contact force (gap 0.25mm between start block and base metal : Melt through) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 197

5 96 추용수 홍성준 정재필 조상명 전도도가증가하므로시작블록으로의열전도가잘되어냉각의효과가증가하고, 그로인해종단효과가소멸되기때문에미용융부의길이가증가하는것으로판단된다. 그러므로시작블록의밀착력은 0kgf 이가장좋을것같지만실제대량생산라인에서 0kgf 로관리하기가어렵고또한 ±1.5kgf 의밀착력은모재의세팅상태에따라서쉽게변하기때문에용락을방지하고미용융부를최소화하기위해서밀착력 3kgf 정도가가장적합한것으로판단된다. 3.3 아크길이에따른미용융부길이 Fig. 7은시작블록의높이가 0.25mm, 시작블록의밀착력이 3kgf 일때, 아크길이에따른표면과이면의미용융부길이측정결과를보여준다. 아크길이가 3.8mm에서 3.0mm로짧아짐에따라표면과이면의미용융부의길이가짧아지는것을알수있다. 이는시작블록에서모재로토치가이동하는순간에아크길이가짧아질수록아크편향이적어지기때문에아크가모재의시작부에가까이생성되어미용융부의길이가짧아지는것으로판단된다. 또한표면과이면의미용융부길이차이를살펴볼때아크길이가짧아질수록그차이가점차줄어드는것을알수있다. 텅스텐전극을사용한아크용접에서에너지는전극과모재사이의전류에의해주로전달되고, 두번째로아크플라즈마로부터대기와방사에의해모재로전달되기때문에 5), 플라즈마용접에서아크길이가짧아질수록대기로의아크열손실이줄어듦에따라용융효율이높아지기때문인것으로판단된다 6,7). 그리고용융효율이높을수록저입열로고용착이가능해져서생산성향상, 용접변형저감및고입열로인한용접결함방지가가능해지므로아크길이를짧게가져가는것이유리하다. Unmelted zone length(mm) Start block height : 0.25mm Contact force : 3kgf Arc length (mm) Difference Fig. 7 Unmelted zone length and the difference between front and back with arc length 그러나 Yoon 등에의하면스탠드오프가 1mm 이하로낮아지면모재핏업 (Fit-up) 의어려움과용접선추적의어려움과같은작업성이떨어지기때문에, 셋백이 2mm 인경우에아크길이는 3mm 보다길게유지하는것이필요하다 8). 그러므로최적의아크길이는 3.4mm 정도인것으로판단된다. 4. 결론 두께 0.5mm의 STS430J1L 고속플라즈마아크용접에서시작블록의높이와밀착력, 그리고아크길이가용접시작부품질에미치는영향에대한연구결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 클램핑력을정량적으로정밀하게가할수있는클램프장치와스프링을사용하여시작블록의밀착력을정밀하게가할수있는방법을개발하였다. 2) 시작블록의높이가모재보다낮을때모재끝부분에서용락이발생했고, 모재와같은높이에서는표면에미용융부가존재하지않았다. 그높이가증가할수록미용융부길이가점차증가하였지만, 0.5mm에서 1.0mm 사이에서는미용융부가큰변화없이유지되었다. 그러므로용락을방지하면서미용융부길이가최소화될수있는높이는 0.25mm 정도인것으로판단된다. 3) 시작블록의높이 0.25mm 에서, 시작블록과모재사이에간격이존재할때시작부에용락이발생했고, 시작블록의밀착력이 0kgf 에서미용융부길이가가장짧고 7.5kgf 로증가할수록길이가증가했다. 밀착력의관리가용이하면서도미용융부길이가적절한조건은밀착력 3kgf 정도인것으로판단된다. 4) 시작블록의높이 0.25mm, 밀착력 3.0kgf 일때, 아크길이가 3.8mm 에서 3.0mm로짧아질수록표면과이면의미용융부길이가감소했고, 그길이차이도감소했다. 1mm 이하의스탠드오프는작업성이떨어지므로아크길이 3.4mm 정도가최적인것으로판단된다. 5) 본연구의결과를통해, 용락을방지하고표면과이면의미용융부길이를최소화시킬수있는최적의조건은시작블록의높이 0.25mm, 시작블록의밀착력 3.0kgf, 그리고아크길이 3.4mm 로판단됐고, 대량생산라인에적용해본결과만족할만한성과를이루었다. 참고문헌 1. Y.F.HSU and B.RUBINSKY : Two-dimensioanl heat transfer study on the keyhole plasma arc welding process, Int. J. Heat Mass Transfer Vol. 31. (1988) 대한용접학회편 : 용접 접합편람, 대한용접학회, 1998, (in Korean) 198 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

6 박판고속플라즈마맞대기용접에서용접시작부의용락과미용융에미치는시작블록과아크길이의영향 N. Okui, D. Ketron, F. Bordelon, Y. Hirata, and G. Clackl : A Methodology for Prediction of Fusion Zone Shape, Welding Journal, (2007) Y. Bayazitoglu, M.Necati Ozisik : Elements of Heat Transfer, McGraw-Hill, 1988, W.H. Giedt, L.N. Tallerico and P.W. Fuerschbach : GTA Welding Efficiency: Calorimentric and Temperature Field Measurements, Welding Journal (1989) Jin-An Cho, Dong-Soo Oh, Dong-Soo Hwang, Sang- Myung Cho : Development of the high performance digital calorimeter to measure the melting efficiency of arc welding, Proceedings of the 2006 Autumn Annual Meeting of Korean Welding Society, Vol 47, (2006) (in Korean) 7. Yung-Duk Moon, In-Ki Park, Sung-Jun Hong, Sang- Myung Cho : The effect of clamping condition on melting efficiency in plasma arc welding of steel sheet, Proceedings of the 2007 Autumn Annual Meeting of Korean Welding Society, Vol 48, (2007) (in Korean) 8. Hun-Sung Yoon, Kun-Gi Park, Jong-Soo Yang, and Sang-Myung Cho : The Effects of Welding Parameters on Quality in Lap Joint Fillet Welds of Thin Plate by Plasma Welding, Special Issue of the Society of Naval Architecs of Korea, (2006) (in Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 199