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1 44 연구논문 TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향 오동수 *, 조상명 ** * 한국폴리텍 Ⅶ 대학창원캠퍼스산업설비자동화과 ** 부경대학교신소재공학부소재프로세스공학전공 Effect of Heat Flux on the Melting Efficiency and Penetration Shape in TIG Welding Dong-Soo Oh*, and Sang-Myung Cho** *Dept. of Industrial Facility Automation, Korea Polytechnic Ⅶ College, Changwon , Korea **Course of Materials Processing Eng., Div. of Materials Science & Engineering, Pukyong National University, Busan , Korea Corresponding author : dongsoh@kopo.ac.kr (Received November 3, 2008 ; Revised December 22, 2008 ; Accepted March 6, 2009) Abstract The characteristics of arc pressure, current density and heat flux distribution are important factors in understanding physical arc phenomena, which will have a marked effect on the penetration, size and shape of a weld in TIG welding. The purpose of this study is to find out the effect of the heat flux on the melting efficiency and penetration shape in TIG welding using the results of the previous investigators. The conclusions obtained permit to draw a proper method which derived the heat flux distributions by arc pressure distribution measurements, but previous researchers calculated heat flux and current distribution with the heat intensity measurements by the calorimetry. Heat flux of gas arc was concentrated at the central part and distributed low from the arc axis to the radial direction, that of He mixing arc was lower than that of gas, and it was wide distributed to radial direction. That showed a similar characteristic with the Nestor's by calorimetry calculated values. Throughout heat flux drawn in this study was discussed melting efficiency and penetration shape on gas and He mixing gas arc. Key Words : TIG welding, c pressure, Current density, Heat flux distribution, Penetration shape, Finger bead, Dish pattern bead, Melting efficiency, Molten pool convection, Lorentz force 1. 서론 TIG 용접에서용입, 용접부의크기와형상이형성되는아크물리학적현상을이해함에있어서아크압력 1-3), 전류밀도와열유속 4-6) 은매우중요한인자이다. 어떤용접조건에서양극인모재위에작용하는아크압력이높다는것은그만큼전류밀도가높다는것을의미하고있기때문이다 2,7). 많은연구자들은저전류나중전류영역의 TIG 용접에서텅스텐전극의선단각과용입형태와의관계를플라즈마기류등에의해고찰하였고 1,8), 텅스텐전극형상과아크압력의특성 2,7,9) 이나열분포 (Heat distribution) 특성 4-6) 등을연구하였다. 아크내에서발생된에너지는일부분만이모재로전달되며, 이에너지는양극인모재의판위에분포되어모재를용융시키는역할을한다 10). 기존의연구자들은에너지분포특성을규명함에있어서열량측정법에의해열전달세기 (Heat transfer intensity) 를측정하여아크중심에서반경방향으로의양극인모재위의열분포 (Heat intensity distribution) 와전류밀도분포 (Current density distribution) 를계산하였다 5,6). 용접부에작용하는아크압력의분포는결국운동에너지의분포라는것을이전의많은연구자 9,11) 들도논하고있지만, 측정된아크압력이나아크력은주로대 162 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009

2 TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향 45 전류영역에서용융지표면의압입깊이나표면변형등을설명하는데적용하였다. 그러나, 대전류영역에서실드가스종류에따라핑거비드나접시형비드가발생되는데, 아크압력특성으로용입형상을논함에있어서한계성을가지고있다. 따라서측정된아크압력과그것으로부터유도된전류밀도에의해용융풀의형상과크기를예측할수있는에너지분포특성에대한연구가필요하다. 본연구의목적은 TIG 용접에서 He 혼합에따라측정된아크압력분포 8) 와기존연구자들의아크물리학적결과들 1-3,8,12-13) 을활용하여 TIG 용접에서열유속 (heat flux) 이용융효율과용입형상에미치는영향을규명하는것이다. 그것을위하여 He 혼합비에따른 TIG 용접의아크압력분포특성과측정된아크압력 8) 으로부터유도된전류밀도 13) 와의관계에의해열유속을유도하였다. 또한 STS 304 판재에 He 혼합에따른 TIG 용접을실시하여얻어진용접비드형상과용입형상에대하여아크물리학적관점에서고찰하였고, 그것의타당성에대하여논하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에서는용가와이어의사용없이자동용융주행에의한아래보기자세의 TIG 용접을실시하였고, 사용한모재는 STS304 판재이다. Table 1은 STS304 판재에대전류고속 TIG 용접을실시한용접조건을나타낸것이다. 전극은 2% Th-W( 직경 3.2mm) 을이용하여텅스텐전극이마이너스 (-) 인 DCEN( 직류정극성 ) 을사용하였고, 전극선단원추각은 45 로가공된 sharp tip을사용하였다. 실드가스는공업용 100% 가스 ( 이하 가스 ) 와 가스에 He가스를혼합한 +33%He ( 이하 ), 그리고 +67%He( 이하 ) 인 He혼합가스를사용하였다. 실드가스의유량은 20 l/min 로하였다. 2.2 실험방법 용접속도는자동이송대차를사용하여조정하였고, 토치의작업각과진행각은 0 로하였다. 용접기는 용량의인버터형을사용하였다. TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향을규명함에있어서아크개시와동시에 TIG 용접모니터링시스템을사용하여용접전류와전압의파형을측정하였다. 용접속도는 cm/min 의범위로변화시켰다. 3. 실험결과및고찰 3.1 측정된아크압력분포에의한열유속분포의유도 본저자는이전의연구 8,13,14) 를통하여 TIG 용접에서의실드가스혼합비에따른아크압력분포특성과측정된아크압력으로부터전류밀도분포를유도하였고, 대전류고속 TIG 용접특성에미치는 He 혼합비의영향을보고하였다. 이전의많은연구자들은열량측정법에의해열유속을측정하여열분포와전류밀도를계산 5,6) 하였지만, 본저자의연구에의한다음의과정을통하여측정된아크압력분포로부터열유속분포를유도할수있다. Fig. 1은 TIG 용접부에작용하는아크전압 와전류밀도 분포의개요도를나타낸것이다. 아크전압 와전류밀도 의분포는식 (1) 과 (2) 와같이나타낼수있다. 즉아크는식 (1) 과같이수많은전류가흐르는통로로구성되어있는전류밀도 의다발로된병렬회로이 Table 1 Welding condition for melt run TIG welding (STS304) Material Current c length Gas Speed(cm/min) STS 304 6tx50x200 3 mm 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 Fig. 1 Schematic diagram of arc voltage and current density distribution 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 163

3 46 오동수 조상명 Table 2 Measured arc voltage at 5mm arc length for a Shield gas c voltage(v) 며, 연속된플라즈마형태를갖는집합체로가정할수있다. 또한 TIG 용접에서아크중심에서반경방향으로 5.0mm까지아크압력을측정하였을때 8), 아크압력을측정한각위치에서아크길이가일정하였기때문에식 (2) 와같이아크전압 은일정하다고가정할수있다. Table 2는용접전류 에서 He 혼합비에따른아크전압을측정한자료이다. 따라서실드가스의동일한조성의아크압력을측정한각점의위치에대한아크전압이 Table 2와같이일정함으로식 (1) 과 (2) 를이용하여식 (3) 과같이열유속 (Heat flux) 을유도할수있다. (1) (2) 여기서, : Welding current (A) : the 1st current density in the arc (A/ mm2 ) : the 2nd current density in the arc (A/ mm2 ) : the n-th current density in the arc (A/ mm2 ) : c voltage (V) : the 1st arc voltage in the arc (V) : the 2nd arc voltage in the arc (V) : the n-th arc voltage in the arc (V) (W/ mm2 ) (3) 여기서, : Heat flux (W/ mm2 ) : Current density (A/ mm2 ) : c voltage (V) 따라서본연구에서측정된아크압력에의해열유속을유도한과정은이전연구자들의열량측정법에비해매우간편한방법이다. 본연구에서측정된아크압력으로부터열유속을유도한것은향후용입, 용접부의크기와형상이형성되는용접아크물리학을이해함에있어서매우중요한과학적인방법이될것으로기대된다. Fig. 2는대전류영역인용접전류 에서측정된아크압력분포 8) 를나타낸것이고, Fig. 3은측정된 c pressure (N/m 2 ) Radial distance from the arc axis (mm) Fig. 2 c pressure distribution with the mixing ratio of shield gases Current density (A/m 2 ) Radial distance from the arc axis (mm) Fig. 3 Current density distribution with the mixing ratio of shield gases Heat flux (W/m 2 ) Radial distance from the arc axis (mm) Fig. 4 Heat flux distribution with the mixing ratio of shied gases 아크압력으로유도된전류밀도분포 13) 를나타낸것이고, Fig. 4는본연구에서유도된열유속의분포를나타낸것이다. Fig. 3과 Fig. 4의 가스아크와 He혼합가스아크의전류밀도분포와열유속분포의관계를비교하면다음과같다. 가스아크의경우 He혼합가스아크에비 164 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009

4 TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향 47 해최대전류밀도와열유속은매우큰값을보이며, He혼합가스아크의최대전류밀도와열유속은 가스아크에비해현저하게낮은값을보이고있다. 즉아크중심부에작용하는최대전류밀도는 가스아크가 아크에비해약 2.82 배큰값을보이지만, 열유속은 2.35 배정도만크게작용하고있다. 가스아크와 아크의최대전류밀도와열유속값의차이를보인것은 Table 2와같이 가스아크와 He혼합가스아크의전압차이에의한 He혼합가스아크의아크전압의증가에의한열유속의값이증가되었기때문이다. 또한 가스아크의전류밀도와열유속의분포는아크직경 2.0mm 이내에집중하여작용하고있고반경방향으로급격하게감소하는경향을보이지만, He혼합가스아크의전류밀도와열유속의분포는아크중심에서반경방향으로넓게분포하고균일하게작용하고있음을알수있다. 이것은 Nestor 4) 가열량측정법에의해계산한값과유사한특징을보였다. 이러한 가스아크와 He혼합가스아크의전류밀도분포와열유속분포의차이는결국용입형상에큰영향을미칠것으로생각된다. 3.2 용융효율에미치는 He 혼합의영향 (a) (b) (c) Photo 1 Illustration of weld bead shape and weld area under the same welding condition (, 30cm/min) Photo 1은용접전류 와용접속도 30cm /min 인동일용접조건에서 He 혼합비에따른용입형상을나타낸것이다. Photo 1 (a) 의 가스아크에서는비드폭에비해용입깊이가깊은, 즉 He혼합가스아크에비해형상비가큰전형적인핑거비드형태 14) 의용입형상을보이고있다. He 혼합비가증가될수록용입깊이는감소하고비드폭은넓어지는접시형비드형태 (dish pattern) 14) 의용입형상을보이고있다. Photo 1과같이 He 혼합에따라용입형태의변화만나타내는것이아니라 가스아크에비해 He혼합가스아크는용융단면적이증가하였다. 이와같은용융단면적의차이는실드가스종류에따른용접입열의차이에의한결과라고생각된다. He가스는 가스에비해더높은이온화전위를가지며, 열전도도또한높기때문에강한열적핀치효과 9) 에의해안정된아크를유지하기위해더높은아크전압이필요하게된다. 용접전류 영역에서 He 혼합비에따라측정된아크전압은 3.1 절에서설명한것과같이 Table 2와같다. 따라서 Fig. 5와같이 He혼합가스가 가스에비해용접입열이증가하게되며용융지온도가더높게된다 1,9). 용융지온도가높게되면모재의용융특성이증가 15) 되어 He혼합가스의용융단면적이증가한것으로판단된다. Heat input (J/mm) He gas mixing ratio (%) Fig. 5 Effect of He mixing ratio and welding current on heat input Photo 1과같은 He 혼합에따른용입형상과용융단면적의차이를 Fig. 5와같은용접입열의관점에서만설명하기에는이론적배경이부족하다고생각된다. 따라서본연구에서는용융효율이라는개념을도입하여아크물리학적현상을설명하고자한다. 많은연구에서텅스텐전극의형상 1,2,9), 미량원소의첨가 16), 그리고실드가스의종류 7,16) 에따라용접부의용융효율 (melting efficiency) 에대해정성적으로언급하고있다. 용융효율은모재로투입된에너지에대한용접금속을녹이는데사용되는에너지의비이며, 본연구에서는 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 165

5 48 오동수 조상명 J. Tušek 의식 17) 을이용하였다. 그것은식 (4) 와같다. (4) 여기서, : 용융효율 (%) : 단위시간당용융된용접금속의질량 (g/s) : 용접금속 1 g을녹이기위해이론적으로요구되는에너지 (J/g) : Welding time(s) : 용접전류 (A) : 아크전압 (V) 식 (4) 에서 은식 (5) 와같이계산된다. (5) 여기서 은용융단면적 ( mm2 ), 는용접속도 (mm/s), 그리고 는밀도 (g/ mm3 ) 이다. Fig. 6은용접전류 에서 He 혼합에따른모재의용융효율의효과를나타낸것이다. 용융효율이높다는것은단위비드길이당더낮은용접입열로도더많이모재를용융시킬수있다는것을의미한다. 그러나 가스아크에비해 He혼합가스아크는용접단면적이증가하였는데이러한용접단면적의증가가용접입열 (heat input) 만의효과에의한다면용융효율 (melting efficiency) 은동일해야할것으로판단된다. 그러나 Fig. 6에서와같이 가스아크에비해 He혼합가스아크는용융효율이거의직선적으로증가하며, 혼합가스아크의용융효율은 가스아크에비 Melting efficiency (%) He gas mixing ratio (%) Fig. 6 Effect of He mixing ratio on melting efficiency Photo 2 c shape of (left) and He gas arc (right) of the current 해약 1.14 배증가하였다. He혼합가스아크가 가스아크에비해용접단면적이크게증가되었고, 그용융효율도 가스아크에비해약 1.14 배로증가되었는데, 그이유로는다음두가지를들수있을것이다. 첫째, Photo 2와같이 He 혼합가스아크상부는열적핀치효과 9) 에의해긴축되어대기로의복사열손실이적어모재로의입열효율이증가되었기때문이다. 둘째, 가스아크에서는아크중심부의열유속집중도가높아그곳의용융금속표면온도가현저히상승하여전체용융금속의체적이그다지증가하지못하지만, He혼합가스아크에서는그중심부의열유속집중도가낮아서용융금속의최고온도도그다지높지않게되어용융금속의체적은오히려증가하기때문이라고할수있다. He혼합가스아크는 가스아크에비해낮은열유속 (Critical heat flux) 으로도모재의중심에서주변부까지용융이가능하다고생각된다. 따라서 He혼합가스아크는 가스아크에비해더낮은열원을가지고도모재를용융시킬수있으므로대전류 TIG 용접의고속화가가능할것으로생각된다. 3.3 용입형상에미치는열유속과용융지유동의영향 아크용접에서비드폭과용입에영향을주는유동은전자기력, 부력, 표면장력구배 (surface tension gradient) 에의한 Marangoni 유동및플라즈마에의한 Drag force 등의다양한요소에의해결정된다 14,18). 본연구의용융지유동에관한고찰은양극인용융지표면의전류밀도분포에의해유도되는 Lorentz force 의관점에서만용융지대류가작용하는구동력에대하여기술하며, Fig. 7과같이설명할수있다. 대전류영역에서 가스아크의경우 3.1절에서고찰한 Fig. 3과 4에서와같이전류밀도와열유속분포는아크중심부의직경 2.0mm 이내에집중적으로작용한다. 전류밀도와열유속의분포가양극인모재의용접부중심에크게집중하고, Fig. 2와같이아크압력또한아크중심부에집중하여작용하므로, 전류에의해유도되는 Lorentz 력 (F) 에의해용융지아래쪽으 166 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009

6 TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향 49 ( gas arc) (a) Concentrated current density(left) (b) Disprersed current density(right) (He mixing gas arc) Fig. 7 Lorentz force induced by current density and driving force of molten pool convection 로작용하는유체의유동이발생하게된다. 또한아크중심부에매우집중적으로작용하고있는전류밀도에의해유도되는 Lorentz 력 (F) 또한아크중심부에아주크게작용한다. 용융지가양극인모재위에서아래쪽으로작용하는유동이강하고 Lorentz 력 (F) 또한강하게되어, 용융지유동은모재중심부의깊이방향으로크게작용하게된다. 용융지깊이방향으로작용한유동은모재의밑부분에작용하는 Lorentz 력 (F) 에의해아주작으므로모재의깊이방향으로작용하는유동과 Lorentz 력 (F) 이거의상쇄되지않은채모재위쪽으로상승하게된다. 이것이전류밀도의집중분포와아크압력의집중적인분포에의해아크중심부에서다시가속되어유동은양극모재의위쪽에서아래쪽으로작용하게된다. 이러한유동은계속적으로반복되어양극모재위에서작용하게된다. 그결과 가스아크의경우동일한용접입열이작용하더라도비드폭이좁고, 깊은용입을형성하게되어핑거비드형상을갖게된다. 그에비해 He혼합가스아크의경우 Fig. 3과 4에서와같이최대전류밀도와열유속은 가스에비해현저하게작은값을가지며, 아크중심부에서부터반경방향으로넓게분포하여거의일정하게작용하게된다. 따라서전류밀도와열유속이아크중심부에집중하지않고주변부로분산되어작용하지만, 전류밀도에의해유도되는 Lorentz 력 (F) 에의해용융지가양극인모재위에서아래쪽으로작용하게된다. 그러나 가스아크에비해크게낮은아크압력과분산되어작용하는전류밀도에의해유도되는 Lorentz 력 (F) 에의해용융지아래쪽으로작용하는유동은처음부터작은구동력을갖고작용하게된다. 용융지깊이방향으로작용한유동은모재의밑부분에서작용하는 Lorentz 력 (F) 에의해거의상쇄되기때문에위쪽으로향하는유동은아주작게된다. 양극모재위의용융지는전류밀도에의해유도되는 Lorentz 력 (F) 에의해다시아래쪽으로유동이발생되며, 앞에서설명한것과같은유동이반복적으로작용하게된다. 그결과 He혼합가스아크는 가스아크에서보이고있는핑거비드형상은나타내지않고넓고얕은용입을형성하는접시형형태의 (dish pattern) 의용입형상을갖게된다고생각된다. 4. 결론 TIG 용접에서열유속이용융효율과용입형상에미치는영향을규명하기위하여 STS304 판재에고속용접하여얻은비드형상과용입형상에대하여아크물리학적관점에서고찰하여다음과같은결론을얻었다. 1) 기존의연구자들은열량측정법에의해열전달세기를측정하여열유속분포와전류밀도분포를계산하였지만, 본연구에서는아크압력분포를측정하여열유속분포를유도하는간단하면서도타당한방법을도출하였다. 2) 가스아크는아크중심부의열유속이현저히높아지고주변부로갈수록낮은분포를하며, He혼합가스아크는 가스아크에비해아크중심부의열유속은낮았으나아크중심부에서주변부까지고루분포하는특징을갖는다. 이는 Nestor 4) 가열량측정법에의해계산한값과유사한특징을보였다. 3) He혼합가스아크가 가스아크에비해용접단면적이크게증가되었고, 그용융효율도 가스아크에비해약 1.14 배로증가되었는데, 그이유로는다음두가지를들수있을것이다. 첫째, He혼합가스아크상부는열적핀치효과에의해긴축되어대기로의복사열손실이적어모재로의입열효율이증가되었기때문이다. 둘째, 가스아크에서는아크중심부의열유속집중도가높아그곳의용융금속표면온도가현저히상승하여전체용융금속의체적이그다지증가하지못하지만, He혼합가스아크에서는그중심부의열유속집중도가낮아서용융금속의최고온도도그다지높지않게되어용융금속의체적은오히려증가하기때문이라고할수있다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 167

7 50 오동수 조상명 4) 가스아크는핑거 (finger) 비드형상을 He혼합가스아크는접시형 (dish pattern) 비드형상을보였다. 이것은 가스아크는아크중심부 2.0mm 이내에전류밀도 J가집중하고있어전류에의해유도되는 Lorentz 력 F에의한용융지유동이모재중심부깊이방향으로강하게작용하기때문이며, He혼합가스아크의경우전류밀도 J가아크중심부에집중하지않고주변부로분산작용하게되어 Lorentz 력 F에의한용융지유동이모재중심부의깊이방향으로처음부터작은구동력을갖게되었기때문이다. 참고문헌 1. M. L. LIN and T, W. Eagar : Pressures Produced by Gas Tungsten cs, Metallurgical Transactions B, 17B(1986), K. Hiraoka, A. Okada and M. Inagaki : Effect of Electrode Geometry on Maximum c Pressure in Gas Tungsten c Wedling, Journal of JWS, 3-2(1985), 10-16(in Japanese) 3. Sang-Myung Cho and Sang-Goun Seo : The Effect of Configuration and Surface Polishing in Tungsten Electrode Tip for Gas Tungsten c Welding on the c Characteristics, Journal of KWS, 19-1(2001), 33 39(in Korean) 4. Nestor, O. H. : Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas arcs, J. Appl. Physics, 33-5(1962), N. S. Tsai and T. W. Eagar : Distribution of the Heat and Current Fluxes in Gas Tungsten cs, Metallurgical Transactions B, 16B(1985), Peter A. Schoeck : An Investigation of the Anode Energy Blance of High Intensity cs in gon, Modern Developments in Heat Transfer (IBELE, W. ED) Academic press New York, (1963), K. Hiraoka, A. Okada and M. Inagaki : Effect of Heliun Gas on c Characteristic in Gas Tungsten c Welding, Journal of JWS, 3-2(1985), (in Japanese) 8. Dong-Soo Oh, Yeong-Sik Kim, and Sang-Myung Cho : The characteristics of c Pressure Distribution by Shield Gas Mixing Ratio in TIG Welding, Journal of KWS, 23-1(2005), (in Korean) 9. J. F. Lancaster : The Physics of Welding, Pergamon Press, England, (1984) 10. N. S. Tsai, : Heat Distribution and Weld Geometry in c Welding, Doctor of Philosophy, MIT, (1983). 11.G. R. Cannell and R. P. Ruth : Closing Spent Nuclear Fuel Canisters with GTAW, welding Journal, 82-12(2003), A. C. Guu and S. I. Rokhlin : Technique for Simultaneous Real-Time Measurements of Weld Pool Surface Geometry and c Force, Welding Journal, 71-12(1992), 473s 482s 13. Dong-Soo Oh, Yeong-Sik Kim, and Sang-Myung Cho : Derivation of Current Density Distribution by c Pressure Measurement in TIG Welding, Journal of Science and Technology of Welding and Joining, 10-4(2005), Dong-Soo Oh, Yeong-Sik Kim, and Sang-Myung Cho : Effect of He Mixing Ratio on the Characteristics in TIG Welding with High Current and Speed, Journal of KWS, 23-3(2005), (in Korean) 15. T. Hinata, K. Yasuda, H. Kasuga and T. Onzawa : Study on Penetration Form Using Stationary TIG c(study on Low Speed DC-TIG Welding Method(Report 1), Journal of JWS, 10-3(1992), (in Japanese) 16. A. Okada and H. Nakamura : Anode Behavior in GTA Welding and Its Effect on Melting Thin Plate, JWS 12-1(1994), (in Japanese) 17. J. Tušek, M. Suban : Experimental research of the effect oh hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel, International Journal of Hydrogen Energy 25 (2000), A. Katsaounis, Heat Flow an c Efficiency at High Pressures in gon and Helium Tungsten cs, Welding Journal 72-9(1993), 447s 454s 168 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009