95 연구논문 맞대기 V- 그루브이음초층용접에서최적의용접조건선정 윤석철 * 김재웅 **, * 영남대학교대학원기계공학과 ** 영남대학교공과대학기계공학부 Selection of Optimal Welding Condition in Root-pass Welding of V-groove Butt Joint Seok-chul Yun* and Jae-Woong Kim*, *Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School of Yeungnam University **School of Mechanical Engineering, Yeungnam University Corresponding author : jaekim@yu.ac.kr (Received December 22, 2008 ; Revised January 7, 2009 ; Accepted February 2, 2009) Abstract In case of manufacturing the high quality welds or pipeline, the full penetration weld has to be made along the weld joint. Thus the root pass welding is very important and has to be selected carefully. In this study, an experimental method for the selection of optimal welding condition was proposed in the root pass welding which was done along the V-grooved butt weld joint. This method uses the response surface analysis in which the width and height of back bead were chosen as the quality variables of the weld. The overall desirability function, which is the combined desirability function for the two quality variables, was used as the objective function for getting the optimal welding condition. In the experiments, the target values of the back bead width and the height are 6mm and zero respectively for the V-grooved butt weld joint of 8mm thickness mild steel. The optimal welding conditions could predict the back bead profile (bead width and height) as 6.003mm and -0.003mm. From a series of welding test, it was revealed that a uniform and full penetration weld bead can be obtained by adopting the optimal welding condition which was determined according to the method proposed. Key Words : Root-pass welding, GTA(gas tungsten arc) welding, Response surface methodology, Central composite design (CCD), Desirability function, Back bead, Optimal welding condition 1. 서론 용접공정은철강구조물의생산에있어서가장기본적이고필수적인조립공정중의하나이다. 그러나강한아크열과아크광, 연기, 소음등으로인한열악한작업환경때문에작업이기피되고있는실정이다. 그럼에도용접접합부의품질을균일하게유지하는것이요구되므로이에대한개선방안을모색하는것이필요하다. 용접공정의자동화는용접품질의신뢰성향상과비용을절감하는상업적인목적뿐만아니라, 3D 업종의하 나로인식되고있는용접분야의인력감소문제에대처하는하나의방편이라고할수있다. 또한아크용접공정제어는아크용접을시행하는데필연적으로수반되는내적인외란과외부환경조건의변화로발생되는외란에도대처하여용접품질을향상시킬수있다는점에서중요하다. GTAW(gas tungsten arc welding) 는비소모성텅스텐전극과불활성가스를사용하는아크용접법의하나로철구조물조립현장에서자주사용되고있는공정이다. 특히알루미늄, 스테인리스강, 마그네슘, 티타늄과같이용접하기어려운금속재료구조물의제작에많이 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 95
96 윤석철 김재웅 사용되고있다 1). 초층 (root-pass) 용접이란한번또는그이상의패스 (pass) 로형성된용착금속의최초층의용접을말한다. GTA용접은아크가안정되고입열량의제어가용이하여시공상고도의기능이요구되는고품질초층용접에서주로적용되고있다. 고도의기능을요구하지도않으면서용접속도를높이기위하여이면재 (back plate) 를이음내부에두고용접하는경우도있지만, 이렇게용접한관의경우내면에서의원활한유체유동이저해되고, 루트균열이생기기쉬운결점이있다. 이러한결점을없애기위해이면재없이불활성가스로이면을보호하면서 GTA용접을적용하면매끈한용접비드를얻을수있게된다. 이런경우용접접합부는주로표준 V형맞대기이음형상으로하고, 용접조건은양호한이면비드가형성되도록선정하여적용한다. 고도로숙련된기능사는적절한루트갭 (root gap) 을두고용가재를공급하면서용접하지만, 자동용접의경우는보다안정적인조건이요구되기때문에루트면 (root face) 을밀착시키고용가재없이용접하는제살용접 (autogenous welding) 을적용한다. 이런고품질초층용접은화력발전용스테인리스강파이프, 원자로용파이프이음에주로적용된다 2). 용접부의일차적인품질은용접비드형상에의해결정된다. 이는용접비드형상이용접부의기계적강도를결정하는가장중요한요소이기때문이다 3,4). 최근에는통계적실험계획, 선형회귀모델, 인공지능기법을통해서용접비드형상에미치는용접공정파라미터들의영향에관한연구가이루어져왔다 5,6). 또한다꾸치 (Taguchi) 방법을이용하여박판알루미늄용접에서용접속도, 용접전류, 와이어공급속도와아크길이에따른용접비드형상을예측하는방법도소개되었다 7). 본연구에서는압력용기용용접구조물의초층용접자동화를위한시스템구축에있어서고품질의이면비드를얻기위한 GTA용접조건을선정하고자한다. 용접공정은다중입력대다중출력공정이므로원하는이면비드형상을얻기위해서는용접변수를조정해가며, 수많은실험을실행해야한다. 이러한문제점을해결하기위해서본연구에서는실험계획법에의한반응표면분석법 8-10) 을사용하였고, 이때얻은데이터들로부터호감도 응표면에대한통계적인분석방법이다. 반응표면분석법은입력변수변화에따른출력변수값의변화, 입력변수에대한출력변수의최적화, 적은수의실험으로추정되는반응표면을얻는과정을통해반응표면분석을실시한다. 본연구에서출력변수 를최적화시키기위한반응표면은회귀분석 (regression analysis) 방법에의해추정되었으므로 2차회귀모델을식 (1) 과같이설정하였다. (1) 여기서 는 의추정량이고, 는입력변수들의코드변수값 (coded unit) 이며,, 는최소자승법을적용하여구한다. 식 (1) 은실험을통해구하며, 반응표면실험계획법중의하나인중심합성계획법 (central composite design, CCD) 을사용하였다. 3. 실험 3.1 토치위빙에따른이면비드 GTA용접에서토치의위빙은적절한용융지 (weld pool) 의형성에큰영향을미친다. 특히맞대기이음의초층을제살용접하는경우에는더욱영향이크다. 본실험에서는가장안정된용융지를얻을수있는토치의위빙방법을우선선택하여고정한후용접조건을선정하였다. 위빙방법은 Fig. 1에나타낸것과같이수동용접에서가장널리사용하는 3 가지위빙방법을비교하였다. 여기서, 위빙패턴 (pattern) 1은역삼각형형태이며, 방법 2는진행형삼각형, 방법 3은단순지그재그형태이다. (a) Pattern 1 함수 11,12) 를적용하여최적의용접조건을선정하였다. 2. 반응표면분석법 (b) Pattern 2 반응표면분석법 (Response surface methodology) 은여러개의입력변수 ( 설명변수 ) 가복합적인작용을함으로써어떤출력변수 ( 반응변수 ) 에영향을주고있을때, 이러한반응의변화가이루는반 (c) Pattern 3 Fig. 1 Weaving patterns for root pass welding 96 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
맞대기 V- 그루브이음초층용접에서최적의용접조건선정 97 V 그루부의베벨각을 35 로가공한 250 80 8(mm) 의시편에세가지의위빙패턴을적용하여용접전류와용접속도를변화시키면서초층용접비드를확인한결과유효한이면비드를얻을수있는용접조건의영역을 Fig. 2에나타내었다. 여기서이면비드의외관관측을통하여 는균일한이면비드가생성된조건, 는불완전한용입또는과다용융이일부생성된조건, 는불량한이면비드의생성조건을나타낸다. 이면비드의외관을 Fig. 3에나타내었다. 실험결과를통하여루트면 (root face) 을밀착시킨경우이면비드생성이가능한영역이가장넓고, 이면비드의균일성이가장안정된위빙패턴 2를선정하였다. 용접실험에서지그를사용하여맞대기시편을고정하였으며, 이음부이면에불활성가스를공급하여보호하였다. 토치의위빙과용접속도제어를위해직선서보이송장치를사용하였으며, Fig. 4에실험장치전체를나타내었다. (a) Pattern 1 (b) pattern2 (c) pattern 3 Fig. 3 Comparison of back bead appearances 2.6 Weld speed[mm/s] 2.1 1.6 1.1 0.6 100 120 140 160 180 200 220 240 Weld current[a] (a) pattern 1 Fig. 4 Experimental setup Weld speed[mm/s] Weld speed[mm/s] 2.6 2.1 1.6 1.1 0.6 100 120 140 160 180 200 220 240 Weld current[a] (b) pattern 2 4.3 3.8 3.3 2.8 2.3 100 120 140 160 180 200 220 240 Weld current[a] (c) pattern 3 Fig. 2 Feasible area according to weaving pattern 위빙패턴 2를적용하여얻은용접부에있어서이변비드의폭에따른용착부단면을조사하였다. 이면비드의폭이작은것과큰것의대표적인용착부단면을 Fig. 5 에나타내었다. Fig. 5(a) 는용입불량으로판정되는단면을볼수있다. 즉, 이면비드의폭이 3mm 이하일때에는모재에들어가는입열량이적음에따라충분하지못한용입을보여준다. 또한 (b) 는 6mm정도의이면비드폭을가진용착부의단면을볼수있으며충분한용입으로용접품질등급에대한지침에대해충분히만족할만한이면비드를생성하였다. (c) 에서는과도용입으로필요이상의과도한이면비드의높이를나타내고있다. 본연구에서는이와같은분석결과를활용하여목표치값으로이면비드의폭은 6mm, 이면비드높이는 0mm를선정하였으며, 이목표치를최대한충족시키는최적의용접조건을선정하고자하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 97
98 윤석철 김재웅 Table 1 Fixed conditions for the experiments Tip-to-metal distance(mm) 50 Front gas flow (l/min) 15 Back gas flow (l/min) 15 Base metal Mild steel (a) back bead width < 3mm Table 2 Chemical composition of specimen Element C Si Mn P Cr Ni Wt. % 0.189 0.072 0.520 0.0021 0.023 0.0042 (b) back bead width 6mm (c) back bead width > 8mm Fig. 5 Cross section of weld 6.00mm, 이면비드높이 0.00mm에대해, 목표형상치수를만족하는용접조건을찾기위해중심합성계획법을이용하였다. 이면비드가능영역에서의입력변수의용접조건을 Table 3에나타내었고, 이조건으로부터중심합성계획을통해총 17회의용접을수행한후얻은출력변수값은 Table 4에나타낸것과같다. 관심실험영역에서입력변수인용접속도, 용접전류, 위빙폭에대한출력변수이면비드폭과이면비드높이의회귀식은식 (2) 와같다. 3.3 실험계획이면비드형상에영향을미치는용접변수에는용접전류, 용접속도, 위빙폭, 팁모재간의거리, 토치각, 가스유량, 보호가스등이있으며, 이러한용접변수로부터이면비드형상이결정된다. 따라서원하는비드형상을얻기위해적절한조정용접변수를설정하는것이매우중요하다. 이러한많은변수들중에서용접비드에가장큰영향을끼치는용접속도, 용접전류, 위빙폭을입력변수로택하여, 이세입력변수가출력변수인이면비드폭, 이면비드높이에어떠한영향을끼치는지분석하고자한다. 전술한바와같이용가재를사용하지않는제살용접이므로루트갭없이밀착시켜고정하였다. 또한용접자세는가장기본적인하향자세를대상으로하였다. 이외의변수는 Table 1에나타낸것과같이고정하였다. 또한, 시편은 250 80 8(mm) 의크기로절단하여 V 그루부의베벨각을 35 로가공한다음녹과다른이물질은제거하기위해이면비드생성부근에밀링가공하였으며아세톤으로기름을제거하였다. 사용된모재의화학적성분은 Table 2에나타내었다. 3.4 실험결과본연구에서설정한목표형상치수인이면비드폭 (2) 추정된회귀모델의타당성을 Table 5와같은분산분석의 F검정 (F-Test) 과결정계수 (coefficient of multi ole determination, ) 에의해서판단할수있다. 분산분석의 F검정에서 는회귀평균제곱과잔차평균제곱의비 율 ( ) 로나타내며, 이값이크면클수록회귀 방정식의정도가좋다고할수있다. 결정계수는회귀변동과총변동의비율 ( ) 로 Table 3 Factors and levels for experimental design Factor x1 x2 x3 Factor name Welding Speed (mm/s) Welding current (A) width (mm) Coded value -1 0 1 1.8 2 2.2 180 190 200 3 3.5 4 98 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
맞대기 V- 그루브이음초층용접에서최적의용접조건선정 99 Table 4 Central composite design and experimental result No Coded variables Response 1 2 3 width hight 1-1 -1-1 4.2 0.6 2 1-1 -1 3.85 0.62 3-1 1-1 8.1-0.1 4 1 1-1 7.8-0.15 5-1 -1 1 5 0.35 6 1-1 1 4 0.44 7-1 1 1 7.4 0.75 8 1 1 1 6.45 0.45 9-1 0 0 7.5-0.3 10 1 0 0 6.7-0.2 11 0-1 0 6.5 0 12 0 1 0 6.8 0.3 13 0 0-1 4.5 0.25 14 0 0 1 4.5 0.47 15 0 0 0 6.6 0.15 16 0 0 0 6 0.15 17 0 0 0 6.5 0.2 나타내며, F 검정과마찬가지로결정계수의값이클수 록회귀식의정도가좋다. F-분포표를이용하여주어진유의수준과자유도 ( ) 에따른기각치 ( ) 를구한 다음 값과 값을비교하여 >이면회귀 식이유의하다고할수있다. 식 (2) 의회귀식에대한분산분석표를 Table 6에나 타내었다. 아크용접공정은다변수공정으로아크안정성및비드형상에수많은요인이작용하기때문에재현성및정밀도수준이높지않은특징이있어일반적으로적용하는유의수준인 0.05로선택하면기각치 F(9, 7 ; 0.05) = 3.68이된다. 이값을회귀식의 값과비교해볼때 값이 값보다크므로회귀식이유의하다는것을알수있다. 회귀식에대한결정계수의값은 Table 7에나타내었으며, 결정계수역시회귀식을잘표현한다고볼수있으므로용접공정을잘표현하는모델이라고할수있겠다. 본연구에서는입력변수의최적값을찾기위해호감도함수를사용하였으며, 이면비드의폭과높이모두목표값을갖고있으므로식 (3) 과같은양면호감도함수를이용하였다. 이면비드폭에대한호감도힘수에서이면비드폭이 3.5mm 이하와 8.5mm 이상인경우는 0으로하였고, 비드높이는 -0.1mm 이하와 1mm 이상이면 0으로정하였다. 이들에대한각각의호감도함수는식 (4), (5) 와같다. 이면비드폭과이면비드높이는목표값을가지므로, 식 (4), (5) 의양면호감도함수를각각구한다음이를합성하여최종의호감도함수값을찾게되는데, 이들의합성에는식 (6) 을적용하였다. Table 7 Analysis of coefficient of determination width 0.886 height 0.851 Source of variance Sum of squares Degree of freedom regression SSR= k = error SSE= n-k-1 = total SST= n-1 Table 5 Analysis of variance table Mean of squares F( ) Table 6 Analysis of variance regression Width Height Source of variance Sum of squares Degree of freedom Mean of squares regression 27.81 9 3.09 6.03 3.68 error 3.58 7 0.51 total 31.39 16 regression 1.75 9 0.194 4.44 3.68 error 0.306 7 0.044 total 2.056 16 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 99
100 윤석철 김재웅 최대의호감도함수값을나타내는입력변수들의값을탐색하기위해격자탐색법을이용하였으며, 최대의호감도함수값을포함하는반응표면그래프들을 Fig. 6에나타내었다. Fig. 6에서각각의단일호감도함수와복합호감도의대한그래프를볼수있다. (a), (b) 에서는 x1= 0.83(coded variables) 일때의전류, 위빙폭에대한이면비드폭과높이의호감도함수그래프이다. (c) 에서는 x1= 0.83(coded variables) 일때전류의코드화변수값이 -0.29 부근에서위빙폭이최대일때호감도함수는최대가된다는것을나타내고있다. 따라서초층용접시전류가 -0.29부근에서위빙폭이최대일때복함호감도함수는최대가된다는것을알수있다. 이렇게탐색한최적입력변수와복합 (a) desirability function back bead width coded variables Table 8 Optimal welding condition Natural variables x1 x2 x3 speed current width 0.83-0.29 0.35 2.166 187.1 3.675 호감도함수값을 Table 8 에나타내었다. overall desirability function 0.993 (3) (4) (5) (6) (b) desirability function back bead height 이조건에서예측된출력변수는각각 6.00mm, 0.00mm 이고, 검증실험을통해얻은측정값들의평균값은 6.003mm, -0.003mm 이었다.(Fig. 7) 이값들을비교해보면비교적잘일치함을알수있다. 실험을통해얻은최적의용접조건을적용하는검증실험을실시하여얻은결과를 Fig. 8에나타내었다. 이면비드폭과이면비드높이의값들을비교해볼때, 용접한실험결과가예측값들이잘일치함을볼수있다. 4. 결론 (c) overall desirability function Fig. 6 Result of overall desirability function (ODF) according to weld current and weaving width at = 0.83 맞대기 V-그루브 GTA 초층용접에서양호한품질의이면비드형상을얻기위한최적의용접조건을선정하고자하였으며, 본연구를통하여다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 본연구에서위빙의형태가안정된이면비드의 100 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 2009
맞대기 V- 그루브이음초층용접에서최적의용접조건선정 101 Back bead width[mm] Back bead width[mm] 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 0 1 2 3 4 2 1.5 1 0.5 0 Specimens (a) Back bead width Measurement values Prediction values Measurement values Prediction values -0.5 0 1 2 3 4-1 -1.5-2 Specimens (b) Back bead height Fig. 7 Comparison of experimental values with predicted ones Fig. 8 Back bead appearance of optimal weld 생성에크게영향을미치는것을확인하였으며, 진행삼각형형태의위빙이비교적안정된이면비드의생성에적합한것으로확인하였다. (2) V 그루부의베벨각을 35 로가공하고 250 80 8(mm) 의시편에위빙패턴을적용후용접부단면을확인한결과이면비드의폭과높이가각각 6mm, 0mm 일때초층용접비드의품질이양호한것으로나타났으며, 이값을최적용접조건의목표치로설정하였다. (3) 용접전류, 용접속도, 위빙폭을입력변수로하고이면비드폭과높이를출력변수로한실험계획법의적용결과, 예측성능이우수한회귀식을구할수있었다. (4) 복합호감도함수를설정하여반응표면법을적용함으로써최적의용접조건을선정할수있었으며, 선정된용접조건의검증실험결과예측된품질을만족하는수준의용접결과를얻을수있었다. 참고문헌 1. H.B. Cary: Modern Welding Technology, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, (1989) 2. S. D Park : Welding Engineering, Wonchang, (1995) (in Korean) 3. C. E. Bull, K. A. Stacey and R. Calcraft : On line weld monitoring using ultrasonic, Journal of Nondestructive Testing, 35-22 4. Y. M. Zhang, R. Kovacevic and L. Li : Characterization and real-time measurement of geometrical appearance of the weld pool, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 36-77, (1996), 799-816 5. M. D. Starling, V. Marques and J. Modenesi : Statistical modeling of narrow gap gas tungsten arc welding with magnetic arc oscillation, Journal of Materials Processing Technology, 51, (1995), 37-49 6. X. M. Zeng, J. Lucas and M. T. C. Fang : Use of neural networks for parameter prediction and quality inspection in tungsten inert gas welding, Transaction of the Institute of Measurement and Control, 15-2, (1993), 87-95 7. Y. S. Tarng and W. H. Yang : Optimisation of the weld Bead Geometry in Gas Tungsten Arc Welding by the Taguchi Method, Int J Adv Manuf. Technol, 14, (1998), 549-554 8. R. H. Myers and D. C montgomery : Response surface methodology, process and product optimization using designed experiments, John wiley & Sons, inc, (1995) 9. D. C. Montgomery : Design and analysis of experiments, Ed, John wiley & Sons, inc. (1984) 10. S. H Park : Design of experiments, Min-young-sa, (2003) 11. G. Derringer and R. Suich : Simultaneous Optimization of Several Response Variances, Journal of Quality Technology. 12, (1980), 214-219 12. E. D. Casttilo, D. C. Montgomery, and D. R. Mccarville : Modified Desirability Functions for Multiple Response Optimization, Journal of Quality Technology, 28-3, (1996), 337-345 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 2009 年 2 月 101