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 Cho**, *Dept. of Materials Processing Eng., Graduate School, Pukyong National Univ., Busan 608-739, Korea **Div. of Advanced Materials Sci. and Eng., Dept. of Materials Processing Eng., Pukyong National Univ., Busan 608-739, korea Corresponding author : pnwcho@pknu.ac.kr (Received October 31, 008 ; Revised December 8, 008 ; Accepted ebruary 5, 009) Abstract In the circumferential welding of pipe, welding phenomenon changes with the position of pipe. Especially in the overhead position, back bead of vertical-up position would be sunk. To investigate the size of back bead and keyhole with the change of the flow rate of pilot and shield gas at, bead-on plate welds were conducted on 6mm thickness SS400 with inclined-up position. When the rest of welding conditions remained constant, the width of back bead was increased as the flow rate of pilot gas was increased. And back bead tended to convex as the flow rate of shield gas was increased. Key Words : Plasma arc welding, Orbital welding, Keyhole welding, Inclined-up position, Overhead position, Convexity ratio, Back bead, Pilot gas flow rate, Shield gas flow rate 1. 서론 선박이나산업플랜트의고정파이프용접시안정적인이면비드형성은매우중요하다 1-3). ig. 1은오비탈용접에서적용되는구간정의와용접자세를나타낸다. ~3mm의박육파이프는안정적인이면비드가형성되지만, 5mm 이상의중 후육파이프의경우 P06:00 이후의위보기자세 (Overhead position) 에서수직상진자세 (Vertical-up position) 사이의이면비드가오목하게되어전자세용접이어려운실정이다. 파이프용접시각구간에따라용융풀에미치는중력과표면장력, 아크력등의방향이변하기때문이다 1-3). 파이프의각구간별힘의방향은 ig. 에나타나있다. J. K Martikainen 등은플라즈마키홀 (Plasma keyhole) 의안정성이용접부품질에매우큰영향을미친다고하였으며 4), Y. M. Zhang 등의연구에서는한번키홀이형성되면키홀폭은전류의증가나용접속도의감소에따라변화지않는다고밝혔다 5). 선행연구들은아래보기자세 (lat position) 에대해서 ixed pipe Verticalup position P09:00 lat position P1:00 Weld direction P06:00 Overhead position P03:00 ig. 1 Definition of section Verticaldown position 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 009 年 月 71
7 김효원 조상명 Direction of gravity Direction of arc force Welding direction.1 사용재료. 사용재료및실험방법 (a) lat positon (b) Vertical-down position 본연구에서는폭 40mm, 길이 10mm, 두께 6mm의 SS400을사용하였고, PAW(Plasma Arc Welding) 을이용해키홀 (Keyhole) 용접을실시하였다.. 실험방법 (c) Overhead positon (d) Vertical-up position ig. Direction of forces at 만수행되었고, 전류와용접속도, 파일럿가스가키홀에미치는영향에대한연구는있으나이면비드볼록정도에대한연구는보고된바가없다 4-7). ig. 3은두께 7.1mm 고정파이프의 I-Groove에대한플라즈마키홀용접시위보기자세인 P06:00 이후의구간에서이면비드가오목하게되어품질이만족스럽지못한경우를보여준다. 이와같이 P06:00 의위보기자세에서부터경사상진자세를거쳐 P09:00 의수직상진자세에이르기까지의구간에서생기는오목한이면비드로인해루트패스의용접전류를높이지못하므로생산성향상의제약이따르게된다. 본연구에서는전자세용접이가능하도록하기위해 P06:00~P09:00에서실험을수행하여이면비드폭과키홀의크기를관찰하였으며이면비드볼록정도에영향을미치는인자를탐색하였다. A B ig. 4는용접모식도로써 P06:00 에서 P09:00까지를 5 등분하여각위치에서판위에키홀용접을실시하는것을나타낸다. 시편을턴테이블에고정시키고플라즈마토치를용접용로봇에장착하여용접속도 10cpm 으로움직여키홀용접을수행하였으며용접부길이는 100mm이다. 파일럿가스 (Pilot gas, PG) 와실드가스 (Shield gas, SG) 는 Ar을사용하였다...1 파일럿가스와실드가스유량변경실험 Table 1은 PG(Pilot Gas) 와 SG(Shield Gas) 유량변경실험조건을나타낸것이다. Exp. 1은 PG 유량변경실험, Exp. 는 SG 유량변경실험이다... 용접비드형상인자의측정방법용접비드형상인자는표면과이면비드폭, 표면과이면키홀직경, 이면비드볼록정도이다. ig. 5는표면 (ront side) 과이면 () 에서의비드와키홀의측정인자를정의한것이다. WB 와 DK 는표면에서의비드폭과키홀직경을, WB B 와 DK B 는이면에서의비드폭과키홀직경을각각나타낸다. 버니어캘리퍼스를사용하여 WB, WB B, DK, DK B 를측정하였다. 이면비드볼록정도는용접시작부에서 48mm 이후부 ront side ig. 3 Back bead shape of orbital welds around P06:00 (t7.1, I-Groove) ig. 4 Schematic diagram of experimental setup 7 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, ebruary, 009
플라즈마아크오비탈용접의경사상진자세에서이면비드형성에관한연구 73 Table 1 Experimental conditions Power source PAW Machine (Powwel-150XP) P 1 B 1 B B3 P Welding mode Keyhole(BOP) ixed Material SS400, t 6 Welding current requency I p : 140 A I b : 80 A Hz ront side ig. 7 Schematic of measurement point for CRB Welding speed Set back 10 cpm.5 mm (1) Exp. 1 Exp. WB Stand off 3 mm Orifice insert dia. φ.4 Pilot gas flow rate Shield gas flow rate Pilot gas flow rate Shield gas flow rate ront side 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 1.9 l/min 1 l/min 1.7 l/min 1, 15, 18 l/min DK 이면비드높이 (Back bead Height), () 이면비드볼록정도 (Convexity ratio of back bead), (3) 측정하여계산된 CRB 5점의평균은 CRB aver 이고, 5점중의최소값을 CRB min 이라정의한다. 평균이면비드볼록정도 (Average Convexity ratio of back bead), Keyhole WB B DK B ig. 5 Geometric parameters of bead and keyhole 터 9mm 간격으로 5곳을뾰족한프로브를가진하이트게이지를사용하여측정하였다. 용접속도 10cpm, 주파수 Hz이므로리플 (Ripple) 간격은약 0.835mm 이다. Ripple 간격의정수배가되지않도록 9mm 간격으로이면비드볼록정도를측정하였다. ig. 6과 7에서보는바와같이비드 toe부에서 3mm 떨어진곳에서 P 1 과 P 를측정하여평균한값이기준높이이고, 비드폭을 4등분하여 B 1, B, B 3 을측정한후평균한값이이면비드높이이다. 비드의형상을고려하여 B 값에가중치를주기위해 를곱하여계산하였다. 후자에서전자를뺀값이이면비드볼록정도이고각각의식은다음과같다. 기준높이 (Parent metal Height), (4) 최소이면비드볼록정도 (Minimum Convexity ratio of back bead), (5)..3 상관계수검정 상관계수는두변수사이의긴밀성의정도를표시하는척도로써널리사용되고있다 15). 두변수가서로관련이있는지정량적으로알아보기위해상관분석을하여상관계수 (Correlation coefficient, R) 를구하였다. 또한두변수사이의모상관계수 ρ가 0인지를유의수준 α =0.05 에서상관계수검정을하였으며 S/W는 Minitab 15 를사용하였다. Table 는상관계수에따른통계학적의미를나타낸다. Table Guidelines for the interpretation of a correlation coefficient 16) Ripple gap CRB 1 CRB CRB 3 CRB 4 CRB 5 Correlation Negative Positive 0 48 57 66 75 84mm 100mm ig. 6 Schematic of measurement interval for CRB Small -0.3 to -0.1 0.1 to 0.3 Medium -0.5 to -0.3 0.3 to 0.5 Large -1.0 to -0.5 0.5 to 1.0 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 009 年 月 73
74 김효원 조상명 3. 실험결과및고찰 3.1 파일럿가스유량변경실험결과 3.1.1 이면에서의키홀관찰 ig. 8은 P07:30 의경사각에서이면키홀과용융금속의거동을카메라로촬영한것이다. (a) 는적절한용접조건일때의이면키홀의모습을나타내고, (b) 는부적절한용접조건일때의이면키홀의모습을나타낸다. 전류또는 PG 유량이너무크거나용접속도가너무느릴때 (b) 와같이용융금속이과도하게형성되었다가용락이발생하게된다. 형관계가있다. 라고결론내릴수없다. 반면 WB B 의경우모든경사면에서 PG 유량이증가할수록넓어지는경향이나타났다. 상관계수가 0.789로강한양의상관관계를가지고, P-value 가 0.05 보다작기때문에 PG 유량이증가하면 WB B 도증가한다고할수있다. ig. 11, 1와 Table 3에서보는바와같이키홀직경의경우, 강한양의상관관계를가지고있다. ig. 13은모든경사면에서 DK B 와 WB B 가비례하는경향을나타낸다. 따라서 WB B 를통해용접중의 DK B 를짐작할수있을것이라생각된다. Y. M. Zhang 등에의해수행된아래보기자세의두께 3mm STS 304 BOP 실험에서도 PG 유량이증가할 3.1. 표면과이면비드의폭및키홀의직경 PG 유량에따른비드폭 WB 와 WB B 는각각 ig. 9 와 10에나타나있다. Table 3에서보는바와같이 PG 유량과 WB 의상관계수는 0.31로약한양의상관관계를가지고있으며 P-value 가 0.05 보다크므로귀무가 WB B (mm) 10 8 6 설을기각하지못한다. 즉 PG 유량과 WB 사이에는선 4 ig. 10 Relationship between PG flow rate and WB B at (a) Good condition Table 3 Correlation coefficient and P-value(Exp. 1) X Y R P-value PG flow rate WB 0.31 0.68 PG flow rate WB B 0.789 0.000 PG flow rate DK 0.596 0.00 (b) Inappropriate condition (near burn-through) ig. 8 view of keyhole and weld pool PG flow rate DK B 0.559 0.004 DK B WB B 0.81 0.000 PG flow rate CRB aver 0.15 0.470 10 WB (mm) 8 6 4 DK (mm) 10 8 6 4 ig. 9 Relationship between PG flow rate and WB at ig. 11 Relationship between PG flow rate and DK at 74 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, ebruary, 009
플라즈마아크오비탈용접의경사상진자세에서이면비드형성에관한연구 75 DK B (mm) 10 8 6 4 3. 실드가스유량변경실험결과 3..1 실드가스유량이이면비드볼록정도에미치는영향이면비드폭이좁으면용접선추적 (Seam tracking) 정밀도가높아야한다. 특히, 파이프용접시이면비드를관찰할수없는경우에는이면비드가어느정도는 ig. 1 Relationship between PG flow rate and DK B at WB B (mm) 6.0 5.6 5. 4.8 4.4 형성되어야바람직하다. 따라서모든경사면에서 WB B 가 5mm 이상나오는 PG 1.7 l/min 조건에서 SG 유량변경실험을실시하였다. ig. 15는 SG 유량에따른평균이면비드볼록정도를나타낸것이고, ig. 16은최소이면비드볼록정도를나타낸것이다. 모든경사면에서 SG 유량이증가할수록이면비드볼록정도가증가하였고, Table 4에서보는바와같이실드가스유량과이면비드볼록정도사이에는강한양의상관관계를가짐을알수있다. 또한 P-value 가 0.05 4.0 3.6.0.5 3.0 3.5 4.0 4.5 DK B (mm) ig. 13 Relationship between DK B and WB B at each position CRB aver (mm) 0.9 0.6 0.3 0.0-0.3 ig. 14 Relationship between PG flow rate and CRB aver at CRB aver (mm) 0.9 0.6 0.3 0.0-0.3 1 15 18 SG flow rate(l/mm) ig. 15 Relationship between SG flow rate and CRB aver at Table 4 Correlation coefficient and P-value (Exp. ) X Y R P-value SG flow rate CRB aver 0.739 0.00 SG flow rate CRB min 0.764 0.001 수록 DK B 가증가하였다 5). PG 유량외에도 DK B 에용접전류, 용접속도, 수축노즐직경등이영향을미친다 8). ig. 14는각경사면에서의 PG 유량변경에따른 CRB aver 를보여준다. PG 유량과 CRB aver 는상관계수가 0.15로상관성을나타내지않았다. 따라서안정적인키홀이형성되었을때 PG 유량이증가할수록 WB B 는증가하지만, CRB aver 에는영향을미치지않는다고할수있다. CRB min (mm) 0.9 0.6 0.3 0.0-0.3 1 15 18 SG flow rate(l/mm) ig. 16 Relationship between SG flow rate and CRB min at 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 009 年 月 75
76 김효원 조상명 보다작으므로귀무가설을기각할수있다. 즉 SG 유량과 CRB aver 사이, SG 유량과 CRB min 에는선형관계가있다. 라고결론내릴수있다. ig. 17을보면 SG 유량이 1 l/min 일때는오목이면비드가존재하였으나 15 l/min 이상에서는볼록이면비드만형성되었다. 특히, ig. 18의단면사진을보면 P07:30의경사각실험의 1 l/min 에서는오목비드가형성되었음을알수있으나실드가스유량을증가시킴에따라이면비드가볼록해짐을알수있다. 이와유사한경향으로 T. Anzai 의연구에의하면 Backing gas의압력이증가할수록이면비드가오목해졌다 1). 즉, 액체상태의용융금속이가스압력에따라볼록또는오목해질수있음을알수있다. 실드가스유량이증가할수록이면비드가볼록해지는것은유체의운동량방정식을이용하여설명할수있으며 ig. 19는운동량방정식설명을위한모식도이다. 유체의운동량방정식을통해고정된판에작용하는분류방향의힘, 를구하면다음과같다. A V o Plate ig. 19 Schematic of momentum equation ρ (7) (8) (9) 여기서, Q는유량 (cm 3 /sec), V 0 는유속 (cm/sec), ρ는밀도 (g/cm 3 ) ρ (6) CRB min (mm) 0.9 0.6 0.3 0.0-0.3 Position 1 l/min 15 l/min 18 l/min ig. 17 Relationship between position and CRB min at each SG flow rate B B B (a) 1 l/min (b) 15 l/min (c) 18 l/min ront side ig. 18 Surface and back bead appearances(, PG 1.7 l/min) Table 5는가스노즐직경이일정한상태에서실드가스유량이 1 l/min, 18 l/min 일때식 9를통해구한힘 를나타낸다. 실드가스노즐에서같은거리에위치한용융금속이실드가스로부터받는힘 는 18 l/min 일때 1 l/min 에비해.5배증가하게되어융융금속이이면쪽으로밀려볼록한이면비드를형성하게되는것이다. SG 유량이 18 l/min 에서 P07:30, P08:15, P09:00 의경우 CRB aver 가 0.6mm 이상으로모재두께의약 10% 이상의이면비드가형성되었다. ig. (d) 에서보는바와같이중력의방향은아래로향하는반면, 아크력의방향은모재쪽으로향하고있으며힘의방향과용접방향이다르다. 따라서용융금속이중력의영향으로아래방향으로쳐지게되고아크는용융금속위가아닌앞의모재위에서발생하게된다. 그로인해같은용접조건이라도용입이깊어져 CRB aver 가크게나온것이라생각된다. 적정 CRB aver 와 CRB min 이얻어지는 SG 유량을선택후, P07:30~P09:00 구간에서 SG 유량을순차적으로조금씩줄여용접을실시한다면 P06:00에서 P09:00의전체에 Table 5 orce by shield gas flow rate Shield gas flow rate 1 l/min 18 l/min 00 300 76 Journal of KWJS, Vol. 7, No. 1, ebruary, 009
플라즈마아크오비탈용접의경사상진자세에서이면비드형성에관한연구 77 걸쳐안정적인이면비드를얻는것이가능하다. J. K Martikainen 는플라즈마키홀용접에서연강과같은구조용강은오스테나이트스테인리스강과티타늄보다용융풀의표면장력과점성이더낮기때문에용융풀과키홀의안정적제어가어렵다고하였으나 6) 본연구에서는파일럿가스와실드가스유량등의용접변수를적절히제어함으로써안정적인이면비드를가지는용접부를얻을수있었다. 또한이면비드볼록정도를제어할수있기때문에고정파이프원주용접시전자세용접이가능할것이라판단된다. 3.. 표면비드에서의언더컷문제 모든경사면에서 SG 유량이증가할수록이면비드가볼록해졌으나언더컷이다소심해졌음을 ig. 18의단면사진을보고알수있다. 언더컷이심할경우다음패스를용착시켰을때융합불량과같은용접결함을발생시킬수있다. 언더컷을예방하기위해 J. K Martikainen 등은용가재 (iller wire) 를사용하였고 4), Z. Sun 등은 GTAW 로재용융시켰으며 13) I. T Kim의경우 Ar- 5%H 를실드가스로사용하였다 14). 선행연구와같은조치를취할경우본연구에서발생한언더컷은해결이될것이라생각된다. 4. 결론 두께 6mm의 SS400에대한플라즈마용접에의한오비탈용접의경사상진자세에서이면비드형성에관한연구결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 파일럿가스유량은이면비드볼록정도에는그다지영향을미치지않았지만, Y. M Zhang의연구와마찬가지로파일럿가스가증가할수록이면비드폭과키홀직경은넓어지는경향이나타났다. 용접선추적에대한강건성을높이기위해서는이면비드폭을다소넓게형성시켜야하기때문에파이프두께에따라파일럿가스유량을어느기준치이상설정하는것이바람직하다. ) 고정중 후육파이프의원주용접시, P06:00 이후의위보기자세와수직상진자세사이의이면비드의오목현상은실드가스유량을증가시키면실드가스유량에비례하여볼록해지는현상이나타났다. 따라서아래보기자세와비슷한볼록정도를가진이면비드를얻기위해서위보기자세에서는실드가스유량을증가시키고, 다른자세에서는그중간의적절한값을갖도록제어한다면전구간에걸쳐균일한이면비드의형성이가능할것이라고기대된다. 후 기 플라즈마용접기를쓸수있도록협조해준 ( 주 ) 파워웰과본연구의실험에도움을준우리연구실의서지석군에게감사드립니다. 참고문헌 1. Ki-Joung Kim, Jin-Woo Kim, Youn-Bae Kang, Sang- Myung Cho : Heat transfer simulation and temperature measurement for heat input control in orbital welding, Journal of KWS, 1-1 (003), 115-158 (in Korean). Jin-Woo Kim, Sang-Myung Cho : The effect of the arc pressure variation on the penetration by the filler wire feed rate in pulsed TIG welding, Journal of KWS, -1 (004), 169-171 (in Korean) 3. 김기정, 김진우, 강윤배, 조상명 : 스테인리스강과연강파이프의자동원주 GTA 용접의입열량제어, 대한기계학회, 대한기계학회기타간행물 00 년도기계관련산학연연합심포지엄강연및논문초록집, 00. 11, 881-885 (in Korean) 4. J. K. Martikainen and T. J. I Moisio : Investigation of the effect of welding parameters on weld quality of plasma arc keyhole welding of structural steels, Welding Research Supplement, 1993, 39s-340s 5. Y. M. Zhang and S. B. Zhang : Observation of the keyhole during plasma arc welding, Welding Research Supplement, 1999, 53s-58s 6. J. K. Martikainen : Conditions for achieving highquality in the plasma-arc keyhole welding of structural steels, Journal of Materials Processing Technology 5, (1995), 68-75 7. Y.. Hsu and B. Rubinsky : Two dimensional heat transfer study on the keyhole plasma arc welding prdcess, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 31 (1988), 1409-141 8. 대한용접학회편 : 용접 접합편람, 대한용접학회, 1998, 545-546 (in Korean) 9. 김대주, 김경주, 백성호 : 루트갭과단차에의한플라즈마아크용접성에관한연구, 대한용접학회추계학술발표대회개요집제 45 권, 005. 11 (in Korean) 10. J. C. Metcalfe and M. B. C. Quigley : Keyhole stability in plasma arc welding, Welding Journal, 1975, 401s-404s 11. Welding handbook chapter 10, Plasma arc welding, 331-333 1. T. Anzai : Automatic TIG Welding for high purity stainless steel pipework, Welding International, 8-1, (1994), 70-73 13. Z. Sun, M. Kuo, I. Annergren, D. Pan : Effect of dual torch technique on duplex stainless steel welds, Materials Science and Engineering A356, 003, 74-8 14. In-Tae Kim : Development of middle-thick butt 大韓熔接 接合學會誌第 7 卷第 1 號, 009 年 月 77
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