38 연구논문 자동차용강판의 MAG 용접시최적용접조건선정에관한연구 방한서 * 방희선 *, 주성민 ** 노찬승 *** 성보람 **** 석한길 ***** * 조선대학교공과대학선박해양공학과 ** 포항산업과학연구원용접센터 *** 조선이공대학선박해양기계과 **** 한국선급선체기술팀 ***** 삼척대학교공과대학재료금속공학과 A Study on the Prediction of the Optimal Welding Condition for Automotive Steel Sheets in MAG Welding Process Han-Sur Bang*, Hee-Seon Bang*,, Sung-Min Joo**, Chan-Seung Ro***, Bo-Ram Sung**** and Han-Gil Suk***** *Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chosun Univ., Gwangju 51-759, Korea **Weldingcenter, RIST, Pohang 79-33, Korea ***Dept. of Naval Architecture and Mechanics, Chosun College Univ. of Science and Technology, Gwangju 51-7, Korea ****Hull Team, Korean Register of Shipping, Daejeon 35-33, Korea *****Dept. of materials and metallurgical engineering Samcheok National Univ., Samcheok 25-711, Korea Corresponding author : banghs@chosun.ac.kr (Received April 25, 28 ; Revised May 23, 28 ; Accepted May 26, 29) Abstract The optimization of the welding parameters was studied to maximize the weldability and minimize the amount of spatter in the MAG welding of automotive steel sheets under different shielding gas composition ratio. JS-EFSC, JS-SPHC steel plates and Ar mixture gases were used as a substrate and shielding gas for welding respectively. The five welding parameters were selected through preliminary experiments and their effects on the weldability were analyzed. Experiments were performed using the Taguchi experimental method. As results, appropriate range for welding could be achieved. Amount of spatter in 8%Ar+2%CO 2 shielding gas was 2% of that of CO 2 welding. Therefore, in terms of high productivity and welding cost, Ar mixture gas(8%ar+2%co 2 ) was recommended as a shielding gas for application of MAG process, indicating the low spatter and good weld quality. Key Words : High productivity, Welding cost, Spatter, Ar mixture gas, CO 2 gas, MAG welding, Automotive steel sheets 1. 서론 자동차산업에서적용되고있는탄산가스용접은다량의스패터가발생하고비드외관이다소불량하나용착 속도가빠르고깊은용입의장점및탄산가스의저렴한가격때문에확대적용되어왔다. 그러나모재표면에부착된다량의스패터발생의문제는스패터제거를위한후처리공정이요구되므로그로인한작업공수증가로생산속도의저하및추가비용이소요된다. 또한용접 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 29
자동차용강판의 MAG 용접시최적용접조건선정에관한연구 39 중에발생하는탄산가스에의한열악한작업환경으로작업자의작업기피현상이매우심각하며, 아울러인건비상승과용접사의부족으로탄산가스사용의경제성은의문시되고있다. 이와같이상기용접법의저스패터화는국내자동차산업을비롯하여박판을사용하는산업에서는피할수없는문제점 1-) 으로이에대한개선방안을모색하는것이필요한실정이다. 유럽이나일본등의선진국에서는저스패터화의방안으로차폐가스로탄산가스대신혼합가스를적절히사용하여, 소위 MAG용접의채용으로용적이행을정확히제어하여만족스러운성과 5) 를거두고있다. 따라서앞서언급한문제점즉, 생산성향상및저스패터화요구에대한문제점을개선하기위한방법으로, 상대적으로스패터발생량이적은 MAG 용접의채용 ( 차폐가스를탄산가스대신혼합가스로사용하는방법 ), 인버터용접기및적절한와이어채용등고능률용접공정기술적용이절실히요구되어진다 6). 이에본연구에서는현장에서사용하고있는차량용강판에대하여 MAG 용접공정실용화기술을산업현장에보급 7) 을목적으로, 기존에사용중인탄산가스대신혼합가스를사용하여 Ar 혼합가스조성비에따른스패터발생및용접성에미치는영향에대하여고찰하였다. 아울러도출된최적의혼합가스조성비를토대로공정주요변수에따른용접특성을비교 평가하고, 용접품질과생산성측면에주안점을두어두께별적합한용접조건을제시 8) 하고자하였다. 2.1 사용재료 No. Table 1 Chemical compositions of materials Materials t 1 JS-EFSC 1.2 2. 실험방법 본실험에사용된재료는현장에서사용하고있는자동차용고강도강판 JS-EFSC, JS-SPHC( 시편의두께 1.2, 2.mm 2종 ) 이고화학적조성비는 Table 1에나타내었다. 사용된와이어는높은용착효율을목적으로콘택트팁과전기적접촉을좋게하고산화방지를위하여표면에구리도금한고장력강용 KC-28 Solid wire Ø.9mm 를 C (1 ) 1~ 31 Chemical compositions (wt%) Si (1 ³) ~ 12 Mn (1 ³) 97~ 17 P (1 ) 72~ 156 S (1 ) 2 JS-SPHC 2. 332 8 198 172 39 3~ 88 Table 2 Chemical compositions and mechanical properties of solid wire Solid wire KC-28 Chemical compositions(wt%) C Si Mn P S.8.5 1.5.1.1 Yield Strength ( kg / mm2 ) Mechanical Properties Tensile Strength ( kg / mm2 ) Elongation (%) 6 56 3 Fig. 1 A welding machine for the experiment employed 선택사용하였다. 와이어의화학적조성비및기계적성질은 Table 2에나타내었다. 2.2 실험장치 Fig. 1은사용된펄스 CO 2 /MAG 용접기와가스혼합기및용접이송시스템으로, 박판용접을위해정격출력전류가 35A인용접기를사용하였으며이때사용한 Feeder는모토용량 13W, 출력전압 2V로고속송급 3m/min이가능하다. 두께별적정용접조건및각조건에대한특성을고찰하기위하여, 용접이송시스템을사용하여아래보기자세로용접을행한후보호가스의변화와용접성에미치는제조건에대한평가를실시하였다. 2.3 용접변수및범위 Fig. 2은 MAG 용접의모식도이고, 용접공정의최적화방법으로용접변수들의영향을적은실험으로체계적분석이가능한다꾸찌 (Taguchi) 실험계획법을사용하였다. 그리고변수들간의교호작용 (interaction) 및축차실험 (sequentialexperiment) 이불가능문제점을해결하기위해반응표면분석법 (response surface method) 을이용하여 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 29 年 6 月
방한서 방희선 주성민 노찬승 성보람 석한길 3. 반응표면분석과호감도함수 3.1 반응표면분석법 반응표면분석법은여러개의입력변수 ( 설명변수 ) ξ,ξ,,ξ 가복합적인작용을함으로써어떤출력변수 ( 반응변수 ) 를최적화시키기위한반응표면모형은회귀분석 (regression analysis) 방법에의해반응표면이추정되었으므로 2차회귀모형을식 (1) 과같이설정하였다. T Fig. 2 Schematic diagram of MAG welding Table 3 Welding condition for experiment Current (A) Voltage (V) Welding Speed (cm/min) Gas Flow Rate (l/min) 1.2 5~12 16~19 ~99 15~21 2. 12~18 17~21 ~88 15~21 Shielding Gas Composition Ratio (CO₂: Ar) 1 : 8 : 2 6 : : 6 2 : 8 : 1 = + + + (1) 이 2차회귀모형은최소제곱법에의해반응표면은식 (2) 와같이표현된다. = + + (2) 이식에서입력변수의수가 3개 (k=3) 이면식 (2) 는식 (3) 과같이된다. 다구찌방법의목적을포함하는방법을이용하고, 호감도함수 (desirability function) 를사용하여최적용접조건을선정하였다. 용접변수들은예비실험을통해스패터발생및용접성에영향을미치는주요변수로보호가스혼합조성비, 전류, 전압, 용접속도, 보호가스유량의 5종류를선택하였으며, 각용접변수들에대한실험범위는예비실험을통해범위를결정하였으며실험에사용된보호가스의조성비는 Table 3에나타내었다. 용접공정은실내 ( 공장내 ) 에서이루어지기때문에유량은일반적인 15~21l/min로선정하였고, 토치의각은 8 로하였다. 또한 3mm이하의판재용접경우이므로 Ø.9의 Solid wire를사용하였다. 실험에적용된 Stick-out (Contact Tip-to Workpiece Distance) 은와이어직경과판의두께에따라변화되나 Ø.9 Solid wire 를사용한경우용접비드가파형을형성하기때문에 1.mm로하였다. 또한각가스에대한스패터발생량을조사하기위하여 1분동안용접한후측정하였다. 따라서본연구에서는혼합가스조성이용접특성및생산성향상에미치는영향을고찰하기위해, 먼저보호가스조성변화에따른비드외관용입, 스패터발생량, 기계적성질의용접특성을파악하고용접생산성향상조사를위하여고속용접실험을실시하였다. = + + + + + + (3) + + + 여기서 는 의추정량이고, 는입력변수들의coded unit이며,,, 는각각,, 의최소제곱량을나타낸다.,,, 의최소제곱추정값은식 () 부터구한다. () 여기서 X와 는각각식 (5) 와같다. Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 29
자동차용강판의 MAG 용접시최적용접조건선정에관한연구 1 (5) (6) 위회귀모델 (regression model) 식 (2) 를구하기위해서는많은실험을통해관련데이터를얻어야한다. 이와같이실험을통해관련데이터를얻으려고한다면, 수많은시행착오와경제적인손실이발생할수있으므로, 이러한손실을줄이고자 2차회귀모델을잘반영하는반응표면실험계획법중의하나인중심합성계획법 (central composite design, CCD) 을사용하였다. 3.2 호감도함수호감도함수는다중응답에대한최적입력값을찾아주는효과적인방법으로회귀분석을통해얻은회귀모델을사용하여각응답에대한호감도함수를정의한다. 호감도함수의범위를 (~1) 로정의하면, 응답에대한만족도가클수록 1 에접근하고만족도가작을수록 에접근한다. 응답이목표값을가질때에는식 (6) 과같은호감도함수 (desirability function) 를이용한다. 이때만족도분포는 Fig. 3에나타낸바와같다. 식 (6) 과 Fig. 3에서 A, B, C, r, t는사용자가결정하며, B는목적값에대한기울기를나타낸다. 다중응답에대한각각의호감도함수를이용하여단일목적함수 (single objective function) 를만들기위해복합호감도함수 (overall desirability function) 를다음과같이정의할수있다. 여기에서 m은응답 (response) 의개수이다. 식 (7) 을통해정의된복합호감도함수를최대로만족하는최적조건을구하여그때의입력변수값을구할수있다.. 실험결과및고찰 각공정의주요변수 ( 보호가스혼합조성비, 유량, 전압, 전류, 용접속도등 ) 에대한 Bead on Plate 및맞대기용접을실시하고, 실험후비드표면, 단면형상관찰및경도테스트를통하여적합한용접조건을선정하여그결과를바탕으로생산성측면에주안점을두어최적의조건을검토하였다. 먼저최적의혼합가스조성비를도출하기위해, 보호가스의혼합조성비에따른스패터발생량및용접부의기계적성질 ( 경도 ) 을평가하였다. 이때용접시에사용된강재는두께 1.2mm 이며 Table 와같은용접조건으로용접실험을수행하였다. Table 는두께 1.2mm 강재에대해유량 15l/min, 전류 9A, 용접속도 cm/min 조건에서혼합가스조성비변화에대한경도값으로, Ar 조성비가증가할수록용착금속의경도값도다소증가함을알수있었다. 그리고혼합가스조성비에따른스패터발생량은 Fig. 에도시한바와같이 Ar 조성비가증가할수록감소하다가 8%Ar 조성비에서약 3g/min 로수렴 (7) Table Hardness of weldments with shielding composition ratio gas 1 NO. Shielding Gas Composition Ratio (CO₂: Ar) WeldMetal Hardness 1 : 19Hv 2 3 5 Thickness: 1.2 Current(A): 9 Voltage(V): 16 Welding Speed(cm/min): Gas Flow Rate(l/min): 21 8 : 2 6 : : 6 2 : 8 196Hv 23Hv 26Hv 29Hv Fig. 3 Desirability function 6 : 1 211Hv 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 29 年 6 月
2 방한서 방희선 주성민 노찬승 성보람 석한길 Spatter generation weight(g/min) 8 2 6 8 1 CO 2 gas composition rate(%) Fig. Effect of CO 2 gas composition ratio on spatter generation weight 하는경향을보였으며, 기존의 1%CO 2 보호가스를이용시스패터발생량에비해보호가스혼합조성비를 8%Ar 조성비로변화시킨경우스패터발생량이 75% 정도감소함을확인할수있었다. 따라서보호가스로는혼합조성비 8%Ar+ 2%CO 2 가스패터발생저감및용접성측면에서효과적이다고사료된다. 이상의결과로부터도출된혼합가스조성비를토대로, Table 3의공정주요변수에따른비드형상과오버랩, 언더컷, 스패터를포함한용접부의외관상결함관찰및 험계획 factor 와 level 을 Table 5, 6 에나타내었다. Fig. 5, 6는 Table 5의두께별적정용접조건으로얻어진용접부의비드표면과단면사진및경도값으로, 경도분포를살펴보면 Vickers 경도로용착금속은약 21Hv 정도이고열영향부는 2Hv 정도로다소높게나타나 Fig. 5 NO Top Surface Bottom Surface Cross Section 1 2 3 Bead shape and cross section of the welded joints with the optimized condition Table 6 Factors and levels for the experimental t Factor Factor name design Coded value (level) -1 1 1.2 2. 1 Current (A) 9 9 11 2 Voltage (V) 16 17 18 3 Welding speed (cm/min) 55 88 Current (A) 13 1 15 5 Voltage (V) 18 18 18 6 Welding speed (cm/min) 55 66 77 5 6 경도테스트를통하여선정한두께별적정용접조건과실 Table 5 The optimum welding conditions NO T Gap Current (A) Voltage (V) Welding Speed Gas Flow Rate (cm/min) (l/min) Shielding Gas Composition Ratio (CO₂: Ar) 1 9 16 21 2:8 2 1.2 9 17 55 21 2:8 3 11 18 88 21 2:8. 13 18 55 21 2:8 5 2.. 1 18 66 21 2:8 6. 15 18 77 21 2:8 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 29
자동차용강판의 MAG 용접시최적용접조건선정에관한연구 3 Hardness(Hv) Hardness(Hv) Fig. 6 3 25 2 15 1 5 25 2 15 1 5 NO.,5 NO. 6 W.M HAZ B.M NO. NO. 5 NO. 6.2..6.8 1 1.2 1. 1.6 1.8 2 2.2 2. 2.6 2.8 3 3.2 3. 3.6 3.8 Distance from welds centerline (a) NO. 2,3 NO. 1 NO. 2 NO. 3 NO. 1 W.M HAZ B.M.1.2.3..5.6.7.8.9 1 1.1 1.2 1.3 1. 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 Distance from welds centerline (b) Hardness distribution of the welded joints with the optimized condition (a) 1.2mm(t), (b) 2.mm(t) 고있으나전체적으로정상적인용접부의경도분포를나타내고있음을알수있다. 본연구에서원하는최적의용접조건은현장에서요구하는생산성향상및품질확보가가능한조건이어야한다. 즉, 시편두께 1.2t는용접속도 88cm/min 일때, 시편두께 2.t는용접속도 77cm/min 으로설정하는것이바람직하다. 5. 결론 현장에서사용하고있는차량용강판에대한품질향상목적과스패터제거등의후처리생략을통한생산성향상을위해, 자동차차체용접시상대적으로스패터발생량이적은 MAG 용접을적용한용접공정기술개발및최적의용접조건을도출하고자하였다. 1) 보호가스로는혼합조성비 8%Ar+2%CO 2 가스패터발생저감및용접성측면에서효과적임을확인할수있었다. 2) 유량은실외에서는풍속에의해 21l/min 이상을유지해야하나실내에서는 15l/min도무방하다고사료된다. 3) 현장에서요구하는생산성향상및품질확보가가능한두께별최적의용접조건즉, 두께가 1.2t는 88cm/min 일때, 두께가 2.t 77cm/min 일때의조건을도출하였다. 후 기 이논문은 27년도조선대학교학술연구비의지원을받아연구되었습니다. (This study was supported by research funds from Chosun Unversity, 27). 참고문헌 1. ( 社 ) 日本鎔接協會編 : 炭酸ガス半自動ア ク鎔接, 産報出版, (1996) (in Japanese) 2. H.Ushio et al : Effect of Shielding Gas Composition on Metal Transfer Phenomena in High Current GMA Welding, Trans. JWRI, 22 (1993) 7 3. U.Dilthey and R.Killing : Calculating heat input with shielded metal pulsed arc welding, The Fabricator, (1989) 11. Takeshi SHINODA : Recent Trend of Research Activities of MAG Welding in Japan, The Korean Welding Society, (199) 21 5. J. H. Kim et al : Current Waveform Control of Pulse MAG Welding Power Source for High Speed Welding of Thin Plates, The Korean Institute of Electrical Engineers, (1999) 571-578 6. T. W. Jang et al : No Root Cap Horizontal Butt- welding with MAG Process, International Journal of Korean Welding Society, (23) 3-38 7. 대한용접학회용접편람편찬위원회편 : 용접 / 접합편람 Ⅰ,Ⅱ, 대한용접학회 (in Korean) 8. 방한서 : 자동차고품질을위한용접매뉴얼작성, 보고서 (in Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 29 年 6 月