34 연구논문 CD 스터드용접의해석및결함분석 Par 1 : 공정모델링과해석 오현석 * 유중돈 ** * 현대모비스, 응용기술연구부 ** 한국과학기술원, 기계공학과 Analysis of CD Sud Welding Process and Defecs Par 1: Process Modeling and Analysis Hyun-Seok Oh* and Choong-D. Yoo** *Hyundai MOBIS Technology Research Insiue, Yongin, Gyunggi-do 446-91, Korea **Dep. of Mech. Eng., KAIST, Daejeon 35-71, Korea Absrac The CD (Capacior Discharge) sud welding uilizes he arc hea and pressure o aach he sud o he workpiece, which consiss of he arc igniion, arcing and pressure welding sages. In order o predic he dynamic behavior of he CD sud welding process, mechanical and elecrical models are employed in his work. While he mechanical model esimaes he duraion of each sage, he elecrical model predics he volage and curren waveforms using he RLC circui. Effecs of process parameers such as he elecric componens and spring force are analyzed hrough simulaion. I is found ha he conac resisance and gap beween he sud and base meal influence he ip fusing and arcing duraion. The calculaed resuls showed reasonably good agreemens wih he experimen resuls. *Corresponding auhor : cdyoo@kais.ac.kr (Received February, 6) Key Words : CD sud welding, Mechanical and elecrical modeling, RLC circui 1. 서론 스터드용접 (sud welding) 은스터드와모재사이의아크를발생시켜스터드와모재를용융시킨상태에서스터드에압력을가해용접한다. 스터드용접공정은아크스터드 (arc sud) 와 CD(Capacior Discharge) 스터드용접으로구분할수있다. CD 스터드공정은커패시터에저장한전기에너지를이용하기때문에아크용접에비해용접이매우짧은시간내에완료되고생산성이높으며숙련된기술을요구하지않는장점이있다. 또한, 용접부에발생하는잔류응력과열변형이작고, 이종재료간의접합도가능하다. 이와같은다양한장점에도불구하고용접부가급격하게냉각되어용 접부의경도가높고신뢰성이낮기때문에강도가중요하지않은경우에사용되고있다 1-3). 스터드용접에서발생하는현상을규명하고최적용접조건을결정하기위한연구가수행되었다. Venkaaraman 4) 등은전압, 전류파형으로부터아크지속시간을구하여용접부의냉각속도에영향을미치는인자를파악하고접합부미세조직의변화에대해조사하였다. CD 스터드용접에서는냉각속도가매우빠르기때문에접합부에서스테인리스강의미세조직이다양하게바뀔수있음을보여주었다. Simmons 5) 등은질소함량이높은스테인리스강의용접에전압, 전류파형을반복적으로측정하고접합부를관찰하여공정변수최적화를시도하였다. Wilson 6) 등은아크지속시간과접합강도의상관관계를조사하여최적접합강도를얻을수 4 Journal of KWS, Vol. 4, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Par 1 : 공정모델링과해석 35 있는조건을수식으로나타내었다. CD 스터드용접의공정단계에대한연구로써, Wilson 7) 등은고속카메라를이용하여아크의발생, 성장, 소멸과정에대해관찰하였으며, 용융금속이플라즈마형태로배출된다는사실을확인하였다. Paul 8) 등은공정단계에따라전압, 전류파형을분석하였고, 공정변수가파형에미치는영향에대해고찰하였다. Ping 9) 등은 CD 퍼커션 (percussion) 용접기를등가의 RLC 소자로취급하여출력전류파형을구하는프로그램을구성하였다. 그러나기계적인모델을포함하지않기때문에완전한출력파형을얻기어렵다. CD 스터드용접에서는아크발생과동시에압력이가해지기때문에 CD 스터드용접시스템을해석하려면시스템의기계적인요소뿐만아니라전기적인요소를함께고려하여야한다. 본연구에서는스터드용접의접촉모드 (conac mode) 에대한기계적모델링과전기적모델링을수행하였으며, 모델링을통해공정변수가출력전류와전압에미치는영향을파악하였다. 이와같은해석은적절한용접조건결정에활용가능할것으로사료된다.. 시스템모델링 CD 스터드용접시스템은 Fig. 1에서보인바와같이스터드에압력을가해모재에이동시키고접합부를형성하는스터드건 (gun) 과용접전류와전압을제공하는용접기로구성된다. 그러므로스터드용접시스템을해석하려면스터드건에의한기계적인모델링과함께용접기와아크를포함하는전기적인모델링이필요하다..1 기계적모델링 설치된스프링또는공압장치를이용하여스터드를모재로이동시켜가압하며, 수동용접인경우에는주로스프링을사용하고자동용접의경우에는공압을사용한다. 본연구에서는스프링을사용하여스터드를이동시키며, 스프링힘에의한스터드의운동을모델링하였다. Fig. 는 CD 스터드용접의접촉모드에서발생한전형적인출력파형을나타낸다. 용접시간은 3ms로매우짧지만, 다음의 3구간으로구분할수있다. 첫번째구간은스터드팁 (igniion ip) 의용융구간으로서팁이모재에접촉하여높은전류가흐르고저항열에의해팁이용융되면서아크가발생한다. 두번째구간은아킹 (arcing) 구간으로서아크가발생하여유지되며, 스터드가모재에완전히접촉하면아크가소멸한다. 세번째구간은가압구간으로압력이가해지는상태에서용융부가응고되어접합이완료된다. 팁용융구간과아킹구간의지속시간은저항열과가압력에의해결정되며, 팁용융구간과아킹구간의지속시간을예측하기위하여기계적인모델링을수행하였다. 팁의용융및기화에필요한열량과저항열에의해발생하는열량이동일하다고가정하면, 팁용융시간은다음의식으로부터계산한다. Q = I ( ) ( Rip + R c ) d = m ipc( Tm T ) + mip ( H f + H v ) (1) 이때, I는용접전류, R ip 은팁의체적저항, R c 는팁과모재사이의접촉저항, m ip 과 C는팁의질량과비열, T m 과 T 는팁의기화온도와상온, H f 와 H v 는팁의용융열과기화열을나타낸다. 스터드용접부는용융된스터드와모재의압착에의해발생하므로스터드건에의해스터드가모재로이동하는과정을모델링하여야한다. 스터드건은내부에 Triggered Arc igniion Tip fusing Arcing Arc exincion Pressurizing 1 4 power supply - + pressure sud arc Volage (V) 8 6 4 volage curren..1..3 3 1 workpiece Fig. 1 Schemaic of CD sud welding process Fig. Typical waveform of welding curren and volage 大韓熔接學會誌第 4 卷第 3 號, 6 年 6 月 41
36 오현석 유중돈 스터드는건내부전극에삽입되기때문에스터드는전극과함께이동한다. 스프링을사용하는경우에는스프링힘에의한스터드의가속도는다음과같다. a = F s / m ool () 이때, F s 는스프링힘, m ool 은스터드건전극의질량을나타낸다. 스터드의이동시간은스터드의가속도와스터드의이동거리에의해결정되며, 스터드의이동거리는팁의길이와스터드및모재표면이손실되어늘어난길이로구성된다. 스터드의가속도가일정하므로아크지속시간은다음과같다. arc = ( zip + zm ) a (3) 이때, arc 는아크지속시간, z ip 은스터드팁의길이, z m 은아킹시간동안에스터드와모재가용융하여추가로증가한길이다. 커패시터에저장된에너지에따라스터드와모재의용융량이결정되고, 스터드와모재의용융량이많아질수록배출되는스터드와모재표면의용융금속량이증가한다. 그러므로스터드와모재사이에늘어난길이 z m 은다음과같다. 1 k C V c c = [ C( T m T ) + H f ] ρπr 이때, C c 는커패시턴스, V c 는커패시터의충전전압, ρ 는스터드와모재금속의밀도, R 는스터드의반지름, k는실험적으로결정되는상수값을나타낸다.. 전기적모델링 CD 스터드용접기는커패시터뱅크 (capacior bank) 와제어기 (conroller) 로구성되며, 커패시터는전기에너지를저장하고제어기는커페시터의전압을조절하는역할을한다. 커패시터에저장된전기에너지는커패 시턴스와전압에의해결정되며 ( ), RC 회로에서시정수 (ime consan) 는저항과커패시턴스에의해결정된다 ( = RC c ). 스터드용접에서발생하는전류와전압파형을정확하게계산하려면용접시스템의전기회로를모델링하여야한다. 이를위하여 CD 스터드용접시스템의회로를 Fig. 3에보인바와같이등가의 RLC 회로로나 z m (4) Power supply Swich R c C c Ground cable R cd R cn L cd Capacior bank L cn Gun cable R * Rs Fig. 3 Equivalen RLC circui Weld Shun 타내었다. 회로스위치의위치에따라커패시터에전기에너지가저장되거나저장된전기에너지가방출되어아크가발생한다. 커패시터에저장된전기에너지를방출하는경우, 커패시터양단에걸리는전압은다음의비선형 차미분방정식으로표현할수있다. d U ps ( ) du ps ( ) L Cc + R C + U ( ) = c ps d d (5) L = L R = R cd cd + L cn + R cn * + R + R + R s c 이때, U ps 는커패시터양단의전압, C c 는전원공급장치의커패시턴스, L cd 는접지케이블인덕턴스, L cn 은건케이블인덕턴스, R cd 는접지케이블저항, R cn 은건케이블저항, R s 는션트 (shun) 저항, R c 는커패시터내부저항이다. R * 는용접부저항으로용접구간에따라변화하며, 용접초기에스터드팁이용융하는경우에는 R * = R ip + R c, 아크가발생한경우에는 R * = R arc, 스터드와모재가접촉하여아크가소멸하면 R * =이다. 이중에서아크저항을나타내는 R arc 는아크의출력 (power) 에의해영향을받기때문에본연구에서는다음의식으로나타내었다. n R arc = mp arc (6) 이때, P arc 는아크출력, m과 n은상수이다. 아크와관련된상수값은해석으로구하기어려우므로실험을통해결정하였다. 위의비선형미분방정식을풀기위한초기조건은다음과같다. U ps = U, du PS = d a = (7) 4 Journal of KWS, Vol. 4, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Par 1 : 공정모델링과해석 37 이때, U 는커패시터의초기충전전압이다. 기계적모델을이용하여각구간의지속시간을계산하고이를전기적모델과연계하여시간에따라변화하는용접전압과전류를계산하였다. 수치방법으로 Runge- Kua 4차식을계산하였다. 3. 실험 해석에필요한상수와공정변수의값, 용접전류와전압파형을측정하기위하여실험을수행하였다. 로드셀 (load cell) 을이용하여스터드건의스프링힘을측정하였으며, LCR 미터를이용하여용접기와케이블및스터드건의인덕턴스, 커패시턴스와저항을측정하였다. 또한 ASTM B539-8 에따라스터드팁과모재사이의접촉저항을측정하였다. CD 용접기는 48, 84, 1 F의 3단계로커패시턴스용량을변화시킬수있으며, 충전전압은 8~V 범위에서설정할수있다. 스터드건은접촉모드 (conac mode) 전용으로건내부에장착된스프링으로스터드를이동시키며, 스프링힘에따라용접시간이변화한다. 실험의공정변수는충전전압, 커패시턴스, 케이블의인덕턴스, 스터드건내부의스프링힘, 스터드팁의길이와지름이다. 커페시터의충전전압범위는 DC 9~13V, 커패시턴스는 48~ 1 F, 케이블의인덕턴스는 4~35 H, 스프링힘은 ~1N, 스터드팁길이는.4~.8mm, 지름은.4~1.mm이다. 용접을하기전에아세톤으로세척하여스터드와모재표면에존재하는불순물을제거하였다. 용접에사용된스터드는부식방지를위해구리도금처리된 11 저탄소강재질로서규격은 M5이다. 팁의직경과길이가용융에미치는영향을확인하기위하여팁을가공하여직경과길이를변화시켰다. 모재로사용한판재는 1.mm 두께의 SS4 일반구조용저탄소강이다. 션트 (shun) 를이용하여용접전류를측정하였으며, 스터드와모재사이의용접전압을측정하였다. 전압과전류파형측정하기위하여 5kHz 의샘플링주파수로데이터를수집하였다. 모든실험에서 DCEN 극성을사용하였으며, 각실험조건에대해 3번이상실험하였다. 용접부의상태를확인하기위하여시편을절단하고광학현미경으로단면을관찰하였다. 4. 결과및고찰 4.1 상수와공정변수의결정 해석에필요한상수와공정변수는접촉저항, 전극의 질량, 스터드와모재사이의늘어난길이, 아크저항, 저항, 인덕턴스, 커패시턴스등이다. 대부분은측정을통해구할수있지만접촉저항, 스터드와모재사이의늘어난길이및아크저항은단순측정으로얻기곤란하여실험으로구하였다. 계산에사용된전극질량, 스터드반지름및상수값을 Table 1에나타내었다. 상온에서스터드와모재사이에서압력에따른접촉저항을측정하여 Fig. 4에나타내었다. CD 스터드용접에서사용하는스프링힘의범위는 4N에서 11N 이므로접촉저항은약 mω 이다. 용융점에서스터드팁끝과모재표면의거칠기가사라지므로접촉저항은온도의함수로써용융점까지선형적으로감소한다고가정하였다. Fig. 5는스터드팁의온도에따른접촉저항과체적저항을나타내며, 온도에따른비저항값을이용하여체적저항을계산하고곡선맞춤 (curve fiing) 한결과와함께나타내었다 1,11). 팁이용융될때 1K 이하의온도에서는주로접촉저항에의해열이발생하고, 1K 이상의온도에서는체적저항에의해열이발생한다. 커패시터에저장된에너지에따라스터드과모재표 Table 1 Measured parameers for compuaion Conac resisance(mω) 6 4 m ool R C c L cd R cd L cn R cn R s R c Pressure (MN/m ).17 kg 3.3 mm 113 μf 4.9 μh 3.5 mω 6.1 μh 6.3 mω.1 mω 9. mω 5 1 15 8 4 6 8 1 Force (N) Fig. 4 Conac resisance beween sud and base meal 大韓熔接學會誌第 4 卷第 3 號, 6 年 6 月 43
38 오현석 유중돈 면의용융량이변화하고압력, 단락및기화에의해용융금속이바깥으로배출되므로스터드의이동거리가변화한다. 따라서입열량에따른스터드와모재의길이변화량을측정하고배출된용융금속을용융하는데필요한에너지를계산하여커패시터에저장된에너지와비교하였다. 커패시터에저장된에너지의절반정도가 Fig. 6에보인바와같이배출금속의형태로소모되며곡선맞춤으로구한식 (4) 의상수 k는약.491 이다. 아크저항은아크길이와아크의이온화율 (degree of ionizaion) 의영향을받으며비선형적으로변화한다. 스터드용접에서아크길이가감소하면아크저항이감소하고, 아크의온도가증가하면이온화율이상승하여아크저항이감소할것으로판단하였다. Fig. 7은아크출력과아크저항의관계를나타내며, 아크저항은측정한용접전류와전압을이용하여구하였다. Fig. 7(a) 에서아킹시간이경과함에따라아크길이가감소하기때문에아크저항은감소해야하지만아크저항은증가하며, 이는아크출력이감소하기때문인것으로판단된다. 그러므로아크저항은아크길이보다아크출력 Resisance(mΩ) conac resisance. ip volume resisance ip volume resisance (curve fiing) 1.5 1..5 에의해큰영향을받음을알수있다. 이와같은아크출력과아크저항의결과인 Fig. 7(b) 에서곡선맞춤으로구한식 (6) 의상수 m과 n은각각 38.1, -.763 이다. 4. 해석결과스터드용접은 Fig. 에보인바와같이 3ms 정도의짧은시간에대전류가흐르면서용접이완료되기때문에아크용접과달리케이블저항이나접촉저항등이전류와전압파형에큰영향을미친다. Fig. 8은스터드팁과모재사이의접촉저항을고려하지않은경우와고려한경우에팁의용융시간을비교한결과이다. Fig. 8(a) 에서접촉저항을고려하지않는경우에는실험결과와계산결과에큰오차가발생한다. Fig. 8(b) 에서접촉저항을고려하고식 (1) 에서팁의기화에필요한열량을제외하고계산한경우실험결과와계산결과는잘일치하였다. 이로미루어볼때저항열에의해팁의온도가상승하면팁의대부분은액상으로존재하고일부만기화되어서아크를발생시킬것으로판단된다. Arc resisance (Ω).8.6.4. resisance 16 power 1 8 4 Arc power (W). 5 1 15 5 3...1..3 Temperaure (K) Fig. 5 Variaion of resisance wih respec o emperaure Exruded meling meal energy (J) 6 5 4 3 1 inpu measured daa daa curve fiing 4 6 8 1 1 Sored energy of capacior (J) Fig. 6 Relaion beween exruded meling meal energy and sored capacior energy Arc resisance (Ω).8.7.6.5.4.3..1. (a) Variaion of arc resisance and arc power.. 4. 6. 8. 1. Arc power(w)? measured daa curve fiing 1. 14. (b) Regression of arc resisance 16. 18. Fig. 7 Relaion beween arc resisance and arc power 44 Journal of KWS, Vol. 4, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Par 1 : 공정모델링과해석 39 48 μf cal. Tip fusing ime (ms) 1.6 1..8 48 μf exp. 84 μf cal. 84 μf exp. 1 μf cal. 1 μf exp. Tip fusing ime (msec).8.6.4. exp. cal..4..4.6.8 1. 1. 9 1 11 1 13 Tip diameer (mm) Charged volage (V) (a) ) Tip fusing ime (a) Wihou conac resisance Tip fusing ime (ms) 1.6 1..8 48 μf cal. 48 μf exp. 84 μf cal. 84 μf exp. 1 μf cal. 1 μf exp. Arc ime (msec).4. 1.6 exp. cal..4.4.6.8 9 1 11 1 13 Charged volage (V) (b) Wih conac resisance Fig. 8 Effec of conac resisance of sud ip on ip fusing ime Fig. 9는스터드팁의크기는팁의용융시간과아킹시간에미치는영향을나타낸다. 팁의직경이증가할수록저항이감소하여팁의용융시간이증가하며, 팁의길이가증가하면아킹시간이증가한다. 해석을통해실험으로측정한용접전류와전압의파형을결과를비교적정확하게예측하였다. 스터드용접에서중요한공정변수는커패시턴스, 충전전압, 압력이기때문에각공정변수가용접전류와전압파형에미치는영향을분석하였다. 커패시턴스의변화에따른용접전류와전압파형의계산결과와실험결과를비교하여 Fig. 1에나타내었다. 커패시턴스는시정수에영향을주기때문에커패시턴스가증가함에따라전류가완전히방전되는시간이증가하였다. 계산에의해용접전류를비교적정확하게예측할수있었지만, 용접전압의경우에는오차가발생한다. 용접전압의오차는스터드팁의용융구간인용접초기에주로발생하며, 이는팁과모재사이에서온도에따른접촉저항의변화를곡선맞춤에의해단순화시켰기때문이다. 커패시터의충전전압이용접전압, 전류파형에미 Tip lengh (mm) (b)arcing ime Fig. 9 Effec of ip dimension on ip fusing ime and arcing ime 치는영향을 Fig. 11에나타내었다. 전압은시정수에영향을미치지않기때문에전류의방전시간은충전전압과무관하게일정하며, 충전전압이증가하면방전시에너지밀도가증가하므로전류가증가한다. 실험결과와계산결과는비교적정확하게일치하였으며, 용접전압의경우에는 Fig. 1과유사하게초기전압에서오차가발생하였다. 커패시턴스와충전전압이일정한조건에서스프링힘이전류파형에미치는영향을 Fig. 1에나타내었다. 스프링힘은주로아킹시간에영향을주며, 전류파형은거의유사하다. 스프링힘을증가시키면아킹시간은단축되며, 이로인하여스터드가모재에접촉하는순간의전류값은증가한다. 그러므로스프링힘을조절하여단락순간의전류값을변화시킬수있다. 일반적으로 CD 스터드용접부에는기공이존재하지만, 기공이다수존재하는경우에도굽힘시험과박리시험에서접합부의파단이발생하지않았다. 그러나일반아크용접에비해접합부의기공이크게발생하였기때문에용접부의품질은낮은것으로판단한다. 大韓熔接學會誌第 4 卷第 3 號, 6 年 6 月 45
4 오현석 유중돈 4 3 1.48F.84F.1F 5 4 3 1.48F.84F.1F..1..3.4..1..3.4 (a) Experimenal resul 4 3 1.48F.84F.1F 5 4 3 1.48F.84F.1F..1..3.4..1..3.4 (b) Calculaed resul Fig. 1 Effecs of capaciance on welding curren and volage 4 3 1 9V 11V 13V 5 4 3 1 9V 11V 13V..1..3.4..1..3.4 (a) Experimenal resul 4 3 1 9V 11V 13V 5 4 3 1 9V 11V 13V..1..3.4..1..3.4 ] (b) Calculaed resul Fig. 11 Effecs of charging volage on welding curren 46 Journal of KWS, Vol. 4, No. 3, June, 6
CD 스터드용접의해석및결함분석 Par 1 : 공정모델링과해석 41 4 3 1 68.7N 75.9N 9.N 5 4 3 1 68.7N 75.9N 9.N..1..3.4..1..3.4 (a) Experimenal resul 4 3 1 68.7N 75.9N 9.N 5 4 3 1 68.7N 75.9N 9.N..1..3.4..1..3.4 (b) Calculaed resul Fig. 1 Effecs of spring force on welding curren 5. 결론 CD 스터드용접시스템의기계적모델과전기적모델을연계하여계산한결과를실험결과와비교하였다. 기계적모델은스터드팁의용융시간과아킹시간을계산하기위하여수행하였다. 스터드팁의용융시간은팁의크기에영향을받고, 아킹시간은팁의길이와스프링힘에의해결정된다. 용접시스템의회로를등가의 RLC 회로로모델링하였으며, 충전전압과커패시턴스가입열량과용접시간에큰영향을준다. 전기회로에서커패시터의내부저항, 케이블저항, 케이블인덕턴스는값이작지만, 용접시간이매우짧고높은전류가사용되는 CD 스터드용접시스템에서영향이무시될수없다. 모델을이용한계산결과는실험결과를비교적정확하게예측하였다. 참고문헌 1. AWS: Welding Handbook, Vol., 1991, 99-37. ASM Handbook Commiee: ASM Handbook, Vol.6, 1993, 1-3. R. D. Wilson: Explore he Poenial of Capacior- Discharge Welding, Advanced Maerials & Processes, 145-6 (1994), 94-95 4. S. Venkaaraman, J. H. Devleian: Rapid Solidificaion of Sainless Seels by Capacior Discharge Welding, Welding J., 67-6 (1998), 111s-118s 5. J. W. Simmons, R. D. Wilson: Joining of High- Nirogen Sainless Seel by Capacior Discharge Welding, Welding J., 75-6 (1996), 185s-19s 6. R. D. Wilson, J. A. Hawk: Rapid Solidificaion Joining Using he Capacior Discharge Welding Process, Meallurgical Processes for Early Tweny-Firs Cenury, (1994), 67-8 7. R. D. Wilson, J. R. Woodyard, J. H. Devleian: Capacior Discharge Welding: Analysis hrough Ulrahigh-Speed Phoography, Welding J., 7-3 (1993), 11s-16s 8. B. K. Paul, R. D. Wilson, E. McDowell, J. Benjaraananon: Sudy of Weld Srengh Variabiliy for Capacior Discharge Welding Process Auomaion, Science and Technology of Welding and Joining, 6- (), 19-115 9.S. Ping, W. Xu: Simulaion Sudy on Capacior Discharge Percussion Welding, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 1-4 (1997), 95-98 1. J. H. Davis: Meals Handbook, Vol.1, 199, 196-199 11. R. S. Hixon, M. A. Winkler, M. L. Hodgdon: Sound Speed and Thermophysical Properies of Liquid Iron and Nickel, Physical Review B, 4-1 (199), 6485-6491 大韓熔接學會誌第 4 卷第 3 號, 6 年 6 月 47