4 기술보고 단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 A Review of Welding Waveform Control and Mechanical Control Technique for Reduction of Spatter in Short Circuit Transfer Young-Sam Kim, Hoi-Soo Ryoo, Hee-jin Kim and Sung-Chul Oh. 서론 소모성전극을사용하는 GMA(gas metal arc) 용접은높은생산성과자동화효율로널리이용되고있다. GMA 용접공정의개선은스패터저감 ( 또는전극금속의손실저감 ), 용접비드외관및용접금속과열영향부의성질을향상시키는것이다. 최근들어에너지의절약과인건비의상승문제그리고고품질용접및생산성향상등에관심이높아지고있어, 위와같은용접공정의개선의노력은매우중요하다. 용접공정의개선은용접재료의개발도있지만, 단락이행에서스패터저감을목적으로전류파형제어기술을바탕으로하는용접전원장치의개발도활발하게이루어지고있다. 전류파형제어개념은 98년에 Pinchuk 등 ) 이제안하였으나실용화되지못하였고, 인버터용접전원의개발로 99년대초에미국 Lincoln 사의 STT (surface tension transfer) 2-3) 및일본고베사의 SENSARC 4) 의용접기가상용화되었다. 단락이행에서전류파형제어의기본원리는스패터가발생하는순간에전류를낮추어스패터의발생을억제하는것이다 ). 그러나이러한전류파형제어기술은단락시전류의상승이불가피하고, 이로인하여입열이증가하므로저입열이필요한초박판용접에적용이어렵고, 외란이있을경우정밀한파형제어가어려워져스패터를현저하게줄이는것이어렵고나아가고속용접에적용하는것도쉽지않다. 전류파형제어기술의단점을극복할수있는방법은전류파형제어와동시에기계적제어를행하는것이다. 기계적제어기술은와이어의펄스화된송급을통하여강제적으로아크및단락주기를제어하는것으로, 단락주기가일정하여아크와단락의시점을예측할수있으 므로전류파형제어를정확하게할수있도록도와줄수있다. 기계적제어기술은 98년대초구소련에서토치의바이브레이션을통하여와이어의송급속도를제어하였으나 5), 장치가매우복잡하고자동화가어려워실용화되지못하였다. 그러나최근소형화된고출력의스텝모터 (step motor) 및서보모터 (servo motor) 를이용하여직접와이어의모션을제어함으로써 2년초반에 Fronius 사의 CMT(cold metal transfer) 6-7) 및 Jetline 사의 CSC(controlled short circuit) 8) 기법이실용화되었다. 이기계적제어기술은단락시최소한의전류에서금속이행이가능하기때문에기존의펄스용접에비해약 ~2% 더얇은박판의용접이가능한것으로보고되고있다 6). 본기술보고에서는전류파형제어와와이어모션제어어기법을, 용적에미치는힘을바탕으로고찰하고자한다. 2. 용적에작용하는힘 2. 아크기간동안용적에작용하는힘 GMA 용접에서금속이행 (metal transfer) 은연속적으로공급되는소모성전극 (consumable electrode) 의끝단에서용융된금속 ( 용적 ) 이용융지 (weld pool) 로이행하는현상이다. 용적은내력 (internal force) 인표면장력 (surface tension force, ) 에의하여전극의끝단에부착되어있으며, 용적의이탈을위해서는용적에서용융지방향으로표면장력보다큰외력 (external force) 이작용하여야한다. 용적에작용하는힘에는일반적으로 Fig. 에나타낸바와같이중력 (gravitational force, ), 전자기력 (electromagnetic force, ) 및항력 (plasma drag force, ) 의외력과표면장력의내력, 4가지로설명되어지고있다 9). 작용하는힘의크기를통해용적 46 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27
단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 5 F G F em Fγ electrode droplet F d Gravitational force, 2 Surface tension force, 3 Electromagnetic force, 4 Plasma drag force, Fig. The forces acting on the droplet 9) 둥의내부로조여지는힘이발생한다. 이와같은현상을핀치효과 (pinch effect) 라하며, 이때발생하는전자기력을핀치력 (pinch force) 혹은로렌쯔힘 (Lorentz force) 이라고도한다 ). Amson ) 은 Fig. 3에보인바와같이전류가전도되는용적의 conducting zone( 아크가용적을감싸고있는영역 ) 에서용융지방향으로작용하는총전자기력을계산하였으며, 그결과를식 (3) 에나타내었다. 의이탈조건을식 () 과같이힘평형모델 (static force balance model) 로나타낼수있으며 ), 전류변화에따른용적에작용하는각각의힘들의변화를 Fig. 2에나타내었다 9). () (3) 여기서, 표면장력은용적과전극이접촉하는넥 (neck) 에작용하며, 식 (2) 로나타낼수있다 ). (2) 위식에서 는용적과와이어에대한표면장력계수이며, 는 Fig. 3에보인바와같이전극의반지름이다. 따라서표면장력은 Fig. 2에보인바와같이전류와무관하며, 25A 이전까지는매우큰힘으로작용한다. 아크용접시와이어를통해흐르는전류에의해자기장이형성되기때문에전류의방향에상관없이아크기 4 Fγ Fem(calculated) 여기서 I는용접전류, 는자유표면에서의투자율이다. 형상지수 (geometry factor) 는 Fig. 3에보인 conducting zone의각도 와용적의반경 에따른함수이다. 전자기력은전류의제곱에비례함으로전류에매우민감하지만, 용접전류가클수록용적의크기는작아지기때문에 ) Fig. 4에보인바와같이용적이작을수록 의값이작아지게된다. 따라서 Fig. 2에보인바와같이전자기력은전류의제곱에비례하지않게된다. 또한 conducting zone이작을경우, 예를들면아크가용적끝에집중될때 (Fig. 5(a)), Fig. 4에보인바와같이 는음의값이된다. 즉이때의전자기력은반발력 (repulsive force) 으로작용하여용적의이탈을방해하 3 F em F d 2 Force( -3 N) F G - 5 5 2 25 (A) calculated from the results of Pintard (966a) Fig. 2 The forces acting on the drop at the carbon steel 9) Fig. 3 flows through the conduction zone, but not through the rest of the drop surface. The conducti on zone is described by the angle θ ) 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 27 年 月 46
6 2.2 단락기간동안용적에작용하는힘 F 2 - -2 r d =.5Re r d =2.Re 단락이행은보호가스에관계없이저전류, 저전압의조건에서나타나는이행형태로아크열에의해와이어선단에서성장한용적이 Fig. 6의 (a) 에보인바와같이용융지와접촉하여아크가소멸된다. 이때단락으로인하여저항이작아지게되고, 전압은순간적으로약 3V 이하로떨어지며, 전류는급상승을시작한다. 단락순간용융지와접촉된용적에작용하는전자기력은식 (4) 와같다 2). 3 6 9 2 5 8 Angle (θ) Fig. 4 Variation of as a function of θ ) (4) 여기서 a는 Fig. 6(a) 에서보인바와같이용적이용융지와접촉하는면의반경이다. 형상계수 (geometry factor) 는 Fig. 7 2) 에보인바와같이 의함수 (a) CO 2(An active gas) (b) MIG(An inert gas) Fig 5 Difference of conducting zone as shielded gas Voltage 는힘으로작용하게된다. 즉보호가스가 CO 2 인경우아크가용적끝단에집중되고, 전자기력에의한반발력으로인하여고전류영역에서는반발이행 (repelled transfer) 이나타나게된다. 이와반대로아크가용적을감싸고있을때 (Fig. 5(b), conducting zone이넓을경우 ), 는 Fig. 4에보인바와같이양의값이되어전자기력은용적의이탈을위한힘으로작용하게된다. 따라서 MIG용접의경우중전류이상에서는전자기력에의하여용적의이탈이용이하므로스프레이이행 (spray transfer) 이나타나게된다. 항력은 ) 아크기둥에서발생하는플라즈마제트 (plasma jet) 로인하여발생하고, 항상모재방향으로향하고있으며, Fig. 2에보인바와같이전류가증가함에따라감소하는경향을보인다. 항력은주로음극 (cathode spot) 에서발생하는플라즈마제트의영향을받는다. 따라서정극성 (DCEN) 을사용하면용적표면상에서수시로변하는임의의 spot에서제트가발생하여용적의이탈을불규칙하게만들기때문에스패터가발생하기쉬우므로역극성 (DCEP) 을사용한다. R e a (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. 6 Schematic illustration of welding waveform and tr ansfer of the drop in short circuit transfer F 3 2 - -2 Upward force Downward force -3 2 3 4 5 6 R e /a Fig. 7 Variation of with relative size of the droplet 2) 462 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27
단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 7 Without control N.S.C. I.S.C. With control Voltage Delay time (a) decrease control,3-4) Without control Fig. 8 Schematic illustration of the instantaneous short ci rcuit Delay time With control (b) Delay time control 4) Fig. Waveform control for suppression of occurrence of inst antaneous short circuit 로전자기력의방향에영향을준다. 즉용융지와접촉하는반경이전극의반경보다상대적으로작을경우 ( <) 전자기력은위로작용하며, 반대로크기가클경우 ( >) 아래로작용하게된다. 3. 단락이행에서전류파형제어 3. 단락기간에서의제어 3.. 순간단락억제제어단락순간에 이 보다작은경우용적에는전자기력이용적을위로밀어올리는힘이작용하며, 용적이완전히이행되지못하고오히려핀치력에의하여용융지와의접촉이끊어지면서아크를재발생시키는데, 이를순간단락 (instantaneous short circuit, I.S.C.) 이라한다. 이러한순간단락과정을 Fig. 8에나타내었다. 순간단락은스패터를다량발생시키는데, 이는 Fig. 9(a) 와같이아크재발생시강한폭발력으로용적과용융지를강타하여용적과용융지의일부가비산되기때문이다. 또한 Fig. 9(b) 에서와같이아크폭발로인하여표면장력으로구형을유지하던용적은매우불규칙한모양으로.9645s.96475s.96525s.96575s.96625s.9665s (a) Arc explosion.575s.525s.53s.5325s.5375s.54s (b) Arc rotation after arc explosion Fig. 9 High speed images of two types of spatter generation by instantaneous short circuit 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 27 年 月 463
8 바뀌고용융지유동도매우불규칙해짐으로써아크의방향이불규칙하게바뀌어여러방향으로스패터를발생시킨다. 순간단락에서발생하는스패터는매우조대하므로용융상태로모재에부착될확률이높기때문에이를제거하기위한추가적인공정이필요하다. 따라서순간단락의억제를통한스패터의저감은파형제어에서가장핵심이라할수있다. 순간단락의제어는 Pinchuk 등 ) 이제안하였으며, 용접전압이 8 2V이하가될경우단락이되었다고판단하여전류를 2 A로.7 msec 시간동안전류를감소시켜단락전류상승을지연시킨다. 즉단락시전류상승을지연시킴으로서용적을밀어올리는전자기력을약화시켜순간단락을정상단락이될수있도록유도한다. 이와같은제어개념을 Fig. (a) 에나타내었다. 또한김희진 3) 등은 Fig. 에보인바와같이지연시간이.6msec이상이되어야스패터를현저하게줄일수있다고하였다. 그러나일반용접전원의경우리액터로인하여출력을저하시켜도전류가급격히감소되지않기때문에 Fig. (b) 와같이전류상승지연제어를한다. 3..2 단락전류상승기울기제어정상단락 (normal short circuit, N.S.C.) 은용융지와용적이충분히접촉 ( >) 하여 Fig. 6의 (b) 와같이가교가형성되면, 용적을용융지로이행시켜가교를파단시키려는중력, 전자기력과가교를유지하려는표면장력이작용한다. 그러나낮은전류에서는표면장력이중력과전자기력에비해매우크기때문에가교가파단되기어렵다. 단락과동시에지속적인전류의상승으로전자기적핀치력이점차적으로강하게작용하여식 (5) 의조건을만족하면 Fig. 6의 (d) 와같이가교가파단되고아크가재발생하게된다. Spatter generation rate(%) 6 5 4 3 2 (a) current rise rate control (b) Peak current control Fig. 2 Schematic illustration of the current waveform co ntrol in short circuit period 4) (5) 단락기간중전류가최대치에도달하였을때아크가재생되며, 이때재생된아크는강한폭발력 ( 아크반발력 ) 으로용융지를쳐내면서소립의스패터를발생시킨다. 따라서아크재생시발생하는스패터를억제하기위해서는가능한낮은전류를유지한상태에서아크가재생하도록하여야한다. 이러한개념으로여러가지파형이제안되고있는데, Fig. 2(a) 와같이초기전류상승기울기를크게하고, 설정된전류이상에서는전류상승속도를감소시켜궁극적으로아크재생시의전류를낮게유지하는방법과 Fig. 2(b) 와같이초기전류상승기울기를크게하고, 일정전류이상상승을제한하는방법등이있다 4). 초기단락전류상승기울기에따른단락거동의변화를살펴보면 Fig. 3의 2를기준으로 Fig. 3 과같이전류상승기울기가너무큰경우에는전자기력이짧은시간동안가교에강하게가해져가교의파단시간이짧아지고, 높은피크전류에서아크가재생되기때문에다량의스패터가발생한다. 반면에 Fig. 3의 3과같이너무작은경우에는전자기력이작으므로가교가파단되는속도가지연되어장시간단락이해소되지못하고, 와이어는저항열에의해가열되고결국 Fig. 4에서와 3 2.5..5 2. Delay time(msec) Fig. Spatter generation rate on the delay time 3) Fig. 3 Schematic illustration of current rise slope control at short circuit 464 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27
단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 9.52825s.55775s.588s.67s.685s.635s Fig. 4 High speed images of spatter generation during the long short circuit period 같이와이어의중간에서파단되어스패터화된다. 또한와이어가중간에서파단될경우아크가끊기고, 이후아크가재생될때대립의스패터를발생시킨다. 따라서적절한단락전류상승기울기를제어하여야한다. 3..3 아크재생전류제어 아크재생전류제어는아크가재생되는순간의스패터를줄이기위한제어로 Fig. 5에서보는바와같이아크가재생되는순간에전류를급격히저하시켜낮은전류에서아크가재생되도록하여아크폭발력을최소화하는것이다 3,4). 3..4 장기단락제어 Fig. 4에서보인바와같이단락전류상승기울기가매우낮게설정된경우단락이해소되지못하고정상단락 ( 약 msec) 에비해단락기간이길어지는장기단락현상이발생한다. 장기단락발생시이를해소하기위하여 Fig. 6에보이는바와같이일정단락시간을초과할경우전류를급격히상승시켜식 (5) 의조건을만족하게함으로써단락을강제적으로해소시키는것이다 4-5,9). 3.2 아크기간중의제어 3.2. 단락촉진제어 ( 장기아크제어 ) CO₂ 용접에서단락이일어나기위해서는식 (6) 과같 Fig. 6 DPC(Deposition preventive current) control to proh ibit the long short circuit period 4) 은조건이만족되어야하지만실제로용적에작용하는힘은표면장력과전자기력이매우크게작용하므로항력과중력만으로는단락이형성될수없다. 즉, 다음식 (6) 의조건을만족시키기어렵다. (6) 더욱이 Fig. 7(a) 에보는바와같이아크의플라즈마제트에의하여용적을계속밀어내므로더욱단락을어렵게한다. 따라서단락의형성을위해서는 Fig. 7(b) 에서보는바와같이용융지가유동에의해용적까지치고올라올경우 >의조건을만족하게되어정 Fig. 5 waveform control of arc reignition 4) (a) arc (b) short Fig. 7 Schematic diagram of short circuiting mechanis m by the weld pool oscillation 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 27 年 月 465
상단락이순조롭게이루어진다. 또한순간단락이발생하거나아크기간이길어져용적이더욱성장하게되면식 (3) 의 F 2 의값이매우커져용적을더강하게밀어올리게되어단락을더욱어렵게만든다. 또한장기아크로인하여용적이커질경우 Fig. 8의파형과고속영상에보인바와같이순간단락이발생하고, 순간적 ( 약 msec) 으로아크전압을 4~5V 상승시켜순간단락후아크재생현상과같이아크의방향이불규칙하게바뀌면서여러방향으로스패터를발생시킨다. 따라서이러한장기아크를방지하기위하여 Fig. 9에보인바와같이아크기간중에전압을일정한속도로감소시킨다. 이로인하여아크길이가점차감소되어용융지와접촉이용이하도록한다 6). 그리고일정기간동안단락이발생하지않아장기아크로판단될경우 ( 즉용적이거대해지기전에 ) 일정전류 로낮추어와이어의용융속도를줄이고, 전자기력을약화시켜식 (6) 의조건을만족하도록하여강제단락을유도한다 5,9). 3.2.2 펄스제어 ( 유동제어 ) Fig. 2 7) 은용융지의유동주파수에따른단락횟수의변화를보여주는것으로, 용융지의유동주파수증가에따라단락횟수가증가함을알수있다. 따라서용융지의유동제어를통해용적과접촉면적을크게하면 ( >>) 순간단락이억제되고단락주기가일정하게된다. 용융지의유동제어는 Fig. 2에보인바와같이단락해소직후전류펄스를일정동안가하여용융지를강하게밀어내고, 강하게밀려난용융지가다시밀려와용적으로솟아오르도록하는것이다. 즉파도가제방에 2 Voltage Fig. 8 Welding waveform and high speed images of sp atter generation during the long arc period Calculated oscillation frequency(hz) 5 5 5 5 2 Measured short circuit frequency(hz) Fig. 2 The calculated oscillation frequency vs. the meas ured short circuit frequency for conditions of maximum process stability 7) 8.5429s 8.544s 8.5476s 8.5534s 8.5536s 8.568s Voltage Fig. 9 Schematic illustration of short circuit induction c ontrol 6) Voltage (V) (A) 35 3 25 2 5-5 5 4 35 3 25 2 5 5 8.535 8.54 8.545 8.55 8.555 8.56 8.565 8.57 Fig. 2 (Second) Waveform and high speed images of weld pool oscillation on the current pulse control 466 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27
단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 부딪치면위로솟아오르는원리와같다. 4. 단락이행에서전류파형제어의문제점 전류파형제어는단락이행시용적에작용하는힘을전류로제어함으로써단락이행을주기적으로발생되도록유도하기위한것으로, 현재 STT(surface tension transfer) 2-3) 및 SENSARC 4) 의상표명으로시판중이며, 이용접전원을통하여최소.5% 까지스패터의저감이가능하다. Fig. 22 3) 는 STT 용접전원의파형제어개념도이다. 그러나앞서밝힌바와같이전류를통해능동적으로제어할수있는힘은 4가지힘중전자기력에불과하며, 용융지의유동및그외의힘들은외란에의해변화할수있기때문에완벽한단락이행의제어가불가능하다. 즉능동적으로단락, 단락기간, 단락해소, 아크기간등을제어할수있는것이아니라단락또는단락이해소될때까지기다리는수동적제어이다. 따라서전류파형제어는다음과같은한계점이존재한다. 첫째, 무스패터화가불가능하다. Fig. 23은단락초기전류상승지연시간제어를통해순간단락을제어하였 음에도불구하고순간단락이발생하고있음을보여주는것이며 3), Fig. 24는위의파형제어기능을내장한용접전원 (inverter I ~ inverter IV) 의전류대별스패터발생량을측정한것이다 8). 그림에서보이는바와같이완전한스패터의억제는불가능하다. 둘째, 초박판의용접이불가능하다. 용적과용융지간에단락이형성되면그단락을해소하고아크를재생하기위하여식 (5) 의조건을만족하여야한다. 그러기위해서는전류의증가가필수적이기때문에모재의두께가작아질수록 Fig. 25와같은용접변형및용락등의발생으로초박판용접에의적용에는한계가있다. Spatter generation rate(%) 5 4 3 2 SCR INVERTER Ⅰ INVERTER Ⅱ INVERTER Ⅲ INVERTER Ⅳ 5. 기계적제어 5. 기계적제어의기본원리 무스패터와저입열의박판용접을위해서는단락및 5 2 25 3 35 4 Fig. 22 A sample of welding current waveform of weldi ng power source controlled by current wavefor m - STT 3) Fig. 24 Spatter generation rates of different power supplie s 8) 8 Number / 2sec 6 4 I.S.C N.S.C (a) 2 Total.3.6.9.2.5.8 2. Delay time(msec) Fig. 23 Number of short circuit frequency on the delay t ime 3) (b) Fig. 25 Phenomena of burn through and distortion at thin plate welding 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 27 年 月 467
2 단락해소시낮은전류를유지하여야한다. 이를위해서는낮은전류에서외부의힘을통하여강제적으로단락및단락해소를유도하면된다. 즉단락시와이어를후진하면 전류에서도단락을해소시킬수있고, 아크기간중와이어의전진속도를증가시키면강제적으로단락을유도할수있다. 이를와이어진동 (oscillation) 제어또는기계적제어라고한다. 결국기계적제어는 Fig. 에보인 4가지의힘보다매우큰기계적힘, F M (mechanical force) 을통하여외란에상관없이단락이행의능동적제어가가능하다. 5.2 기계적제어를위한시스템의구성 기계적제어를위한시스템은와이어의진동 ( 와이어의전 후진 ) 장치및와이어버퍼 (buffer) 로구성되어있다. Fig. 26은기계적제어시스템의개략적인구성을나타내었다. 일반적으로용적이와이어선단에서분리되어용융지로이행하는시간은수 msec의짧은시간이기때문에이시간동안와이어의진동을수행할수있도록고속제어가가능한모터 ( 서보모터혹은스텝모터 ) 가사용된다. 와이어를전진및후진할때평균송급속도는송급모터에서의송급속도와같지만, 와이어의전, 후진시송급속도의변화로인하여불협화음이생기게된다. 따라서기계적제어용모터와송급모터간에와이어를임시로저장할버퍼가필요하다. 현재상용화된기계적파형제어시스템은 Fig. 27(a) Fonius 사의 CMT(cold metal transfer) 6-7) 및 Fig. 27(b) Jetline 의 CSC(controlled short circuit) 8) 가있다. 본기술보고에서는이중 CMT 프로세스에관하여소개하고자한다. 5.3 CMT 프로세스 (a) Fronius - CMT (b) Jetline - CSC Fig. 27 Mechanical control systems commercial used 이며, 전류파형제어와와이어의진동제어를동시에수행한다. Fig. 28 7) 은 CMT 프로세스중의전압, 전류파형과와이어의송급제어를개략적으로나타낸것이다. Fig. 28의 에서와같이아크열에의해와이어선단과모재가용융되어용적, 용융지가형성되면, 2와같이와이어는용융지방향으로전진송급된다. 단락직전, 단락이유지되는동안전류는 3과같이 A에맞추어, 단락시아크반발력에의한순간단락의발생을억제하고 A에서단락이행이될수있도록한다. 그리고 4에서와같이와이어가모재반대방향으로후진되어강제적으로단락을해소시킨다. 이때, 저전류에서아크가재생될수있으므로아크폭발력을최소화할수있다. CMT 프로세스의주기는평균 63Hz, 최대 7Hz 이고, 그주기는용접조건에따라다르게제어된다. Fig. 29는 CMT 프로세스에의해실제용접시의용접파형과고속영상이다. 그림에서보듯이스패터가거의발생하지않음을볼수있다. CMT 프로세스는 전류로단락해소를한다는의미 Welding wire Wire Feeder Wire storage Motor Power Source Motor Controller - + Work piece Fig. 26 Schematic illustration of mechanical control system Fig. 28 A schematic illustration of welding waveform and wire feeding control of CMT process 7) 468 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27
단락이행에서스패터저감을위한전류파형제어및기계적제어기술리뷰 3 Voltage(V) (A) 4 35 3 25 2 5 5 4 2 3 4 3 2...2.3.4.5 (s) (a) Fillet weld on.mm AlMg 3 sheet backing with welding speed of 2.m/min 2 3 4 : Wire direction Fig. 29 Welding waveform and high speed images by C MT process 5.4 CMT 프로세스의적용 CMT 프로세스는기존의 GMA 용접전원에비하여높은용착효율, 박판의용접성, 고속용접성, 다양한용접재료간접합성능등을보이며, 이때문에다양한분야에서의적용이가능하다. CMT 프로세스는연강, 스테인레스강, 알루미늄등다양한용접모재의적용이가능하며앞서언급한바와같이모재에의입열제어를통해.3mm 의초박판까지도용접이가능하다. Fig. 3(a) 는용접속도 2m/min에서두께 mm 알루미늄박판의모서리이음 (fillet) 용접시의비드형상이며, Fig. 3(b) 는용접속도.5m/min 에서백킹재 (backing sheet) 없이두께.8mm의알루미늄박판을맞대기이음 (butt) 용접시의비드단면이다 5). Fig. 3은 % CO 2 보호가스로용접속도 3m/min 에서 2.3mm 의연강판을비드온플레이트 (bead-on-plate) 용접시비드형상이다. 일반적으로전류파형제어에의한용접시순간단락 / 장기아크및스터빙에의한장기단락의발생에의해최대 2m/min 의용접이가능하나, CMT 프로세스의적용시외란에상관없이용적이이행되므로 Fig. 3과같이양호한고속용접이가능하다. 5. 결론산업기계및가전제품에서의경량화, 특히수송기기의경량화는대체연료의개발과더불어고유가시대에맞서기위한당면과제이다. 제품의경량화를위해서는부품 ( 판재 ) 의두께를줄이거나, 제품이요구하는성능을가지는경량소재를개발, 적용하는것이필요하며, 이에 (b) Butt-weld, without weld-pool support, on.8mm AlMg 3 sheet Fig. 3 CMT welding of Al alloy sheets 6) Fig. 3 High speed welding bead shape on steel by CM T process at welding speed of 3m/min using the % CO 2 따라약.3mm 에이르는초박판의고강도강, 스테인레스강의용접및알루미늄, 마그네슘합금등과같은경량소재의용접이점차적으로늘어가고있는추세이다. 이와같은소재에적용하여용접자동화, 또는박판용접시생산성향상의효과를극대화하기위해서는 첫째, 용접전원장치의자동화적용성이높아야하며, 둘째, 용접후스패터의제거, 용접결함의보수와같은 2차적인공정이발생되지않아야하고, 셋째, 고속용접을가능하게하여생산성향상을통한자동화설비의투자비용을절감시킬수있고, 넷째, 용접시입열량을작게하여용락의발생과용접변형을최소화할수있는용접전원장치가요구된다. 하지만이같은용접산업에서의요구에부합하는적절한기능을가진용접전원이장치가필요한시점에새로운제어방식을적용한기계적제어시스템의등장은기존의전류파형제어의단점을극복한획기적인일이아닐수없다. 해외에서는이미기계적제어에관한연구가다양하게진행되고있으나, 국내에서는아직이에대한연구가이루어지지않고있다. 따라서본기술 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 27 年 月 469
4 보고가계기가되어국내의기계적제어에관한연구가활발하게이루어지길바란다. 후 기 본연구는 7년한국생산기술연구원생산기술연구사업의주요목적사업으로지원되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌. I. S. Pinchuk, et al. : Stablization of transfer and methods of reducing the spattering of metal in CO₂welding with a short arc, Welding Production, 27-6 (98), 9-4 2. E. K. Stava : The surface tension transfer power source, new, low-spatter arc welding machine, Welding Journal, 72-(993), 25 3. Bruce D. DeRuntz : Assessing the benefits of surface tension transfer welding to industry, Journal of Industrial Technology, 9-4(23) 4. CO₂MAG Power supply SENSARC LS35, KOBE Technical Guide, 37-33, (997), 8 (in Japanese) 5. Lebedev V. A. and Nikitenko V. P. : The clamps for pulsed feed of electrode wire, Avt Svarka, (984), 52-58 6. K Furukawa : New CMT arc welding process - welding of steel to aluminium dissimilar metals and welding of super-thin aluminium sheets, Welding International, 2-6(26), 44-445 7. Fronius International GmbH : Welding wire storage device, PCT Appl. No. AT259(25) 8. G. Huismann : Direct control of material transfer : The short-circuiting(csc)-mig process, Proc. Gas Metal Arc Welding for 2st Century Conf., Dec. 2, Orando, FL, USA, 65 auf die Tropfenabloesung beim plasma-mig Scheisseu, Grosse Schweiss technische Tagung, DVS Verichte, (977), p.98. The physics of welding, IIW, ed. by J. F. Lancaster, Pergammon Press, (984), 234-237. J. C. Amson : An analysis of the gas-shielded consumable metal arc welding system, Brit. Welding J., 4-4(962), 232-249. 2. J. H. Hwang, H. S. Moon, S. J. Na and K.S. Han, A study on modeling of short-circuiting phenomena and selection of current waveform for reduction of spatter in GMAW, Welding J. KWS, 4(996), 57-63 (in Korean) 3. C. H. Lee, H. J. Kim, B. Y. Kang : Effect of delay time control on the spatter generation in CO₂welding, Journal of KWS, 7-5(999), 6-68 (in Korean) 4. H. J. Kim, Y. S. Kim : Concept of waveform control for the reduction of CO₂welding spatter, Welding J. KWS, 6-3(998), 8-28 (in Korean) 5. T. Mita : Waveform control method in CO₂gas shielded arc welding, Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 6-2(998), 29 6. DAIHEN Inc. : DP4/DP5/DM35 Digital controlled DC inverter arc welding machines, CAT. NO. A446A 7. M. J. M Hermans, G. Den Ouden : Process behavior and stability in short circuit gas metal arc welding, 78-4(999), p. 8 8. H. J. Kim, C. H. Lee : The Characteristics of power sources on the spatter generation rate in CO 2 arc welding process, Journal of KWS, 7-4(999), 6-2 (in Korean) 9. T. Mita : Spatter reduction-power source considerations, Welding International, 5-(99), 847-85 김영삼 ( 金永三 ) 979 년생 한국생산기술연구원금속소재신뢰성평가센터 용접전원파형제어 e-mail : ysys32@kitech.re.kr 유회수 ( 柳會洙 ) 965년생 한국생산기술연구원, 정밀접합팀 디지털용접전원개발, 자동제어, 집합조직 e-mail : hsryoo@kitech.re.kr 김희진 ( 金喜珍 ) 953년생 한국생산기술연구원, 정밀접합팀 용접전원파형제어, 용접재료개발 e-mail : kimhj@kitech.re.kr 오성철 ( 吳成哲 ) 958 년생 한국기술교육대학교정보기술공학부부교수 전동차용전력변환장치개발, 자기부상열차, 전기자동차, Power Supply 개발, 회로 Simulation e-mail : scoh@kut.ac.kr 9. J. H. Waszink, L.H.J. Grat : Der Einflues der Sasstroemung 47 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 27