[논문]STS304L 캡슐의 펄스형 GTA 용접에서 용접변수들이 용접부 형상에 미치는 영향

이형근; 한현수; 손광재

doi:10.5781/kwjs.2007.25.5.064

문제 정의

기저전류의 수준에 따라서는 입열량의 차이가 적었으나, duty/용접속도의 수준에 따라서는 입 열량의 차이가 다소 발생하였다. 따라서 duty/용접속도의 수준에 따른 입열량의 차이가 종횡비에 주도적인 영향을 미쳤는지 알아보았다. Fig.
Stainless steel의 펄스형 GTA 용접에서 용접변수들이 용접부 형상에 미치는 영향들에 대한 연구는 최근까지 다양하게 실시되었으나56), 모재의 형상과 용접변수들이 본 연구에서 필요로 하는 내용과 달랐기 때문에 그 결과들을 직접적으로 capsule의 용접에 적용하기는 어려웠다. 본 연구는 방사선원의 밀봉용접을 위한 기초연구로서, STS304L capsule의 펄스형 GTA 용접에서 용접변수들이 용접부의 형상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 최적 밀봉용접조건을 확립하고자 하였다.
본 연구에서는 lr-192 방사선원을 STS304L capsule 내부에 밀봉용접하기 위한 기초연구를 수행하였다. 펄스 형 GTA 용접법에 의한 STS304L capsule의 밀봉용접에서 용접변수들이 용접부의 형상에 미치는 영향을 정 량적으로 분석하였다.
고정하여 사용하였다. 펄스형 GTA 용접에서 용입은 펄스 피크전류에 의해 상당히 영향을 받으나, 본 연구에서는 펄스 피크전류를 고정시키고 다른 용접변수의 영향을 분석하고자 하였다. 펄스 피크전류를 33 A로 일정하게 사용하였을 때 용접전압은 다른 용접조건들에 거의 무관하게 약 20 V로 측정되었다.

제안 방법

1) 펄스형 GTA 용접에서 7 개의 용접변수(전극의 직경, 전극 tip의 각도, 아크길。], 보호가스 유량, 펄스 주파수, 기저전류, duty/용접속도)가 용접부의 형상(폭, 용입, 면적)과 종횡비 및 면적율에 미치는 영향을 통계적인 방법에 의해 정량적으로 분석하였다.
따라서 root 부에서 용접부가 가능한 넓게 형성되는 것이 더 바람직하였다. root에서 용접부가 넓게 형성되는 정도를 판단하기 위하여 면적율(area rate)을 측정하였다. 면적율은 “면적율(area rate) =〔면적(area)〕/〔폭(width)*용입 (penetration)「로 정의하였다.
2에서는 이들 용접변수들의 위치를 도식적으로 보여준다. 각 용접변수들에 대한 실험조건 범위에 대해서도 예비실험을 통해서 적절한 범위를 결정하였다.
펄스 형 GTA 용접법에 의한 STS304L capsule의 밀봉용접에서 용접변수들이 용접부의 형상에 미치는 영향을 정 량적으로 분석하였다. 분석결과들을 바탕으로 STS304L capsule의 최적용접조건을 도출하고, 확인 용접실험을 수행하였다. 연구결과 얻어진 내용은 다음과 같이 요약 될 수 있다.
초기에 실험장치의 조절과정에서 duty/용접속도의 수준에 따라 입열량을 정확하게 일치시키는 것이 어려웠기 때문에 약간의 입열량 차이가 발생하였다. 수준에 따른 입 열량의 차이의 영향을 분석하기 위하여 모든 실험조건에 대하여 oscilloscope를 사용하여 용접전류를 직접 측정하였으며 이를 사용하여 실제 입열량을 계산하였다. Table 2의 2 번 조건(피크전류: 33 A, 기저전류: 4.
실험의 적합성을 판단하기 위하여 3 수준의 1개 열 (column)에는 변수를 배치하지 않고 에러(error)로 남겨 두었다. 실험순서는 난수표를 사용하여 무질서하게 하였다.
얇은 두께의 용접을 위하여 소형 펄스형 GTA 용접기를 사용하였으며, 용접기는 인버터형으로 출력 부하전류 0.5 ~ 33 A, 출력부하전압 20 ~ 25 V, 주파수 0.5 ~ 200 Hz의 범위에서 제어할 수 있다. 용접과정은 PLC (programmable logic controller) 를 사용하여 모터의 회전, 가스의 공급, 용접의 시작과 종료 등 모든 용접 cycle이 자동으로 작동되도록 하였다.
용접 시험편들은 단면을 절단하고, mounting, 연마, polishing, 에칭한 후 광학현미경에 의해 용접부 단면사진을 관찰하였다. 컴퓨터 software를 사용하여 용접부의 폭, 용입 및 면적을 정확히 측정하였다.
5 ~ 200 Hz의 범위에서 제어할 수 있다. 용접과정은 PLC (programmable logic controller) 를 사용하여 모터의 회전, 가스의 공급, 용접의 시작과 종료 등 모든 용접 cycle이 자동으로 작동되도록 하였다.
따라서 입열량에 무관하게 용접변수들의 영향을 분석하기 위하여 가능한 입열량을 일정하게 유지시켰다. 입열량을 일정하게 유지하기 위하여, 전류의 duty와 capsule 회전의 표면속도(용접속도)를 상대적으로 변화시켰다. 즉 기저전류의 영향을 무시하고서 duty/용접속도의 수준에 따른 입열량을 대략적으로 계산해 보면 duty/용접속도가 30/0.
관찰하였다. 컴퓨터 software를 사용하여 용접부의 폭, 용입 및 면적을 정확히 측정하였다. 용접부는 가능한 종횡비가 크며, 완전용입 (full penetration)을 가져야 한다.
펄스 피크전류를 33 A로 일정하게 사용하였을 때 용접전압은 다른 용접조건들에 거의 무관하게 약 20 V로 측정되었다. 텅스텐 전극의 극성은 전극의 손상을 최대한 줄이고 용입을 크게 하기 위하여 전극을 음극으로 하였다. 용접부의 폭(width), 용입(penetration)과 면적(area)은 입열량(heat input) 에 의해 달라진다.
펄스 형 GTA 용접법에 의한 STS304L capsule의 밀봉용접에서 용접변수들이 용접부의 형상에 미치는 영향을 정 량적으로 분석하였다. 분석결과들을 바탕으로 STS304L capsule의 최적용접조건을 도출하고, 확인 용접실험을 수행하였다.

대상 데이터

Ir-192 방사선원이 삽입된 상태에서 용접하기 위해서는 안전을 위하여 반드시 hot cell 내에서 원격으로 작업이 이루어져야 한다. 그러나 hot cell 내에서 다양한 용접실험을 흐}기가 매우 어려웠기 때문에, 본연구에서는 실험의 편의와 안전을 위하여 Ir-192 방사선원만을 제거한 동일한 시험편을 사용하여 실험실에서 실험하였다.
용접변수들은 예비실험을 통하여 용접부의 형상에 영향을 미칠 것으로 생각되는 7개의 변수를 선택하였다. 선정된 용접변수들로서는 ① 전극의 직경, ② 전극 tip 의 각도, ③ 아크길。], ④ 보호가스 유량, ⑤ 용접 전류 펄스 주파수, ⑥ 펄스 기저 전류(base current), ⑦ duty/용접속도이다.
77의 조건을 선정하였다. 종횡비와 용입에는 역시 기저전류가 상당한 영향을 미쳤기 때문에 완전용 입을 확보하기 위하여 6.4 A를 선정하였다. 나머지 변수들은 거의 영향이 없었으며 어떠한 조건을 선정하여도 무방하다.

데이터처리

3) 종횡비와 면적율에 대해서 분산분석을 수행하였다. 분산분석 결과 종횡비는 duty/용접속도 조합에 가장 큰 영향을 받았으며, 아크길이와 기저전류에도 상당한 영향을 받았다.
각 용접변수들의 영향을 좀 더 통계학적이고 정량적으로 분석흐하기 위하여 분산분석(ANOVA, analysis of variance)을 실시하였다. 최종적으로 중요한 특성치인 종횡비와 면적율에 대해서 분산분석한 결과는 Table 3와 Table 4에 수록하였다.

이론/모형

GTA 용접실험은 L18 직교배열표를 사용하여 계획하였다. L18 직교배열표는 1 개의 2 수준 변수와 7 개의 3 수준 변수를 동시에 실험할 수 있으며, 교호작용이 모든 열에 고르게 분산되어 교호작용의 영향이 가장 적은 직교배열표이다.
그림에서 그래프 아래쪽의 면적이 평균 용접전류에 해당한다. 입열량을 계산하기 위하여 입열량(H.I.) = (용접 전압*평균용접전류)/(용접속도)의 식을 사용하였다. 용접전압으로는 20 V를 사용하였다.

성능/효과

2) 용접부의 폭, 용입, 면적은 모두 duty/용접속도의 조합에 가장 큰 영향을 받았으며, duty/용접속도가 50/1.77의 수준일 때 가장 큰 값을 가졌으며, 30/0.89 의 수준에서 가장 낮은 값을 가졌다.
6에서는 용접변수들이 종횡비와 면적율에 미치는 영향을 그래프로 보여준다. duty/용접속도의 조합이 종횡비에 가장 크게 영향을 미치며, 아크길이가 상당히 영향을 미치는 것으로 보인다. 면적율에 있어서는 모든 용접변수들의 영향이 거의 비슷한 것으로 판단된다.
첫 번째 기준을 만족시키기 위해서 용접부는 충분한 용입을 가져야 하며, 종횡비 (aspect ratio)가 커야 하며, root부가 가능한 넓어야 한다. 두 번째 기준을 충족시키기 위해서는 hot cell 내에서 장기간 용접할 수 있도록 전극의 교체시기가 가능한 길어야 한다.
분산분석 결과 종횡비는 duty/용접속도 조합에 가장 큰 영향을 받았으며, 아크길이와 기저전류에도 상당한 영향을 받았다. 반면 면적율은 아크길이에만 유효한 영향을 받았으나, 다른 변수들에는 거의 영향을 받지 않았다.
4의 용접부단면의 미세조직을 보면 각 하나의 pulse 동안 용융과 응고가 완료된 것으로 보인다. 분산분석의 결과로부터 큰 duty와 빠른 용접속도의 조합이 pulse에 의한 용융을 상대적으로 폭은 좁고 용입은 깊게 하는 것으로 보인다.
Table 4에서 면적율의 분산분석 결과를 보면 대부분의 용접변수들이 면적율에 미치는 영향은 매우 작다는 것을 알 수 있다. 용접변수들 중에서 유일하게 아크길이만이 면적율에 유효한 영향력을 가졌다.
5에서는 각 용접변수가 용접부의 폭, 용입 및 면적에 미치는 영향을 그래프로 보여준다. 용접부의 폭, 용입 및 면적은 모두 duty/용접속도에 가장 큰 영향을 받았다. 또한 전극직경, 아크길이와 기저전류가 어느 정도 영향을 미치는 것으로 보인다.
용접부는 적당한 폭을 가지며 충분한 용입을 가지고 있었다. 제작한 capsule들은 규정에 따른 다양한 기계적인 시험을 실시하였으며, 최종 적합한 것으로 판정받았다.
우선 아크길이는 면적율과 종횡비 모두에 상당한 영향을 미쳤다. 종횡비와 용입은 duty/용접속도에 가장 크게 영향을 받았으나, 면적율은 거의 아크길이에만 영향을 받았다. 따라서 아크길이는 면적율의 최적화를 위해서 1 mm로 짧게 유지하는 것이 필요하다.
펄스형 GTA 용접에서 용입은 펄스 피크전류에 의해 상당히 영향을 받으나, 본 연구에서는 펄스 피크전류를 고정시키고 다른 용접변수의 영향을 분석하고자 하였다. 펄스 피크전류를 33 A로 일정하게 사용하였을 때 용접전압은 다른 용접조건들에 거의 무관하게 약 20 V로 측정되었다. 텅스텐 전극의 극성은 전극의 손상을 최대한 줄이고 용입을 크게 하기 위하여 전극을 음극으로 하였다.

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