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문제 정의
- 6) 그러나 국내에서는 이와 같은 제어현상이 어떻게 이루어지고 있는지 대해서 깊이 있게 연구된 바 없을 뿐만 아니라, 각기 서로 다른 파형제어 특성을 가지고 상품화되어 있는 인버터 전원에 대한 비교 평가조차도 이루어져 있지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 SCR형 용접기와 현재까지도 다양하게 개발되고 있는 인버터 용접기를 상호 비교 평가하는 최종 목표를 가지고, 본 논문에서는 일차적으로 SCR용접기의 스패터 발생량에 미치는 용접조건의 영향에 대하여 연구하게 되었다.
- 본 연구에서는 이러한 점을 보완하기 위하여 보다 넓은 범위의 조건에서 스패터 발생량을 측정하고 그 결과를 용적이행 현상 및 용접 비드 형상 측면에서 해석함으로써, 용접조건과 스 패터 발생량의 상관관계를 보다 쉽게 설명할 수 있도록 하고자 수행하였다.
제안 방법
- CO2가스 분위기에서 사이리스터(SCR)제어 방식의 Robot 용접기를 사용하여 용접조건 변화에 따른 스패터 발생량을 측정하고, 측정된 결과를 금속이행 모드와 관련하여 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3의 (C)와 같이 나타나게 된다. 따라서 본 연구에서는 CO2 용접의 용적이행 형태를 3가지로 구분하였는데, 먼저 평균 단락 횟수가 5회/sec 이하인 경우는 입상이행으로 정의 하였고 6～15회/sec인 경우는 천이(transitional) 이행이라고 하였으며, 16회/sec 이상인 경우는단락이행으로 정의하였다.
- 용접은 준비된 모재를 Fig. 2와 같은 스패터 포집장치 내부에 설치하고 약 400mm의 비드언 플레이트(bead on plate)용접을 길이 방향으로 실시하였다. 용접이 진행되는 동안 용접 전류, 전압 파형을 각각 측정하였으며, 용접이 완료된 후에는 용접 중 발생된 스패터를 모두 포집하고, 이를 슬래그, 잔사 등으로부터 분리한 다음, 일정크기(140 mesh)이상의 스패터만 취하여 무게를 측정하였다.
- 2와 같은 스패터 포집장치 내부에 설치하고 약 400mm의 비드언 플레이트(bead on plate)용접을 길이 방향으로 실시하였다. 용접이 진행되는 동안 용접 전류, 전압 파형을 각각 측정하였으며, 용접이 완료된 후에는 용접 중 발생된 스패터를 모두 포집하고, 이를 슬래그, 잔사 등으로부터 분리한 다음, 일정크기(140 mesh)이상의 스패터만 취하여 무게를 측정하였다. 측정된 스패터 무게는 용접재료 100g 당으로 환산하여 스패터 발생율(Spatter Generation Rate, SGR, %)을 측정하였따.
- 용접이 진행되는 동안 용접전압과 전류는 아크 모니터링 시스템(Arc Monitoring system)을 통하여 2초 간격으로 측정하여 평균하였으며, 각각에 대한 순간적인 변화는 자체 제작한 용접 전류, 전압 파형 측정 장치를 이용하여 각각 20kHz의 샘플링 속도로 3초 동안 측정하였다.
- 용접조건은 먼저 와이어 송급 속도(wire feeding reate, WFR)를 20~14.0m/min 범위에서 6단계로 설정한 다음, 각각의 단계에서 콘택트 팁(contact tip)과 모재 간의 거리 (CTWD) 및 용접속도는 일정하게 하고, 단지 용접전압만을 변수로 하여 실험을 실시하였다.
- 이상의 결과에서 알 수 있듯이, CO2용접의 용적이행 형태는 와이어 송급 속도(용접전류)에 따라 상이하게 나타나고 있음을 알 수 있는데, 본 연구에서는 와이어 송급 속도를 기준으로 하여 다음과 같이 구분하여 보았다. 즉 용접전압 변화에 관계없이 단락이행만을 보여주는 구간, 입상 이행만 보여주는 구간(이들을 각각 단락이행 구간, 입상이행구간이라고 명명함) 그리고 천이 현상을 보여주어 2가지 이행 형태가 모두 나타나는 구간(이를 혼합이행 구간이라고 칭함)으로 구분한 것이다.
- 용접이 진행되는 동안 용접 전류, 전압 파형을 각각 측정하였으며, 용접이 완료된 후에는 용접 중 발생된 스패터를 모두 포집하고, 이를 슬래그, 잔사 등으로부터 분리한 다음, 일정크기(140 mesh)이상의 스패터만 취하여 무게를 측정하였다. 측정된 스패터 무게는 용접재료 100g 당으로 환산하여 스패터 발생율(Spatter Generation Rate, SGR, %)을 측정하였따.
대상 데이터
- 용접용 와이어는 직경 1.2mm 연강용 CO2 용접용 솔리드 와이어(Solid wire)로써 국내 K회사의 KC-26(AWS ER 70S-G, JIS YGW-12)제품이며 용접 실험 전에 220℃로 1시간 건조하여 사용하였다.
- 본 실험에 사용된 용접용 로봇 시스템은 대우중공업(주)에서 제작된 IRB-1500기종이며, 용접기는 효성중공업(주)에서 제작한 CO2-MAG Arc 용접기로, 주요 사양과 용접 모재 가공, 용접부 시편의 절취, 연삭 및 측정에 사용한 기계의 사양을 아래 Table 1에 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 용접전원은 350A급 SCR 제어형으로써 국내 S사에서 제작된 것이며, 보호가스는 용접용 CO2가스이며 유량을 25 l/min이었다.
- 본 연구에 사용한 시험모재는 일반 구조용 압연 강재(KS D 3505 : SS400)를 사용하였으며 기계적 성질과 화학성분은 Table 2, Table 3과 같다. 용접모재는 100(W)x400(L)x12(t) 크기로 기계 가공하여 녹을 완전히 제거하였다.
- 본 연구에 사용한 시험모재는 일반 구조용 압연 강재(KS D 3505 : SS400)를 사용하였으며 기계적 성질과 화학성분은 Table 2, Table 3과 같다. 용접모재는 100(W)x400(L)x12(t) 크기로 기계 가공하여 녹을 완전히 제거하였다.
성능/효과
- (1) 와이어 송급속도가 느려서(5.5m/min 이하), 용접전류가 낮은 경우에는(200A이하), 금속이행 형태는 용접전압에 관계없이 단락이행만을 보여주며, 스패터 발생률은 용접전압이 증가함에 따라 감소하다가 증가하는 경향을 보여준다. 그러므로 와이어 송급속도 2.
- (2) 와이어 송급 속도가 증가하면 9～12m/min 수준이 되면(용접전류 250～270A), 금속이행 형태는 용접전압이 증가함에 따라 단락이행에서 입상이행으로 점차적으로 바뀌게 되며, 스패터 발생량은 증가하다가 감소하는데, 천이 구간에서 스패터 발생량은 최대가 된다. 그러므로 천이구간에서는 자동화에 적용시키기는 곤란함을 알 수 있다.
- (3) 와이어 송급 속도가 14m/min (용접전류 270A 이상)이 되면, 입상이행만을 보여 주는데, 이 경우의 스패터 발생량은 용접전압이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보여준다. 입상이행에서는 용접전압 35(V)이하에서 자동화에 적용시킬 수가 있음을 알 수 있다.
- (4) 최적의 용접 비드가 만들어지는 조건에서의 스패터 발생량은 와이어 송급속도(또는 용접전류)가 증가함에 따라 서서히 증가하다가 9m/min 정도(용접전류 260A)에서 약 5%로 최대치에 도달하는데, 최대가 되는 조건에서는 용적이행 형태는 천이이행(단락이행＋입상이행)모드로써 순간단락이 자주 발생하며 자동화에 적용시킬 수 없는 구간임을 알 수 있었다.
- 지금까지는 용접조건 변화에 따른 스패터 발생량의 변화에 대해서 살펴보았는데 결론적으로 용접조건을 적절히 선택하면 스패터 발생을 최소화시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 용접전압을 선정하되 스패터 발생이 최소화되는 조건으로 선정하게 되면 스패터 발생률은 SCR 용접기에서도 약 2%이하로 유지할 수 있음을 보여 주었다. 그러나 실제 용접시공에 있어서는 스패터 발생 정도보다는 용접 비드 형상을 우선적으로 고려하여 용접조건을 설정하고 있다.
- 본 그림에서 알 수 있듯이 스패터 발생률은 용접전압이 증가함에 따라 서서히 감소하다가 증가하는 경향을 보여 주고 있다. 다시 말하면 이 구간에서는 스패터 발생률이 최소가 되는 용접 전압이 존재한다는 것을 의미하는데, 그 조건에서의 스패터 발생률은 모두 1%미만으로 매우 적은 수치를 보여 주었다. 한편 용접 전압 증가에 따른 스패터 발생률의 변화와 단락이행 횟수의 변화를 함께 검토하여 본 결과, 이들 사이에는 어느 정도 상관관계가 있음을 알 수 있었는데 Fig.
- 5m/min이하 (용접전류 200A)인 범위에서는 용접전압에 관계없이 모두 단락이행 현상만을 보여 주고 있다. 단락횟수는 전압이 증가함에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 보여 주었는데, 최대 단락횟수는 와이어 송급 속도가 3.6m/min, 용접 전압이 20V일 때 110회/sec 이었으며, 최소 단락 횟수는 약 20회/sec 이었다. 따라서 이 경우는 모두 단락이행조건이라고 판정하였다.
- 지금까지는 용접조건 변화에 따른 스패터 발생량의 변화에 대해서 살펴보았는데 결론적으로 용접조건을 적절히 선택하면 스패터 발생을 최소화시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 용접전압을 선정하되 스패터 발생이 최소화되는 조건으로 선정하게 되면 스패터 발생률은 SCR 용접기에서도 약 2%이하로 유지할 수 있음을 보여 주었다.
- 천이이행 구간에서 스패터 발생률이 최대가 되는 원인을 규명하기 위하여 용접 파형을 보다 자세히 분석하여 본 결과, 천이 이행에서는 단락 구간이 2m/sec이하일 때 순간 단락 (instantaneous short circuit)이 자주 발생하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 다시 말하면 이 구간에서는 스패터 발생률이 최소가 되는 용접 전압이 존재한다는 것을 의미하는데, 그 조건에서의 스패터 발생률은 모두 1%미만으로 매우 적은 수치를 보여 주었다. 한편 용접 전압 증가에 따른 스패터 발생률의 변화와 단락이행 횟수의 변화를 함께 검토하여 본 결과, 이들 사이에는 어느 정도 상관관계가 있음을 알 수 있었는데 Fig. 8에서 보듯이 단락이행 횟수가 최대가 되는 조건과 스패터 발생률이 최소가 되는 조건이 매우 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 그리고 본 논문의 결과는 추후 Robot 용접의 최적 용접조건을 설정하거나, 파형 제어 성능을 평가하는데 기본 데이터로 사용되길 기대하는 바이다.
- 따라서 향후 스패터 발생량과 관련하여 인버터 용접기의 기능을 평가함에 있어 천이이행 모드 조건에서 파형 제어 기능의 역할을 보다 깊이 있게 평가하는 것이 매우 중요하다고 하겠다.
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