[논문]TIG 용접에서 열유속이 용융효율과 용입형상에 미치는 영향

오동수; 조상명

doi:10.5781/kwjs.2009.27.2.044

TIG 용접에서 열유속이 용융효율과 용입형상에 미치는 영향
Effect of Heat Flux on the Melting Efficiency and Penetration Shape in TIG Welding 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.27 no.2, 2009년, pp.44 - 50

오동수 (한국폴리텍VII대학 창원캠퍼스 산업설비자동화과) , 조상명 (부경대학교 신소재공학부 소재프로세스공학)

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of arc pressure, current density and heat flux distribution are important factors in understanding physical arc phenomena, which will have a marked effect on the penetration, size and shape of a weld in TIG welding. The purpose of this study is to find out the effect of the heat flux on the melting efficiency and penetration shape in TIG welding using the results of the previous investigators. The conclusions obtained permit to draw a proper method which derived the heat flux distributions by arc pressure distribution measurements, but previous researchers calculated heat flux and current distribution with the heat intensity measurements by the calorimetry. Heat flux of Ar gas arc was concentrated at the central part and distributed low from the arc axis to the radial direction, that of He mixing arc was lower than that of Ar gas, and it was wide distributed to radial direction. That showed a similar characteristic with the Nestor's by calorimetry calculated values. Throughout heat flux drawn in this study was discussed melting efficiency and penetration shape on Ar gas and He mixing gas arc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5와 같은 용접 입열의 관점에서만 설명하기에는 이론적 배경이 부족하다고 생각된다. 따라서 본 연구에서는 용융효율이라는 개념을 도입하여 아크 물리학적 현상을 설명하고자 한다. 많은 연구에서 텅스텐 전극의 형상^1,2,9), 미량원소의 첨가¹⁶⁾, 그리고 실드 가스의 종류^7,16)에 따라 용접부의 용융효율(melting efficiency)에 대해 정성적으로 언급하고 있다.
본 연구의 목적은 TIG 용접에서 He 혼합에 따라 측정된 아크압력 분포⁸⁾와 기존 연구자들의 아크 물리학적 결과들^1-3,8,12-13)을 활용하여 TIG 용접에서 열유속(heat flux)이 용융효율과 용입 형상에 미치는 영향을 규명하는 것이다.
본 저자는 이전의 연구^8,13,14)를 통하여 TIG 용접에서의 실드가스 혼합비에 따른 아크 압력분포 특성과 측정된 아크 압력으로부터 전류밀도 분포를 유도하였고, 대전류 고속 TIG 용접특성에 미치는 He 혼합비의 영향을 보고 하였다. 이전의 많은 연구자들은 열량측정법에 의해 열유속을 측정하여 열 분포와 전류밀도를 계산^5,6)하였지만, 본 저자의 연구에 의한 다음의 과정을 통하여 측정된 아크 압력분포로부터 열유속 분포를 유도할 수 있다.

가설 설정

즉 아크는 식 (1)과 같이 수많은 전류가 흐르는 통로로 구성되어 있는 전류밀도 J 의 다발로 된 병렬회로이며, 연속된 플라즈마 형태를 갖는 집합체로 가정할 수 있다. 또한 TIG 용접에서 아크 중심에서 반경방향으로 5.

제안 방법

TIG 용접에서 열유속이 용융효율과 용입 형상에 미치는 영향을 규명하기 위하여 STS304 판재에 고속 용접하여 얻은 비드형상과 용입 형상에 대하여 아크 물리학적 관점에서 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
TIG 용접에서 열유속이 용융효율과 용입 형상에 미치는 영향을 규명함에 있어서 아크 개시와 동시에 TIG 용접 모니터링 시스템을 사용하여 용접전류와 전압의 파형을 측정하였다. 용접속도는 20∼100cm/min의 범위로 변화시켰다.
그것을 위하여 He 혼합비에 따른 TIG 용접의 아크 압력 분포특성과 측정된 아크압력⁸⁾으로부터 유도된 전류밀도¹³⁾와의 관계에 의해 열유속을 유도하였다. 또한 STS 304 판재에 He 혼합에 따른 TIG 용접을 실시하여 얻어진 용접비드 형상과 용입 형상에 대하여 아크 물리학적 관점에서 고찰하였고, 그것의 타당성에 대하여 논하였다.
와의 관계에 의해 열유속을 유도하였다. 또한 STS 304 판재에 He 혼합에 따른 TIG 용접을 실시하여 얻어진 용접비드 형상과 용입 형상에 대하여 아크 물리학적 관점에서 고찰하였고, 그것의 타당성에 대하여 논하였다.
용접속도는 자동 이송대차를 사용하여 조정하였고, 토치의 작업각과 진행각은 0°로 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 용가 와이어의 사용 없이 자동 용융주행에 의한 아래보기 자세의 TIG 용접을 실시하였고, 사용한 모재는 STS304 판재이다. Table 1은 STS304 판재에 대전류 고속 TIG 용접을 실시한 용접조건을 나타낸 것이다.
2mm)을 이용하여 텅스텐 전극이 마이너스(-)인 DCEN(직류 정극성)을 사용하였고, 전극선단 원추 각은 45°로 가공된 sharp tip을 사용하였다. 실드 가스는 공업용 100%Ar가스(이하 Ar가스)와 Ar가스에 He가스를 혼합한 Ar+33%He(이하 He33), 그리고 Ar+67%He(이하 He67)인 He혼합가스를 사용하였다. 실드 가스의 유량은 20ℓ/min로 하였다.
용접속도는 자동 이송대차를 사용하여 조정하였고, 토치의 작업각과 진행각은 0°로 하였다. 용접기는 300A 용량의 인버터 형을 사용하였다.
전극은 2% Th-W(직경 3.2mm)을 이용하여 텅스텐 전극이 마이너스(-)인 DCEN(직류 정극성)을 사용하였고, 전극선단 원추 각은 45°로 가공된 sharp tip을 사용하였다.

이론/모형

용융효율은 모재로 투입된 에너지에 대한 용접 금속을 녹이는데 사용되는 에너지의 비이며, 본 연구에서는 J. Tušek의 식17)을 이용하였다.

성능/효과

1) 기존의 연구자들은 열량측정법에 의해 열전달 세기를 측정하여 열유속 분포와 전류밀도 분포를 계산하였지만, 본 연구에서는 아크 압력분포를 측정하여 열유속 분포를 유도하는 간단하면서도 타당한 방법을 도출 하였다.
2) Ar가스 아크는 아크 중심부의 열유속이 현저히 높아지고 주변부로 갈수록 낮은 분포를 하며, He혼합가스 아크는 Ar가스 아크에 비해 아크 중심부의 열유속은 낮았으나 아크 중심부에서 주변부까지 고루 분포하는 특징을 갖는다. 이는 Nestor⁴⁾가 열량측정법에 의해 계산한 값과 유사한 특징을 보였다.
3) He혼합가스 아크가 Ar가스 아크에 비해 용접 단면적이 크게 증가되었고, 그 용융효율도 Ar가스 아크에비해 약 1.14배로 증가되었는데, 그 이유로는 다음 두가지를 들 수 있을 것이다. 첫째, He혼합가스 아크 상부는 열적핀치 효과에 의해 긴축되어 대기로의 복사 열손실이 적어 모재로의 입열 효율이 증가되었기 때문이다.
4) Ar가스 아크는 핑거(finger) 비드 형상을 He혼합가스 아크는 접시형(dish pattern) 비드 형상을 보였다. 이것은 Ar가스 아크는 아크 중심부 2.
첫째, Photo 2와 같이 He 혼합가스 아크 상부는 열적핀치 효과⁹⁾에 의해 긴축되어 대기로의 복사 열손실이 적어 모재로의 입열 효율이 증가되었기 때문이다. 둘째, Ar가스 아크에서는 아크 중심부의 열유속 집중도가 높아 그곳의 용융금속 표면온도가 현저히 상승하여 전체용융금속의 체적이 그다지 증가하지 못하지만, He혼합가스 아크에서는 그 중심부의 열유속 집중도가 낮아서 용융금속의 최고온도도 그다지 높지 않게 되어 용융금속의 체적은 오히려 증가하기 때문이라고 할 수 있다. He혼합가스 아크는 Ar가스 아크에 비해 낮은 열유속(Critical heat flux)으로도 모재의 중심에서 주변부까지 용융이 가능하다고 생각된다.
첫째, Photo 2와 같이 He 혼합가스 아크 상부는 열적핀치 효과⁹⁾에 의해 긴축되어 대기로의 복사 열손실이 적어 모재로의 입열 효율이 증가되었기 때문이다. 둘째, Ar가스 아크에서는 아크 중심부의 열유속 집중도가 높아 그곳의 용융금속 표면온도가 현저히 상승하여 전체용융금속의 체적이 그다지 증가하지 못하지만, He혼합가스 아크에서는 그 중심부의 열유속 집중도가 낮아서 용융금속의 최고온도도 그다지 높지 않게 되어 용융금속의 체적은 오히려 증가하기 때문이라고 할 수 있다. He혼합가스 아크는 Ar가스 아크에 비해 낮은 열유속(Critical heat flux)으로도 모재의 중심에서 주변부까지 용융이 가능하다고 생각된다.
따라서 본 연구에서 측정된 아크 압력에 의해 열유속을 유도한 과정은 이전 연구자들의 열량측정법에 비해 매우 간편한 방법이다. 본 연구에서 측정된 아크 압력으로부터 열유속을 유도한 것은 향후 용입, 용접부의 크기와 형상이 형성되는 용접 아크 물리학을 이해함에 있어서 매우 중요한 과학적인 방법이 될 것으로 기대된다.
또한 Ar가스 아크의 전류밀도와 열유속의 분포는 아크 직경 2.0mm 이내에 집중하여 작용하고 있고 반경 방향으로 급격하게 감소하는 경향을 보이지만, He혼합가스 아크의 전류밀도와 열유속의 분포는 아크 중심에서 반경 방향으로 넓게 분포하고 균일하게 작용하고 있음을 알 수 있다. 이것은 Nestor⁴⁾가 열량 측정법에 의해 계산한 값과 유사한 특징을 보였다.
14배로 증가되었는데, 그 이유로는 다음 두가지를 들 수 있을 것이다. 첫째, He혼합가스 아크 상부는 열적핀치 효과에 의해 긴축되어 대기로의 복사 열손실이 적어 모재로의 입열 효율이 증가되었기 때문이다. 둘째, Ar가스 아크에서는 아크 중심부의 열유속 집중도가 높아 그곳의 용융금속 표면온도가 현저히 상승 하여 전체용융금속의 체적이 그다지 증가하지 못하지만, He혼합가스 아크에서는 그 중심부의 열유속 집중 도가 낮아서 용융금속의 최고온도도 그다지 높지 않게 되어 용융금속의 체적은 오히려 증가하기 때문이라고 할 수 있다.
14배로 증가되었는데, 그 이유로는 다음 두 가지를 들 수 있을 것이다. 첫째, Photo 2와 같이 He 혼합가스 아크 상부는 열적핀치 효과⁹⁾에 의해 긴축되어 대기로의 복사 열손실이 적어 모재로의 입열 효율이 증가되었기 때문이다. 둘째, Ar가스 아크에서는 아크 중심부의 열유속 집중도가 높아 그곳의 용융금속 표면온도가 현저히 상승하여 전체용융금속의 체적이 그다지 증가하지 못하지만, He혼합가스 아크에서는 그 중심부의 열유속 집중도가 낮아서 용융금속의 최고온도도 그다지 높지 않게 되어 용융금속의 체적은 오히려 증가하기 때문이라고 할 수 있다.

후속연구

그러나, 대전류 영역에서 실드 가스 종류에 따라 핑거비드나 접시형 비드가 발생 되는데, 아크 압력특성으로 용입 형상을 논함에 있어서 한계성을 가지고 있다. 따라서 측정된 아크 압력과 그것으로부터 유도된 전류밀도에 의해 용융풀의 형상과 크기를 예측할 수 있는 에너지 분포특성에 대한 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서 측정된 아크 압력에 의해 열유속을 유도한 과정은 이전 연구자들의 열량측정법에 비해 매우 간편한 방법이다. 본 연구에서 측정된 아크 압력으로부터 열유속을 유도한 것은 향후 용입, 용접부의 크기와 형상이 형성되는 용접 아크 물리학을 이해함에 있어서 매우 중요한 과학적인 방법이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TIG 용접에서 용입, 용접부의 크기와 형상이 형성되는 아크 물리학적 현상을 이해함에 있어 중요한 인자는 무엇인가?	TIG 용접에서 용입, 용접부의 크기와 형상이 형성되는 아크 물리학적 현상을 이해함에 있어서 아크압력1-3), 전류밀도와 열유속4-6)은 매우 중요한 인자이다. 어떤 용접조건에서 양극인 모재위에 작용하는 아크 압력이 높다는 것은 그 만큼 전류밀도가 높다는 것을 의미하고 있기 때문이다2,7).
	아크 내에서 발생된 에너지는 어떤 역할을 하는가?	많은 연구자들은 저전류나 중전류 영역의 TIG 용접에서 텅스텐 전극의 선단각과 용입 형태와의 관계를 플라즈마 기류 등에 의해 고찰하였고1,8), 텅스텐 전극형상과 아크압력의 특성2,7,9)이나 열분포(Heat distribution)특성4-6)등을 연구하였다. 아크 내에서 발생된 에너지는 일부분만이 모재로 전달되며, 이 에너지는 양극인 모재의 판위에 분포되어 모재를 용융시키는 역할을 한다10).
	측정된 아크 압력이나 아크 력이 대전류 영역에서 용융지 표면의 압입깊이나 표면 변형 등을 설명하는데 적용되었지만, 이들이 가지는 한계는 무엇인가?	용접부에 작용하는 아크압력의 분포는 결국 운동 에너지의 분포라는 것을 이전의 많은 연구자9,11)들도 논하고 있지만, 측정된 아크 압력이나 아크 력은 주로 대전류 영역에서 용융지 표면의 압입깊이나 표면 변형 등을 설명하는데 적용하였다. 그러나, 대전류 영역에서 실드 가스 종류에 따라 핑거비드나 접시형 비드가 발생 되는데, 아크 압력특성으로 용입 형상을 논함에 있어서 한계성을 가지고 있다. 따라서 측정된 아크 압력과 그것으로부터 유도된 전류밀도에 의해 용융풀의 형상과 크기를 예측할 수 있는 에너지 분포특성에 대한 연구가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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