[논문]FCAW에서 용접금속 확산성수소량에 미치는 용접변수 영향의 정량적 해석

한동우; 방국수; 정홍철; 이종봉

doi:10.5781/kwjs.2010.28.2.054

FCAW에서 용접금속 확산성수소량에 미치는 용접변수 영향의 정량적 해석
Quantitative Analysis on the Effects of Welding Parameters on Diffusible Hydrogen Contents in Weld Metal Produced by FCAW Process 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.28 no.2, 2010년, pp.54 - 59

한동우 (부경대학교) , 방국수 (부경대학교) , 정홍철 (POSCO 기술연구소) , 이종봉 (포항공대 철강대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of welding parameters such as contact tip-to-work distance (CTWD), voltage, and current on the weld metal diffusible hydrogen contents (HD) were investigated and rationalized by the calculation of heating time and amount of heat generated in the extension length of flux cored wire. As CTWD increased from 15 to 25mm, HD decreased from 8.46 to 5.45mL/100g deposited metal. Calculations showed that, with an increase of CTWD, the amount of heat generated increased from 46 to 92J in addition to an increase of heating time. Increase of current from 250 to 320A, however, gave little variation of HD. It showed that no significant change in the amount of heat generated was found, and heating time was decreased with an increase of current. It also showed that CTWD is more influential than voltage in relatively lower heat input ranges, while voltage is more in higher input ranges

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 용착금속 확산성수소량에 미치는 용접변수의 영향은 정성적으로는 잘 알려져 있으나 정량적인 해석을 시도한 연구는 많지 않다. 본 연구에서는 FCW를 사용한 용접시 CTWD, 전류, 그리고 전압의 변화가 와이어의 저항 발열량, 가열시간 등에 미치는 영향을 정량적으로 계산하고, 그에 따른 용착금속의 확산성수소량의 변화를 조사하였다.

가설 설정

여기서 α는 온도보정계수, ΔT는 상온과 와이어 온도와의 차이이다. 용접과정 중 와이어 온도는 상온에서 융점까지 불균일한 분포를 나타내나, 계산에서는 상온과 융점의 중간온도인 약 800℃를 와이어 온도로 가정하였다. 온도보정계수는 순철의 값인 0.

제안 방법

먼저 용접변수의 개별적인 영향을 조사하기 위하여 E81T1 와이어를 사용하여 Table 1의 조건으로 용접하였다. 다른 용접변수는 일정하게 유지하며 CTWD, 전류, 그리고 전압을 각각 15~25mm, 250~320A, 28~33V로 변경하였다. 이때 입열량을 14kJ/cm로 일정하게 유지하기 위하여 용접속도를 31~40cm/min로 변경하였다.
앞서 CTWD 변경시험과 동일한 방법으로 전류의 변화에 따른 가열시간과 저항발열량 Q를 계산하였다. 먼저 전류가 250에서 320A로 증가함에 따라 돌출길이는 약 17.
00651/℃를 사용하였다. 와이어 돌출길이는 고속카메라를 이용하여 직접 관찰하였다. Fig.
이제까지는 용접변수 중 하나만을 독립적으로 변경하여 용착금속 확산성수소량에 미치는 영향을 조사하였으나, 이번에는 CTWD, 전류, 그리고 전압을 동시에 변경하여 용착금속 확산성수소량의 변화를 조사하였다. Table 2에 각 용접변수와 함께 측정한 확산성수소량을 함께 나타내었다.
인장강도 600MPa의 압연강을 25×12×80mm의 수소포집용 시편으로 가공한 후 400℃에서 2시간 동안 탈가스처리한 다음 두 개의 탭 사이에 위치시켜 20L/min 유량으로 100% CO2용접하였다.
3mm로 증가하였다. 한편 가열시간은 돌출길이를 와이어 송급속도로 나눈 값으로, 와이어 송급속도는 용접과정 중 송급속도 측정장치를 사용하여 직접 측정하였다. CTWD가 15에서 25mm로 증가함에 따라 송급속도는 702에서 943cpm으로 증가하였고, 그 결과 가열시간은 0.
이때 입열량을 14kJ/cm로 일정하게 유지하기 위하여 용접속도를 31~40cm/min로 변경하였다. 한편 용접 변수를 동시에 변경시키는 경우에도 용착금속 확산성수 소량의 변화를 조사하였다. 이 경우에는 E81T1과 E110T1K3 와이어를 사용하여 Table 2와 같은 조건으로 입열량 8kJ/cm와 20kJ/cm로 용접하였다.

대상 데이터

사용한 와이어는 AWS E81T1과 E110T1K3에 해당하는 직경 1.4mm의 FCW이다. 먼저 용접변수의 개별적인 영향을 조사하기 위하여 E81T1 와이어를 사용하여 Table 1의 조건으로 용접하였다.
용접완료 후 -70℃ 이하로 유지된 드라이아이스 알콜용액에 시편을 급냉하는데 걸리는 시간은 5초를 넘지 않도록 하였다. 이후 시편을 수은이 채워진 유디오미터 내에 장입하여 45℃에서 72시간 발생하는 수소를 포집하였다. 포집된 수소는 표준압력과 온도에서의 수소부피로 변환한 후 용착금속 100g당 수소량으로 나타내었다.

데이터처리

포집된 수소는 표준압력과 온도에서의 수소부피로 변환한 후 용착금속 100g당 수소량으로 나타내었다. 기본적으로 네 시편의 평균값을 측정값으로 하였다.

이론/모형

용접 후 용접금속 확산성수소량은 AWS A4.3-86의 수은치환법에 따라 측정하였다⁶⁾. 인장강도 600MPa의 압연강을 25×12×80mm의 수소포집용 시편으로 가공한 후 400℃에서 2시간 동안 탈가스처리한 다음 두 개의 탭 사이에 위치시켜 20L/min 유량으로 100% CO₂용접하였다.

성능/효과

1) CTWD가 15에서 25mm로 증가하면 용착금속 확산성수소량은 8.46에서 5.45mL/100g으로 감소하였다. 이러한 원인은 와이어 돌출길이에서 가열시간이 0.
2) 용착금속 확산성수소량은 전류가 250에서 320A로 증가하여도 큰 변화를 보이지 않았다. 이러한 원인은 돌출길이에서 가열시간이 0.
3) CTWD, 전류, 그리고 전압을 동시에 변경하여 용착금속 확산성수소량의 변화에 미치는 용접변수의 영향을 회귀분석한 결과, 상대적으로 저입열인 경우에는 전압보다 CTWD가 더 큰 영향을 나타내지만, 고입열에서는 전압이 더 큰 영향을 나타내었다.
한편 가열시간은 돌출길이를 와이어 송급속도로 나눈 값으로, 와이어 송급속도는 용접과정 중 송급속도 측정장치를 사용하여 직접 측정하였다. CTWD가 15에서 25mm로 증가함에 따라 송급속도는 702에서 943cpm으로 증가하였고, 그 결과 가열시간은 0.11에서 0.14s로 증가하였다. 이상의 값들을 위의 식에 대입하여 Q를 계산하면 CTWD가 15, 20, 25mm로 증가함에 따라 Q는 46, 64, 92J로 증가한다.
앞서 CTWD 변경시험과 동일한 방법으로 전류의 변화에 따른 가열시간과 저항발열량 Q를 계산하였다. 먼저 전류가 250에서 320A로 증가함에 따라 돌출길이는 약 17.5mm로 큰 차이를 나타내지 않으나, 송급속도는 682에서 1031cpm으로 크게 증가하여 가열시간은 0.15 에서 0.10s로 감소하였다. 이상의 값들을 사용하여 Q를 계산하면 전류가 250에서 320A로 증가함에 따라 Q는 65에서 72J로 조금 증가한다.
10s로 감소하였다. 이상의 값들을 사용하여 Q를 계산하면 전류가 250에서 320A로 증가함에 따라 Q는 65에서 72J로 조금 증가한다. 이런 점은 CTWD의 경우와 다르다.
14s로 증가하였다. 이상의 값들을 위의 식에 대입하여 Q를 계산하면 CTWD가 15, 20, 25mm로 증가함에 따라 Q는 46, 64, 92J로 증가한다. 즉 CTWD가 15에서 25mm로 증가하면 저항발열은 두 배로 증가함을 알 수 있다 (Fig.
3). 이상의 결과로부터 CTWD의 증가에 따른 용착금속 확산성수소량의 저감은 가열시간과 발열량 모두의 증가에 기인함을 알 수 있다.
01mL/100g으로 증가하고 있다. 전압변화에 따른 가열시간과 Q의 변화를 계산한 결과, 두 값은 큰 변화가 없이 각각 약 0.13s, 68J을 나타내었다. 따라서 잘 알려져 있는바와 같이 전압증가에 따른 확산성수소량의 증가는 돌출길이에서의 가열시간이나 저항발열량의 변화에 따른 것이 아니라 아크 길이의 증가에 기인하는 것임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플럭스 코어드 와이어는 어떤 장점으로 어디에 사용되고 있는가?	철강 용접부에 있어서 확산성 수소는 수소유기균열(hydrogen induced cracking)을 일으키는 중요한 요인 중 하나다. 특히 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire, 이하 FCW)의 경우 우수한 작업성과 높은 생산성으로 용접산업 전반에서 널리 사용되고 있지만 흡습 등에 의한 높은 수소포텐셜로 용접부의 HIC가 문제로 되고 있다. 따라서 HIC에 민감한 FCAW 용접부에 대해서는 전통적인 대책인 예열, 후열처리와 함께 와이어 자체의 수소량을 최소화하는 기술 개발도 활발히 이루어지고 있다1).
	철강 용접부에 있어서 확산성 수소는 어떤 요소인가?	철강 용접부에 있어서 확산성 수소는 수소유기균열(hydrogen induced cracking)을 일으키는 중요한 요인 중 하나다. 특히 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire, 이하 FCW)의 경우 우수한 작업성과 높은 생산성으로 용접산업 전반에서 널리 사용되고 있지만 흡습 등에 의한 높은 수소포텐셜로 용접부의 HIC가 문제로 되고 있다.
	플럭스 코어드 와이어를 사용하여 용접하는 경우 어떤 요소에 영향을 받는가?	FCW를 사용하여 용접하는 경우 용착금속 확산성수 소량은 용접변수에도 크게 영향을 받는다2-5). 예를 들어 전압의 증가는 아크길이를 증대시켜 아크 중 수소의 혼입을 증대시키나, 콘택터팁과 모재사이의 거리 (CTWD) 나 전류의 증가는 와이어 저항발열을 증대시켜 와이어 중의 수소를 감소시킨다고 알려져 있다.

참고문헌 (7)

M. Matsushita and S. Liu : Hydrogen control in weld metal by means of fluoride additions in welding flux, Welding Journal, 71-6 (2000), 295s-303s
D. White, G. Pollard and R. Gee : The effect of welding parameters on diffusible hydrogen levels in cored wire welding, Welding & Metal Fabrication, 60-6 (1992), 209-216
B. Dixon and K. Hakansson : Effects of welding parameters on weld zone toughness and hardness in 690MPa steel, Welding Journal, 74-4 (1995), 122s-132s
D. D. Harwig, D. P. Longenecker and J. H. Cruz : Effects of welding parameters and electrode atmospheric exposure on the diffusible hydrogen content of gas shielded flux cored, Welding Journal, 78-9 (1999), 314s-321s
J. H. Kiefer : Effects of moisture contamination and welding parameters on diffusible hydrogen, Welding Journal, 75-5 (1996), 155s-161s
ANSI/AWS A4.3-86 : Standard methods for determination of diffusible hydrogen content of martensitic, bainitic, and ferritic weld metal produces by arc welding, American Welding Society, (1985)
Miroslav Pitrun : The effect of welding parameters on levels of diffusible hydrogen in weld metal deposited using gas shielded rutile flux cored wires, Ph.D thesis, The University of Wollongong, (2004)

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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