[논문]GMA용접 공정에서 콘택트팁 마모가 용접비드에 미치는 영향

고진현; 김남훈; 김환태; 황용화

doi:10.5762/kais.2011.12.5.2019

초록
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GMA용접 공정에서 콘택트팁의 마모가 용접비드에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 콘택트팁과 용접비드 사이의 연관성을 조사하기 위하여 초고속 카메라와 파형분석을 이용하여 용적이행을 관찰하였고, 저 배율의 카메라로 비드의 상태를 관찰하였다. 콘택드팁의 마모는 팁과 용접와이어 사이의 접촉 지점을 변화시켜 결과적으로 불규칙비드를 생성하였다. 이것은 마모된 콘택트팁이 용접시 용접저항의 변화를 초래하여 용접아크 불안정의 원인이 되기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the wear of contact tips on the weld beads made by a Gas Metal Arc Welding(GMAW) process was studied. In order to correlate between the wear of tips and beads, the droplet transfer was investigated by a high speed camera and waveform shapes, and the condition of beads was examined by a...

The effect of the wear of contact tips on the weld beads made by a Gas Metal Arc Welding(GMAW) process was studied. In order to correlate between the wear of tips and beads, the droplet transfer was investigated by a high speed camera and waveform shapes, and the condition of beads was examined by a low magnification camera as well. It was found that the worn contact tip had caused to shift the contact point between the tip and the welding wire which resulted in nonuniform beads. In addition, the worn contact tip had changed the welding resistance and brought about the arc instability during welding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 콘택트팁의 마모가 와이어를 용접선으로부터 이탈을 초래하여 용접비드에 미치는 영향을 실험적으로 확인 조사함이 목적이다.
본 연구에서는 GMA용접에서 사용되는 콘택트팁의 마모가 용접비드에 미치는 영향을 실험으로 조사하였다. 콘택트팁과 와이어 접촉 위치 변화는 용접저항의 파형분석 그리고 용적드랍은 고속카메라로 촬영하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

그림 3은 콘택트팁의 출구 측 구멍의 형상으로 (a)는 용접 전 무마모 상태이고, (b)는 45%이상 마모 후의 상태이다. 용접된 콘택트팁의 마모량(W(%))은 공구현미경으로 측정하였는데 용접 전 출구측 구멍의 면적(A₀)과 용접 후 출구측 면적(A_t)의 비로 계산하였다. 본 실험에서는 마모량(Amount of wear, W)을 식 (1)과 같이 홀의 증가된 면적(A_t-A₀)을 초기면적(A₀)으로 나누어 백분율로 표현했다[5].
혼합가스를 사용하였다. 용접전류, 용접전압 그리고 순간적인 저항의 변화는 파형 측정 장치를 이용하여 20kHz의 샘플링 속도로 10초 동안 측정하고 컴퓨터에 저장하였다.
용접모재는 400(R)×1000(L)×15(mm(t)) 크기의 고강도 파이프를 사용하였고, 파이프를 회전시키면서 파이프 표면에 비드-온-플레이트(bead-on-plate)용접을 실시하였다. 장시간 용접으로 파이프의 과열을 방지하기 위하여 파이프 내부 하단에는 냉각수가 고여 있도록 하였고, 파이프 회전속도(travel speed)는 50cm/min으로 일정하였다. 그리고 콘택트팁의 재질은 일반적으로 많이 사용되어지는 인탈산동(Cu-P)을 사용하였다.
본 연구에서는 GMA용접에서 사용되는 콘택트팁의 마모가 용접비드에 미치는 영향을 실험으로 조사하였다. 콘택트팁과 와이어 접촉 위치 변화는 용접저항의 파형분석 그리고 용적드랍은 고속카메라로 촬영하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
한편 팁의 마모에 따른 와이어 변화를 관찰하기 위하여 그림 2와 같이 장치를 구성해 초고속카메라를 사용하여 촬영하였으며, 촬영속도는 2000 Frame/sec이었고, 셔터속도는 1/20,000sec이었다. 그림 3은 콘택트팁의 출구 측 구멍의 형상으로 (a)는 용접 전 무마모 상태이고, (b)는 45%이상 마모 후의 상태이다.

대상 데이터

장시간 용접으로 파이프의 과열을 방지하기 위하여 파이프 내부 하단에는 냉각수가 고여 있도록 하였고, 파이프 회전속도(travel speed)는 50cm/min으로 일정하였다. 그리고 콘택트팁의 재질은 일반적으로 많이 사용되어지는 인탈산동(Cu-P)을 사용하였다. 용접조건은 표 1과 같이 설정하여 용접시험에서 동일하게 적용하였다.
본 실험에서 사용된 팁 마모시험 장비는 자체 제작한 것으로 그림 1과 같이 구성하였고, 용접전원은 인버터형 정격전류 600A급이고, 용접재료는 직경 1.2mm의 CO₂용접용 와이어(KS 및 JIS 규격: YGW11)를 사용하였다. 용접와이어의 소모로 인해 용접이 중단되는 상황을 배제하기 위하여 300kg급의 페일팩(pail pack)을 사용하였다.
본 연구에서는 실제 W수치가 증가하기 시작하는 시점에서의 마모량을 유추하여 ‘콘택트팁의 구멍 면적이 초기 면적 대비 45%이상 증가한 시점’의 콘택트팁을 실험 대상으로 하였다.
용접 시 스패터 발생을 최소화하고 노즐에 부착되는 스패터로 인한 용접 중단을 방지하기 위하여 보호가스로 98%Ar+2%O₂ 혼합가스를 사용하였다. 용접전류, 용접전압 그리고 순간적인 저항의 변화는 파형 측정 장치를 이용하여 20kHz의 샘플링 속도로 10초 동안 측정하고 컴퓨터에 저장하였다.
용접모재는 400(R)×1000(L)×15(mm(t)) 크기의 고강도 파이프를 사용하였고, 파이프를 회전시키면서 파이프 표면에 비드-온-플레이트(bead-on-plate)용접을 실시하였다.

성능/효과

45% 이상 마모된 콘택트팁을 사용 용접한 결과 용접 비드 형상이 불균일한 사행비드를 형성하였다. 이것은 콘택트팁에서 마모가 발생하면 용접 시 불균일한 용접저항을 초래하였고 아크가 불안정하여졌다.
45% 마모된 팁은 용접전류의 변화와 저항이 불균일해 지면서 팁과 와이어가 접촉되는 부위가 계속 변화 하는 것을 알 수 있으며, 이러한 현상에 대하여는 다음에 고찰한다. 그림 8 b)와 같이 용접저항 파형에서 순간적인 피크를 나타냈는데, 이는 Degtyarev 등[8]이 보고한 연구결과와 일치하며, 콘택트팁이 45%이상 마모되면 용접아크가 불안정해지고 순간적인 아크가 발생하게 됨을 알 수 있었다.
그리고 e)는 용접 8초 후의 영상이며, 마지막으로 f)는 용접 종료 직전 10초 경과 된 시점의 영상이다. 용적이 중력에 의해 일정위치에서 수직드랍(drop)하기보다 와이어의 위치이동으로 드랍지점에서 변화가 발생한 것을 알 수 있었다. 용접 시 사행비드가 발생되는 것은 콘택트팁이 마모됨에 따라 용융지로 와이어를 유도하는 기능을 상실하여 와이어 선단 용적 드랍 위치가 변화하였기 때문임을 영상으로 관찰하였고 또한 이것은 다음절에서 용접 시 용접파형 분석으로 확인될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스메탈아크용접은 무엇인가?	가스메탈아크용접(gas metal arc welding, GMAW)은 용가재인 소모성 전극 와이어가 일정한 속도로 용융지에 공급되면서 와이어 선단과 모재 사이에서 전기적 아크가 발생하여 되는 용접법이다. GMAW가 원활하게 수행되기 위해서는 용접하는 동안 적절한 용접전류가 일정하게 공급되어야 하고, 용융지로 송급되는 용접 와이어의 속도도 일정하여야 한다.
	콘택트팁은 심하게 마모되면 용접이 중단되는 현상이 발생하므로 이를 방지하기 위해 어떤 제품이 사용되고 있는가?	용접전류는 용접전원에서 콘택트팁을 통하여 와이어로 전달되기 때문에 콘택트팁은 전기전도성이 좋아야 하고, 장시간 사용하기 위해서는 콘택트팁과 접촉되는 끝단부의 내마모성이 우수하여야 한다. 콘택트팁이 심하게 마모되면 용접이 중단되는 현상이 발생하므로, 합금 성분을 첨가하거나 가공경화를 통하여 강도를 높인 제품이 사용 되고 있다. 콘택트팁의 주된 역할은 와어어에 용접전류를 전송하는 기능과 용융지로 와이어를 유도하는 것이다[1,2].
	가스메탈아크용접이 원활하게 수행되기 위해서는 무엇이 필요한가?	가스메탈아크용접(gas metal arc welding, GMAW)은 용가재인 소모성 전극 와이어가 일정한 속도로 용융지에 공급되면서 와이어 선단과 모재 사이에서 전기적 아크가 발생하여 되는 용접법이다. GMAW가 원활하게 수행되기 위해서는 용접하는 동안 적절한 용접전류가 일정하게 공급되어야 하고, 용융지로 송급되는 용접 와이어의 속도도 일정하여야 한다. 용접전류는 용접전원에서 콘택트팁을 통하여 와이어로 전달되기 때문에 콘택트팁은 전기전도성이 좋아야 하고, 장시간 사용하기 위해서는 콘택트팁과 접촉되는 끝단부의 내마모성이 우수하여야 한다.

참고문헌 (9)

H. J. Kim N. H. Kim, H. S. Kim, and J. H. Koh: Reliability of Contact Tip for Gas Metal Arc Welding, Journal of KWS, 21-7(2003) 9-17 (in Korean).
N. H. Kim, J. H. Kim, H. J. Kim, H. S. Kim, and J. H. Koh: Variation of Microstructure and Hardness of Contact Tips during GMA Welding , Journal of KWS, 22-1(2004) 43-49 (in Korean).
N. H. Kim, J. H. Kim, H. J. Kim, H. S. Kim, and J. H. Koh: Prediction on the Wear Resistance of Contact Tips for GMA Welding, Journal of KWS, 22-4(2004) 35-42 (in Korean).
J. F. Rudy, D. C. Brown and W. G. Groth: Study of current contact tubes for gas metal arc welding. Welding Research Supplement. 8(1996). p374-378
RS D 0031: Contact Tip for Gas Metal Arc Welding. 2004(in korean)
T. Yamada and O Tanaka: Fluctuation of the Wire Feeding Rate in Gas Metal Arc Welding. Welding Journal, 9(1987), 35-42
V. G. Degtyarev, M. P Novikov and N. M. Voropal: Improving the working condition of the electrode wire-contact tip pair. Paton Welding Journal, 1991, 3(4). p290-294
V. G. Degtyarev, M. P. Novikov and N. M. Voropai: Paton Welding Journal, 3(1991), 290
T. P. Quinn, R. B. Madigan, M. A. Mornis and T. A. Siewert: Contact tube wear detection in gas metal arc welding, Welding Journal, 74(1995), 115.s

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