[논문]TIG용접에서 가스력을 이용한 비드형상제어를 위한 실드가스 노즐의 최적 형상에 관한 연구 (I) - 벤투리노즐의 설계 및 성능분석 -

함효식; 서지석; 최윤환; 이연원; 조상명

doi:10.5781/kwjs.2011.29.3.307

TIG용접에서 가스력을 이용한 비드형상제어를 위한 실드가스 노즐의 최적 형상에 관한 연구 (I) - 벤투리노즐의 설계 및 성능분석 -
A Study on Optimum Shape of Shield Gas Nozzle for Bead Shape Control in TIG Welding using Gas Force (Ⅰ) - Design and Performance Analysis of Venturi Nozzle - 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.3, 2011년, pp.51 - 57

함효식 (부경대학교 대학원 소재프로세스공학과) , 서지석 (부경대학교 대학원 조선시스템 관리공학 협동과정) , 최윤환 (부경대학교 기계자동차공학과) , 이연원 (부경대학교 기계자동차공학과) , 조상명 (부경대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Bead shape control with gas force process has been developed to overcome the concave back bead in pipe orbital welding. However, It is impossible to make a convex back bead using the existing gas nozzle, because it has high gas-consuming and low gas force. The purpose of this paper, to develop optimum shape of nozzle which to reduce the consumption of gas, maximizing the shield gas force with low cost and high productivity coincide the Green welding. In this paper venturi-type nozzle was designed by using the Venturi meter and compared velocity, pressure, arc shape in the flat position with existing CP-nozzle. As a result, Venturi-type nozzle's maximum velocity and pressure was improved at the same flow rate. Also heat input was increased by the arc contraction in the flat position.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서의 목적은 동일량의 실드 가스 공급시 가스 노즐을 통해 토출되는 실드가스의 소모를 줄이고 가스력을 극대화하여 저가의 고생산성을 가진 친 환경 용접기술(Green welding)에 부합하는 가스 노즐 형상의 연구이다.

제안 방법

TIG용접에서 가스력을 이용한 비드형상제어를 위한 최적형상의 실드가스 노즐을 제작하기 위해 벤투리미터를 응용하여 노즐을 설계하였다.
돌연축소부의 최적형상실험을 위해 Table 2와 같이Φ6, Φ7, Φ8, Φ9.4의 돌연축소부의 직경을 가지는 노즐을 설계하였다.
또한 동일유량에서 두 노즐을 비교 했을 때 벤투리 형 φ7의 평균전압, 평균저항이 높았고 이를 위해 아크 형상을 촬영해 보았다.
실드가스력 극대화를 검증하기 위해 풍속계를 이용한 동일한 실드가스유량에서의 유속비교실험과 마노미터를 사용한 압력비교실험 그리고 아래보기자세에서의 아크 형상비교실험을 수행하였다.
아래보기 자세에서 아크형상을 비교하기 위해 Table 5의 조건으로 동판 위에서 유량을 달리 하여 각 노즐 별로 3회씩 아크모니터링 장비를 사용하여 아크전류, 아크전압을 측정하여 저항을 계산하였고, 아크형상을 촬영하여 비교해보았다.
이런 특성을 응용하여 본 연구에서는 돌연축소관로에서의 부차적 손실계수와 점차 확대관의 확산각에 따른 손실계수를 고려하여 수축부 직경 Φ7과 토출부 직경 Φ9.4 그리고 확산각 5°를 가지는 부차적 손실을 최소화 하는 노즐 형상을 설계하였다.
풍속계를 사용하여 각 노즐의 유속비교와 마노미터를 사용한 압력비교를 통해 최적 수축직경을 검토하였고 아래보기 자세에서의 아크형상을 분석하였다. Fig.
하지만 확산각 5°에서는 확대부가 길어져 마찰손실을 고려한 확대부 길이의 최적화가 필요하였고 이에 Table 1과 같이 동일한 수축부 직경(Φ7)와 토출부 직경(Φ9.4)에서 각기 확산각 5°, 10°, 15° 를 가지는 노즐을 설계하여 형상 최적화를 위한 시뮬레이션을 실시하였다.

성능/효과

1) 수축부 내경의 최적화를 위한 실드가스 유속 비교 실험과 압력비교 실험에서 벤투리 형 Φ6의 경우 5ℓ/min에서 표면에서의 최고 유속과 최고 압력이 나타났지만 유량이 증가할수록 Φ7에서 표면에서의 최고 유속과 최고 압력이 나타났다.
2) 아크 형상 비교실험에서 평균전류는 큰 유의차가 없었으며 평균전압과 평균저항은 CP 형은 실드가스 유량 증가함에 따라 평균전압과 평균저항의 변동이 거의 없었지만 벤투리 형 φ7에서는 실드가스 유량이 증가할수록 평균전압이 증가하였고 이는 벤투리 형 φ7에서 아크중심부의 빠른 유속 (CP 형의 1.5배)에 의해 실드 가스가 아크를 더욱 냉각시켜 아크를 수축하게 만들어 파형 계측시 전압과 저항이 기존 CP 형보다 증가하였고 입열 또한 CP 형보다 증가하였다.
이때 시뮬레이션 조건은 실드가스는 Ar 25ℓ /min, 위보기 자세에서 NTWD 6mm, 아크길이 3mm, 팁 돌출길이 3mm에서 수행하였다. 그 결과 확대부 길이가 짧아질수록 토출부에서의 Ar 출구속도는 증가하였고, 세 노즐 모두 내부로의 대기혼입은 없었다. 그리고 모재 표면에서의 최대압력은 확산각 5°, 10°, 15°에서 각각 4.
이는 Φ6의 경우 다른 노즐에 비해 확산각이 제일 크고, 수축부 내경이 가장 작은 구조라서 손실이 가장 크고 또한 손실은 속도의 제곱에 비례함으로 5 ℓ /min에서는 가장 높은 유속이었지만 유량이 증가할수록 손실이 더 증가하여 Φ7보다 유속이 낮아진 것으로 보인다. 실제 현장에 자주 사용하는 조건인 15, 25 ℓ /min에서 가장 뛰어난 효과가 나타난 벤투리 형 Φ7이 가장 최적의 노즐임을 확인하였다.
이 실험에서 벤투리 형 φ6의 경우 확산각이 제일 크고, 수축부 내경이 가장 작은 형상이므로 손실이 가장 큰 구조라고 할 수 있고 손실은 속도의 제곱에 비례하는데 5ℓ/min에서는 유속이 느려 손실이 작았지만, 유량이 점점 증가할수록 손실이 더 커져서 결국엔 φ7보다 유속이 작아졌다고 판단된다.
이때 평균전류는 큰 유의차가 없었으며 평균전압과 평균저항은 CP 형은 실드가스 유량 증가함에 따라 평균전압, 평균저항의 변동이 없었고 벤투리 형 φ7에서는 실드가스 유량이 증가 할수록 평균전압이 증가하였다.
2는 각 노즐에서 실드가스가 분사될 때 모재표면에서 위치에 따른 유속의 분포를 나타낸 그래프이다. 전체적으로 중심부에서는 텅스텐전극의 존재함으로 전극 주변부에서 유속이 최대값으로 나타났다. 유량이 5ℓ/min일 때 벤투리 형 φ6에서 표면에서의 최고유속이 나타났고 15, 25 ℓ /min에서는 벤투리 형 φ7에서 최고 유속이 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벤투리미터는 무엇인가?	벤투리미터는 관내에 유동하는 유체의 압력에너지의 일부를 속도에너지로 변환시켜 유량을 측정하는 기구로써 유로가 점진적으로 축소와 확대되므로 유동박리와 선회류가 생기지 않고 내측벽면에서의 마찰손실만이 존재한다8).
	벤투리미터에 유동박리와 선회류가 생기지 않고 내측벽면에서의 마찰손실만이 존재하는 이유는 무엇인가?	벤투리미터는 관내에 유동하는 유체의 압력에너지의 일부를 속도에너지로 변환시켜 유량을 측정하는 기구로써 유로가 점진적으로 축소와 확대되므로 유동박리와 선회류가 생기지 않고 내측벽면에서의 마찰손실만이 존재한다8).
	가스력을 사용한 비드형상제어 TIG용접에서 실드가스 노즐의 최적 형상에 관해 연구한 결과는 어떠한가?	1) 수축부 내경의 최적화를 위한 실드가스 유속 비교 실험과 압력비교 실험에서 벤투리 형 Φ6의 경우 5ℓ/min에서 표면에서의 최고 유속과 최고 압력이 나타났지만 유량이 증가할수록 Φ7에서 표면에서의 최고 유속과 최고 압력이 나타났다. 이는 Φ6의 경우 다른 노즐에 비해 확산각이 제일 크고, 수축부 내경이 가장 작은 구조라서 손실이 가장 크고 또한 손실은 속도의 제곱에 비례함으로 5 ℓ /min에서는 가장 높은 유속이었지만 유량이 증가할수록 손실이 더 증가하여 Φ7보다 유속이 낮아진 것으로 보인다. 실제 현장에 자주 사용하는 조건인 15, 25 ℓ /min에서 가장 뛰어난 효과가 나타난 벤투리 형 Φ7이 가장 최적의 노즐임을 확인하였다. 2) 아크 형상 비교실험에서 평균전류는 큰 유의차가 없었으며 평균전압과 평균저항은 CP 형은 실드가스 유량 증가함에 따라 평균전압과 평균저항의 변동이 거의 없었지만 벤투리 형 φ7에서는 실드가스 유량이 증가할수록 평균전압이 증가하였고 이는 벤투리 형 φ7에서 아크중심부의 빠른 유속 (CP 형의 1.5배)에 의해 실드 가스가 아크를 더욱 냉각시켜 아크를 수축하게 만들어 파형 계측시 전압과 저항이 기존 CP 형보다 증가하였고 입열 또한 CP 형보다 증가하였다.

참고문헌 (10)

Ki-Joung Kim, Jin-Woo Kim and Youn-Bae Kang, Sang-Myung Cho : Heat transfer simulation and temperature measurement for heat input control in orbital welding, Proceedings of 2003 Spring Annual Meeting of KWS, 40 (2003), 155-158 (in Korean)
Jin-Woo Kim, Sang-Myung Cho : The effect of the arc pressure variation on the penetration by the filler wire feed rate in pulsed TIG welding, Journal of KWS, 22-1 (2004), 169-171 (in Korean)
Ki-joung Kim, Jin-Woo Kim, Youn-Bae Kang, Sang-Myung Cho : Heat input control in orbital GTA welding to stainless steel and mild steel pipes, Journal of KSME, (2002. 11), 2881-2885 (in Korean)
Hyo-Won Kim, Sang-Myung Cho : A Study on Back Bead Formation in Inclined-up Position of Plasma Arc Orbital Welding, Journal of KWJS, 27-1 (2009), 71-78 (in Korean)

원문보기 상세보기
Hyo-Sik Ham : Control of Molten Pool by Physical Force of Bead Former in TIG Wedling of Overhead and Inclined-up Position, Journal of KWJS, 28-6 (2010), 629-635 (in Korean)
Ji-Seok Seo, Hyo-Sik Ham, Sung-Bin Im, Jong-Moon Ha, Chang-Hee Son and Sang-Myung Cho : Control of Bead Geometry and Effect of Protection against Wind according to the CDP Gas Nozzle in Arc Welding, Abstracts of the Autumn Annual Meeting of KWJS, 52 (2009), 25 (in Korean)
Yoon-Hwan Choi, Yeon-Won Lee, Ji-Seok Seo, Sang-Myung Cho and Deog-Hee Doh : Visualization of fluid flows in the TIG welding region for different shapes of the shield gas nozzle, Journal of Visualization, Online FirstTM, 30 April 2011

상세보기
A.H. Gibson, "On the flow of water through pipes and passages" Proc. Roy. Soc. London, Ser. A, 83 (1910), 366-378.
Dong-Soo Oh, Yeong-Sik and Sang-Myung Cho : The characteristics of Arc Pressure Distribution by Sheld Gas Mixing Ratio in TIG Welding, KWS, 23-1 (2005), 50-56 (in Korean)
John J. Lowke, Richard Morrow, Jawad Haidar and Anghony B. Murphy : Prediction of Gas Tungsten Arc Welding Properties in Mixtures of Argon and Hydrogen, IEEE Transactions on plasma science, 25-6 (1997), 925-930

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format