[논문]아연도금강관의 가스메탈아크용접에서 용접인자가 기공형성에 미치는 영향

임영민; 장복수; 고진현

doi:10.5781/kwjs.2012.30.5.440

아연도금강관의 가스메탈아크용접에서 용접인자가 기공형성에 미치는 영향
Effects of Welding Parameters on Porosity Formation in Weld Beads of Galvanized Steel Pipes produced with Gas Metal Arc Welding 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.5, 2012년, pp.46 - 50

임영민 (한국기술교육대학교 신소재공학과) , 장복수 (정우산기주식회사) , 고진현 (한국기술교육대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to investigate the effect of welding parameters such as shielding gas compositions welding voltage and welding current on the pore formation in the weld beads of galvanized steel pipes produced with gas metal arc welding. The porosity was evaluated and rated by metallography and radiographic test in terms of weight percentage, number and distribution of pores in weld beads. The porosity increased with increasing welding voltage and current, in which Ar gas produced the most porosity while $Ar+5%O_2$ generated the least porosity. It was found that the porosity could be reduced by selection of the proper gas mixture composition such as $Ar+5%O_2$ and $Ar+10%CO_2$ and by using current (130~150A) and voltage(16~20V).

주제어

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문제 정의

이에 본 연구에서는 용접토치를 아래보기(1G) 자세로 고정하고 아연도금강관을 회전시키며 용접을 할 수 있는 반자동 가스메탈아크용접 장치를 제작하였고, 보호가스, 전압, 전류 등의 용접 인자가 용접부 기공형성에 미치는 영향을 조사하였다.
이에 용접작업환경 개선 및 생산성 향상을 목적으로 반자동용접장치를 개발하였다. 하지만 아연도금강 아크 용접에서는 용접부 기공발생을 피하기가 어렵다^1-4).

제안 방법

(a)와 같이 적절한 제시되는 보호가스의 조성을 알아보기 위해 8가지 Ar, CO2, Ar+20%CO2, Ar+2%O2, Ar+5%O2, Ar+10%O2, Ar+5%CO2, Ar+10%CO2가스를 사용하고, 전압을 16∼24V로 변화시켰고, 전류 150A으로 강관을 비드온파이프 용접하였다.
Fig. 1의 아연도금강관 반자동 가스메탈아크용접장치를 이용하여 아연도금강관(SPP 백관)에서 용접인자들이 용접부 기공형성에 미치는 영향을 조사하기 위해 Table 1과 같이 용접변수들을 설정하여 3회에 걸쳐 실험을 수행하였다.
KS B 0845 투과 사진에 의한 흠 상의 분류 절차에 따라 원주 방향으로 생성된 비드에 용접 시작포인트와 끝포인트를 제외하고, Fig. 2와 같이 시험시야 10mm×10mm로 10포인트 정도를 각 실험조건에 따라 측정하여 결과를 산출하였다.
기공의 분류는 시험시야당 1개는 1류, 3개는 2류, 6개까지 3류, 6개를 초과한 경우는 4류로 분류한다. 결과를 정량화하기 위해 실험 조건에 따라 용접을 3회 실시하여, 결과를 측정하였다.
본 연구에서는 아연도금강관을 회전시키며 용접을 할 수 있는 반자동 가스메탈아크용접 장치를 제작하여 용접전류(130, 150, 180A), 전압(16∼24V), 보호가스(Ar, CO2, Ar+5%CO2, Ar+10%CO2, Ar+20%CO2, Ar+2%O2, Ar+5%O2, Ar+10%O2)가 용접부의 기공형성에 미치는 영향을 조사하였고, 주요한 결론은 다음과 같다.
실험에서 팁-모재사이거리(CTWD-Contact Tip to Workpiece Distance)를 16mm로 고정하였다. Table 2는 용접 와이어의 화학성분이고, 직경 1.
Table 1(b)는 두 번째 실험 조건으로 보호가스는 첫 번째 실험과 동일하고 전압을 20V로 고정하였다. 전류 변수로 두어 130A, 150A, 180A로 변화시켜 용접하였다.
첫 번째 실험의 전압과 보호가스에 따른 결과를 방사선 투과 검사하였다. Fig.

이론/모형

비파괴 검사방법으로 KS B 0845규격에 따라 방사선 촬영(RT, Radiographic Test)하여 기공률을 평가하였다. KS B 0845 투과 사진에 의한 흠 상의 분류 절차에 따라 원주 방향으로 생성된 비드에 용접 시작포인트와 끝포인트를 제외하고, Fig.

성능/효과

Ar+ 2%O₂가스 사용 시 고전류에서 기공이 발생되어 2류(Fig. 5(b)), 3류의 결과를 보였고, Ar+5%O₂, Ar+ 10%O₂가스에서 기공이 발생하지 않았다. 이것은 적정량의 O₂가스를 첨가했을 시 기공이 적게 발생되는 것으로 생각된다.
1) 전압이 증가함에 따라 기공이 많이 발생하는 경향을 나타내었고, Ar가스의 경우 전압변화에 따라 기공이 가장 많이 발생하였고, Ar+5%O₂가스에서 기공이 가장 적게 발생하였다.
2) 전류가 증가함에 따라 기공 발생이 증가하였다. Ar가스의 경우 전류변화에 따른 기공발생 수가 많았으나, Ar+10%CO₂, Ar+5%O₂, Ar+10%O₂가스에서는 기공이 거의 발생되지 않았다.
3) 보호가스로 Ar가스를 사용한 경우 전류, 전압변화와 상관없이 기공을 많이 발생하였다. 아연도금강관 GMAW 용접 시 Ar+10%CO₂, Ar+5%O₂, Ar+10%O₂ 와 같이 적정 혼합 가스비를 유지하고 전류 (130∼150A), 전압(16∼20V)일 때 기공발생이 크게 감소되었다.
Ar+5%CO2가스의 경우 20∼24V에서 다수의 기공이 발생되어 3류와 4류의 결과를 나타내었고, Ar+20%CO2, Ar+2%O2가스에서는 22V∼24V에서 많은 기공이 발생되어 3류와 4류의 결과를 나타내었다.
Fig. 3과 Table 4에서 나타냈듯이 Ar가스의 경우 18∼24V에서 기공이 관찰되어 3류 이상의 결과를 나타내었고, CO2, Ar+10%CO2, Ar+5%O2, Ar+10%O2가스의 경우 24V를 제외 하고는 전압에 따라 기공이 거의 형성되지 않은 1류의 결과를 나타내었다.
실험결과를 종합하면 전류가 증가함에 따라 기공의 수가 많아짐을 볼 수 있는데, 이는 전류가 높은 경우 와이어의 공급이 많아지므로 더 넓은 용융지가 형성되며 입상용적이행 혹은 스프레이이행으로 변화되면서 아크의 길이가 길어져 대기가 불안정되어 기공이 더 많이 생성된 것으로 사료된다.
3) 보호가스로 Ar가스를 사용한 경우 전류, 전압변화와 상관없이 기공을 많이 발생하였다. 아연도금강관 GMAW 용접 시 Ar+10%CO₂, Ar+5%O₂, Ar+10%O₂ 와 같이 적정 혼합 가스비를 유지하고 전류 (130∼150A), 전압(16∼20V)일 때 기공발생이 크게 감소되었다.
전압과 기공률의 관계를 살펴보면 16V의 낮은 전압에서는 기공이 거의 관찰되지 않은 반면, 전압이 증가함에 따라 기공이 많이 발생하는 경향을 나타내었다. 이는 전압이 높은 경우 아크길이가 길어져 대기가 혼입되어 기공이 발생하게 되는 반면 전압이 낮은 경우 아크의 길이가 짧고 안정된 아크가 유지되어 용접부의 기공생성이 어렵게 되는 것으로 사료된다^5-7).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접 시 용융아연도금 강재에 발생하는 문제를 해결하기 위한 방법은?	용융아연도금 강재는 용접 시 고온의아크열에 의한 아연의 기화로 인해 용융지에 기포가 형성되어 기공(blowhole), 피트(pit)를 발생시킬 뿐만 아니라 아연가스 자체가 아크를 불안정하게 하여 스패터(spatter) 및 흄(fume)을 발생시킨다1-4). 이러한 문제로 현장에서는 용접공정 전 용접부의 아연도금층을 제거하기도 한다. 특히, 아연도금강이 사용되고 있는 소방배관은 중소기업 또는 소규모 업체에서 용접으로 제작되고 있다.
	용융아연도금강은 구조물, 소방배관과 장비 구조등에 사용되는 이유는?	용융아연도금강은 강재의 표면에 아연(Zn) 코팅으로 방식처리되어 내식성이 우수하고, 가격이 저렴하며 경제적이기 때문에 구조물, 소방배관과 장비 구조 등에 사용되고 있다. 용융아연도금 강재는 용접 시 고온의아크열에 의한 아연의 기화로 인해 용융지에 기포가 형성되어 기공(blowhole), 피트(pit)를 발생시킬 뿐만 아니라 아연가스 자체가 아크를 불안정하게 하여 스패터(spatter) 및 흄(fume)을 발생시킨다1-4).
	용융아연도금강 용접 시 발생하는 문제는?	용융아연도금강은 강재의 표면에 아연(Zn) 코팅으로 방식처리되어 내식성이 우수하고, 가격이 저렴하며 경제적이기 때문에 구조물, 소방배관과 장비 구조 등에 사용되고 있다. 용융아연도금 강재는 용접 시 고온의아크열에 의한 아연의 기화로 인해 용융지에 기포가 형성되어 기공(blowhole), 피트(pit)를 발생시킬 뿐만 아니라 아연가스 자체가 아크를 불안정하게 하여 스패터(spatter) 및 흄(fume)을 발생시킨다1-4). 이러한 문제로 현장에서는 용접공정 전 용접부의 아연도금층을 제거하기도 한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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