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[국내논문] Tandem 용접 CO2 보호가스 사용량 감소를 위한 최적 토치 극간거리에 대한 연구
A Study on the Optimum Tandem Welding Torch Distance for the Reduction of CO2 Shielding Gas Consumption 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.2, 2012년, pp.294 - 301  

이준용 (목포대학교 대학원 기계공학과) ,  김일수 (목포대학교 기계공학과) ,  최영도 (목포대학교 기계공학과)

초록
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지구온난화의 주원인으로서 $CO_2$가스 사용량 증가에 의한 온실효과가 전 세계적인 문제가 되고 있다. 특히, 조선산업 분야에서는 아크용접 시 보호가스로서 막대한 양의 $CO_2$가스가 사용되고 있기 때문에 $CO_2$가스 사용량을 감소시킬 수 있는 용접장비의 개발에 대한 요구가 커지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 $CO_2$ 보호가스 사용량을 감소시킬 수 있는 토치노즐의 최적형상 설계인자를 검토하기 위한 기초연구로서 Tandem 용접기 토치 극간거리에 따른 $CO_2$ 보호가스 분포에 대해서 CFD해석을 수행하였으며, 극간거리와 아크전류 공급량에 따른 용접성에 대해서도 실험적으로 검토하였다. 토치간 거리에 따라서 가장 효과적인 보호가스층이 존재하며, 최적의 극간거리를 정량적으로 결정함에 의해 $CO_2$ 보호가스의 적정한 사용에 의한 $CO_2$ 가스 사용량을 감소시킬 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Shipbuilding industry has used a lot of $CO_2$ gas as a shielding gas for arc welding and thus, development of welding equipment which can reduce the amount of $CO_2$ gas is requested widely. Therefore, this study is focused on the examination of optimum welding torch distance ...

주제어

#탠덤 용접   #$CO_2$ 보호가스   #토치 극간거리   #비드 형상   #전산유체역학  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 Tandem 용접 토치 노즐에 동일한 양의 CO2 보호가스를 주입하여 토치 극간거리에 따른 CO2 보호가스층의 분포에 대해서 검토하였다.
  • 선행토치와 후행토치 사이에서 발생하는 자기불림현상은 용접 표면비드를 불균형한 형태로 용접이 진행되게 한다. 따라서, 선행토치의 전류량에 따른 Tandem 용접부에 작용하는 자기불림현상에 대해 검토하였다.
  • 본 연구는 CO2 보호가스 사용량을 감소시킬 수 있는 토치 노즐의 최적형상 설계를 위한 기초연구로서 수행되었으며, 용접 생산성 향상을 위해 개발 중인 Tandem 용접기에서의 토치 극간거리에 따른 CO2 보호가스층의 분포 및 용접 비드 단면 형상 변화에 대해서 검토하였다.
  • 본 연구에서는 CO2 보호가스 사용량을 감소시킬 수 있는 토치 노즐의 최적형상 설계를 위한 기초연구로서 Tandem 용접기에서의 토치 극간거리에 따른 용접성을 검토하였으며, 토치 노즐 유동장에 대한 CFD해석을 수행하여 토치 극간거리에 따른 보호가스층의 분포에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 토치 극간거리에 따른 보호가스층의 분포를 검토하는 것이 주된 목표이며, 또한 토치 극간 거리에 따른 용접성도 중요한 검토 사항이기 때문에 Table 1의 실험조건을 적용하여 극간거리 및 전류량에 따른 실험을 수행하였다.
  • Tandem 용접의 토치 노즐은 용접면에 수직인 선행토치(Torch 1)와 15°기울어진 후행토치(Torch 2) 2개의 토치 노즐로 이루어져 있으며, 토치 노즐의 길이는 72mm, 토치 노즐내경은 25mm, 토치 노즐내부의 가스 디퓨저 외경은 8mm, 팁 외경은 6mm이다. 선․후행 토치간의 극간거리는 용접 시 자기불림현상의 발생에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며[4], 본 연구에서는 토치간 극간거리에 따른 보호가스층의 분포 변화를 확인하기 위하여 25mm, 35mm, 45mm의 3종류 극간거리를 채택하였다. 보호가스로는 100% CO2를 사용하였으며, 공급 유량을 18l/min로 설정하여 실험을 수행하였다.

가설 설정

  • CO2 보호가스의 온도는 25℃로 일정하게 설정하였으며, 토치 노즐 이외의 유동장 영역에는 25℃의 공기상태 조건으로 하였다. Figure 3의 전체 유동장에 대하여 경계조건으로서 토치 하단부 유동장 경계면 및 토치 노즐 내부, 가스 디퓨저는 벽면으로 가정하여 wall 조건을 부여하였으며, 토치 상단부 유동장 경계면과 그 외의 경계면에 대해서는 opening 상태에서 압력 0Pa 조건으로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
선행토치와 후행토치의 역할은 무엇인가 일반적으로 선행토치는 용융부를 용융시키는 역할을 하며, 후행토치는 용융부에 많은 양의 용가재를 용착시키는 역할을 하게 된다.
지구온난화의 주원인은 무엇인가 산업화 및 도시화의 진전으로 에너지원으로서 석탄 및 석유 등의 화석연료에 대한 소비가 늘어나게 됨에 따라 CO2 가스의 발생량도 급속하게 증가하고 있으며, 지구온난화의 주원인으로서 CO2 가스 발생량 증가에 의한 온실효과가 전 세계적인 문제가 되고 있다[1].
용접용 보호가스 중 CO2의 특징은 무엇인가 또한, 조선․해양산업 분야에서는 아크용접 시 용융금속을 대기로부터 차단하여 용융부의 산화 및 질화를 방지하기 위하여 Ar, He, CO2 등의 용접용 보호가스가 주로 사용되고 있다[2-4]. 특히, CO2 가스는 반응성이 매우 강한 가스이지만, 가격이 저렴하고 깊은 용입을 얻을 수 있기 때문에 연강이나 합금강 용접에서 100% CO2 가스를 널리 사용하고 있다 [4].
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참고문헌 (7)

  1. 김경민, 조형희, "발전설비에서 $CO_{2}$ 저감과 에너지 효율 향상", 기계저널, vol. 51, no. 5, pp. 28-53, 2011. 

  2. 정호신, "용융용접의 기초와 실제 (I) (탄산가스 반자동 용접의 원리와 특징)," 대한용접학회지, 제19권, 제1호, pp. 6-7, 2001. 

  3. 정호신, "용융용접의 기초와 실제 (II) (아크용접용의 보호가스)," 대한용접학회지, 제19권 제2호, pp. 138-141, 2001. 

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  4. 대한용접.접합학회, 용접.접합 편람III 공정 및 열가공, pp.7-77, 2007. 

  5. 함효식, 서지석, 최윤환, 이연원, 조상명, "TIG용접에서 가스력을 이용한 비드형상제어를 위한 실드가스 노즐의 최적 형상에 관한 연구(I) - 벤투리노즐의 설계 및 성능분석 -," 대한용접.접합학회지, 제29권 제3호, pp. 307-313, 2011. 

  6. 함효식, 서지석, 최윤환, 이연원, 조상명, "TIG용접에서 가스력을 이용한 비드형상제어를 위한 실드가스 노즐의 최적 형상에 관한 연구(II) - 벤투리노즐의 위보기 자세 용융금속제어 효과-," 대한용접.접합학회지, 제29권 제3호, pp. 314-319, 2011. 

  7. ANSYS Inc., ANSYS CFX Documentation, Ver. 12, http://www.ansys.com, 2010 

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