[논문]대전류 및 용가재 직경에 따른 Al5083 아크 용접부 마그네슘 기화 및 기계적 성질

권혜미; 박철호; 홍인표; 강남현

doi:10.5781/kwjs.2013.31.6.84

대전류 및 용가재 직경에 따른 Al5083 아크 용접부 마그네슘 기화 및 기계적 성질
Effects of High Current and Welding Wire Diameter on the Magnesium Vaporization and Mechanical Properties of Al5083 Arc Welds 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.31 no.6, 2013년, pp.84 - 89

권혜미 (부산대학교 하이브리드소재솔루션 국가핵심연구센터) , 박철호 (부산대학교 재료공학부) , 홍인표 (현대중공업 생산기술연구소) , 강남현 (부산대학교 재료공학부)

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The demand of LNG tank and the constituting material, i.e., the Al5083 thick plate, increased due to the rapid growth LNG market. To weld the Al5083 thick plate, the gas metal arc welding (GMAW) of high current is necessary to increase manufacturing productivity incurred by the multi pass welding. However, the arc welding vaporizes the volatile element such as magnesium (Mg). This phenomenon changes the Mg composition of the weld metal and the mechanical properties. The study investigated the weldability of Al5083 alloys after conducting high current GMAW. The Al5083 alloy was welded by using different size of welding wires and high current (800-950A). As the arc current increased from 800A to 950A, the mechanical strength decreased and the secondary dendrite arm spacing (SDAS) increased. Even though the arc current increased SDAS, the mechanical strength decreased due to the Mg loss in the weldment. The large diameter of welding wire decreased the dilution of the weld, therefore increasing the Mg content and the strength of the weld. For the reason, the content of Mg in welds was a major parameter to determine the mechanical property for the high current GMAW. For the arc current between 800A and 950A, the yield strength of the weldments showed a relationship with the weight percent of Mg content ($X_{Mg}$): Y.S = 27.9($X_{Mg}$)-11.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

용접전류와 용가재 직경에 따른 마그네슘 기화 정도는 Electron Probe Micro Analysis (EPMA)로 분석하였다. EPMA분석은 시편을 1um까지 연마 시킨 후, 용접부의 마그네슘 함량 변화를 알기 위해 0.5mm 간격으로 포인트 분석 후 평균값으로 계산하였다.
Fig. 1 의 SDAS 크기와 Table 4 의 EPMA 분석을 종합하여, 용가재 직경 변화에 따른 용접부의 마그네슘 농도를 인장성질과 비교하였다. 동일한 용접전류 조건일 경우 SDAS 크기는 차이가 없지만, 5.
용접 조건 변화에 따른 기계적 성질은 경도 및 인장시험을 측정하였다. 경도는 마이크로비커스 경도시험기를 이용하여 0.5mm 간격으로 하중 200gf, 유지시간 10초로 측정하였다. 인장시험은 ASTM A370 규격으로 가공한 시편을 2.
마그네슘 기화에 따른 기계적 성질 중 인장 강도 성질에 대한 분석을 수행하였다. Table 5는 Al5083-O 모재의 인장 및 항복강도를 각각 100%로 정하고, 용가재의 직경과 용접전류에 따른 용접부의 강도특성을 모재강도와 비교하여 나타내었다.
미세조직 관찰은 연마 후 개선된 Poulton 용액 (12mL HCl + 16mL HNO3 + 1mL HF + 1mL H2O + Chromic acid solution(3g Chromic acid + 10mL H20))으로 에칭하고, 광학현미경 관찰 및 이미지 프로그램을 이용하여 용접전류에 따른 용접부와 열영향부 (HAZ) 미세조직 변화와 용접부 중앙에서의 secondary dendrite arm spacing(SDAS)를 측정하였다.
본 연구는 70t 두께의 후판 Al5083 합금에서 대전류 GMAW로 Bead on Plate(BOP) 용접을 수행하였다. 용접시 용접전류와 용가재 직경에 따른 용접부의 미세조직, 마그네슘 기화, 경도 그리고 인장강도와 같은 기계적 성질을 평가하였다.
본 연구는 대전류 GMAW 및 용가재 직경 변화가 Al5083-O 용접부에서의 SDAS 크기, 마그네슘 기화의 정도 그리고 기계적 성질의 변화를 분석하였고, 자세한 결론은 다음과 같다.
용접 조건 변화에 따른 기계적 성질은 경도 및 인장시험을 측정하였다. 경도는 마이크로비커스 경도시험기를 이용하여 0.
용접형상은 비드 표면, 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이를 측정하였다. 용접비드 단면형상을 통해 용가재의 희석률(dilution ratio)을 계산하였다. 희석률 계산식은 다음과 같다.
본 연구는 70t 두께의 후판 Al5083 합금에서 대전류 GMAW로 Bead on Plate(BOP) 용접을 수행하였다. 용접시 용접전류와 용가재 직경에 따른 용접부의 미세조직, 마그네슘 기화, 경도 그리고 인장강도와 같은 기계적 성질을 평가하였다.
용접전류와 용가재 직경에 따른 마그네슘 기화 정도는 Electron Probe Micro Analysis (EPMA)로 분석하였다. EPMA분석은 시편을 1um까지 연마 시킨 후, 용접부의 마그네슘 함량 변화를 알기 위해 0.
용접전류와 용가재 직경에 따른 마그네슘 기화와 미세조직 변화가 기계적 성질 변화에 미치는 영향을 고찰하기 위해 마이크로비커스 경도 실험을 수행하였다. Fig.
용접형상은 비드 표면, 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이를 측정하였다. 용접비드 단면형상을 통해 용가재의 희석률(dilution ratio)을 계산하였다.
5mm 간격으로 하중 200gf, 유지시간 10초로 측정하였다. 인장시험은 ASTM A370 규격으로 가공한 시편을 2.5mm/min cross-head 이동속도로 시행하였다.

대상 데이터

모재와 용가재의 화학조성은 Table 1과 같다. Al 후판 용접성을 테스트하기 위해 사용된 모재의 두께와 폭은 각각70mm와 300mm이며, 용가재는 4.0mm와 5.6mm직경을 가진 것을 사용하였다.
실험에 사용한 모재는 Al5083-O 이고 용가재는 Al5083-O비해 마그네슘 함량이 높지만 그 외의 조성은 유사한 Al5183을 사용하였다. 모재와 용가재의 화학조성은 Table 1과 같다.
용접 보호가스는 Ar50%+He50% 혼합가스를 사용하였고, 20cm/min 용접속도로 800~950A의 대전류를 사용하였다. 용가재 직경에 따른 영향을 보기 위해 4.0mm와 5.6mm 직경의 용가재를 사용하였다. 자세한 용접 조건은 Table 2에 표시하였다.
용접방법은 GMAW Bead on Plate(BOP)를 실시하였다. 용접 보호가스는 Ar50%+He50% 혼합가스를 사용하였고, 20cm/min 용접속도로 800~950A의 대전류를 사용하였다. 용가재 직경에 따른 영향을 보기 위해 4.

이론/모형

용접방법은 GMAW Bead on Plate(BOP)를 실시하였다. 용접 보호가스는 Ar50%+He50% 혼합가스를 사용하였고, 20cm/min 용접속도로 800~950A의 대전류를 사용하였다.

성능/효과

1) 70mm 두께의 Al 5083-O 모재 위에 BOP GMAW 용접에서, 전류가 800A에서 950A로 증가하면 용입깊이보다는 비드폭이 크게 증가하였다. 동일한 전류에서는 용가재 직경이 큰 5.
2) 용접전류가 800A에서 950A로 증가할수록 용접부의 SDAS 크기가 증가하였고, 그 증가 정도는 용가재 직경 변화와 관계없이 전류값과 같이 증가하였다.
3) 용접전류가 증가할수록 마그네슘 기화가 더욱 활발하게 일어났다. 또한, 4.
4) 용접전류가 증가할수록 경도값은 감소하였고 상대적으로 용접부에서의 마그네슘 농도가 적은 4.0mm 용가재의 경도가 5.6mm용가재에서보다 낮게 나타났다. 모든 조건의 용접부의 경도는 모재의 경도보다 낮게 측정되었으며, 이는 아크 에너지에 의한 결정립(SDAS) 크기 증가와 마그네슘 기화로 인한 결과로 생각된다.
6 mm 용가재의 용접부 경도로써, 용접전류가 증가함에 따라 거의 동일한 경도를 가진다. 4.0mm 용가재 용접부의 경도는 Hv65~75 정도이며, 5.6mm 용가재 용접부 경도는 Hv70~80으로 측정되어, 용가재 직경이 큰 용접 조건의 경도가 모든 조건에서 높은 경도값을 보였다. 이는 5.
6mm 용가재의 35-40mm 구간의 경도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 4.0mm 용가재 조건의 경우 30mm 이후부터는 용접에 영향을 받지 않는 모재 부분으로 용접조건에 관계없이 경도값이 일치하는 하는 것을 알 수 있다.
5) 용접전류가 증가할수록 용접부의 항복강도와 인장강도는 감소하였다. 동일한 용접전류 조건에서는 결정립의 크기가 거의 동일하지만 큰 직경의 용가재를 사용한 경우 항복 및 인장강도가 더 높게 측정되었다.
6) 결론적으로 대전류 GMAW Al5083-O 용접부의 기계적 특성을 변화시키는 주요 변수는 마그네슘의 농도이며, 용접부 내에서의 마그네슘 농도와 항복강도는 Y.S = 27.9(X_Mg)-11 (X_Mg : weight percent of Mg content)와 같은 선형적인 비례관계를 가진다.
6mm 용가재)에서 950A 로 증가할수록 3~4% 감소하는 경향을 나타냈다. 동일 전류 조건에서는 용가재 직경이 4.0mm인 경우 모재 대비 항복강도는 83-87% 인장강도는 87~91%로 측정되었고, 용가재 직경이 5.6m인 경우 항복강도는 89-92% 인장강도는 91~94% 수준이었다. 즉, 큰 직경의 용가재를 사용한 용접부의 인장 특성이 더 우수하였다.
5) 용접전류가 증가할수록 용접부의 항복강도와 인장강도는 감소하였다. 동일한 용접전류 조건에서는 결정립의 크기가 거의 동일하지만 큰 직경의 용가재를 사용한 경우 항복 및 인장강도가 더 높게 측정되었다. 이 결과는 용가재 직경 변화에 따른 마그네슘 농도의 차이 때문이라 판단된다.
07wt%로 측정되었다. 따라서 동일한 용접전류와 용접속도 조건에서는 용가재 직경이 클수록 용접부의 마그네슘 함량이 증가함을 알 수 있다. 이 결과는 3.
53wt%로 감소하였다. 또한 5.00mm 용가재의 용접부 마그네슘 함량은 용접전류가 850A에서 950A 로 증가할수록, 5.12wt%에서 5.07wt%로 감소하였다. 동일한 950A용접전류 조건에서 용가재 4.
3) 용접전류가 증가할수록 마그네슘 기화가 더욱 활발하게 일어났다. 또한, 4.0mm 용가재의 용접부보다 5.6mm 용접부의 마그네슘 농도는 모든 전류 조건에서 높게 나타났다. 이 결과는 5.
즉, 큰 직경의 용가재를 사용한 용접부의 인장 특성이 더 우수하였다. 또한, 4.0mm용가재 용접 조건 중에서 가장 낮은 용접 전류인 800A 용접부의 항복 및 인장강도는 83.9%와 91%로써, 5.6mm 용가재 용접 조건 중 가장 높은 용접전류인 950A용접부의 항복 및 인장강도인 89.4%와 91.6% 보다 낮았다.
모재의 평균 마그네슘 함량은 5.4wt% 이었으며, 용접 후 용접부의 마그네슘 함량은 모든 용접조건에서 5.4wt% 이하로 측정되었다. 이는 용접 중 아크 열원에 의해 모재와 용가재 모두 마그네슘의 기화가 발생하여, 용접부의 마그네슘 함량이 모재보다 감소한 것으로 판단된다.
용접부의 인장강도와 항복강도는 용접 전류가 800A (4.0mm 용가재) 또는 850A(5.6mm 용가재)에서 950A 로 증가할수록 3~4% 감소하는 경향을 나타냈다. 동일 전류 조건에서는 용가재 직경이 4.
이는 용접 중 아크 열원에 의해 모재와 용가재 모두 마그네슘의 기화가 발생하여, 용접부의 마그네슘 함량이 모재보다 감소한 것으로 판단된다. 용접전류가 800A에서 950A로 증가할수록, 4.0mm 용가재의 용접부 마그네슘 함량은 4.74wt%에서 4.53wt%로 감소하였다. 또한 5.
위 실험 결과를 통해 Al5083 합금의 용접부 인장 특성을 결정하는 주요 인자는 미세조직의 결정립 크기 (SDAS)보다 마그네슘 농도인 것으로 판단 할 수 있다. Fig.
3wt% 높았다. 즉, 용접전류가 증가할수록 SDAS가 증가하고 마그네슘 농도가 감소하여, 같은 직경의 용가재 조건에서는 인장강도가 감소했다. 동일한 용접전류에서 용가재 직경이 다른 경우에도 거의 일정한 SDAS를 가지지만, 마그네슘 농도가 높은 큰 직경의 용가재를 사용한 용접부의 인장성질이 더 우수한 것을 알 수 있다.
6m인 경우 항복강도는 89-92% 인장강도는 91~94% 수준이었다. 즉, 큰 직경의 용가재를 사용한 용접부의 인장 특성이 더 우수하였다. 또한, 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al5000계 합금이란?	Al5000계 합금은 마그네슘(Mg)의 고용강화 효과를 이용한 비열처리 합금으로, 그 중 Al5083 합금은 4-5wt% 마그네슘을 함유하고 있어 다른 Al 합금에 비해 높은 강도와 내식성 및 용접성을 가진다4).
	Al5083 합금이 4-5wt% 마그네슘을 함유하고 있어서 가지는 특성은?	Al5000계 합금은 마그네슘(Mg)의 고용강화 효과를 이용한 비열처리 합금으로, 그 중 Al5083 합금은 4-5wt% 마그네슘을 함유하고 있어 다른 Al 합금에 비해 높은 강도와 내식성 및 용접성을 가진다4).
	Al 합금에 대전류 용접이 될 경우 비점이 낮은 마그네슘의 기화가 발생하는데 이때 발생하는 문제는?	그러나 Al 합금에 대전류 용접이 될 경우 비점이 낮은 마그네슘의 기화가 발생할 수 있다6). Al5000계열 합금은 마그네슘의 고용량과 기계적 성질이 비례하기 때문에, 마그네슘의 기화가 발생할 경우 용접부의 기계적 성질이 저하되게 된다6-8). 이는 용접시 마그네슘을 다량 포함한 용가재를 사용하여 마그네슘 기화로 인한 기계적 성질 저하를 방지 할 수 있으며, 용가재도 용접중에 마그네슘 기화가 발생하므로 모재보다 더 높은 마그네슘 함량을 가진 용가재의 사용이 필요하다9).

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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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