[논문]FCAW를 이용한 SM45C의 혼합가스비율에 따른 전류파형 및 용접특성 연구

이종훈; 임병철; 박상흡

doi:10.7735/ksmte.2014.23.6.618

FCAW를 이용한 SM45C의 혼합가스비율에 따른 전류파형 및 용접특성 연구
Analysis on the Characteristic of Current Waveform and Welding for SM45C Using FCAW According to Gas Mixture Ratio 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.6, 2014년, pp.618 - 623

이종훈 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University) , 임병철 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University) , 박상흡 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study, analyzed the waveform and mechanical properties of flux cored arc Welding on SM45C. $CO_2$ 10% + Ar 90% shows the lowest standard deviation and shunt ratio at which the arc was most stable. $CO_2$ 10% + Ar 90% is equal to $CO_2$ 20% + Ar 80%. therefore, $CO_2$ 20% + Ar 80% is the best of mixture gases. The hardness test result for the gas mixture ratio of $CO_2$ 10% + Ar 90% was HV 249.7 which is the highest measured value. According to tensile test results, the tensile strength increased with increasing Ar in the mixture gas. This was because of the inertness of the argon, which does not combine with other elements, causing $CO_2$ to combine with pearlite and ferrite and decreasing the maximum tensile strength. Microstructural examination results show that with increasing Ar, ferrite generation decreases while the mild microstructure increases which influences the hardness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 최적의 혼합가스 조성을 통해 저비용으로도 용접의 작업성과 품질을 향상시켜 용접생산성을 증가시키고자 한다. 이를 위해 SM45C에 FCA용접을 이용하여 혼합가스에 따른 전류파형 측정과 기계적 특성을 평가하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 최적의 혼합가스 조성을 통해 저비용으로도 용접의 작업성과 품질을 향상시켜 용접생산성을 증가시키고자 한다. 이를 위해 SM45C에 FCA용접을 이용하여 혼합가스에 따른 전류파형 측정과 기계적 특성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

Table 5에서와 같이 각각의 조건으로 각층마다 용접 시 모니터링을 실시하여 전류, 전압의 변동을 파형분석 하였다. 아크 안정성 및 용접품질 평가를 위해 전류, 전압 변동 계수를 평가하였다.
1과 같이 KS B 0833에 의해 인장시험편을 준비하였다. 기계적 성질의 변화를 조사하기 위하여 미세 경도시험을 수행하였으며, 시험장비는 Mitutoyo(社)에서 제작한 용량 1 kg급 경도시험기(Model : HK-54)를 사용하다. 모재부위의 경도를 300 g으로 압입하고 10초동안 유지하였다.
본 연구에서는 FCA용접을 통해 혼합가스 비율에 따른 SM45C를 용접하였다. 또한 혼합가스 비율에 따른 전류파형과 기계적 특성을 평가하였다.
모재부위의 경도를 300 g으로 압입하고 10초동안 유지하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 광학압입하고 10초동안 유지하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 광학 현미경(Optical Microscope, Olimpus, GX41)을 이용하였다.
1 pass의 전류값은 175 A 이송속도는 2 mm/s이고 2 pass의 전류값은 175 A 이송속도는 5 mm/s 이며, 3 pass의 경우 전류값은 175A였으며 이송속도는 5 mm/s이다. 보호가스는 CO₂ 100%, CO₂ 20% + Ar 80%, CO₂ 10% + Ar 90%를 사용하여 용접을 실시하였으며 Ar의 양의 증가로 인한 용접성의 경향을 알아보기 위해 10%의 차이를 두고 실험하였다. 그로인한 조건은 Table 5와 같다.
본 연구에서는 FCA용접을 통해 혼합가스 비율에 따른 SM45C를 용접하였다. 또한 혼합가스 비율에 따른 전류파형과 기계적 특성을 평가하였다.
Table 5에서와 같이 각각의 조건으로 각층마다 용접 시 모니터링을 실시하여 전류, 전압의 변동을 파형분석 하였다. 아크 안정성 및 용접품질 평가를 위해 전류, 전압 변동 계수를 평가하였다.
미세조직을 관찰하기 위해 광학 현미경(Optical Microscope, Olimpus, GX41)을 이용하였다. 현미경 조직시험방법의 일반적인 시험편 준비과정에 따라 절단(cutting), 미세연마(grinding), 경면연마(polishing), 부식(etching)하여 시험편을 제작 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 FCAW장치는 HYOSUNG사의 PF PULSE 350 모델을 사용하였으며 자동이송장치를 이용하여 3층의 용접을 실시하였다. 1 pass의 전류값은 175 A 이송속도는 2 mm/s이고 2 pass의 전류값은 175 A 이송속도는 5 mm/s 이며, 3 pass의 경우 전류값은 175A였으며 이송속도는 5 mm/s이다.
본 연구에서 사용된 모재는 기계구조용 탄소강재로서 구조용 강재 중 가장 보편적으로 쓰이는 SM45C를 사용하였고 용가재는 플럭스코어와이어(AWS E71T-1)로서 아크가 안정하며 스패터 발생량이 적어 용접 작업성이 우수하다. 비드의 퍼짐성이 좋고 용착량과 슬래그의 응고속도 비율이 좋기 떄문에 능력적이며, 슬래그의 박리성이 좋아 양호한 비드를 얻을 수 있는 특징이 있다.
2는 모니터링 시스템의 개략도를 나타내었다. 인장시험을 수행하기 위하여 SM45C를 Fig. 1과 같이 KS B 0833에 의해 인장시험편을 준비하였다. 기계적 성질의 변화를 조사하기 위하여 미세 경도시험을 수행하였으며, 시험장비는 Mitutoyo(社)에서 제작한 용량 1 kg급 경도시험기(Model : HK-54)를 사용하다.

이론/모형

미세조직을 관찰하기 위해 광학압입하고 10초동안 유지하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 광학 현미경(Optical Microscope, Olimpus, GX41)을 이용하였다. 현미경 조직시험방법의 일반적인 시험편 준비과정에 따라 절단(cutting), 미세연마(grinding), 경면연마(polishing), 부식(etching)하여 시험편을 제작 하였다.
그로인한 조건은 Table 5와 같다. 전류 및 용접성을 확인하기 위하여 Monitech사의 용접 파형분석 모니터링 장비(model : Welding Expert : MULTI)를 이용하여 파형을 기록하였다. Fig.

성능/효과

(1) 혼합가스 비율에 따른 전류파형 분석 결과 Ar의 비율이 증가할수록 파형의 표준편차가 적고 아크가 안정되어 용접성이 좋아지는 것을 알 수 있었고, Ar의 양이 증가함에 따라 스패터량이 현저히 줄어들었음을 알 수 있다. 산업현장에 적용시 스패터량을 줄이고 미려한 비드를 얻기 위해서는 Ar 90%+ CO₂ 10%의 혼합비율이 적당 하다고 판단된다.
(2) 경도시험결과 CO₂ 10% + Ar 90%의 용접부(Weld Metal)의 평균 경도값은 Hv 249.7으로 가장 높게 나타났으며 이는 CO₂ 가스를 사용할 때와 Ar가스를 사용할 때 보다 다량의 페라이트조직이 생성되어 낮은 경도 값이 나타난 것으로 보이며 열화현상이 나타나 열처리 효과가 나타난 것으로 사료된다.
(3) 인장시험결과 CO₂ + Ar을 사용할 때 CO₂ 100%를 사용할 때보다 높게 나타났다. Ar가스는 불활성 가스로서 다른 원소와 화합하지 않기 때문에 결국은 CO₂ 가스가 펄라이트와 페라이트 양을 늘려 연성이 증가함에 따라 인장강도가 떨어진 것으로 사료된다.
(4) 혼합가스 비율에 따른 미세조직 시험 결과 CO₂ 양이 증가할수록 다량의 페라이트가 생성되었고 Ar의 증가할수록 페라이트 생성이 적고 경한 미세조직의 생성이 증가하였으며 이는 경도 값이 증가하는데 영향을 주었다.
Ar 80% + CO₂ 20%일 때 나타난 파형을 분석하면 전류와 전압의 표준편차 값은 각각 9.43 A, 0.50 V으로 나타났으며 단락률은 0.02%로 줄어들었으며, Ar 90% + CO₂ 10%에서 전류의 표준편차 값의 평균이 8.85A이고 전압의 표준편차 평균값이 0.43 V이며 단락률은 0.01%으로 아주 현격히 떨어짐을 알 수 있다. Ar의 양이 증가할수록 전류파형이 안정되었으며 아크가 안정되어 스패터량 또한 줄어들었다.
보호가스 중에 포함된 Ar의 양이 증가하고 공급량이 많아질수록 비드 높이가 더욱 낮아지며 모재에 언더컷이 발생되는 현상도 Ar의 증가로 인한 입열량이 변화되었기 때문으로 보인다. Ar 90% + CO₂ 10%와 Ar 80% + CO₂ 20%와는 많은 차이를 보이지 않았으며 산업현장에 적용 시 경제적인 면을 고려했을 때 스패터량을 줄이고 미려한 비드를 얻기 위해서는 Ar 80%+CO₂ 20%의 혼합비율이 적당 하다고 판단된다.
01%으로 아주 현격히 떨어짐을 알 수 있다. Ar의 양이 증가할수록 전류파형이 안정되었으며 아크가 안정되어 스패터량 또한 줄어들었다. 용접 중 발생하는 스패터량은 Fig.
9로 나타났다. 각 용접 조건별 용접부와 열영향부의 경도분포를 살펴보면 Ar 90% + CO₂ 10% 가 가장 높은 경도 값이 나타났으며 CO₂ 100%가 가장 낮은 경도 값을 나타내었다. 혼합가스에 따른 경도변화는 CO₂ 가스량이 많을수록 경도가 낮은 것으로 나타났으며, 이는 CO₂ 가스를 사용할 때와 Ar가스를 사용할 때 보다 다량의 페라이트조직이 생성되어 낮은 경도 값이 나타난 것으로 보이며 열화현상이 나타나 열처리 효과가 나타난 것으로 사료된다.
6은 경도 값의 변화를 조사하기 위하여 미소경도시험을 수행한 결과이다. 경도시험은 각 시험편 별로 실험하였으며 측정 영역별로 경도 측정값을 살펴보면 열영향부(H.A.Z)가 가장 높았고 다음이 용착금속부(WZ)이고 모재(BM)순으로 나타났다. 열영향부가 용착금속과 모재보다 높은 이유는 용착금속이 융점이상으로 가열되었다 용융이 이루어지므로 용착부에 미세조직이 생성되어 높은 경도 값이 나타난 것을 알 수 있다.
5(C)는 Ar의 양이 증가함에 따라 아크가 안정되어 스패터량이 현저히 줄어든 것으로 나타났다. 또한 Ar가스 혼합비율이 많아 질수록 비드의 폭이 넓어졌음을 관찰하였다. 일반적으로 입열량이 많을수록 용융하기 쉽고 언더컷이 발생되기 쉽다.
8(d)는 보호가스에 따른 용접부의 2 pass 부분의 조직을 나타낸 것으로 모재부와 다른 조직이 형성되었고, 이는 보호가가의 영향으로 인해 냉각속도가 빨라져 결정립이 조밀화 되었음을 알 수 있었다. 또한 Ar의 양이 증가할수록 더욱 경화 되어있는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.
85%로 나타났다. 보호가스 CO₂100%를 사용할 때 파형의 단락이 심해져 아크가 불안정한 상태를 관찰할 수 있었다.
8(d)의 조직이 더욱 미세한 것을 알 수 있다. 이는 CO₂ 양이 증가할수록 다량의 페라이트가 생성되어 연성을 갖기 때문에 경도가 낮아지고 Ar의 양이 증가할수록 페라이트 생성이 적고 경한 미세조직의 생성이 증가하여 경도가 높아진 것으로 판단되며, 보호가스의 종류에 따라 조직의 변화에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
모든 시험편은 모재부에서 파단이 일어났다. 인장시험결과 인장강도는 Ar 80% + CO₂ 20%, Ar 90% + CO₂ 10%, CO₂ 100% 최대 인장강도는 는 각각 634 MPa, 632 MPa, 584 MPa이었으며, 혼합가스를 사용하였을 때 CO₂를 사용했을 때 보다 높게 나타났다. 이는 Ar 가스가 불활성 가스로서 다른 원소와 화합하지 않기 때문에 결국 CO₂가스가 펄라이트와 페라이트 양을 늘려 연성이 증가함에 따라 인장강도가 떨어진 것으로 사료된다.
전류 값은 용접기에 나타난 디지털 값을 측정하여 그 값을 기준으로 용접하였으나 모니터링 장비에서 측정한 값과 다소 차이가 있었고 약 ±10 A 정도의 차이가 나타났다.
각 용접 조건별 용접부와 열영향부의 경도분포를 살펴보면 Ar 90% + CO₂ 10% 가 가장 높은 경도 값이 나타났으며 CO₂ 100%가 가장 낮은 경도 값을 나타내었다. 혼합가스에 따른 경도변화는 CO₂ 가스량이 많을수록 경도가 낮은 것으로 나타났으며, 이는 CO₂ 가스를 사용할 때와 Ar가스를 사용할 때 보다 다량의 페라이트조직이 생성되어 낮은 경도 값이 나타난 것으로 보이며 열화현상이 나타나 열처리 효과가 나타난 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접의 적용 분야는 어디인가?	용접은 모재를 국부적으로 가열하거나 압력을 가하여 재료 상호간에 용해 및 응고, 확산, 소성변형 등의 금속학적 현상을 동반하는 접합 방법이다[1]. 용접의 적용 분야는 자동차, 조선, 플랜트 산업 등 산업 전반을 포함하며[2], 산업 고도화와 품질 고급화의 추세에 따라 용접·접합 공정의 역할이 증가하는 추세이다[3].
	용접이란 무엇인가?	용접은 모재를 국부적으로 가열하거나 압력을 가하여 재료 상호간에 용해 및 응고, 확산, 소성변형 등의 금속학적 현상을 동반하는 접합 방법이다[1]. 용접의 적용 분야는 자동차, 조선, 플랜트 산업 등 산업 전반을 포함하며[2], 산업 고도화와 품질 고급화의 추세에 따라 용접·접합 공정의 역할이 증가하는 추세이다[3].
	Flux cored wire의 단점은 무엇인가?	Flux cored wire(FCW)는 1950년 대에 최초로 출현하였으며 높은 용착율 및 효율, 깊은 용입, 그리고 수려한 비드 외관 이외에도 피복아크 용접봉과 같은 뛰어난 성능을 용접공정에 자동화 할 수 있다는 큰 장점을 유감없이 발휘해 왔다[4,5]. 그러나 고가의 장비와 기술부족으로 자동화가 어려워 대부분 수작업에 의해 용접이 이루어지고 있으며 그에 따라 용접부의 품질평가 역시 작업자의 감각 및 기능에 의존하고 실정이다. 용접 장비 분야에서도 품질과 생산성 향상이 기업의 부가가치 창출에 중요한 요소로 대두되면서, 작업자가 직접현장에서 용접 품질을 감시하고 있지 못하기 때문에 품질의 자동감시, 즉 품질 모니터링의 중요성이 점차 강조되고 있는 실정이다[6,7].

참고문헌 (10)

Widgery David., 1994, Tubular Wire Weldling, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, England, 3-8.
Ferree, S. E., 1995, New Generation of Cored Wires Creates Less Fume and Spatter, Welding Journal 74 45-48
Liby, A. L., Dixon, R., Olson, D. L., 1990, Welding: Theory and Practice, Elsevier Science Publishers, The Netherlands.
Cary, H. B., 1979, Modern Welding Technology, Prentice-Hall, United States.
Nordmark, G. E., Mueller, L. N., Kelsey, R. A., 1982, Effect of Residual Stresses on Fatigue Crack Growth Rates in Weldments of Aluminum Alloy 5456 Plate, ASTM Special Technical Publication, 776 44-62.
Adolfsson, S., Bahrami, A., Bolmsjo, G., Claesson, I., 1999, On-line Quality Monitoring in Short-circuit Gas Metal Arc Welding, Welding journal 78:2 59-73.

상세보기
Quinn, T. P., Smith, C., McCowan, C. N., Blachowiak, E., & Madigan, R. B., 1999, Arc sensing for defects in constant-voltage gas metal arc welding. Welding journal 78 322.
Suh, C. M., & Kitagawa, H., 1987, Crack Growth Behavior of Fatigue Microcracks in Low Carbon Steels, Fatigue % Fracture Engineering Material Structure, 9:6 409-424.

상세보기
Welding and Joining Handbook, 2007, process and thermal processing, Korean Welding and Joining Society, 3.
Mita. T., 1988, Study for Reducing Spatter in CO sub 2 Gas Shielded Arc Welding. I. Waveform Control Method in CO sub 2 Gas Shielded Arc Welding. Q. J. Jpn. Weld. Soc., 209 6-2.

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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