[논문]Ar/He 보호가스분위기에서 Al 5083 합금의 대전류 MIG 용접특성

최영배; 황인성; 강문진; 김동철

doi:10.5781/jwj.2014.32.1.87

[국내논문] Ar/He 보호가스분위기에서 Al 5083 합금의 대전류 MIG 용접특성
High Current MIG Welding of Al 5083 Alloy under Ar/He Mixed Gas Shielding 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.32 no.1, 2014년, pp.87 - 92

최영배 (한국생산기술연구원 용접접합연구실용화그룹) , 황인성 (한국생산기술연구원 용접접합연구실용화그룹) , 강문진 (한국생산기술연구원 용접접합연구실용화그룹) , 김동철 (한국생산기술연구원 용접접합연구실용화그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, use of thick Al 5083 plate has increased in production of LNG storage tank. In general, multi-pass welding has been used to achieve sufficient penetration in thick plate welding. High current welding which enables high deposition and deep penetration is preferred in thick plate welding because the increase of number of pass increases manufacturing cost and formation of weld defect. In this study, welding characteristics according to various Ar/He shielding gas composition was investigated in high current MIG welding. The bead-on-plate welding and V groove welding were conducted on Al 5083 alloy with a thickness of .25 mm. The effect of shielding gas composition on bead shape was evaluated and proper shielding gas composition was proposed. Also arc stability was examined under selected shielding gas composition. One side-one pass welding experiments were conducted for V groove specimen with a thickness of 25 mm. Mechanical properties and hardness profiles were measured for the V groove specimens.

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AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 알루미늄 합금의 대전류 용접에서 보호 가스 중 Ar과 He의 비율을 변화시키며 용접실험을 실시하였다. 용접 아크의 안정성과 비드형상을 평가하여 적정 보호가스 비율을 도출하고 이를 기반으로 25 mm 후판의 편면 1 패스 완전용입을 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금의 대전류 용접에서 보호 가스 중 Ar과 He의 비율을 변화시키며 용접실험을 실시하였다. 용접 아크의 안정성과 비드형상을 평가하여 적정 보호가스 비율을 도출하고 이를 기반으로 25 mm 후판의 편면 1 패스 완전용입을 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
Al 합금의 표면에는 두껍고 강한 산화피막이 형성되므로 실험 전 스테인리스강 와이어 브러쉬를 사용하여 산화피막을 제거하였다.
보호가스 조성에 따른 용접특성을 분석하기 위해 먼저 비드(bead-on-plate, BOP)용접을 수행하였다. 보호가스 조성은 100% Ar, 75% Ar, 50% Ar, 25% Ar 을 사용하였다.
용접 후 시험편의 표면형상을 관찰하고, 단면 형상에서 비드형상을 분석하였으며, 용접전류와 전압을 50 kHz로 샘플링하여 용접의 안정성을 평가하였다.
편면 1패스용접을 수행하면서 용락을 방지하기 위하여 세라믹 배킹을 이면에 부착하였다. 용접 속도 30 cm/min, 35 cm/min에서 완전용입이 가능한 적정 용접전류 및 전압을 선정하여 용접을 수행하였다. 용접부에서 시험편을 채취하여 인장시험, 굽힘시험 및 경도 분포 측정을 수행하여 기계적 물성을 평가하였다.
용접 속도 30 cm/min, 35 cm/min에서 완전용입이 가능한 적정 용접전류 및 전압을 선정하여 용접을 수행하였다. 용접부에서 시험편을 채취하여 인장시험, 굽힘시험 및 경도 분포 측정을 수행하여 기계적 물성을 평가하였다.
50%Ar/50%He 보호가스 분위기에서 용접의 안정성을 평가하기 위해 용접전류와 전압을 측정하였다. Fig.
선행 실험에서 적정 보호가스로 선정한50%Ar/50%He 혼합가스 비율 조건에서 그루브 용접시험을 수행하고 용접부의 특성을 평가하였다. Table 2에서 선정한 60도 및 90도 그루브에서 각각 Table 7의 용접조건으로 편면 1 패스 용접을 수행하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금의 대전류 용접에서 Ar과 He의 혼합비율을 변화시키며 용접실험을 실시하였다. 용접 아크의 안정성과 비드형상을 평가하여 적정보호가스 비율과 용접조건을 도출하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금의 대전류 용접에서 Ar과 He의 혼합비율을 변화시키며 용접실험을 실시하였다. 용접 아크의 안정성과 비드형상을 평가하여 적정보호가스 비율과 용접조건을 도출하였다. 이를 기반으로 25 mm 두께 Al5083-O의 편면 1 패스 용접을 실시하여 완전용입된 용접부를 얻을 수 있었다.
2) BOP에서 최적 보호가스로 선정한 혼합가스 비율 50%Ar/50%He의 조건에서 60도 및 90도 그루브에 용접속도 30 cm/min과 35 cm/min에서 편면 1 패스 용접을 수행하였다. 그 결과 모든 조건에서 양호한 용접비드 형성이 가능하였으며, 각 용접속도와 그루브 형상에서 완전용입 및 양호한 이면 비드가 형성되었다.

대상 데이터

실험에 사용한 모재는 25mm 두께의 Al 5083-O를 사용하였으며, 용접재료는 직경 3.2mm Al5183 합금와이어를 사용하였다. 모재 및 용접와이어에 대한 화학적 성분은 Table 1과 같다.
용접전원은 정전류 제어형 1500A급 MIG 용접기이고, 용접캐리지는 아크 발생을 원활히 해주기 위한 고주파 아크 스타트 장비를 내장하고 있으며, 용접전류 및 전압, 속도의 조절이 가능하다. 용접토치는 용접중 보호가스의 편류, 난류를 없애고 용접 중 용융부를 외부 대기로부터 완전하게 차단시키기 위하여 Fig. 2와 같이 대구경의 이중 보호가스 공급용 토치를 사용하였다.
보호가스 조성에 따른 용접특성을 분석하기 위해 먼저 비드(bead-on-plate, BOP)용접을 수행하였다. 보호가스 조성은 100% Ar, 75% Ar, 50% Ar, 25% Ar 을 사용하였다. 용접속도는 40 cm/min으로 고정하였고, 용접전류 및 전압은 각각 450~600 A, 28~34 V로 조정하였다.
후판의 그루브 용접에서는 깊은 용입과 넓은 비드 형성이 요구되고, Ar 가스에 비해 He 가스의 가격이 비싸므로 50%Ar/50%He 분율을 적절한 보호가스 조성으로 선정하였다.

이론/모형

8과 9는 용접속도 35 cm/min 조건인 실험번호 2와 4에 대한 인장 및 굽힘실험 결과이다. 용접부 인장 시험과 굽힙시험은 한국선급 규격에 따라 실시하였다¹⁰⁾.

성능/효과

모든 보호가스 분위기에서 용접 전류가 증가하는 경우 용접비드의 폭은 증가하였다. 동일전류에서 He 분율이 증가할수록 비드폭이 증가하는 경향이 보이나 He 이 50%이상인 경우에는 거의 비드폭이 일정하였다.
30 cm/min과 35 cm/min의 각 용접속도에서 양호한 용접비드 형성이 가능하였으며, 그 결과는 Table 8에 나타내었다. 각 용접속도와 그루브 형상에서 완전용입 달성이 가능하였으며, 양호한 이면 비드가 형성되었다.
60도 그루브각을 이용한 실험번호 2번 시험편의 인장시험 결과 인장강도의 평균값은 287MPa이고 파단 위치는 용착금속부였다. 굽힘시험에서는 표면부 3mm를 초과하는 결함이 발견되지 않는 양호한 결과를 나타냈다.
굽힘시험에서는 표면부 3mm를 초과하는 결함이 발견되지 않는 양호한 결과를 나타냈다. 90도 그루브각을 이용한 실험번호 4번 시험편의 인장시험 결과 인장강도의 평균값은 280MPa이고 파단위치는 용착금속부였다. 2번 시험편과 마찬가지로 굽힘시험 결과 표면부 3mm를 초과하는 결함이 발견되지 않았다.
1) He을 포함하는 보호가스 분위기에서는 용접전류 증가에 따라 용입의 깊이가 증가한다. 또한 He 분율이 50% 이상인 경우에는 19 mm 이상의 깊은 용입 달성이 가능하였다.
2) BOP에서 최적 보호가스로 선정한 혼합가스 비율 50%Ar/50%He의 조건에서 60도 및 90도 그루브에 용접속도 30 cm/min과 35 cm/min에서 편면 1 패스 용접을 수행하였다. 그 결과 모든 조건에서 양호한 용접비드 형성이 가능하였으며, 각 용접속도와 그루브 형상에서 완전용입 및 양호한 이면 비드가 형성되었다. 또한 인장시험, 굽힘시험 및 경도 분포 측정을 수행하여 우수한 기계적 물성 결과를 얻을 수 있었다.
그 결과 모든 조건에서 양호한 용접비드 형성이 가능하였으며, 각 용접속도와 그루브 형상에서 완전용입 및 양호한 이면 비드가 형성되었다. 또한 인장시험, 굽힘시험 및 경도 분포 측정을 수행하여 우수한 기계적 물성 결과를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄의 후판용접에 Ar과 He 을 혼합한 보호가스를 사용할때 장단점은?	알루미늄 합금의 후판용접에는 일반적으로 Ar과 He 을 혼합한 보호가스를 사용하고 있다. He 가스는 이온화 전압이 높아 아크의 온도가 증가하여 용접부의 융합 불량과 같은 결함을 저감시켜 준다. 또한, 용접속도를 증가 시킬 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다6,7). 하지만 He의 혼합비율이 높아지면 용입이 얕고 비드가 넓게 형성 되며, 비드외관이 거칠어지는 단점이 있다8). 본 연구에서는 알루미늄 합금의 대전류 용접에서 보호 가스 중 Ar과 He의 비율을 변화시키며 용접실험을 실시하였다.
	LNG 저장탱크의 재료로 사용되는 것은?	LNG 저장탱크의 재료로는 9% Ni강, 오스테나이트계 스테인리스강 및 Al5083 합금이 사용되고 있다. 이중 가장 경량소재인 Al5083 합금은 구조용 비열처리형 알루미늄 합금 중에서 가장 우수한 강도와 저온 특성을 가지고 있다.
	Al5083 합금이 LNG 저장탱크 건조를 위한 용접기술의 확보가 필요한 이유는?	이중 가장 경량소재인 Al5083 합금은 구조용 비열처리형 알루미늄 합금 중에서 가장 우수한 강도와 저온 특성을 가지고 있다. 그러나 Al5083 합금은 철계 소재에 비해 용접성이 열위하기 때문에 LNG 저장탱크 건조를 위한 용접기술의 확보가 필요하다.

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상세보기
Kumai S, Umezawa O, Takayama Y, et al. Structure and welding technologies for SPB LNG aluminium tank. In: Proceedings of the 12th international conference on aluminium alloys, Ykohama, Japan, 5-9 September 2010, 82-87. Tokyo: The Japan Institute of Light Metals
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상세보기
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Rule for Classification Steel Ships : Part 2 Material and Welding, Korean Register of Shipping, 1998, 94-115

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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