[논문]가변 극성 아크의 알루미늄 용접성 향상에 관한 연구

조정호

doi:10.5781/jwj.2014.32.1.108

가변 극성 아크의 알루미늄 용접성 향상에 관한 연구
Weldability Increase of Aluminum by Variable Polarity Arc 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.32 no.1, 2014년, pp.108 - 111

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Low arc weldability of aluminum alloy is enhanced by applying variable polarity TIG and the result is theoretically investigated to figure out the mechanism. Conventionally, it is well known fact that DCEP (reverse polarity) arc is effective on aluminum welding. The reason is due to oxide layer removal by plasma ion bombardment and therefore it is named as cleaning effect. Another fact of polarity characteristic is that DCEN shows higher heat input efficiency therefore conventional variable polarity arc used to apply DCEP portion as small as possible. However, higher DCEP portion shows bigger weldment in this research and it is explained by adopting a theory of arc concentration on oxide layer with tunneling effect which was not clearly mentioned before in several variable polarity TIG welding research. Disagreement between variable polarity TIG welding result and conventional arc polarity theory is rationally explained for the first time with help of electron emission theory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 가변 극성(variable polarity) 아크를 이용한 알루미늄 용접성 향상에 관한 것으로 디지털 인버터 TIG 용접기를 이용해 전류 펄스 중 DCEP와 DCEN 분율을 조정하여, 아크의 전기 극성이 알루미늄의 용접 성에 미치는 영향을 분석하였다. 자동차 차체 적용을 목적으로 하여 3mm 두께 5052 알루미늄 합금의 겹치기 이음 필렛 용접부에 대해 최적 용접 조건을 도출하는 방식으로 실험을 진행하였으며, 용접 변수로는 알곤 보호 가스를 사용하고, 선행 테스트를 통해 펄스 주파수는 영향이 미미함을 검증하여 상수로 고정함과 동시에, 일정한 용접 속도 하에 DCEP 분율과 용접 전류를 변화시켜 최적 용접 조건을 도출하였다.
본 연구에서는 DCEP와 DCEN의 분율을 조정할 수있는 가변 극성(variable polarity) 아크를 이용해 GTA 용접법으로 알루미늄 합금을 용접하는 실험을 기반으로 아크의 극성 변화가 알루미늄의 용접성 향상에 미치는 영향을 이론적으로 분석하였다.

제안 방법

용접 전원은 디지털 인버터 타입의 가변 극성 GTA 용접기로 펄스 주파수와 펄스 내 DCEP 분율과 DCEN 분율을 조정할 수 있다. 기존의 실험 문헌과 사전 테스트를 통해 펄스 주파수는 용접부 형성에 미치는 영향이 미미함을 알 수 있었고, 이를 바탕으로 펄스 주파수는 100Hz로 고정하였다. 단순 사각 파형을 적용하였으며, 용접 변수의 복잡성을 줄이기 위해 라인 열입력을 기준으로 용접 속도를 0.
기존의 실험 문헌과 사전 테스트를 통해 펄스 주파수는 용접부 형성에 미치는 영향이 미미함을 알 수 있었고, 이를 바탕으로 펄스 주파수는 100Hz로 고정하였다. 단순 사각 파형을 적용하였으며, 용접 변수의 복잡성을 줄이기 위해 라인 열입력을 기준으로 용접 속도를 0.12m/s로 고정한 채 용접 전류와 DCEP 분율의 영향을 고찰하였다. 보호 가스는 99.
본 연구는 가변 극성(variable polarity) 아크를 이용한 알루미늄 용접성 향상에 관한 것으로 디지털 인버터 TIG 용접기를 이용해 전류 펄스 중 DCEP와 DCEN 분율을 조정하여, 아크의 전기 극성이 알루미늄의 용접 성에 미치는 영향을 분석하였다. 자동차 차체 적용을 목적으로 하여 3mm 두께 5052 알루미늄 합금의 겹치기 이음 필렛 용접부에 대해 최적 용접 조건을 도출하는 방식으로 실험을 진행하였으며, 용접 변수로는 알곤 보호 가스를 사용하고, 선행 테스트를 통해 펄스 주파수는 영향이 미미함을 검증하여 상수로 고정함과 동시에, 일정한 용접 속도 하에 DCEP 분율과 용접 전류를 변화시켜 최적 용접 조건을 도출하였다. 그리고, 용접부 단면 분석을 통해 다음과 같은 결론에 도달하였다.

대상 데이터

12m/s로 고정한 채 용접 전류와 DCEP 분율의 영향을 고찰하였다. 보호 가스는 99.9% 순도의 알곤으로 15L/m의 공급량을 설정하였다.
2. 실험

실험에는 5052 알루미늄 합금을 이용하였으며, 시편은 3mm 두께에 300mm 길이와 50mm 너비로, 겹치기 이음에 필렛 용접을 타겟으로 하였다. 용접부에 대한 개요도는 Fig.

성능/효과

1) 동일한 용접 전류에서 DCEP 분율이 높을수록 더 큰 용접부 사이즈를 얻을 수 있다.
2) DCEP 분율이 높을수록 텅스텐 전극봉의 손실량이 커지고, 이에 따라 아크가 불안정해져 용접부 사이즈는 다시 감소한다.
3) DCEP 분율과 입열 효율과의 비례 관계는 기존의 아크 이론과 반대되는 것으로, 알루미늄 용접에서는 DCEP 극성에서 터널링 효과에 의한 산화막 아크 집중으로 이 현상을 설명할 수 있다.
4) 기존의 양이온 스퍼터링 혹은 이온 폭탄에 의한 청정 효과로는 DCEP 분율과 입열 효율의 비례 관계를 설명할 수 없으므로, 가변 극성의 알루미늄 용접성 향상 효과 메커니즘에는 고찰에서 언급한 산화막의 터널링 효과와 아크 집중 원리가 보충되어야 한다.
이러한 음극점 이동, 산화막의 아크 집중 원리를 도입하면 본 연구의 실험 결과에 대한 이론적인 설명이 가능하다. 즉, 높은 DCEP 분율은 아크의 산화막 집중 및 파괴, 모재로의 열전도 공정이 이루어지는 시간이 더 많음을 의미하고, 이에 따라 DCEP 분율이 높을수록 더 높은 입열 량을 얻을 수 있었던 것이다. 비록 이전 GTA 용접에서의 양극 발열 원리가 일반적인 아크용접에서는 통용된다 하더라도, 최소한 알루미늄 용접에서는 양극 발열 보다는 음극점 아크 집중에 의한 입열 효율이 더 우수함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄의 단점은 무엇인가?	알루미늄은 모재보다 높은 산화피막의 용융점과 비중으로 아크에 의한 용접성이 낮은 편이다. 그러나, 전극에 양극을 인가하는 DCEP(direct current electrode positive) 역극성(reverse polarity)을 사용하면, 플라즈마 양이온의 운동에너지에 의한 산화 피막 제거 효과로 용접성이 극적으로 향상되는 것으로 보고되어 있다.
	알루미늄의 아크에 의한 용접성을 향상시키는 방법에는 무엇이 있는가?	알루미늄은 모재보다 높은 산화피막의 용융점과 비중으로 아크에 의한 용접성이 낮은 편이다. 그러나, 전극에 양극을 인가하는 DCEP(direct current electrode positive) 역극성(reverse polarity)을 사용하면, 플라즈마 양이온의 운동에너지에 의한 산화 피막 제거 효과로 용접성이 극적으로 향상되는 것으로 보고되어 있다.1) 이는 통상 청정 효과(cleaning effect)로 불리우며, DCEP 극성을 이용하는 GMA 용접이나 교류 전원의 GTA 용접으로 알루미늄을 접합시키는 원리로 이용 되고 있다2,3).
	청정 효과는 어떤 원리로 이용되고 있는가?	그러나, 전극에 양극을 인가하는 DCEP(direct current electrode positive) 역극성(reverse polarity)을 사용하면, 플라즈마 양이온의 운동에너지에 의한 산화 피막 제거 효과로 용접성이 극적으로 향상되는 것으로 보고되어 있다.1) 이는 통상 청정 효과(cleaning effect)로 불리우며, DCEP 극성을 이용하는 GMA 용접이나 교류 전원의 GTA 용접으로 알루미늄을 접합시키는 원리로 이용 되고 있다2,3).

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