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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 항공기용 스테인리스강의 TIG 용접 시 용접 공정의 중요한 변수인 전류와 용접속도, 가스 유량이 용접 강도 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 최근 최적설계분야에 적용하고 있는 실험계획법7-8)을 이용하여 수행된 통계적인 분산분석을 바탕으로 최적의 용접 공정 조건을 도출하고자 한다.
제안 방법
- Table. 3은 실험에 사용하기 위하여 TIG 핸드북에 기록된 자동용접 기준을 참고로 하여 적용한 전류, 이송속도, 가스 유량의 수준조건을 나타내었다. 용접은 AISI 321강의 두께 15mm 판재의 자동용접을 기준으로 하여 전극경을 2.
- 본 논문에서는 항공기재에 사용되는 STS321 스테인레스강의 TIG 용접시 용접 공정의 중요한 변수인 전류, 공구의 이송속도 및 가스 유량을 변수로 하여 인장강도 특성에 미치는 영향을 삼원배치법과 분산분석을 이용하여 정량적으로 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 3은 실험에 사용하기 위하여 TIG 핸드북에 기록된 자동용접 기준을 참고로 하여 적용한 전류, 이송속도, 가스 유량의 수준조건을 나타내었다. 용접은 AISI 321강의 두께 15mm 판재의 자동용접을 기준으로 하여 전극경을 2.4mm으로 하였고, 다른 변수는 용접이 될 수 있는 범위내의 최소에서 최대를 설정하여 운용하였다.
- 이러한 TIG 용접에 대한 연구로는 S. H. Choi등3)에 의해 금속조직관찰을 통하여 TIG 용접한 AZ31 마그네슘 합금재에 대해 기계적 성질에 미세조직영향을 고찰하였고 J. H. Cho등4)에 의해 국산 AC TIG 용접 전원을 이용하여 5052 알루미늄 합금 판재의 적정 용접 조건을 도출하는 실험을 행하였다. 또한 E.
- 인장실험을 위해 용접 변수는 전류, 용접속도 (이송속도), 가스 유량 3가지로 하여 반복이 없는 삼원배치법의 원리를 이용하여 총 27회의 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서의 AISI321강 100mm × 100mm ×1.5mm로 가공되었으며, AISI321강 재료의 화학적 성분은 Table 1에 나타내었고, 기계적 성질은 Table 2에 나타내었다.
- 실험에 사용된 재료는 항공기 엔진 출력 이후 발생하는 증기가스를 제거하기 위하여 설치된 항공기 배기관에 사용되는 오스테나이트계 스테인리스 AISI321 강으로 이것은 AISI304 강종에 카본을 포함해서 안정화 요소인 티타늄을 첨가하여 내열성이 우수하고 항공기 배기관, 보일러 부품, 파이프, 열교환기 등에 사용할 목적을 개발된 것이다.
- 실험을 위해 사용된 TIG 용접실험장치는 국내 B사에서 개발된 자동용접장치로서, 이송속도, 전압 및 가스 유량 등을 제어할 수 있고 본 실험에서는 용가와이어의 사용 없이 자동용융 주행에 의해 AISI321강의 100mm × 100mm × 1.5mm 크기로 아래 보기 자세의 맞대기 TIG 용접을 실시하였다.
- 인장실험편은 Fig. 2와 같이 ASTM E8 표준 규격을 적용하였으며 인장실험편 절단으로 인한 용접부의 열 변형을 방지하기 위하여 소딕사에서 제작된 A500W(500×350×270) 와이어컷팅기를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 대체적으로 속도가 증가할수록 비드 폭이 좁아지고 용입이 얕아졌고 전류를 증가시킬수록 아크기둥이 밝아지고 비드폭 또한 증가하였다.
- 2. TIG 용접시 인장강도를 가장 크게 하는 변수들의 조건을 구하기 위하여 용접 변수들의 모 평균을 추정한 결과 전류(A) 3수준, 용접속도(B) 2수준의 조합(A3B2)에서 가장 높은 인장강도 값을 나타내었으며 인장강도를 가장 크게 하는 조합 (A3B2)에서의 점 추정값과 구간 추정은 95% 신뢰 구간에서 635.02±14.64로 나타났다.
- 3. 각 변수들이 인장강도 특성치에 미치는 기여도는 용접속도(39%)가 인장강도에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 전류(26%)와 두 변수간의 교호작용(21%)이 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만 가스 유량(1%)과 전류와 가스 유량의 교호작용(2%), 용접속도와 가스 유량의 교호작용(4%)은 인장강도 특성치에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 4. 속도와 전류가 증가할수록 비드부위에서 파단이 발생하였으며 이것은 빠른 속도와 높은 전류에 의한 용접부의 용융부족으로 생각된다.
- 그리고 전류(A)와 용접속도(B) 간의 교호작용(A×B)도 10% 유의수준에서 유의한 것으로 나타났다.
- 또한 인장강도를 가장 크게 하는 조합(A3B2)에서의 점 추정값과 구간 추정은 95% 신뢰구간에서 635.02±14.64로 나타났다.
- 분산분석 결과, 전류(A)는 10% 유의수준에서 유의하며 용접속도(B)는 5% 유의수준까지 유의한 것으로 나타났다. 그리고 전류(A)와 용접속도(B) 간의 교호작용(A×B)도 10% 유의수준에서 유의한 것으로 나타났다.
- 5는 가스 유량을 6l/min으로 용접속도를 150cm/mim으로 일정하게 하여 전류를 변수로 용접한 것이다. 여기서 보면 대체적으로 속도가 증가할수록 비드 폭이 좁아지고 용입이 얕아졌고 전류를 증가시킬수록 아크기둥이 밝아지고 비드 폭 또한 증가하였다.
- 7에 나타내었다. 여기서 보면 용접속도(39%)가 인장강도에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 전류(26%)와 두 변수 간의 교호작용(21%)이 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만 가스 유량(1%)과 전류와 가스 유량의 교호작용(2%), 용접속도와 가스 유량의 교호작용(4%)은 인장강도 특성치에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 전류(A)는 5%, 용접속도(B)는 1%의 유의수준을 만족함을 알 수 있으며 전류와 용접속도의 교호작용은 1%의 유의수준에는 조금 못 미치지만 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이와 같이 분산 분석을 실시한 결과, 용접 변수들의 수준 변화에 따라서 유의한 차가 있음을 알 수 있다. 따라서 스테인리스강의 TIG 용접시 인장강도를 가장 크게 하는 변수들의 조건을 구하기 위하여 용접 변수들의 모평균을 추정한 결과 전류(A) 3수준, 용접속도(B) 2수준의 조합(A3B2)에서 가장 높은 인장강도 값을 Fig.
- 여기서 보면 용접속도(39%)가 인장강도에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 전류(26%)와 두 변수 간의 교호작용(21%)이 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만 가스 유량(1%)과 전류와 가스 유량의 교호작용(2%), 용접속도와 가스 유량의 교호작용(4%)은 인장강도 특성치에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 하지만 가스 유량(C), 전류와 가스 유량의 교호작용(A×C), 용접속도와 가스 유량의 교호작용(B×C)은 인장강도에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 향후 이상의 연구결과에서 얻은 용접조건을 TIG 용접시 접합강도특성과 미세조직관찰등을 통하여 배기관 용접시 효율적인 용접법을 확인할 예정이다.
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