[논문]FCAW의 혼합가스 변화에 따른 용접 모니터링과 특성에 관한 연구

임병철; 강철순; 박상흡

doi:10.5762/kais.2014.15.10.5933

FCAW의 혼합가스 변화에 따른 용접 모니터링과 특성에 관한 연구
Study of the welding monitor and characteristics according to a change in Gas mixture by FCAW 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.5933 - 5938

임병철 (공주대학교 기계공학과) , 강철순 (공주대학교 테크노전략 대학원) , 박상흡 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 Atos 60의 시험편에 혼합가스의 변화에 따른 FCA용접을 하였고, 용접특성 분석 위하여 용접공정상의 실시간 모니터링 시스템과 용접 후 기계적 성질을 평가 하였다. Ar 80%+$CO_2$ 20% 혼합하고 낮은 속도로 용접한 경우 가장 미려한 비드와 스패터 발생이 적게 나타났으며, 반면 $CO_2$ 100%인 경우 스패터가 많이 발생하는 것을 확인하였다. 정상단락이 발생하는 저전류 영역으로 혼합가스의 사용에 대한 스패터 발생을 확인 할수 있는 조건이며, $CO_2$ 100%인 경우 각층의 단락율은 약 2배 이상 높았고, Peak의 분포가 많은 아크의 불안정 상태로 나타났다. 인장시험결과 Ar 80%+$CO_2$ 20%, Ar 90%+$CO_2$ 10%, $CO_2$ 100%의 항복강도는 각각 511MPa, 507MPa, 469MPa 이었으며, $CO_2$ 100%의 항복강도 보다 각각 약 8.9% 8.1% 향상되었다. 인장강도는 각각 622MPa, 609MPa, 581MPa로 $CO_2$ 100%의 인장강도 보다 각각 약 7.0%, 4.8% 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of varying the mixture gas during FCA welding was studied for an Atos 60 test piece. To examine the characteristics of welding, the weldability of the material was checked before welding and online monitoring was performed to examine the mechanical properties after welding. The mixture Ar 80% + $CO_2$ 20% at low speed gave very elegant beads with very little spatter. 100% $CO_2$ gave rise to high spatter generation. For Ar 80% + $CO_2$ 20%, the low current region due to the normal short circuits created spatter, which was more than double for 100% $CO_2$. This peak distribution occurred due to the instability of the arc. The tensile test result for Ar 80% + $CO_2$ 20%, Ar 90%+ $CO_2$ 10% and $CO_2$ 100% at 511MPa, 507MPa, and 469MPa showed that the yield strength was improved by 8.1 and 8.9% for 80%+ $CO_2$ 20% and Ar 90%+ $CO_2$ 10%, respectively, compared to 100% $CO_2$. The tensile test result at 622MPa, 609MPa, and 581MPa showed that the yield strength was improved by 7.0% for both the mixture gas compared to 100% $CO_2$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

용접부의 품질을 실시간으로 평가하기 위해서는 용접공정의 특성을 분석하는 것은 필수적이다[5]. 따라서 본 연구에서는 용접 특성 분석 위하여 용접공정상의 실시간 모니터링 시스템과 용접 후 기계적 성질을 평가 하였다.
본 연구 에서는 Atos 60의 시험편에 FCA용접을 하였고, 용접특성 분석 위하여 용접공정상의 실시간 모니터링 시스템과 용접 후 기계적 성질을 평가 하였다.

제안 방법

또한 Fig. 3(a)(b)와 같이 Ar가스 혼합비율이 많아 질수록 비드의 폭과 높이가 넓고 낮게 형성된것을 관찰하였다. 이는 사용한 혼합가스 CO2 100, Ar 90%+CO2 10%, Ar 80%+CO2 20% 에서 포함된 Ar가스의 영향으로 Ar가스로 인한 입열량의 변화가 생기고 그로 인한 비드의 형상과 스패터 발생이 달라지기 때문으로 보인다.
Table 3은 Atos60의 혼합가스변화에 따른 용접 조건을 나타내었다. 또한 용접 시 정확한 전류 전압 및 단락율 측정을 위하여 모니터링을 시스템을 활용하였고, Fig. 1은 모니터링 시스템의 개략도를 나타내었다. 용접 후 기계적 성질을 평가하기 위하여 Fig .
이 파형제어는 단락 직후 일정시간 Td동안 전류를 감소시켜 기다리는 사이에 재점호 되면(순간단락) 그 순간의 전류가 낮아지므로 아크력이 작고, 이로 인해 와이어 끝의 대립용적이 튀어 용접의 전압은 스패터 발생에 영향을 미친다. 용접 전압은 아크길이를 지배하고 이 아크길이는 합리적으로 나타내는 정략적 척도로 단락시간비 (Short circuit time ratio)SCTR로 단락시간의 합/용접시간으로 단락 시간비를 계산하였고, Table 4에 나타내었다. 단락률(Shunt Ratio)은 Ar가스가 혼합된 조건에서 CO2 100% 보다 약 2배정도 낮았다.
1은 모니터링 시스템의 개략도를 나타내었다. 용접 후 기계적 성질을 평가하기 위하여 Fig .2 와 같이 KS B 0833 의 규격에 따라 인장시험편을 레이저 절단하였으며, 절단 부위를 정밀하게 다듬질 하였다. 용착금속부의 표면 및 이면은 연삭하여 모재와 같은 두께로 하였으며 인장 시험기는 SHIMADZU에서 제작한 Model : AG-X로 용량 25ton급 만능재료 시험기를 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 FCAW 장비는 HYOSUNG사의 PF PULSE 350 모델을 사용하였으며 자동이송장치를 이용하여 3층의 용접을 실시하였다. Table 3은 Atos60의 혼합가스변화에 따른 용접 조건을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 재료는 Atos 60 고장력강으로 포스코에서 제작 된 용접구조용 고장력 강판으로 빌딩, 교량, 산업기계, 압력용기 등으로 사용된다. 또한 WEL-HARD, WEL-TEN 신일본제철(NSC)의 내마모 고장력 강판은 보통 강과 비교하여 4배 또는 2.
2 와 같이 KS B 0833 의 규격에 따라 인장시험편을 레이저 절단하였으며, 절단 부위를 정밀하게 다듬질 하였다. 용착금속부의 표면 및 이면은 연삭하여 모재와 같은 두께로 하였으며 인장 시험기는 SHIMADZU에서 제작한 Model : AG-X로 용량 25ton급 만능재료 시험기를 사용하였다.

성능/효과

(c) 보다 Peak 분포가 많으며 진폭이 크고 여러개의 Peak들의 중복되며 일정하지 않은 파형이 나타났고, 이러한 Peak 신호와 일정하지 않은 용접 전류 파형이 많을수록 스패터 발생 확률이 많아 지는 것으로 판단된다.
1) Ar 80%+CO2 20% 혼합하고 낮은 속도로 용접한 경우 가장 미려한 비드와 스패터 발생이 적게 나타났으며, 반면 CO2 100%인 경우 스패터가 많이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 Ar가스 혼합비율이 많아질수록 비드의 폭이 넓어졌음을 관찰하였다.
3) 인장시험결과 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%, CO2 100% 항복강도는 각각 511MPa, 507MPa, 469MPa 이었으며, CO2 100%의 항복강도 보다 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%,는 각각 약8.9% 8.1% 향상되었다. 인장강도는 각각 622MPa, 609MPa, 581MPa CO2 100%의 인장강도 보다 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%,는 각각 약 7.
모든 시험편은 용착금속부에서 파단이 일어났다. Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%, CO2 100% 항복강도는 각각 511MPa, 507MPa, 469MPa 이었으며, CO2 100%의 항복강도 보다 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%,는 각각 약 8.9% 8.1% 향상되었다. 인장강도는 각각 622MPa, 609MPa, 581MPa CO2 100%의 인장강도 보다 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%,는 각각 약 7.
용접 전압은 아크길이를 지배하고 이 아크길이는 합리적으로 나타내는 정략적 척도로 단락시간비 (Short circuit time ratio)SCTR로 단락시간의 합/용접시간으로 단락 시간비를 계산하였고, Table 4에 나타내었다. 단락률(Shunt Ratio)은 Ar가스가 혼합된 조건에서 CO2 100% 보다 약 2배정도 낮았다.
1) Ar 80%+CO2 20% 혼합하고 낮은 속도로 용접한 경우 가장 미려한 비드와 스패터 발생이 적게 나타났으며, 반면 CO2 100%인 경우 스패터가 많이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 Ar가스 혼합비율이 많아질수록 비드의 폭이 넓어졌음을 관찰하였다. 산업현장에 적용 시 스패터량을 줄이기 위해서 Ar 80%+CO2 20%의 혼합비율이 적당한 하고 판단된다.
3 용접 후 비드 외관과 단면을 나타내었다. 비드 외관의 경우 Ar 80%+CO2 20% 혼합하고 낮은 속도로 용접한 경우 가장 미려한 비드와 스패터 발생이 적게 나타났으며, 반면 CO2 100%인 경우 스패터가 많이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 Fig.
1% 향상되었다. 인장강도는 각각 622MPa, 609MPa, 581MPa CO2 100%의 인장강도 보다 Ar 80%+CO2 20%, Ar 90%+CO2 10%,는 각각 약 7.0%, 4.8% 향상되었다. 혼합비율이 높을수록 항복강도와 인장강도가 향상 되었다.
8% 향상되었다. 혼합비율이 높을수록 항복강도와 인장강도가 향상 되었다. 반면 연신율은 감소하는 경향을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실시간 용접 모니터링 시스템이란 무엇인가?	실시간 용접 모니터링 시스템(Real-time Welding Monitoring System)이란, 아크(arc)용접을 비롯한 일반 적인 용접공정에서 양질의 용접부위를 확보하고, 실시간으로 확인 및 그에 따른 적절한 대응 조치를 취하기 위하여, 각 용접 공정에 적합한 센서(sensor)등을 사용하여 실시간으로 계측 및 결과분석을 통해 용접부의 품질을 예측, 평가 관리하는 기술을 의미한다[4]. 용접부의 품질을 실시간으로 평가하기 위해서는 용접공정의 특성을 분석하는 것은 필수적이다[5].
	용접은 부품을 연결 또는 접합을 하기 위해 어떤 과정을 포함하는가?	후방산업에서 만들어진 다양한 부품(예를 들어, 자동차의 경우 성형을 거친 외장 프레임(frame)등을 하나의 완제품으로 생산하기 위해서는 그것들을 연결 또는 접합하기 위한 용접 기술이 가장 중요하다. 왜냐하면 용접은 금속의 가열·용융·융합·응고 및 냉각이라고 하는 복잡한 과정이 국부적으로 짧은 순간에 이루어진다. 공정상에 오류가 발생될 경우 여러 가지 용접 결함을 일으키거나, 기대하는 이음의 성능을 얻지 못하며, 불완전한 용접은 제품의 품질과 안정성을 심각하게 위협할 수 있기 때문이다[2].
	용접 기술 공정 중 오류가 발생할 경우 어떤 문제가 야기되는가?	왜냐하면 용접은 금속의 가열·용융·융합·응고 및 냉각이라고 하는 복잡한 과정이 국부적으로 짧은 순간에 이루어진다. 공정상에 오류가 발생될 경우 여러 가지 용접 결함을 일으키거나, 기대하는 이음의 성능을 얻지 못하며, 불완전한 용접은 제품의 품질과 안정성을 심각하게 위협할 수 있기 때문이다[2].

참고문헌 (9)

Korea Industry Technology Institute.(2009). Industrial Source Technology Road Map : Production-based Korea Institute for Advancement of Technology.
Park. J. W. (2009). Precision Welding Engineering. Vol 4. Seoul : Iljinsa Publishing Co.
D.S.Hwang, & M.H.Gho.(2012). Developmen t and Application of Realtime Weld Quality Monitoring System.Journal of Korean Welding and Joining Society, 30(1),pp.44-50 DOI: http://dx.doi.org/10.5781/KWJS.2012.30.1.44

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D.S.Hwang,& M.H.Gho. (2012). Development and Application of Real time Weld Quality Monitoring System. Journal of Korean Welding and Joining Society,30(1),pp.44-50 DOI: http://dx.doi.org/10.5781/KWJS.2012.30.1.44

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Kang. S. G. (1996). Development of an analysis algorithm of welding current and voltage for arc stability evaluation. Unpublished master's thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technology., pp.44-50
Kim, H. T., Hwang, S. H., Nam, S. W., "Study on Low Cycle Fatigue Behavior of AISI 304L Austenite Steel of Weld Zone", The Korean Welding and Joining society, Vol. 2, NO. 1, pp. 49-57, 1984.
Lee, Y. G., Lee, G. Ch., Kim, J. S., Han, D. S., Oh, S. T., Lee, B. Y., "A Study on the High Temperature Tensile Characteristics of Lap Weld of Cr Ferritic\ Stainless Steels", The Korean Welding and Joining society, Vol. 26, NO. 5, pp. 60-65, 2008.

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Shin, "A study on the effect of welding after a weld zone on mechanical properties", Engineering Master's Degree Thesis, Chungju University Industrial Management Graude School Material Engineering, 1989.
T. Mita : Waveform control method in gas shield arc welding, Quarterly Journal of the Japan Welding Society. 6-2 (1988), 209 (in Japanese)

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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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