[논문]GMAW 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접기술을 이용한 V형 맞대기 용접 부의 실험적 성능 평가

김정혁; 오석형; 이해길

doi:10.5762/kais.2015.16.2.1339

문제 정의

본 연구에서는 더블 와이어 릴, 원격제어 토치를 이용하여 용접구조용 압연강재 용접부를 대상으로 일반적인 현재의 사용토치 용접법의 변화에 의해 발생하는 표면결함인 비드폭(Bead width), 비드높이(Bead height), 용입부족(Lack of Penetration) 등을 방지하기 위해 모재의 표면 및 내부 용접품질 상태에 따라 여러 가지 용접결함과 비교한 내용에 대해 검토한 결과의 평가를 얻고자 한다. GMAW 용접기에 관련된 용접부 연구[7,8]는 오래 전부터 연구자들에 의해 행하여지고 있지만 더블 와이어 릴, 원격제어 토치장치의 실험과 관련된 연구는 찾아보기 힘들어, 직접 용접작업하면서 용접전류와 전압을 조절하면서 용접을 수행할 수 있는 더블 와이어 릴, 원격제어 토치 용접기술을 이용한 용접 부의 성능 평가에 대해 고찰하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 더블 와이어 릴, 원격제어 토치를 기존 CO₂/MAG 용접기를 이용해 V형 맞대기 수직 자세로 용접실험을 실시하고 용접 부의 표면비드상태의 형상을 육안검사 관찰하고 또한 이를 침투검사 및 방사선투과검사를 통해 용접부의 품질평가에 대하여 중점적으로 수행하여 용접결함 문제 방지 및 기존 상용용접기 교체사용 성능 및 호환성여부에 미치는 영향에 대한 해결에 도움이 되고자 연구하였다.
본 연구에서는 더블 와이어 릴, 원격제어 토치를 이용하여 용접구조용 압연강재 용접부를 대상으로 일반적인 현재의 사용토치 용접법의 변화에 의해 발생하는 표면결함인 비드폭(Bead width), 비드높이(Bead height), 용입부족(Lack of Penetration) 등을 방지하기 위해 모재의 표면 및 내부 용접품질 상태에 따라 여러 가지 용접결함과 비교한 내용에 대해 검토한 결과의 평가를 얻고자 한다. GMAW 용접기에 관련된 용접부 연구[7,8]는 오래 전부터 연구자들에 의해 행하여지고 있지만 더블 와이어 릴, 원격제어 토치장치의 실험과 관련된 연구는 찾아보기 힘들어, 직접 용접작업하면서 용접전류와 전압을 조절하면서 용접을 수행할 수 있는 더블 와이어 릴, 원격제어 토치 용접기술을 이용한 용접 부의 성능 평가에 대해 고찰하고자 하였다.
상기의 내용을 해결하기 위하여 본 연구를 진행하였으며, GMAW 용접기의 더블 와이어 릴과 원격제어토치를 자체 제작하여 실험하였다. 본 연구 결과는 실제적으로 현장에서 용접구조물 용접에 있어 열에 의한 용접 결함으로 인한 용접시공의 피해를 주지 않고, 원격제어토치방법에 의해 토치에서 직접 조절하여 차량내부 및 탱크내부 등 제어 패널을 볼 수 없는 곳에서 용접조건을 조절하는데 큰 도움이 되는데 기대한다.

제안 방법

Fig. 9에 나타내고 있는 방사선 장비를 이용하여 측정 조건은 S.F.D(선원-필름간 거리) 350mm, 방사선선원종류 Ir, -192, 선원강도 14Ci, 선원크기 3.0*1.5 mm, 투과도계 KS(wire)04F, 농도범위 2.0∼4.0, 노출시간 2분15초, 산란 방지 스크린(납) 0.127mm을 사용하여 측정하였다.
10은 용접기 제조사별 용접 부의 폭과 비드높이 형상을 관찰하기 위해 V형 맞대기 용접을 실시한 사진이다. 또한 토치의 전류 전압의 조절의 변화를 실시하여 시험편의 용접 부의 표면비드 폭과 높이 상태에 대해 확인하였다.
본 실험실에서 시험편 제작은 용접 시공의 정밀도를 위해 Fig. 2와 같이 전용 면취기를 사용하였으며, 또한 모재의 용접부에 이물질이 포함되지 않도록 용접 개선면 가공 후 핸드그라인더 브라시를 사용하여 표면의 불순물을 청결하게 청소한 후 용접 실험을 진행하였다.
본 실험실에서는 Fig. 2와 같이 시험편을 구속하지 않은 상태에서 Table 3 같은 조건 변수를 주어 제작한 실험용 더블 와이어 릴과 원격제어토치를 CO₂/MAG 용접에 적합하도록 특별히 고안 제작한 용접토치를 손으로 잡고, 자체 제작한 용접지그(Jig)를 사용하여 용접전류, 용접전압, 용접속도, 용접각도, 용접기상태 등을 동일한 용접조건으로 V형 맞대기 수직자세 용접 후 육안검사, 방사선투과검사 순으로 용접결함 상태를 파악하여 비교 검토 실험하였다.
본 실험은 용접을 직접 하면서 용접의 전류값을 140A 에서 170A 사이에 10A씩 변화 증가시키고 전압도 함께 변화 시키면서 실험을 수행 하였다. 기존의 상용 용접기 토치로 용접할 때와 비교해서 Fig.
본 연구는 판 두께 6mm의 SM50A 용접구조용 강재 시험편을 이용하여 용접실험을 실하였으며, 기존 용접토치와 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접기술을 이용하여 용접전류 및 용접전압 변수에 따른 V형 맞대기 표면 비드 및 이면 비드의 용접실험으로 용접기의 성능에 대한 평가를 용접비드 외관 관찰과 침투탐상검사, 방사선투과검사를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 V형 맞대기 용접시험편에 용접 부의 외관결함인 표면비드 폭과 높이, 또한 이면비드 상태를 평가하기 위에 Table 3의 실험조건을 적용하고 시험편에 고유번호를 붙였으며 토치의 전류 및 전압 보륨을 용접 시공 조건에 맞춰 진행하면서 직접 조절하여 용접실험을 수행하였다.
본 연구에서는 방사선투과검사(KS B0845)체는 V형 맞대기 수직자세로 용접한 2개의 시험편을 용접한 후 용접부의 내부결함 유, 무를 확인하기 위한 방사선투과검사 절차에 따라 X선 발생장치를 사용하여 시험하였고, 측정 부위는 초기 가접 부위를 포함한 용접 전 구간을 촬영 수행하였으며. 실험조건별로 3개씩 측정하였다.
본 연구의 더블 와이어 릴과 원격제어토치 실험 장치에서는 와이어피더(Wire feeder)에서 용접토치로 연결되는 출력모드 9P 커넥터를 출력모드 6P 커넥터로 간소화시켜 용접할 때마다 콘트롤 박스에서 용접전류와 용접전압, 인칭스위치를 조정하던 용접방법을 쉽도록 전기 회로도 시스템을 재구성 하였다. 이렇게 재구성한 시스템은 인칭스위치를 와이어피더 구조물 전방에 별도로 장착 하였고 용접전류 및 용접전압 배선은 토치스위치와 함께 용접케이블을 따라 용접토치 손잡이 측면 클립에 나란히 배치하였으며, 이때 용접 케이블 내에서 용접 전기 이동통로를 Fig.
실제 산업현장에서는 상용토치 용접에 대한 기본적인 지식의 습득과 GMAW 용접 기능기술의 숙달이 필수적이라는 것을 체험할 수 있으나, 본 실험 연구에서는 우선 자체적으로 제작한 더블 와이어 릴과 원격제어토치 실험 장치를 이용하여 실내의 한정된 조건에서 기본적인 CO₂/MAG V형 맞대기 수직(Vertical)자세 용접을 하였다.
실험재료에서 기술한 바와 같이 CO₂/MAG 용접기로 용접 모재에 대해 최적의 조건을 찾기 위해 용접전류, 용접전압, 루트간격, 루트면 등을 변수에 대하여 바꾸어 가며 예비실험을 여러 차례 실시하였다. 각각의 전류 전압의 변화에 따라 약간의 오차가 있는 것은 감지되었으나 서로 비교 분석을 하기 위하여 동일한 용접조건을 선택하였다.
즉, 용접와이어 지름이 1.2 mm인 CO₂/MAG 용접기로 시험편 두께 6 mm의 용접구조용 압연강판(SM50A) 을 사용하여, 실험실 내에서 여러 차례의 더블 와이어 릴과 원격제어 토치 용접에 대한 예비실험 결과를 비교분석하여 Table 3과 같은 용접조건을 선택하였다.
침투탐상 시험체는 V형 맞대기 수직자세로 용접한 2개의 판을 용접한 후 표면을 정밀하게 가공하였다. 또한 2개의 시험편은 용접 표면 부분을 사포로 다듬질 가공하여 실험 수행한다.

대상 데이터

0mm의 SM50A 기계구조용 압연강재로 보호 가스는 100% CO₂/MAG를 사용하였으며 가스유량은 18〜20(l/min)으로 설정하였다. 또한 실험 에 사용한 와이어 용가재의 종류는 솔리드와이어(Solid wire) K사 AWS규격 1.2 mm ER70S-6을 사용하였고, Fig. 1은 더블 와이어 릴과 원격제어토치 실험 장치이며 또한 SM50A의 기계적, 물리적 조성은 Table 1 및 Table 2에 구분하여 나타내었다.
본 실험에서 사용한 용접기 및 토치는 일반적으로 현장에서 사용하는 인버터 CO₂/MAG 350∼600급 용접기 3대를 사용하였으며, 용접시험편은 150×100×6.0mm의 SM50A 기계구조용 압연강재로 보호 가스는 100% CO₂/MAG를 사용하였으며 가스유량은 18〜20(l/min)으로 설정하였다.

성능/효과

1) GMAW 용접기 더블 와이어 릴, 원격제어토치를 자체 제작하여 각각 용량이 다른 용접기로 용접실험을 수행한 결과 외관 검사 관찰에서는 시작 부분을 제외한 대부분 구간에 균일한 표면 비드의 폭과 높이의 형상으로 외관상 결함이 거의 없으며, 용접 중에도 용접전류 및 용접전압 미세 증감조정에 의해 용접결함이 크게 나타나지 않음을 확인하였다.
2) V형 맞대기 수직자세로 용접실험을 수행 후 침투탐상 실험한 결과 더블 와이어 릴, 원격제어 토치의 용접방법은 모든 비드에 걸쳐 기존 GMAW 상용 용접토치 방법과 비교하여 거의 용접부에 결함지시모양이 발견되지 않아 결점이 없음을 확인하였다.
3) V형 맞대기 수직자세로 용접실험을 수행 후 방사선투과검사 한 결과 더블 와이어 릴, 원격제어 토치의 용접방법은 모든 비드에 걸쳐 기존 GMAW 상용 용접토치와 비교하여 거의 용접부의 내부 용접 품질 결점이 없고 용접결함 감소하는 양호한 용접 부를 보였다.
4) 실험에서 얻어진 결과는 기존 상용화 된 용접기를 각각 적용 실험 확인한바, 더블 와이어 릴, 원격제어 토치 용접기술은 실제 현장에서 사용되는 기존의 어느 제조사별 용접기에도 사용이 가능함을 보여 원가절감효과, 성능 및 호환성이 있음을 확인하였다.
본 실험은 용접을 직접 하면서 용접의 전류값을 140A 에서 170A 사이에 10A씩 변화 증가시키고 전압도 함께 변화 시키면서 실험을 수행 하였다. 기존의 상용 용접기 토치로 용접할 때와 비교해서 Fig. 10 (A)제조사 용접 비드 형상의 실험에서는 용접 중 전류 전압 조절 실험에서 표면비드 폭과 높이가 기존 용접토치 용접보다 현저하게 불균형한 상태가 적음을 확인하였다. 그러나 Fig.
본 실험에서는 기존 상용토치 용접과 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접실험을 방사선검사를 통해 서로 비교해본 결과는 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접실험에서는 용접을 중단하지 않고 연속적으로 진행할 수 있었기 때문에 용접부의 용접결함이 거의 미비한 영향으로 나타났다. 이는 더블 와이어 릴, 원격제어토치가 기존 상용토치 용접방식보다 용접결함이 없는 건전한 용접상태임을 보였다.
본 실험의 범위 내에서는 시판되고 있는 기존상용토치 용접방법의 제조3사 용접기들과 용접상태를 비교했을 때, Fig. 12와 같이 더블 와이어 릴, 원격제어토치를 자체 제작한 용접 V형 맞대기 수직자세 침투검사 용접실험 결과에서 보듯이 용접부의 결함이 거의 발견되지 않음에 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 각종 재질이나 두께에 따른 용접 이음에 대한 금속학적인 해석과 용접부의 물리적인 물성치의 성질에 대해서는 앞으로 더욱 연구해야 될 과제라고 하겠다.
10 (B) 제조사 용접 비드 형상의 실험에서는 용접기 용량이 500A 이다 보니 용접비드 폭과 높이가 대체적으로 미세하게 증가하는 것을 확인하였다. 시작부분을 제외하고는 용접 중에 용접조건을 조절할 수 있어 용접비드 폭과 비드높이가 별 변동 없음을 알 수 있었다. 또한 Fig.
실험의 범위 내에서는 현장에서 사용되고 있는 상용의 용접기들을 비교했을 때, Table 3의 용접조건으로 Fig. 13과 같이 더블 와이어 릴, 원격제어토치를 이용한 용접기가 V형 맞대기 수직자세 방사선검사 실험한 결과에서 보는 바와 같이 시험편 3장의 용접 부의 결함이 전체적으로 미비하게 관찰되어 감소의 효과가 있었다. 그러나 각종 재질이나 두께에 따른 용접 이음에 대한 금속학적인 해석과 용접부의 물리적인 물성치의 성질에 대해서는 앞으로 더욱 연구해야 될 과제라고 하겠다.
지시모양이 미비한 상태이므로 품질에 영향을 주지는 않았다. 용접기용량에 따른 제조사 3사의 용접기로 용접을 실시 해본 결과는 모든 시험편에서 V형 맞대기 용접부의 용접균열이 거의 미비한 상태로 나타났다. 개발 토치가 기존 용접방식보다 용접결함이 없는 건전한 용접부가 얻어졌다.
본 실험에서는 기존 상용토치 용접과 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접실험을 방사선검사를 통해 서로 비교해본 결과는 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접실험에서는 용접을 중단하지 않고 연속적으로 진행할 수 있었기 때문에 용접부의 용접결함이 거의 미비한 영향으로 나타났다. 이는 더블 와이어 릴, 원격제어토치가 기존 상용토치 용접방식보다 용접결함이 없는 건전한 용접상태임을 보였다.
10 (C) 제조사 용접 비드 형상의 실험에서는 용접기 용량이 600A로 더 높다보니 끝단부분에 약간의 결함이 나타났다. 전류 전압 조절 실험에서 표면 용접비드 폭과 비드높이가 기존 상용토치 용접기보다 현저하게 양호한 표면비드 상태를 나타냄을 발견하게 되었다. Fig.
침투탐상검사를 실시한 결과에 따른 Fig. 12와 같이 용접기 용량에 따라 더블 와이어 릴, 원격제어토치로 V 형 맞대기 표면비드와 이면비드를 수차례의 예비 실험을 통해 만든 용접 부의 상태는 기존 와이어 피더 부착 전류 전압 컨트롤 용접방법보다 용접 부의 침투검사 실험 결과 Fig. 12에서 (A)제조사는 표면비드 중간부분에 아주 미세한 균열 2.5mm 전도가 관찰되었는데 원인은 용융부족이 부적절하여 나타났지만 지시모양이 미비한 상태이므로 품질에 영향을 주지는 않는 것으로 추정되어진다. 또한 Fig.

후속연구

5) 연구를 통해 손으로 용접토치를 잡고 용접 실험을 수행하다보니 최적의 용접조건을 찾는데 어려움이 적지 않았으며, 기계적 시험을 통해 얻을 수 있는 인장시험, 경도시험, 조직시험 등과 비파괴검사에서 내부결함을 찾을 수 있는 음향방출 시험 및 초음파 검사 등의 추가적 인 실험적 연구가 더욱 필요하다고 사료된다.
12와 같이 더블 와이어 릴, 원격제어토치를 자체 제작한 용접 V형 맞대기 수직자세 침투검사 용접실험 결과에서 보듯이 용접부의 결함이 거의 발견되지 않음에 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 각종 재질이나 두께에 따른 용접 이음에 대한 금속학적인 해석과 용접부의 물리적인 물성치의 성질에 대해서는 앞으로 더욱 연구해야 될 과제라고 하겠다.
상기의 내용을 해결하기 위하여 본 연구를 진행하였으며, GMAW 용접기의 더블 와이어 릴과 원격제어토치를 자체 제작하여 실험하였다. 본 연구 결과는 실제적으로 현장에서 용접구조물 용접에 있어 열에 의한 용접 결함으로 인한 용접시공의 피해를 주지 않고, 원격제어토치방법에 의해 토치에서 직접 조절하여 차량내부 및 탱크내부 등 제어 패널을 볼 수 없는 곳에서 용접조건을 조절하는데 큰 도움이 되는데 기대한다. 대부분 구조물 등은 탄산가스 아크 용접방법에 만들어지지만, 실제 용접 하던 중 여러 가지 이유로 인해 사용 중 지속적으로 파손되어 아주 큰 인적, 경제적 손실을 가져오고 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업현장에서 용접기 본체로부터 와이어 송급장치까지의 거리는 어느정도인가?	요약 본 연구는 현장의 GMAW 용접기에 더블 와이어 릴을 겸비한 원격제어토치의 시스템에 관한 것이다. 산업현장 용접에서는 용접기 본체로부터 와이어 송급장치까지의 거리가 약 30m 떨어져 있고 송급장치로부터 토치까지의 거리는 약 3∼5m 정도이다. 이에 따라 차량 및 탱크 내부의 용접에서 제어 패널을 볼 수 없는 곳이나 작업장이 먼 곳 등에서 용접사가 용접을 하면서 용접조건에 맞는 전류와 전압을 조절할 수가 없고 또한 용접와이어가 완전히 소모되면 용접을 중단하고 와이어 릴을 갈아 끼워야하는 번거로운 문제점이 있다.
	용접에 의한 접합의 장점은 무엇인가?	금속의 접합 방법 중 한 분야인 용접은 현대 산업 발전에 큰 역할을 담당하고 있다. 용접에 의한 접합은 단조나 리벳이음 등과 같은 다른 접합 방법에 비하여 높은 이음효율, 재료의 절감, 뛰어난 유밀성 및 기밀성 등과 같은 많은 장점들이 있어서 용접에 대한 적용이 확대되어왔으며, 현재 발전소와 같은 거대한 설비를 비롯하여 자동차, 조선, 항공분야 등의 기계 공업 분야에 널리 이용되고 있다.[1]

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GMAW 더블 와이어 릴, 원격제어토치 용접기술을 이용한 V형 맞대기 용접 부의 실험적 성능 평가
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