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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 용입 특성 및 용접 결함에 직접적으로 영향을 미치는 입열의 영향에 대한 연구를 실시하였으며, 입열과 관련된 변수를 변화시켜 용접특성을 파악하였다.
제안 방법
- 일반적으로 험핑 비드는 과도한 입열로 인해 상부쪽의 용융금속이 아래쪽으로 흘러내리면서 발생하지만, 본 연구에서는 오히려 전류가 감소하거나 속도가 증가하여 전체적인 입열이 감소하는 경우에 발생하였다. 따라서 이러한 험핑비드에 대해 파악하기 위해 2.0 m/min의 조건에서 180 A와 210 A 사용시 발생한 험핑 비드에 대해 횡방향 및 종방향 단면관찰을 실시하였다. Fig.
- 1에 나타낸다. 용접 시험편은 비드폭, 용입깊이, 덧살높이 측정 및 비드외관 관찰을 통해 변수에 따른 특성을 평가하였다.
- 용접 열원으로는 최대출력 6.6 kW의 CW 디스크 레이저와 MIG 펄스를 사용하여 비초점 거리 fd=-3 mm, 레이저-아크간 거리 DLA=3 mm에서 비드 용접을 실시하였다. 주된 용접변수로는 용접 전압, 펄스형상, 레이저 출력, 용접 전류 및 속도로 한정하였다.
- 주된 용접변수로는 용접 전압, 펄스형상, 레이저 출력, 용접 전류 및 속도로 한정하였다. 용접시 대기로부터 용융지의 산화를 방지하기 위해 80%Ar+0% CO2 혼합가스를 사용하여 전면비드를 보호하였다. 실험 장치 및 모식도를 Fig.
- 6 kW의 CW 디스크 레이저와 MIG 펄스를 사용하여 비초점 거리 fd=-3 mm, 레이저-아크간 거리 DLA=3 mm에서 비드 용접을 실시하였다. 주된 용접변수로는 용접 전압, 펄스형상, 레이저 출력, 용접 전류 및 속도로 한정하였다. 용접시 대기로부터 용융지의 산화를 방지하기 위해 80%Ar+0% CO2 혼합가스를 사용하여 전면비드를 보호하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 일반 구조용 압연 강재인 SS400을 사용하였으며, 용접 와이어는 직경 1.2 mm인 연강 및 50 kg급 고장력강용 SM-70을 사용하였다. SS400은 탄소량과 합금원소의 첨가를 최소화하여 용접성이 좋기 때문에 변수에 따른 용접성을 알아보기 위해 사용하였다.
- 본 실험에서는 펄스 코렉션(pulse correction, Pcor.)을 조정할 수 있는 펄스 MIG 용접기를 사용하였다. 펄스 코렉션은 펄스의 피크전류 및 주파수를 조정하는 파라미터로 그 값을 positive(+)로 조정하면 피크전류 및 펄스 유지시간이 증가하며, 이로 인해 한 펄스의 에너지양은 증가하게 된다.
- 실험에 사용된 판재의 크기는 200×50×8 mmt이며, 압연방향은 시편의 가로방향과 평행하다.
성능/효과
- 1) SS400에 대해 용접 전압을 변화시킨 결과, 용접 전압이 증가함에 따라 전면 비드폭은 넓어지고 용입은 얕아졌으며, 반대로 전압이 감소함에 따라 비드폭은 좁아지고 용입은 깊어졌다.
- 2) 펄스 코렉션 변수를 변화시킨 결과, 하이브리드 용접시의 빠른 용접속도로 인해 펄스 코렉션 변수에 따른 용입특성에는 큰 차이는 없었지만, 펄스 코렉션 변수를 -로 변화함에 따라 비드가 미려해지는 경향을 나타냈다.
- 3) 1 ~ 2 kW의 상대적으로 낮은 레이저 출력을 사용하였을 때 불안정한 비드가 형성되었다. 5 kW와 6 kW를 사용하였을 때 관통 용접이 이루어졌지만, 5 kW 사용시에는 이면에 험핑비드가 형성되었다.
- 4) 전류 및 속도를 변화시킨 결과, 미려한 이면비드가 형성되는 조건보다 속도가 증가하거나 전류가 감소하는 경우 이면에 험핑비드가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 입열량이 험핑비드 형성에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 레이저출력 및 전류의 증가 혹은 속도를 감소시켜 입열량을 증가함으로써 이면 험핑비드의 억제가 가능한 것을 확인하였다.
- 이는 속도가 증가할수록 단위시간당 입열량이 감소하기 때문에 관통 용접에 필요한 전류의 세기가 점점 증가하는 것으로 판단된다. 또한 관통용접이 이루어져 미려한 비드가 형성되는 조건 바로 이전의 전류조건에서 이면에 험핑비드가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 험핑 비드는 과도한 입열로 인해 상부쪽의 용융금속이 아래쪽으로 흘러내리면서 발생하지만, 본 연구에서는 오히려 전류가 감소하거나 속도가 증가하여 전체적인 입열이 감소하는 경우에 발생하였다.
- 용입 특성을 살펴보면, 용접 전압이 증가할수록 비드 폭은 증가하고, 용입깊이는 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 아크 플라즈마는 호의 형상을 나타내기 때문에 용접 전압이 증가하여 아크 길이가 길어지게 되면 모재 표면에 아크가 넓은 범위로 작용하여 비드폭은 넓어지게 되고, 동시에 에너지 밀도는 감소하기 때문에 동일한 레이저 출력 조건에서 용입 깊이가 얕아지는 것으로 판단된다.
- 하지만 5 kW의 조건에서는 상부의 용융금속이 이면비드쪽으로 흘러내려 용융금속 양이 부족하기 때문에 비드폭은 감소하는 경향을 나타내었다. 용입깊이는 출력 증가에 따른 레이저의 에너지 밀도의 상승으로 인해 비례적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 5 ~ 6 kW에서 관통용접이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
- 따라서 이러한 결과를 통해 험핑 비드는 전류의 감소 및 속도가 증가함에 따라 입열량 저하로 인해 이면비드에 키홀이 일정하게 형성되지 못하게 되면서 이면 비드에서의 증발 반발력에 의한 스패터 발생량의 차이가 발생하기 때문에 형성되는 것을 확인 할 수 있다9). 이러한 험핑비드는 출력 및 전류의 증가 혹은 용접 속도를 감소시킴으로써 키홀이 일정하고 깊게 형성되면 점차 억제되는 것을 확인할 수 있다.
- 4) 전류 및 속도를 변화시킨 결과, 미려한 이면비드가 형성되는 조건보다 속도가 증가하거나 전류가 감소하는 경우 이면에 험핑비드가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 입열량이 험핑비드 형성에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 레이저출력 및 전류의 증가 혹은 속도를 감소시켜 입열량을 증가함으로써 이면 험핑비드의 억제가 가능한 것을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터 아크 길이는 비드 안정성 및 용입 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 동일한 조건에서 아크 길이를 감소시킴으로써 더욱 깊은 용입을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
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