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문제 정의
- 실제 다층용접과정에서 루트패스(root pass)를 적절히 형성하기 위해서는 용입이 깊고, 형상비가 큰 용접조건을 얻는 것이 중요하다. 따라서 이러한 분석을 통하여 용입이 깊고, 형상비가 큰 최적의 용접조건을 얻고자 하였다. 추가로 용접 속도와 용접전류가 용입과 형상비에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구는 STS316L 강관의 수평자세 GTAW에서 용접변수들이 용접부의 용입과 형상비에 미치는 영향을 분석하고, 용입과 형상비를 크게 할 수 있는 최적의 용접조건을 도출하고자 하였다. 얻어진 결론은 다음과 같이 요약된다.
- 본 연구는 STS316L 용기 내에 원자력 폐기물을 넣고 밀봉용접하기 위한 공정을 개발하는 과정에서 기초연구의 하나로서 이루어졌다. 실제 밀봉용접은 수평자세(horizontal position)에서 강관의 외부에서 용접되어야 한다.
- 2 mm, 극성은 DCEN을 사용하였다. 실제 밀봉용접에서는 용가재를 공급해야 하기 때문에, 용가재와 전극의 접촉을 방지하기 위하여, 아크길이는 가능한 길게 유지하고자 하였다. 예비실험에서 아크길이가 3 mm 이상이 되면 아크의 시작과 유지가 불안정하였기 때문에, 아크길이는 용접시작에서 2.
제안 방법
- 4) 추가로 용접속도와 용접전류가 용입과 형상비에 미치는 영향을 분석하였다. 용입은 용접속도가 감소하거나, 용접전류가 증가하면 직선적으로 증가하였다.
- 3(a)에서는 각각 200 A의 연속전류와 300A/45A의 펄스전류 하에서, 용접속도의 변화(300, 360, 420, 480 mm/min)에 따른 용입과 형상비의 변화를 보여 준다. 각 그래프에 대해 95 % 신뢰수준에서, 용입과 형상비에 대한 직선회귀식과 결정계수(R)을 구하였다.
- 모재로는 두께 8 mm, 외경 349 mm의 STS316L 강관을 사용하였다. 강관을 회전시키면서 수평자세에서 강관 표면에 비드용접을 실시하였다. 용접기는 Miller 사의 Matster350 모델을 사용하였으며, 연속전류과 펄스전류를 선택하여 사용할 수 있다.
- 기본적으로 Ar은 무겁고 확산속도가 낮기 때문에 적은 유량을 사용하나, He 은 가볍고 확산속도가 빠르기 때문에 많은 유량을 사용해야 한다. 따라서 실험에서 Ar, He-25%Ar, He 가스의 유량의 수준은 가스종류에 따라서 저(10Ar, 18Ar-He, 20He), 중(15Ar, 23Ar-He, 25He), 고 (20Ar, 28Ar-He, 30He)로 구분하여 사용하였다. Table 2에서는 용접조건들을 L18 직교배열표에 배치한 결과를 보여 준다.
- 즉 용접속도가 감소하면 용입과 형상비는 증가하며, 용접전류가 증가하면 용입은 증가한다고 알려진다1). 따라서 용접속도와 용접전류가 용입과 형상비에 미치는 영향은 여기서 별도로 분석하였다.
- 실험결과는 분산분석에 의해 각 용접변수의 효과를 통계적으로 분석하였다. 또한 용입과 형상비를 크게 할수 있는 최적용접조건을 설정하고, 확인실험에 의해 결과의 유효성을 확인하였다.
- 본 연구는 기본연구로서 그루브 가공과 용가재를 사용하지 않고, 비드용접(bead-on-plate)에 대한 연구를 수행하였다. 즉 STS316L 강관의 수평자세 GTAW에서 용접변수들이 용접부의 용입과 형상비(aspect ratio=penetration/width)에 미치는 영향을 직교배열 표를 사용한 통계적인 실험계획과 결과의 분산분석을 통해서 체계적으로 분석하였다.
- 다음에는 형상비의 분산분석 결과를 검토해 보기로 하자. 분산(V)이 작은 용접변수인 용접전류 타입, Electrode-out, 가스유량은 오차항으로 풀링하였다. 유의수준(α)을 0.
-
3.2 최적용접조건에서 확인실험
실험결과의 유효성을 확인하기 위하여, 확인실험을 수행하였다. 확인실험은 Table 4에서의 최적용접조건에 준하여 실시하였다.
- 실험계획법에 의해 얻어진 용접조건을 기준으로, 용접속도와 용접전류의 변화에 따른 용입과 형상비의 변화를 추가로 분석하였다.
- Table 2에서는 용접조건들을 L18 직교배열표에 배치한 결과를 보여 준다. 실험순서는 난수표를 사용하여 무질서하게 실시하였다.
- 모든 위치설정과 용접과정은 PLC 제어에 의해 자동화되었다. 아크길이 (arc length)를 정확히 설정하고, 용접과정에서 아크 길이의 변화를 지속적으로 관찰하기 위하여 확대 CCD 카메라를 사용하였다. 텅스텐(W) 전극은 수명이 길고, 오염 가능성이 적으며, 아크발생이 안정적인 WTh-2 (2% ThO2)를 사용하였다.
- 예비실험을 통하여 용접변수로서 ① 용접전류 타입, ② 전극 tip 각도, ③ 노즐 끝에서 전극의 돌출길이 (Electrode-out), ④ 보호가스 종류(Ar, He-25%Ar, He), ⑤ 보호가스 유량(l/min)을 선택하였다. Fig.
- 용입의 분산분석 결과에서 분산(V)이 작은 용접변수인 전극 tip 각도, Electrode-out은 오차항으로 풀링하였다. 유의수준(α)을 0.
- Table 1에서는 선택된 용접변수들과 수준(level)을 보여준다. 용접변수들의 수준 역시 예비실험을 통하여 산정하였다.
- 용접부 단면에 대한 확대 현미경 사진을 촬영하고, 컴퓨터 software를 사용하여 용접부의 폭과 용입을 측정하고 형상비를 계산하였다. Table 2에는 측정된 용접부의 폭, 용입 및 형상비가 수록되었다.
- 직교배열표 실험에서 용접속도는 480 mm/min 로, 용접전류는 연속전류 200 A, 펄스전류 300A/45A (주파수 2 kHz, duty 50 %)로 일정하게 고정하였다. 용접속도와 용접전류는 용입에 큰 영향을 미치기 때문에, 별도의 추가실험에 의해 분석하였다.
- 따라서 이러한 분석을 통하여 용입이 깊고, 형상비가 큰 최적의 용접조건을 얻고자 하였다. 추가로 용접 속도와 용접전류가 용입과 형상비에 미치는 영향을 분석하였다.
- 확인실험은 2회 수행하였다. 용입은 각각 1.
대상 데이터
- 모재로는 두께 8 mm, 외경 349 mm의 STS316L 강관을 사용하였다. 강관을 회전시키면서 수평자세에서 강관 표면에 비드용접을 실시하였다.
- 보호가스는 He, 전극 tip 각도는 90° , 용접전류는 연속전류, 가스유량은 30 l/min로 채택되었다.
- 용접공정으로는 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 를 선택하였다. GTAW는 전원의 제어특성이 우수하며, 스패터(spatter)가 없어 외관이 깨끗하며, 용접부의 기계적 성능이 우수한 것으로 알려져 있다1).
- 강관을 회전시키면서 수평자세에서 강관 표면에 비드용접을 실시하였다. 용접기는 Miller 사의 Matster350 모델을 사용하였으며, 연속전류과 펄스전류를 선택하여 사용할 수 있다. 모든 위치설정과 용접과정은 PLC 제어에 의해 자동화되었다.
- 텅스텐(W) 전극은 수명이 길고, 오염 가능성이 적으며, 아크발생이 안정적인 WTh-2 (2% ThO2)를 사용하였다. 텅스텐 전극의 직경은 3.2 mm, 극성은 DCEN을 사용하였다. 실제 밀봉용접에서는 용가재를 공급해야 하기 때문에, 용가재와 전극의 접촉을 방지하기 위하여, 아크길이는 가능한 길게 유지하고자 하였다.
- 아크길이 (arc length)를 정확히 설정하고, 용접과정에서 아크 길이의 변화를 지속적으로 관찰하기 위하여 확대 CCD 카메라를 사용하였다. 텅스텐(W) 전극은 수명이 길고, 오염 가능성이 적으며, 아크발생이 안정적인 WTh-2 (2% ThO2)를 사용하였다. 텅스텐 전극의 직경은 3.
데이터처리
- 실험결과는 분산분석에 의해 각 용접변수의 효과를 통계적으로 분석하였다. 또한 용입과 형상비를 크게 할수 있는 최적용접조건을 설정하고, 확인실험에 의해 결과의 유효성을 확인하였다.
- 그래프는 용접변수들이 용입과 형상비에 미치는 영향을 정성적으로 평가할 수 있게 해준다. 용접변수들의 영향을 좀 더 정량적으로 분석하기 위하여, 용입과 형상비에 대해서 분산분석(ANOVA, Analysis of Variance)을 실시하였다. Table 3은 용입과 형상비에 대해 분산분석한 결과를 표시한다.
- 본 연구는 기본연구로서 그루브 가공과 용가재를 사용하지 않고, 비드용접(bead-on-plate)에 대한 연구를 수행하였다. 즉 STS316L 강관의 수평자세 GTAW에서 용접변수들이 용접부의 용입과 형상비(aspect ratio=penetration/width)에 미치는 영향을 직교배열 표를 사용한 통계적인 실험계획과 결과의 분산분석을 통해서 체계적으로 분석하였다. 실제 다층용접과정에서 루트패스(root pass)를 적절히 형성하기 위해서는 용입이 깊고, 형상비가 큰 용접조건을 얻는 것이 중요하다.
성능/효과
- 1) L18 직교배열표를 사용한 실험에서 보호가스 종류가 용접부의 용입과 형상비 모두에 매우 큰 영향을 미쳤다. 또한 용입에는 용접전류 타입과 보호가스 유량이 약간의 영향을 미쳤으며, 형상비에는 전극 tip 각도가 약간의 영향을 미쳤다.
- 04로 예측되었다. 2 회의 확인실험 결과에서 평균 용입은 1.96 mm, 평균형상비는 0.30으로 예측값과 잘 일치하였다.
- 3) 보호가스를 He, 전극 tip 각도는 90° , 용접전류는 펄스전류(300A/45A), 가스유량은 30 l/min의 조건으로 용접하였을 때, 95% 신뢰구간에서 용입의 추정 구간은 1.99 ± 0.18 mm, 형상비의 추정구간은 0.31± 0.04로 예측되었다.
- 분산 (V)이 클수록 효과가 큰 용접변수들이다. F, G, I의 오차항(ERROR)을 보면 분산(V)이 매우 작아서 실험의 신뢰도가 매우 높은 것을 확인할 수 있다. 분산이 작은 용접변수들을 오차항으로 풀링(pooling)하면 분석의 신뢰도를 높일 수 있다6).
- 용접변수의 중요도는 기여율(Ro)의 크기로 판단할 수 있다. 가스종류의 기여율이 약 77.5 %를 차지하여, 가스종류의 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 용접전류 타입과 가스유량은 약간 영향을 미침을 알 수 있다.
- 1) L18 직교배열표를 사용한 실험에서 보호가스 종류가 용접부의 용입과 형상비 모두에 매우 큰 영향을 미쳤다. 또한 용입에는 용접전류 타입과 보호가스 유량이 약간의 영향을 미쳤으며, 형상비에는 전극 tip 각도가 약간의 영향을 미쳤다. 반면 노즐 끝에서 전극의 돌출길이는 용입이나 형상비에 거의 영향을 미치지 않았다.
- 일반적으로 전극 tip 각도가 증가 하면 아크가 용융지에 집중되어, 용접부의 폭이 감소하고 용입이 증가한다고 알려져 있다1). 본 연구에서는 전극 tip 각도가 증가하면 형상비는 증가하였으나, 용입이 증가하지 않았다. 이것은 아크길이를 비교적 길게 유지한 때문으로 보인다.
- 76이다. 분산분석 결과에서의 Fo와 비교하면 가스종류와 전극 tip 각도가 유의수준 5%에서 유의한 것으로 판명되었다. 용입에서와 마찬가지로 가스종류의 기여율(Ro)이 62.
- 81이다. 용입의 분산분석 결과에서 Fo와 비교하면 용접전류 타입과 가스종류와 가스유량이 유의수준 5 %에 유의한 것으로 판명되었다. 용접변수의 중요도는 기여율(Ro)의 크기로 판단할 수 있다.
- . 용접전류 타입의 영향에서 연속전류가 펄스전류에 비해서 용입이 약간 더 증가하였으며, 형상비에는 거의 영향이 없었다. 이것은 연속 전류의 평균전류가 펄스전류에 비해 약간 높기 때문으로 보인다.
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