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문제 정의
- 본 논문에서는 Al5083 합금의 두께 6mm 판재에 대하여 Plasm-MIG 하이브리드 용접을 이용하여 I형 맞대기 용접에 대한 모니터링을 수행하였다. Plasma-MIG 용접에서 공정 변수들의 영향력을 평가하기 위하여 직교배열표에 의한 실험계획을 이용하여 용접을 진행하였다.
- 본 연구는 알루미늄 Al 5083 6t 합금에 대한 Plasma-MIG 용접시 용접이행을 조금 더 쉽고 정확하게 관찰하기 위해 모니터링 시스템을 구축하였다. 요약된 논문의 결론은 아래와 같다.
- 본 연구에서는 용접 모니터링을 위하여 다양한 센서를 이용하여 용접현상을 계측하였다. 복합열원인 플라즈마와 GMA용접의 전류와 전압을 계측하였으며, 용접 중 용적 이행을 관찰하기 위하여 CCD Camera를 이용하였다.
제안 방법
- 1) Al 5083 6t 합금의 Plasma-MIG 용접에서 CCD Camera를 통하여 안정적인 용적이행 이미지와 각 센서로 부터 용적이행 모드에 따른 파형을 측정.
- 3) 각 용적이행에 따른 비드형상을 분류 하였고, 비드형상별 인장강도를 비교하여 용적이행에 따른 용접부 강도를 평가하였다.
- 본 논문에서는 Al5083 합금의 두께 6mm 판재에 대하여 Plasm-MIG 하이브리드 용접을 이용하여 I형 맞대기 용접에 대한 모니터링을 수행하였다. Plasma-MIG 용접에서 공정 변수들의 영향력을 평가하기 위하여 직교배열표에 의한 실험계획을 이용하여 용접을 진행하였다. 용접 중 발생하는 MIG 용접 전류 및 전압, Plasma 전류 및 전압을 실시간으로 수집하였으며, CCD 카메라를 이용하여 용접이 진행되는 현상을 관찰하고 포토다이오드를 이용하여 광량을 측정하였다.
- Plasma-MIG 용접에서 실험을 통한 Al5083 알루미늄 합금의 용접 비드의 형상을 관찰하였다. 각 비드의 상면, 이면, 그리고 단면 형상은 Table 4와 같다.
- Plasma-MIG 용접에서 용접부의 기계적 강도를 알기위해 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 KS B ISO41368)의 판재 시험 경우를 참조하여 가공 및 인장 시험을 진행하였으며 용접한 시편 대부분이 용접부에서 파단이 발생하였으나 험핑이 발생한 시편은 HAZ부분에서 파단이 발생하였다.
- Plasma-MIG 용접의 고정인자로는 플라즈마 전극과 모재간 거리(torch standoff: SO)는 10mm로 설정하였으며 토치가 모재와 수직으로 용접을 수행하도록 진행하였고, 플라즈마 용접과 MIG용접 모두 연속모드(continuous wave mode: CW mode)를 이용하여 용접을 진행하였다. 보호가스는 MIG 아크, 플라즈마 아크 그리고 용접보호를 위하여 세 가지의 보호가스를 사용하였다.
- 사용된 공정변수는 플라즈마 용접 전류(plasma welding current : PWC), MIG 용접 전압(MIG welding voltage : MWV), 와이어 송급 속도(wire feed rate : WFR), 용접속도(welding speed : WS)이다. 공정변수의 수준은 기초 실험을 통해 과입열 조건과 적정 조건, 저입열 조건을 확인 후에 실험 조건을 설정하였다.
- 이 Camera는 초당 30프레임의 이미지를 얻으며 신뢰성 있는 이미지를 위하여 ND(neutral density) 필터와 파란색 영역의 파장만을 통과시키는 광학 필터(blue band pass filter)를 이용하였다. 그리고 용접시 발생하는 플라즈마의 광신호를 측정하기 위해 포토다이오드를 이용하였으며 이것의 응답 파장범위를 Fig. 3에서 보는 바와 같이 190nm ~ 680nm 이다
- 복합열원인 플라즈마와 GMA용접의 전류와 전압을 계측하였으며, 용접 중 용적 이행을 관찰하기 위하여 CCD Camera를 이용하였다. 또한 플라즈마의 광량을 측정하기 위하여 포토다이오드를 이용하여 용접부 모니터링을 수행하였다.
- 본 연구에서는 용접 모니터링을 위하여 다양한 센서를 이용하여 용접현상을 계측하였다. 복합열원인 플라즈마와 GMA용접의 전류와 전압을 계측하였으며, 용접 중 용적 이행을 관찰하기 위하여 CCD Camera를 이용하였다. 또한 플라즈마의 광량을 측정하기 위하여 포토다이오드를 이용하여 용접부 모니터링을 수행하였다.
- 용접부 모니터링을 위해 실험을 수행하였으며, 실험에서 사용된 공정변수와 수준은 Table 1과 같다. 사용된 공정변수는 플라즈마 용접 전류(plasma welding current : PWC), MIG 용접 전압(MIG welding voltage : MWV), 와이어 송급 속도(wire feed rate : WFR), 용접속도(welding speed : WS)이다. 공정변수의 수준은 기초 실험을 통해 과입열 조건과 적정 조건, 저입열 조건을 확인 후에 실험 조건을 설정하였다.
- ER 5183의 조성은 Table 3과 같다. 시편이 맞닿는 부분은 밀링으로 가공하여 면을 일정하게 하였으며 용접은 I형 맞대기 용접으로 수행하였다. 각 시편당 용접 길이는 130mm 이다.
- Plasma-MIG 용접에서 공정 변수들의 영향력을 평가하기 위하여 직교배열표에 의한 실험계획을 이용하여 용접을 진행하였다. 용접 중 발생하는 MIG 용접 전류 및 전압, Plasma 전류 및 전압을 실시간으로 수집하였으며, CCD 카메라를 이용하여 용접이 진행되는 현상을 관찰하고 포토다이오드를 이용하여 광량을 측정하였다. 이를 통하여 용적 이행모드를 관찰할 수 있는 모니터링시스템 구성하였다.
- 용접부 모니터링을 위해 실험을 수행하였으며, 실험에서 사용된 공정변수와 수준은 Table 1과 같다. 사용된 공정변수는 플라즈마 용접 전류(plasma welding current : PWC), MIG 용접 전압(MIG welding voltage : MWV), 와이어 송급 속도(wire feed rate : WFR), 용접속도(welding speed : WS)이다.
- 이 장치의 분해능(resolution)은 16bit 이고, 샘플링 속도는 초당 10,000 Hz로 설정하였다. 용접시작신호는 전류, 전압 측정모듈에 릴레이(relay)를 사용하여 DAQ보드의 Digital I/O와 연계하였으며, 용접시작 시간을 정확하게 측정하는 시작트리거를 구성하여 신호를 동기화 하였다.
- 용접전류를 계측하기 위해 최대 250A 까지 계측이 가능한 클램프 타입의 전류센서를 이용하였고 용접 전압을 측정하기 위해서 강압 회로를 제작하여 최대전압 100V를 5V로 강하하여 계측하였다. 각 용접전류와 전압 신호를 수집하기 위해 DAQ(data acquisition)보드를 사용하였다.
- 용접 중 발생하는 MIG 용접 전류 및 전압, Plasma 전류 및 전압을 실시간으로 수집하였으며, CCD 카메라를 이용하여 용접이 진행되는 현상을 관찰하고 포토다이오드를 이용하여 광량을 측정하였다. 이를 통하여 용적 이행모드를 관찰할 수 있는 모니터링시스템 구성하였다.
- 용접을 수행하기 위한 시스템으로 시편은 고정 장치(fitup device)로 고정하였다. 토치(torch)는 정지시키고 지그의 베드(bed)를 용접 진행 방향의 반대 방향으로 이송시키면서 용접을 진행하였다. 3축 캐리지 로봇 시스템을 사용하였으며 실험장치 전체의 모식도는 아래 Fig.
대상 데이터
- 낮은 인장강도 값을 가진 이유는 580J/mm 이상의 과도한 입열로 인하여 용접 중 발생한 험핑(humping)에 의한 상면비드(upper bead)부분에 심한 언더컷(undercut)이 발생했기 때문이다. AWS에서 규정한 최소 인장강도 값 270MPa보다 높은 시험편 총 5개이며, Type Ⅱ로서 단락이행과 입상용적이행 모드에서 발생하였다. 나머지 시험편 중 TypeⅠ은 이면비드가(back bead)가 발생하지 않은 경우로 단락이행모드와 입상용적이행모드에서 발생하였다.
- CCD Camera는 35mm 렌즈를 이용하였다. 이 Camera는 초당 30프레임의 이미지를 얻으며 신뢰성 있는 이미지를 위하여 ND(neutral density) 필터와 파란색 영역의 파장만을 통과시키는 광학 필터(blue band pass filter)를 이용하였다.
- 모재와 용접한 시험편의 인장강도를 비교하기 위해서 3장의 Al5083 판재에 대한 인장시험을 수행하였고, 그 결과 모재의 인장강도는 평균 351.45MPa 이었다. Tabel 5에서의 실험 조건 중 가장 높은 인장강도를 갖는 시험편은 PWC 120A, MWV 25V, WFR 20m/min, WS 15mm/s에서 293.
- 보호가스는 MIG 아크, 플라즈마 아크 그리고 용접보호를 위하여 세 가지의 보호가스를 사용하였다. 보호가스 모두 아르곤(Ar: 99.99%)를 사용하였으며, MIG 가스(center gas)를 10 l/min, 플라즈마 가스(plasma gas)를 10 l/min 그리고 차폐가스(Shielding gas)를 15 l/min으로 공급하였다.
- Plasma-MIG 용접의 고정인자로는 플라즈마 전극과 모재간 거리(torch standoff: SO)는 10mm로 설정하였으며 토치가 모재와 수직으로 용접을 수행하도록 진행하였고, 플라즈마 용접과 MIG용접 모두 연속모드(continuous wave mode: CW mode)를 이용하여 용접을 진행하였다. 보호가스는 MIG 아크, 플라즈마 아크 그리고 용접보호를 위하여 세 가지의 보호가스를 사용하였다. 보호가스 모두 아르곤(Ar: 99.
- 시편의 크기는 250mm × 150mm × 6mm 이다.
- 실험에 사용된 독일 AMT사의 HYBRID 8000MR을 사용하였다. 플라즈마와 아크의 최대출력은 각각 400A이다.
- 실험에 사용된 모재는 Al5083 알루미늄 합금으로 그 조성은 Table 2와 같다. 시편의 크기는 250mm × 150mm × 6mm 이다.
- 시편의 크기는 250mm × 150mm × 6mm 이다. 용접와이어는 5000계열 알루미늄 합금에 주로 사용되는 ER 5183을 사용하였으며 용접 와이어의 직경은 1.2mm이다. ER 5183의 조성은 Table 3과 같다.
- 플라즈마와 아크의 최대출력은 각각 400A이다. 용접토치는 TBI사 의 PLM 500을 사용하였다. 용접을 수행하기 위한 시스템으로 시편은 고정 장치(fitup device)로 고정하였다.
이론/모형
- 용접전류를 계측하기 위해 최대 250A 까지 계측이 가능한 클램프 타입의 전류센서를 이용하였고 용접 전압을 측정하기 위해서 강압 회로를 제작하여 최대전압 100V를 5V로 강하하여 계측하였다. 각 용접전류와 전압 신호를 수집하기 위해 DAQ(data acquisition)보드를 사용하였다. 이 장치의 분해능(resolution)은 16bit 이고, 샘플링 속도는 초당 10,000 Hz로 설정하였다.
- CCD Camera는 35mm 렌즈를 이용하였다. 이 Camera는 초당 30프레임의 이미지를 얻으며 신뢰성 있는 이미지를 위하여 ND(neutral density) 필터와 파란색 영역의 파장만을 통과시키는 광학 필터(blue band pass filter)를 이용하였다. 그리고 용접시 발생하는 플라즈마의 광신호를 측정하기 위해 포토다이오드를 이용하였으며 이것의 응답 파장범위를 Fig.
- Plasma-MIG 용접에서 용접부의 기계적 강도를 알기위해 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 KS B ISO41368)의 판재 시험 경우를 참조하여 가공 및 인장 시험을 진행하였으며 용접한 시편 대부분이 용접부에서 파단이 발생하였으나 험핑이 발생한 시편은 HAZ부분에서 파단이 발생하였다. 각 용접 조건의 인장강도와 용적이행 모드의 결과는 Table 5와 같다.
성능/효과
- 45MPa 이었다. Tabel 5에서의 실험 조건 중 가장 높은 인장강도를 갖는 시험편은 PWC 120A, MWV 25V, WFR 20m/min, WS 15mm/s에서 293.37MPa의 인장강도를 가지며 가장 낮은 인장강도 시험편은 PWC 140A, MWV 27V, WFR 20m/min, WS 14mm/s에서 85.91MPa을 가지는 것을 확인하였다. 알루미늄 합금의 경우 덧살을 제거할 때, 소성가공에 의해 인장강도가 저하한다10).
- 입상용적 이행 모드는 와이어가 용융풀과 접촉하지 않아 아크의 길이가 단락이행 모드의 경우보다 긴 것을 확인할 수 있다. 단락이 발생하지 않으므로 전압파형이 평균적으로 약 19V 주변으로 유지되는 것을 확인 할 수 있고, 아크의 광량의 영향에 따라 전체적인 포토다이오드의 광신호 값도 단락이행 보다 높음을 알 수 있다. 또한 용적이 와이어에서 이탈할 때 마다 순간 광량이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
- 7에서 확인할 수 있다. 본 실험에서 출력된 값을 통하여 PWC 120A, MWV 27V, WFS 18m/min, 입열량 460J/mm 이상에서 최소인장강도 값을 만족하는 결과를 확인 할 수 있었다.
- 그러나 0V로 떨어지지 않는 이유는 플라즈마에서 발생되는 광량에 의해 0V까지 떨어지지는 않는다. 실험 뒤 출력되어 나온 값을 통하여 PWC 120A, MWV 25V 이상, WFR 20m/min, 입열량 460J/mm 이상에서 최소인장강도 값을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 입열량을 통하여 과입열은 확인 할 수 없었다.
- 입상용적 이행 모드는 와이어가 용융풀과 접촉하지 않아 아크의 길이가 단락이행 모드의 경우보다 긴 것을 확인할 수 있다. 단락이 발생하지 않으므로 전압파형이 평균적으로 약 19V 주변으로 유지되는 것을 확인 할 수 있고, 아크의 광량의 영향에 따라 전체적인 포토다이오드의 광신호 값도 단락이행 보다 높음을 알 수 있다.
- 입상용적이행 모드 : 용적이 자유이행 될 때 GMA파형은 일정한 웨이브 패턴을 가지며, 광신호는 용적이 와이어에서 이탈할 때 마다 순간 광량이 높아지는 것을 확인.
- 스프레이이행 모드는 평균값이 비슷하기 때문에 구별하기 어렵지만, 초당 높은 빈도수로 이행하는 것을 확인 할 수 있다. 플라즈마 용접 전류와 전압은 MIG 용접의 용적이행 현상과 관계없이 모든 이행에서 안정적으로 출력되는 것을 확인 하였다.
- 험핑이 발생하는 조건은 입열량을 통하여 580 J/mm 이상인 조건에서 일어나는 것을 확인하였으며, Table 5에서 확인할 수 있듯이 입상용적이행 모드의 경우는 Type I, II, III의 경우를 모두 가지는 것을 확인하였다.
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