Alternating current-gas metal arc welding for steel applications

Abstract

조선해양 산업에서 갈수록 경쟁이 치열해지고 있으며, 그로 인해 제품의 가격경쟁력에 큰 도움을 줄 수 있는 효율적인 용접 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 교류-가스 메탈 아크 용접 (AC-GMAW) 공정은 용착율이 높다는 장점이 있으나 앝은 용입 깊이의 문제로 인해 박판 용접에만 주로 사용되어 왔다. 최근 아크 안정성과 용입 깊이를 증가시키기 위해 정극성(正極性, Electrode Negative) 싸이클의 펄스에 음(陰)의 피크 전류를 추가하는 기법이 도입되었으나, 좁은 적용범위로 인해 최근까지 실험과 시뮬레이션 분야에 많은 연구가 요청되고 있다. 본 연구는 현재까지 이 공법에 대한 기존의 연구를 검토하고 후판에의 적용가능성에 대해 다루었으며, 용접 공정 변수가 용착량에 미치는 영향을 검증하기 위해 금속 이행 과정을 해석적으로 분석하는 모델을 제안하였다. 이 모델을 사용해서 정극성 및 역극성(逆極性) 펄스 싸이클에서 용적(熔滴)에 작용하는 서로다른 부착력 및 분리력에 대해 평가하였다. 계산된 용적의 지름과 실험 결과를 비교하여 모델을 검증하였으며, 제안된 모델이 실험결과와 합리적으로 잘 일치하고 있음을 보였다. 음의 피크를 정극성 싸이클에 사용하면 약 200A 전류와 40%이상의 정극(正極) 극성비(極性比)를 사용할 때 작은 반지름의 집중적인 음극 제트를 발생시키는데, 이 플라즈마 제트는 이온화를 증가시키고, 아크 플라즈마의 온도를 증가시킨다. 고 엔탈피 CO2 기반의 혼합기체를 사용하면 고농도의 금속 증기를 발생시키고, 이에 따라 전류 밀도를 증가시킨다. 이러한 현상은 비드온 용접에서 손가락모양의 깊은 용입형상을 발생시킨다. 58% 이상의 높은 정극(正極) 극성비(極性比)에서, 음극점의 크기가 증가하고 정극성 싸이클의 시간이 길어짐에 따라 금속 증기도 그 길어진 시간동안 전체 아크에 확산되는 거동을 보인다. 이러한 결과는 더 넓은 반지름의 강렬한 아크로 관찰되거나, 더 넓은 형태의 손가락모양의 용입 모양을 만들어낸다. 실험을 위해 8mm까지 두께의 강판에서 다양한 종류의 용접 조인트를 설정해서 교류-가스 메탈 아크 용접을 수행하였고, 합리적인 결과를 얻었다. 10mm 두께의 후판의 사각형 개선 싱글 패스 맞대기 용접에서 용접 조인트 쪽에서 융합 불량이 관찰되었다. 이러한 문제를 극복하기 위해 대상이 되는 용접부를 용접 전에 신속하게 가열할 수 있는 유도가열을 제안하였다. 저용량 유도가열 전원(電原)을 사용하여 다양한 형태의 코일 형상에 대해 용접을 실시하고, 토치와 코일의 거리를 바꾸어가면서 유도가열 코일에 의한 용접 아크의 영향을 관찰하였다. 실험을 통해 35mm 인근까지 위치한 U자 형상의 코일에 의한 외부 자기장에 크게 영향을 받지 않는다는 점을 확인하였고, 이를 통해 교류-가스 메탈 아크 용접이 후판 용접에서 유도가열과 복합적으로 쓰일 수 있는 가능성을 확인하였다. 수치 시뮬레이션 모델을 통해 용접부에서 원하는 가열 형상을 위한 최적의 유도가열원을 효과적으로 모델링할 수 있으며, 이미 조선해양산업에서 자주 사용되고 있는 유도가열원을 사용한다면, 고생산성의 유도가열 ？ 가스 메탈 아크 용접 공정을 개발할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 복합 공정은 조선해양에서 주로 사용되는 극저온용이나 열처리된 고장력 후판에서 열영향부와 개선 작업을 최소한으로 줄이면서 용접할 수 있는 잠재력이 있다고 예상된다.