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JWJ > Volume 35(3); 2017 > Article
Plasma-MIG 하이브리드 용접에서 용적 이행모드 현상 모니터링에 대한 연구

Abstract

Recently in the welding field, the establishment of unmanned and automated systems are rapidly developing. Accurate interpretation of the welding phenomenon is applied a number of monitoring systems. In this paper, butt welding (6t) type I using Plasma-MIG welding was carried out. And we evaluated characteristics of the Al-5083 aluminium alloy in Plasma-MIG hybrid welding. Process variables including the plasma current, MIG voltage, wire feeding rate and the welding speed were used. Butt welding was conducted 1 pass. Argon gas was used as the protective gas that results from the experiment were able to achieve full penetration. In addition to monitoring the welding process occurring during MIG welding current, welding votage and Plasma current, voltage were collected in real time, the photodiode and CCD cameras observing the phenomenon that the welding is in progress were measured using a quantity of light.

1. 서 론

용접은 산업구조에서 중간산업으로 분류되며, 전 후방 산업을 이어 주는 역할을 한다. 용접산업으로 생산효과를 받게 되는 후방산업으로는 철강 및 비철, 자동화 부품 등이 있다.
우리나라 전략산업 분야에서 조립완제품의 생산에 반드시 필요한 기술1)은 용접(welding)이다. 최근에는 용접이 완료된 후에 시행하는 검사보다 제품을 생산하는 용접을 하면서 좋은 품질을 확보하고, 작업자가 실시간으로 결함발생 유무를 확인할 수 있는 품질 예측 모니터링 시스템이 강조되고 있다2). 그 이유는 용접이 가능한 제품인가, 아닌가의 여부보다는 품질과 제품의 생산성 향상이 기업의 부가가치 창출에 있어 매우 중요한 요소로 대두되고 있기 때문이다. 특히, 자동 생산 설비나 산업용 용접 로봇에 의해 제품을 생산할 경우 작업자가 직접 현장에서 용접 품질을 감시하고 있지 못하기 때문에 품질의 자동감시, 즉 품질 모니터링(Monitoring)이 반드시 필요하다3). 실시간 용접 모니터링 시스템(real-time welding monitoring system)이란, 아크(arc) 용접을 비롯한 일반적인 용접공정에서 양질의 용접부위를 확보하기 위하여, 각 용접 공정에 적합한 센서(sensor)를 이용하여 실시간으로 용접부의 품질을 관리하는 기술이다4). 용접부의 품질을 실시간으로 평가하기 위해서는 용접공정의 특성을 분석하는 것은 필수적이다5). 이를 위하여 측정변수의 선정이 필요하고, 실험과 그 결과를 바탕으로 인과 관계를 설명하고 관찰하여야한다. 용접에서 대표적인 측정변수로는 용접 전류(welding current), 용접 전압(welding voltage), 용융풀(weld pool), 아크 광(arc light) 등이 있다. 이러한 측정변수들을 바탕으로 공정 중에 금속 이행 형태(metal transfer mode), 용접 품질(weld quality) 을 확인할 수 있다6).
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. 이를 통하여 용적 이행모드를 관찰할 수 있는 모니터링시스템 구성하였다.

2. 실험 장치 및 용접 조건

2.1 실험 장치

Plasma-MIG 하이브리드 용접은 레이저 용접과 유사하게 깊은 용입이 가능하며 용접 속도를 빠르게 하여 모재에 대한 입열을 줄일 수 있는 특징이 있다. 실험에 사용되어진 복합 열원의 토치는 Fig. 1과 같이 GMAW의 와이어공급과 플라즈마 발생 노즐이 동축으로 형성되는 방식이다. 플라즈마는 아크의 주변에 발생하여 MIG 주위에 플라즈마 아크를 두어 용적 이행의 안정화시킬 수 있고, 모재 및 와이어 예열 효과를 주고, 수소용해도 및 기공에 의해 발생될 수 있는 용접부의 결함을 최소화 할 수 있다7).
Fig. 1
Plasma-MIG Welding torch
jwj-35-3-75f1.gif
실험에 사용된 독일 AMT사의 HYBRID 8000MR을 사용하였다. 플라즈마와 아크의 최대출력은 각각 400A이다. 용접토치는 TBI사 의 PLM 500을 사용하였다. 용접을 수행하기 위한 시스템으로 시편은 고정 장치(fit-up 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. 2와 같다.
Fig. 2
Experimental system
jwj-35-3-75f2.gif

2.2 모니터링 장치

본 연구에서는 용접 모니터링을 위하여 다양한 센서를 이용하여 용접현상을 계측하였다. 복합열원인 플라즈마와 GMA용접의 전류와 전압을 계측하였으며, 용접중 용적 이행을 관찰하기 위하여 CCD Camera를 이용하였다. 또한 플라즈마의 광량을 측정하기 위하여 포토다이오드를 이용하여 용접부 모니터링을 수행하였다.
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. 용접시작신호는 전류, 전압 측정모듈에 릴레이(relay)를 사용하여 DAQ보드의 Digital I/O와 연계하였으며, 용접시작 시간을 정확하게 측정하는 시작트리거를 구성하여 신호를 동기화 하였다.
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. 3에서 보는 바와 같이 190nm ~ 680nm 이다.
Fig. 3
Spectral response range of photodiode
jwj-35-3-75f3.gif

2.3 실험조건 및 용접재료

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.
Table 1
Factors and levels of orthogonal experiment
No. Factor Level 1 Level 2 Level 3
A Plasma welding current(A) 120 140 160
B MIG welding Voltage(V) 25 26 27
C Wire feed rate: (m/min) 16 18 20
D Welding speed: (mm/sec) 14 15 16
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: 99.99%)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.
실험에 사용된 모재는 Al5083 알루미늄 합금으로 그 조성은 Table 2와 같다. 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. 시편이 맞닿는 부분은 밀링으로 가공하여 면을 일정하게 하였으며 용접은 I형 맞대기 용접으로 수행하였다. 각 시편당 용접 길이는 130mm 이다.
Table 2
Chemical composition of Al 5083(wt.%)
Cu Fe Si Mn Mg Zn Ti Cr Al
0.1 0.4 0.4 0.7 4.5 0.25 0.15 0.15 Bal.
Table 3
Chemical composition of ER 5183(wt.%)
Cu Fe Si Mn Mg Zn Ti Cr Al
0.1 0.4 0.4 0.75 4.75 0.15 0.15 0.11 Bal.

3. 용접부 비드형상 및 기계적 강도

3.1 용접부 비드 형상

Plasma-MIG 용접에서 실험을 통한 Al5083 알루미늄 합금의 용접 비드의 형상을 관찰하였다. 각 비드의 상면, 이면, 그리고 단면 형상은 Table 4와 같다. Table 4에서 보는 바와 같이 용접부의 형상은 3가지 형태로 구분될 수 있다.
Table 4
Type of bead shape
Type I Type II Type III
Top of bead jwj-35-3-75f4.gif jwj-35-3-75f5.gif jwj-35-3-75f6.gif
Back of bead jwj-35-3-75f7.gif jwj-35-3-75f8.gif jwj-35-3-75f9.gif
Macro jwj-35-3-75f10.gif jwj-35-3-75f11.gif jwj-35-3-75f12.gif
Type I은 용접조건에 의한 낮은 입열로 인해 부분 용입이 발생하여 상면비드(upper bead)는 형성되었지만 이면비드(back bead)가 형성되지 않은 경우이고, TypeⅡ는 충분한 입열에 의해 상면비드와 이면비드가 형성되었다. Type III는 이면비드는 형성되었으나 용접 조건에 의한 과입열로 용접 중 험핑(humping)이 발생되어 상면비드에 심한 언더컷(under cut)이 형성되었다.
험핑 발생은 실험 조건 중 플라즈마 용접 전류 160A에서 대부분 관찰 되었으며 플라즈마 용접 전류 120A에서 대부분 완전 용입이 이루어 졌다.

3.2 용접부 기계적 강도

Plasma-MIG 용접에서 용접부의 기계적 강도를 알기위해 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 KS B ISO 41368)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. AWS에서 규정한 Al5083합금의 최소 인장강도는 270MPa 이다9).
Table 5
Results of tensile strength and metal transfer
No. PWC (A) MWV (V) WFR (m/min) WS (mm/s) TS (MPa) Metal transfer (Bead shpae) Total Heat Input (J/mm)
1 120 25 16 14 173.86 SC(I) 475
2 140 25 18 14 195.23 G(I) 535
3 160 25 20 14 97.04 S(III) 588
4 140 26 16 14 135.94 G(I) 535
5 160 26 18 14 127.72 G(I) 590
6 120 26 20 14 292.43 SC(II) 513
7 160 27 16 14 95.91 G(III) 598
8 120 27 18 14 288.3 G(II) 525
9 140 27 20 14 85.91 S(III) 581
10 140 25 16 15 149.31 SC(I) 492
11 160 25 18 15 142.46 G(I) 533
12 120 25 20 15 293.37 SC(II) 467
13 160 26 16 15 162.33 G(I) 549
14 120 26 18 15 181.15 SC(I) 467
15 140 26 20 15 278.98 SC+G (II) 522
16 120 27 16 15 210.25 GI) 475
17 140 27 18 15 223.25 G(I) 533
18 160 27 20 15 116.65 G(III) 582
19 160 25 16 16 155.26 G(I) 498
20 120 25 18 16 181.86 SC(I) 429
21 140 25 20 16 153.44 SC(I) 476
22 120 26 16 16 116.9 SC(I) 479
23 140 26 18 16 142.36 G(I) 482
24 160 26 20 16 183.71 SC(I) 560
25 140 27 16 16 108 G(I) 498
26 160 27 18 16 151.81 G(I) 552
27 120 27 20 16 285.18 G(II) 467

* spray : S, globular : G, short circuiting : SC

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 293.37MPa의 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). 이러한 문제로 모재보다 높은 인장강도를 갖는 시험편은 발생하지 않았다.
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 II 로서 단락이행과 입상용적이행 모드에서 발생하였다. 나머지 시험편 중 Type I은 이면비드가(back bead)가 발생하지 않은 경우로 단락이행모드와 입상용적이행 모드에서 발생하였다. Type III과 같은 험핑에 의해 이면비드가 발생하였지만 상면비드가 발생하지 않은 경우는 스프레이 이행 모드에서 발생하였다. Type I, III는 AWS에서 규정한 최소 인장강도를 만족하지 못하였다.

4. 용적 이행 모드에 따른 모니터링 신호

용접부 모니터링을 통하여 두께 6mm의 Al5083 합금의 플라즈마-MIG 용접의 용적이행 모드는 4가지 용적이행 모드로 관찰되었다. 이것은 단락(short circuiting)이행, 입상(globular)용적이행, 그리고 단락과 입상용적이 동시에 나타는 경우, 그리고 스프레이(spray)이행 모드로 분류할 수 있다11). 각 용적 이행모드에 따라 모니터링 된 실험 결과는 다음과 같다.

4.1 단락이행 모드

단락 이행은 저전류 영역에서 발생하며 용적이 모재와 접촉하면서 이행되며 모재와 와이어 접촉에 의하여 아크의 발생과 소멸이 반복된다. Fig. 4Fig. 5는 단락이행 모드(short circuiting transfer)의 파형과 계측한 이미지를 나타낸다.
Fig. 4
Waveform of short circuiting transfer
jwj-35-3-75f13.gif
Fig. 5
Image of short circuiting transfer
jwj-35-3-75f14.gif
Fig. 45는 용접조건이 PWC 120A, MWV 26V, WFS 20m/min, WS 14mm/s 일 때의 경우로 Table 5의 6번 실험이다. 그림에서 보는 바와 같이 아크 전압은 16V로 타 이행 모드 보다 낮으나 상대적으로 전류는 190A로 높아 와이어의 송급속도가 빠르기 때문에 단락 이행이 발생된다. 그림에서 보는 봐와 같이 단락이 될 경우 아크 용접 전압이 0으로 떨어지는 것을 확인할 수 있으며, 이 경우 아크가 소멸되어 아크에서 발생되는 광량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이것은 광센서에 영향을 주며 단락이 되는 경우 0V에 가깝게 하강하고 있음을 알 수 있다. 아크의 전압신호와 거의 동기화 되고 있음을 알 수 있다. 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/mm이상에서 최소인장강도 값을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 입열량을 통하여 과입열은 확인 할 수 없었다. Table 5에서 확인할 수 있듯이 단락이행 모드의 경우 대부분이 Table 4의 Type I에 해당하는 비드형상이 얻어지고, 전체적인 인장강도의 값 또한 매우 낮음을 알 수 있다.

4.2 입상용적이행 모드

용접전압과 전류를 증가시키면 용적은 전자기력과 중력 등에 의하여 와이어에서 이탈하여 모재에 이행되며 용적의 직경이 용접봉 직경보다 크면 이를 입상용적 모드라고 부른다. Fig. 6, Fig. 7은 입상용적 이행 모드(globular transfer)의 파형과 이미지를 보여준다.
Fig. 6
Waveform of globular transfer
jwj-35-3-75f15.gif
Fig. 7
Image of globular transfer
jwj-35-3-75f16.gif
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.
이것은 용적이 이탈되는 경우 순간적으로 용적에 의해 아크가 분산되면서 강한 빛을 내는 것으로 Fig. 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.
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.
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.

4.3 스프레이이행 모드

스프레이이행 모드에서는 높은 전류에 의하여 발생한 전자기력으로 인해 와이어의 지름보다 작은 크기의 용적이 높은 주파수로 이탈한다. Fig. 8, Fig 9는 스프레이 이행 모드(spray transfer)의 파형과 이미지를 나타낸다.
Fig. 8
Waveform of spray transfer
jwj-35-3-75f17.gif
Fig. 9
Image of spray transfer
jwj-35-3-75f18.gif
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.
본 실험에서 나온 스프레이 이행 모드는 총 2개이며, Table 5에서 확인 가능하다. 스프레이 이행에서는 PWC 140A이상, MWV 24V이상, WFS 20m/min이며 입열량이 580J/mm 이상일 때 TypeIII과 같은 험핑비드가 발생하였다.

5. 결 론

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.
1) Al 5083 6t 합금의 Plasma-MIG 용접에서 CCD Camera를 통하여 안정적인 용적이행 이미지와 각 센서로 부터 용적이행 모드에 따른 파형을 측정.
2) 각 센서로 부터 얻어지는 파형을 통하여 각 용적이행 모드에 따라 패턴 확인.
입상용적이행 모드 : 용적이 자유이행 될 때 GMA파형은 일정한 웨이브 패턴을 가지며, 광신호는 용적이 와이어에서 이탈할 때 마다 순간 광량이 높아지는 것을 확인.
단락이행 모드 : 와이어가 모재에 단락이 될 때 광신호 및 GMA 전압이 0V로 떨어지는 패턴.
스프레이이행 모드 : 다른 이행모드와는 달리 패턴이 없으며 일정한 값 출력.
3) 각 용적이행에 따른 비드형상을 분류 하였고, 비드형상별 인장강도를 비교하여 용적이행에 따른 용접부 강도를 평가하였다.

Acknowledgments

이 논문은 부경대학교 자율창의학술 연구비(2015년)에 의하여 연구되었음

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