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JWJ > Volume 37(4); 2019 > Article
P-GMAW에서 용접 자세에 따른 비드 형상 및 재료 물성 변화에 관한 연구

Abstract

This study performed welding in different positions, in the flat, vertical down, overhead positions, using the P-GMAW process. Despite using the same amount of heat input, the welding characteristics varied depending on the welding position. The effect of gravity on the welding process determined the formation of the weld bead. The difference in molten pool behavior for various welding positions resulted in changes in the microstructure due to differences in cooling rates. To collect the welding parameters, the current and voltage signals were synchronized with a high speed camera using a DAQ system. To induce one droplet for one pulse of metal transfer, a shielding gas composite rate was used, 95%Ar+5%CO2. The results in the melting zone for different welding positions were compared, and the microstructure of the welded section related to molten pool behavior was analyzed.

1. 서 론

전 자세 용접은 자세별 중력 방향이 다르기 때문에 모든 위치에서 용접 조건을 다르게 설정하여 용접을 진행해야 된다. 특히, 파이프 용접은 원주 방향으로 용접하는 특성으로 인해 중력 방향이 매순간 변화하므로 자세별 용접에서 중력의 영향을 고려하지 않는다면 용락 및 융입 부족과 같은 용접 결함이 발생할 수 있다. 육상 파이프 라인 건설과 달리 해저 파이프 라인 건설 시에는 토목 공사가 요구되지 않고 바지선을 운용하기 위한 선단 운용비용이 상당히 높다. 따라서, 용접 공정의 품질 및 생산성이 공사의 수익성을 결정하기 때문에 해저에서의 용접 결함 및 용접 조건 최적화가 필수적으로 요구된다1).
자세별 용접에서 서로 다른 중력 방향은 대류 현상의 차이가 발생하여 용융풀의 유체 흐름에 크게 영향을 준다. 따라서, 용접 비드 형상, 용입 깊이, 냉각 속도 차이가 발생하여 기계적 성질이 달라진다. 특히, 용접 비드에서의 용접 토우부는 균열의 발생과 전파에 의해 파손이 자주 발생하며, 용접 토우부에서의 그라인딩을 통해 피로 수명을 향상 시키는 연구를 진행해왔다2).아크 용접 방법에서 용접 변수가 용접 비드 형상 및 용접 접합 특성에 영향을 준다. 용접 비드의 형상은 열 영향부(Heat Affect Zone) 및 용접부의 기계적 특성에 따라 달라지기 때문에 용접 품질을 결정하는 데 매우 중요한 요소이다. 열영향부 및 용접부의 특성은 일반적으로 용접 구조물의 미세 구조 및 화학적 특성에 따라 달라진다. 입열량(Heat Input)이 증가함에 따라 비드 폭(Bead Width), 용입 깊이(Penetration), 용착 면적(Nugget Area) 및 열영향부 크기가 증가한다. 다양한 용접 공정 중에서 P-GMAW(Pulse-Gas Metal Arc Welding)방법은 낮은 평균 전류로 양호한 용적 이행을 하기 때문에 입열량 및 스패터가 적은 장점을 가지며 생산성이 높고 충격치와 피로 파괴에 대한 수명이 늘어나는 장점이 있어 최근 적용 빈도가 높아지고 있다3,4).
P-GMAW 공정은 펄스 형태의 전류를 인가하여 각 펄스마다 하나의 용적이 이탈하는 특징이 있다. 이와 같은 P-GMAW의 ODOP(One Drop One Pulse) 특성을 이용하면 용적 이행을 제어할 수 있고 입열량을 감소시킬 수 있다. 다양한 P-GMAW 공정의 장점에도 불구하고 ODOP가 발생하는 적절한 용접 조건(피크 전류와 시간 및 베이스 전류와 시간)을 구하는 것은 쉽지 않다. 부적절한 용접조건을 사용하는 경우에는 하나의 펄스에 다수의 용적이 이탈하는 MDOP(Multiple Drops One Pulse) 또는 다수의 펄스를 가해야 하나의 용적이 이탈하는 ODMP(One Drop Multiple Pulses)가 발생하며, 특히 ODMP 조건에서는 이탈 용적의 크기와 주기가 불균일하므로 P-GMAW의 장점을 얻을 수 없다5).
P-GMAW 파형은 Background, ramp up, peak, tail out 과정이 반복 되어 진행 된다. 입열량을 최소화 하기 위해서 피크 전류 (Peak current)와 백그라운드 전류 (Background Current)를 반복 인가하며 입열량을 최소화 시킨다. P-GMAW 파형의 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 상기 연구들은 동일한 입열량 조건에서 자세별 용접 시, 용접 cap부에서 발생되는 용융풀 거동 분석 및 토우부에서의 재료 물성 변화에 대해서는 연구가 진행하지 않았다.
본 연구에서는 동일한 용접 조건하에 아래보기, 수직 하강, 위보기 자세에서 용접 형상 특징 및 냉각 속도(Cooling Rate)차이에 따른 미세 조직 분석과 경도를 측정하였다. P-GMAW 용접에서의 ODOP를 관측하기 위해 용접 신호와 초고속 카메라를 동기화 시켜 실시간 용접 이행 모드를 관측하였다.
Fig. 1
Waveform of P-GMAW
jwj-37-4-333f1.jpg

2. 실험 방법

2.1 자세별 용접 실험 방법

자세별 용접은 동일한 입열량 조건에서 아래 보기, 수직 하강, 위보기 자세로 진행하였으며 Fig. 2와 같이 실험 장치를 장착하여 용접 실험하였다. 용접 cap부에서의 용융풀 거동 및 toe부에서의 재료 물성 변화 평가하기 위해, 용접 시편은 평판 가공으로 제작하였으며 길이 500 mm × 너비 100 mm × 높이 9 mm의 SS400 시험편으로 사용하였다. 화학적 성분은 Table 1에 나타내었다.
Fig. 2
Experiment for various welding positions
jwj-37-4-333f2.jpg
Table 1
Chemical composition
C Fe Mn Fe S
0.16 0.20 0.6 98.81 0.05

2.2 P-GMAW 공정 분석

초고속 카메라와 DAQ (Data Acquisition)를 이용해서 P-GMAW의 용접 파형 및 ODOP의 용적 이행을 관측하였다. 전압 파형은 용접 토치와 접지선에 연결하여 전압을 측정하였다. 전류 파형은 용접 토치 선단에 홀 센서를 장착해 전류를 측정하였다. 실시간 ODOP의 현상을 관찰하기 위해 초고속 카메라와 DAQ 보드를 사용하여 전류, 전압 신호를 동기화시켰다. 해당 동기화 시스템은 Fig. 3에 나타내었다. 용접 아크 영상은 5000 FPS(Frame Per Sec) 조건으로 용적 이행 모드를 관측하였다. 가스 유량은 20L/min를 이용하여 95%Ar + 5 % CO2 가스를 적용했다. 695nm 대역 통과 필터를 초고속 카메라 렌즈에 설치하여 용접 아크의 빛을 차단하였다. CTWD(Contact Tip to Work Distance)는 15mm로 고정하였다. 용접기는 TPS 2700를 사용하였으며, 용접 와이어는 직경 1.0mm의 ER70s-6 적용하였다. 실험 조건은 Table 2에 나타내었다.
Fig. 3
Schematic of diagram of experiment system for synchronization of arc imagine and welding
jwj-37-4-333f3.jpg
Table 2
Test condition
Wire ER70s-6 (ɸ=1.0mm)
High speed camera Phantom m320s, frame rate: 5000Hz
Band pass filter 695nm
Shielding gas 95%Ar - 5%CO2, 20l/min
CTWD 15mm
Wire feed rate 7m/min
Welding speed 60cm/min
Welding machine TPS-2700

2.3 P-GMAW의 용접 파형 분석

P-GMAW의 ODOP 공정을 분석하기 위해 용접 신호 (전류, 전압)를 초고속 카메라와 DAQ를 연동하여 ODOP 용적 이행을 관측하였다. 아래보기 자세에서의 P-GMAW에서 용접 아크 사진은 Fig. 4에 나타내었으며 아크 영상과 동기화된 용접 파형은 Fig. 5에 나타내었다. 수직 하강자세와 위보기 자세에서의 용접 조건은 아래보기 자세와 동일한 조건으로 실험하였다.
Fig. 4
Front view of arc imagine of OPOD in P-GMAW
jwj-37-4-333f4.jpg
Fig. 5
The actual current and voltage waveforms of P-GMAW
jwj-37-4-333f5.jpg
자세별 용접 실험에서 사용된 P-GMAW에서의 주파수(Frequency)는 156Hz이며, 베이스 전류(Base Current) 의 시작점과 끝점을 측정하여 용접 파형 주기로 계산하였다. 베이스 전류는 35A이며 피크 전류는 345A로 나타내었다. 펄스 시간 (Pulse Duration)은 0.001초 이며, 피크 전류에서의 시작과 끝점을 측정하여 계산하였다. 전류, 전압 평균값은 한 주기의 용접 파형을 적분한 값을 평균 하여 계산하였다. 용접 파형 결과는 Table 3에 나타내었다.
Table 3
Measurement value of welding signal
Peak current 345A
Base current 35A
Frequency 156Hz
Pulse duration 0.001s
Average current 132.2A
Average voltage 19.5V

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 자세별 용접 실험 결과

자세별 용접 실험은 아래보기, 수직 하강, 위보기 자세에서 진행하였다. 자세별 용접 형상 치수는 Table 4에 나타내었으며 용접 단면은 Fig. 6에 나타내었다.
Table 4
Experiment results
Welding position Bead width(cm) Penetration (cm) Bead height(cm)
Flat 0.61 0.18 0.22
Vertical down 0.69 0.14 0.18
Overhead 0.57 0.19 0.25
Fig. 6
Experiment results of weld section
jwj-37-4-333f6.jpg
자세별 용융풀 거동은 Fig. 7와 같이 나타내었다. 아래보기 자세는 아크에서 작용하는 아크 압력(Arc Pressure), 용적 충돌(Droplet Impact)이 중력 방향과 동일하며, 아크 압력으로 발생되는 역방향 흐름(Backward Flow)가 발생하고 중력 방향으로 내려오는 순방향 흐름(Forward Flow)을 반복하며 용융풀 거동이 진행된다. Fig. 8은 일반적인 아래보기 자세에서 발생되는 용융풀 거동을 현상을 나타내었다.
Fig. 7
Molten pool behavior of each welding position
jwj-37-4-333f7.jpg
Fig. 8
Side view of flat position in P-GMAW
jwj-37-4-333f8.jpg
Fig. 9에서 수직 하강 자세에서는 용융풀이 중력 방향과 forward flow 방향이 같기 때문에 용융풀이 아래로 이동하는 현상이 발생된다. 따라서, 아크 중심에서 용융풀이 쌓이게 되어 아크가 모재 표면에 닿지 못하고 용융풀 표면에 아크 압력, 용적 충돌이 가해져 용입이 깊어지지 못하는 cushion effect 현상이 발생된다6). 그 결과 상대적으로 용입 깊이가 가장 낮고 비드 폭이 넓어지는 현상이 발생되었다. 또한, 용융풀이 forward flow와 중력 방향과 일치하기 떄문에 용융지에서의 열이 아래로 빠르게 이동하여 냉각 속도가 가장 빠른 현상을 보였다. Fig. 10에서 수직 하강 자세에의 경도 값은 300HV로 가장 높게 나타내었으며, 용접부 중심에서는 아래보기와 위보기 자세에서는 경도 값이 유사하게 나타내었다.
Fig. 9
 Side view of vertical down position in P-GMAW
jwj-37-4-333f9.jpg
Fig. 10
Side view of overhead position in P-GMAW
jwj-37-4-333f10.jpg
Fig. 10에서 위보기 자세에서는 중력 방향과 용융풀 끝지점에서의 backward flow 방향이 같기 때문에 다른 용접 자세보다 backward flow 유동이 강하게 작용한다. 강한 backward flow 유동을 수반한 아크 열이 용접 비드 표면으로 전달되기 때문에 냉각 속도가 가장 느리며. 비드 높이(Bead Height)가 가장 높게 나타내었다. 또한, forward flow는 반대 방향의 중력으로 인해 아크 중심으로 올라가는 힘이 약해져 모재 표면에서의 용융풀이 얇은 층으로 형성되어 아크에서 발생되는 물리적인 힘이 용융풀에 방해 받지 않고 모재에 직접 가해지기 떄문에 용입 깊이가 가장 깊게 나타내는 특성을 나타내었다.
자세별 용접 경도 측정은 수평 방향으로 측정 하였으며 위보기 자세에서 용접 토우부에서 경도값은 250HV로 가장 낮게 나타내었으며 Fig. 11에 자세별 용접에서의 경도 결과를 나타내었다.
Fig. 11
Estimation of hardness in horizontal direction
jwj-37-4-333f11.jpg
Fig. 12에서 자세별 용접 미세 조직은 용접 토우부에서 SEM을 이용하여 측정하였다.
Fig. 12
Characteristics of weld bead geometry
jwj-37-4-333f12.jpg
Fig. 13에서 아래보기 자세에서는 냉각 속도가 빠르게 형성되는 AF(Accular Ferrite)와 냉각 속도가 느리게 생성되는 GBF(Grain Boundary Ferrite)가 부분적으로 형성하였다. 상대적으로 냉각 속도가 빠른 수직 하강 자세에서는 AF분율이 가장 많게 형성되었다. 위보기 자세에서는 GBF 분율이 가장 많게 형성 되었으며, 냉각 속도가 가장 느리다는 사실을 확인하였다.
Fig. 13
SEM micrographs of weld metal in weld toe
jwj-37-4-333f13.jpg

4. 결 론

본 연구에서는 동일한 입열량 조건하에서 용접 자세에 따른 용융풀 거동을 분석하였다. 중력 방향에 따라 용융풀 거동이 자세별에서 차이가 발생함에 따라 냉각 속도가 달라져 미세조직과 경도값에서 차이가 발생함을 확인하였다.
1) P-GMAW의 ODOP 용접 이행 모드를 설정하기 위해 95%Ar+5%Co2 가스 혼합 비율을 사용하였다. 초고속 카메라와 DAQ보드를 이용하여 용접 신호와 동기화 하여 P-GMAW에서의 이상적인 ODOP 현상을 확인 하였다.
2) 수직 하강 자세에서는 용융풀이 중력 방향과 forward flow 방향이 일치하여 용융풀이 아래로 이동하기 떄문에 아크가 모재 표면에 닿지 못하고 용융풀 위로 가해지는 cushion effect 현상이 관측되었다. 따라서, 용입 깊이가 낮고, 비드 폭이 넓어지는 현상이 나타내었다. 중력으로 인해 용융지에서의 열이 아래로 빠르게 이동하기 때문에 상대적으로 냉각속도가 가장 빠르며, 경도값이 가장 높은 300HV를 나타내었다. 용접 토우부에서 냉각속도가 가장 빠른 AF조직도 가장 많이 형성되었다.
3) 위보기 자세에서는 중력 방향과 backward flow 방향이 같기 때문에 강한 backward flow 유동을 수반한 아크 열이 용접 비드 표면 위로 전달되기 떄문에 냉각 속도가 가장 느리다는 사실을 확인하였다. 또한, forward flow는 반대 방향의 중력으로 인해 아크 중심으로 올라가는 힘이 약해져 아크 중심에서 용융풀이 얇은 층으로 형성되어 용입 깊이가 가장 깊게 나타내는 특성을 나타내었다.

References

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