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JWJ > Volume 40(2); 2022 > Article
피복 아크 용접 시 용접봉 선단의 형상에 따른 용접부 초기 결함 분석

Abstract

The main device material used in power generation facilities is high-tension steel, which has a significant impact on weldability and longevity. Therefore, high-base flux and high-base low-hydrogen welding rods are used to reduce hydrogen content.
In this study, welding equipment, polarity, and prior technology were reviewed to implement rapid arc stabilization using AWS E7016 low hydrogen welding rods based on user needs for power generation facilities and global standards, and various shape designs of welding rod fleets were attempted. This increases the arc start current density to induce metal transfer mode using the Hollow Electrode effect and the increase in current value at ignition, thereby implementing initial arc safety and optimal welding atmosphere to solve fatal early welding defects such as pores, slag mix, and fusion.

1. 서 론

피복 아크 용접(shield metal arc welding)은 우수한 용접성과 유연성, 이동성, 단순성 그리고 가용성 등의 특성으로 산업플랜트를 포함한 제조 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 용접방법이다. 그중 발전 플랜트 분야에서 초임계 압력부와 열교환기의 압력용기 등 보일러 제작공정에 사용되는 체결방법은 대부분 피복 아크 용접으로 이루어질 만큼 사용 비중이 높다. 특히, 발전플랜트 보일러(header pin nozzle)의 제조에 있어서 피복 아크 용접의 의존도는 매우 높다. 전장(全長)이 10~20m의 보일러 헤더는 수십 개의 분배형 노즐로 복잡하게 구성되어 있고, 각 노즐은 용접 공정으로 생산된다. 고합금강의 예민한 금속접합과정에서 예열과 후열 그리고 입열량에 따라 제품의 성질은 크게 달라질 수 있다. 운전 중 초임계의 압력은 배관을 타고 유동하면서 많은 스트레스를 주기 때문에 재료, 용접방법, 용접조건 등 국제기준 ASME Sec.Ⅸ Part QW기준을 따른다. ASME에서는 변형을 최소화하고 인성과 응력, 기계적 성질을 갖기 위해 피복 아크 용접을 신뢰하고 있으며, 발전설비에 사용되는 주요기기들은 고장력강으로서 수소의 영향이 용접성과 수명에 미치는 바가 크다1). 그래서 수소 함량 저감 방법으로 고 염기성 플럭스 및 고 염기성 저수소계 용접봉을 사용한다2).
본 연구에서는 발전설비에 사용되는 AWS E7016 저 수소계 용접봉을 사용하여 빠른 아크 안정화를 구현하고자 용접장비3), 극성4), 제조기술5) 등을 검토하였고 용접봉 선단의 다양한 형상 설계를6) 시도하게 되었다. 이를 통해 아크 스타트 전류 밀도를 상승시켜 점화(시동) 시 전류값의 상승과 전자이온화(hollow electrode) 효과를 극대화하여 스프레이(spray)이행으로 용적형태를 유도하므로 써 초기 아크 안전성과 최적의 용접 분위기를 구현해 기공, 슬래그 혼입, 융합불량과 같은 치명적인 초기용접결함에 대한 문제를 분석하였다.
Fig. 1(a)는 피복 아크 용접의 원리 및 구성 장치에 대한 개념도를 나타낸 것이다. 피복제가 입혀진 용접봉에 전기적인 에너지를 가하여 아크 플라즈마를 발생시켜 용접을 수행한다. 피복제의 플럭스(flux)성분으로 인해 모재에 형성된 금속 비드의 표면에는 슬래그(slag)를 형성시켜 공기 중의 산소와 질소의 침입을 차단하며 용착금속을 보호하고 급랭을 막는다. 또한, 용접작업 중 적당한 합금원소를 첨가하여 용접부의 물리적, 화학적 성질을 우수하게 하는 기능도 갖고 있다. 따라서 피복제의 관리와 파손 등이 심한 경우 아크 안정화를 지연시키고 결함을 유발하는 결정적인 요인이 된다7).
Fig. 1
Schematic diagram of shielding metal arc welding8)
jwj-40-2-149gf1.jpg
Fig. 1(b)는 피복 아크 용접의 구성 장치를 개념도로 나타낸 것으로써 용접기, 접지 케이블, 출력케이블, 용접봉 홀더, 용접봉 등으로 장치가 구성된다.
AWS E7016 용접봉은 일미나이트계(E4301), 라임티타니아계(E4303), 고셀룰로즈계(E6011), 고산화티탄계(E6013)등의 용접봉과 달리 아크 재발생이 어렵고 아크 안정성 또한 낮아 용접결함이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하고 용접성을 향상시키기 위해 핫스타트 전류 조절기능이 개발되었다. 용접봉 단락 시 초기 용접전류에 핫스타트 전류를 추가함으로써 출력전류를 상승시켰으며, 일정 시간 동안 전류상승을 지연시켜 순간 단락을 억제하여 결함을 최소화시켰다9).
저 수소계인 AWS E7016 용접봉의 경우 용접봉과 모재가 닿는 순간 아크 점화가 발생하지 않는 문제점이 발생한다. 이러한 초기 점화문제를 해결하기 위해 용접봉 선단에 철분을 부착하였으며, 모재에 닿는 순간 철분에 의해 아크가 먼저 발생하고 그 후 용접봉에 아크가 점화되는 것을 확인하였다10).
Fig. 2는 피복 아크 용접의 초기결함을 나타낸 사진이다. 용접 시작 시 저항 상승과 전압강하가 발생하여 불안정한 아크가 발생되며 이때, 안정적인 용접 분위기가 형성될 때까지 기공과 같은 용접 결함이 발생한다. 현재, 이러한 문제점을 해결하기 위해 용접 장비 또는 작업자의 기량에 의존하여 용접 품질에 영향을 주는 요인을 최소화하고 있다.
Fig. 2
Initial defects in the weld zone according to unstable arc (a) metal bead and (b) porosity
jwj-40-2-149gf2.jpg
본 연구에서는 피복 아크 용접 시 불안정한 아크 스타트로 인해 발생하는 용접부의 초기결함을11) 방지하기 위해 용접봉 선단의 형상을 분할(divide), 쐐기(wedge) 그리고 할로우(hollow)로 제작 및 실험하였다. 실험의 공정한 방법과 결과를 얻기 위해 고급 기계 학습 알고리즘 구현과 아크 사운드 신호를 시간 영역에서 사운드 신호를 분석하므로 아크안정화에 대한 정량화가 가능하게 되었다12). 공정성을 바탕으로 용접 음향 모니터링³과 방사선 투과시험(radiographic test)을 통해 아크의 안정성 및 용접 결함을 측정하였고 결과를 통해 용접부의 초기 결함을 방지할 수 있는 최적의 용접봉 선단 형상을 확인하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

2.1 실험 장치

Fig. 3은 실험을 위한 장치 구성도를 나타낸 것이다. 아크 열원은 정격출력용량 24kW의 교류 용접기를 사용하였으며 SS400 100x50x9t의 모재에 내균열성이 우수한 AWS E7016 저 수소계 용접봉(core wire diameter 4mm)을 아래 보기 자세로 실험을 수행하였다. 초기 아크 안정화를 확인하기 위해 아크 사운드를 모니터링하여 음향 데이터를 측정했으며, 방사선 투과시험을 통해 용접부의 결함을 분석하였다. 아크 스타트 시간은 용접 음향의 크기, RT 사진 그리고 금속비드의 너비를 비교하여 확인하였다.
Fig. 3
Schematic diagram of experimental composition
jwj-40-2-149gf3.jpg

2.2 실험 방법

AWS E7016 용접봉의 선단 형상에 따른 초기 아크 안정화를 분석하기 위해 Table 1과 같이 용접봉 심선의 면적을 줄여 전류밀도를 상승시킬 수 있는 분할, 쐐기 그리고 할로우의 세 가지 형상을 설계하였다.
Table 1
Design of electrodes divide, wedge and hollow
Shape of electrode
Divide jwj-40-2-149gf11.jpg
Wedge jwj-40-2-149gf12.jpg
Hollow jwj-40-2-149gf13.jpg
첫 번째 분할 형상은 너비 0.5mm, 깊이 5mm의 가공을 통해 선단의 분할 개수가 (a)1 pin, (b)2 pin, (c)4 pin, (d)6 pin의 4가지로 세분화하였다. 두 번째 쐐기 형상은 용접봉 선단을 중심으로 각도 20°, 45°, 60°, 90°, 120° 의 5가지로 세분화하였으며 마지막으로 할로우 형상은 홀 깊이 5mm, 홀 직경 0.8~3.6mm 까지 0.2mm씩 증가시켜 15가지 형상으로 세분화하였다. 위와 같이 총 25가지의 선단 형상을 가지는 용접봉을 사용하여 Table 2의 용접조건으로 비드 온 플레이트(bead on plate) 실험을 수행하였다.
Table 2
Conditions of welding parameters
Item Value
Welding electrode dia E7016 4mm
welding method AC
Arc voltage 25~30 V
Arc current 160 A
Lead angle of electrode 70~80°
Base plate size 100L*50W*9T
Base plate temp 20~25℃
Welding speed 20cm/min
Distance betweenmicrophone and welding point 500mm

3. 실험 결과

3.1 분할 형상의 초기 아크 안정화 및 결함

Fig. 4는 분할 형상에 대한 용접봉 선단 사진, 용접부의 RT 사진 그리고 음향 모니터링 결과를 나타낸 것이다. 아크 스타트는 아크가 발생하는 최초 시점부터 용접 결함이 발생하지 않고 금속 비드의 너비가 12mm일 때를 시간을 나타낸 것이다. Fig. 4(a)는 1 pin의 결과를 나타낸 것으로써 기본 용접봉 선단의 형상과 동일하다. 아크 스타트까지 걸린 시간은 4.4s이며 용접부 초기에서 다량의 기공이 발견되었다. Fig. 4(b)는 2 pin의 결과이며 선단이 2개로 분할되어 아크가 발생하는 용접봉의 전극이 두 부분으로 분할된 것으로 볼 수 있다. 기공 개수는 1 pin과 유사하였고 아크 스타트 시간은 5.7s로 1 pin에 비해 조금 증가하였는데 그 원인은 용접봉 선단의 형상 오차 및 분할 가공 시 발생한 길이 오차로 인한 것으로 보이며 2분할을 하는 것은 원형 대칭이 아니기 때문에 실험할 때마다 그 오차가 크게 나타난다. Fig. 4(c),(d)는 용접봉 전극이 각각 4 pin, 6 pin이며 기공은 발생하였으나 아크 스타트 시간은 1.05s, 1.7s로 대폭 감소하였다. 용접봉 선단의 단면적 및 형상이 변화함에 따라 용접부 초기의 결함은 발생하였으나, 아크 안정화 시간은 감소하였다.
Fig. 4
Radiographic test and acoustic monitoring for divide electrodes, (a) 1, (b) 2, (c) 4 and (d) 6 pin
jwj-40-2-149gf4.jpg
Fig. 5는 용접봉 선단이 분할 형상일 때 아크 스타트 시간 및 기공을 그래프로 나타낸 것이다. 2 pin의 경우 1 pin에 비해 아크 스타트 시간이 소폭 증가하였으나, 4 pin, 6 pin으로 분할될수록 시간은 단축되었으며, 선단에서의 전류 밀도가 상승하여 아크가 안정화 시간이 감소됨을 알 수 있다. Fig. 4(b)는 2 pin의 결과이며 선단이 2개로 분할되어 아크가 발생하는 용접봉의 전극이 두 부분으로 분할된 것으로 볼 수 있다. 기공 개수는 1 pin과 유사하였고 아크 스타트 시간은 5.7s로 1 pin에 비해 조금 증가하였는데 그 원인은 용접봉 선단의 형상 오차 및 분할 가공 시 발생한 길이 오차로 인한 것으로 보이며 2분할을 하는 것은 원형 대칭이 아니기 때문에 실험할 때마다 그 오차가 크게 나타난다. 모든 조건에서 기공은 발생하였으며 각각 7, 12, 10, 8개로 확인되었다.
Fig. 5
Arc start time and porosity for divided electrodes according to number of pin
jwj-40-2-149gf5.jpg

3.2 쐐기 형상의 초기 아크 안정화 및 결함

Fig. 6은 용접봉 선단이 120°, 90°, 60°, 45° 그리고 20°인 쐐기 형상에 대한 용접봉 선단 사진, RT 그리고 음향 모니터링 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6(a)는 선단 각도가 120° 일 때이며 다량의 기공이 발생하고 아크 스타트 시간은 5.1s로 측정되었다. Fig. 6(b), (c)와 같이 선단 각도가 90°, 60°로 예각이 될수록 아크 스타트 시간은 감소하는 경향을 보이지만, Fig. 6(d)와 같이 20°일 때는 아크 스타트 시간이 5.3s로 급격하게 증가하게 된다.
Fig. 6
Radiographic test and acoustic monitoring for wedge electrodes, (a) 120, (b) 90, (c) 60, (d) 45 and (e) 20°
jwj-40-2-149gf6.jpg
Fig. 7은 용접봉 선단이 쐐기 형상일 때 따른 아크 스타트 시간 및 기공 개수를 그래프로 나타낸 것이다. 아크 스타트 시간은 최소 2.0s에서 최대 5.3s이며 기공 개수는 20° 일 때 17개로 가장 많이 발생하였다. 쐐기 형상은 분할 형상과 달리 아크가 지속적으로 발생하는 동안 심선의 단면적이 점차 증가하는 형상을 가지고 있다. 예각일수록 용접봉의 심선(core wire)을 감싸고 있는 피복제는 감소하고 심선의 노출 면적은 증가함으로써 불안정한 아크가 발생하였다. 또한, 날카로운 쐐기 형상의 용접봉은 아크쏠림 현상이 추가적으로 나타나며 이러한 원인으로 아크 안정화 시간이 증가한다.
Fig. 7
Arc start time and porosity for wedge electrodes according to angle of wedge
jwj-40-2-149gf7.jpg

3.3 할로우 형상의 초기 아크 안정화 및 결함

Fig. 8은 깊이 5mm, 홀 직경이 0.8mm~3.6mm까지 0.2mm 씩 증가시켰을 때의 할로우 선단의 RT와 음향 모니터링 결과를 나타낸 것이다. 아크가 발생할수록 심선의 면적이 증가하는 쐐기 형상과는 달리 할로우 형상의 면적은 일정하게 유지된다. 15가지 조건에 대해 홀 직경이 증가할수록 시간은 감소하는 경향을 보이며, 아크 스타트 시간은 최대 2.3s, 최소 0.6s로 분할 및 쐐기 형상에 비해 아크 안정화 시간이 매우 짧게 측정되었다. 안크 안정화 시간이 짧은 만큼 안정적인 아크가 발생하여 초기 용접부의 기공 발생 빈도가 낮아진다.
Fig. 8
Radiographic test and acoustic monitoring for hollow electrodes, (a) 0.8, (b) 1.0, (c) 1.2, (d) 1.4, (e) 1.6, (f) 1.8, (g) 2.0, (h) 2.2, (i) 2.4, (j) 2.6, (k) 2.8, (l) 3.0, (n) 3.2, (m) 3.4 and (o) 3.6 mm
jwj-40-2-149gf8.jpg
Fig. 9는 용접봉 선단이 할로우 형상일 때 아크 스타트 시간 및 기공 개수를 그래프로 나타낸 것이다. 홀 직경이 1.4mm부터는 아크 스타트 시간 및 기공의 개수가 감소하는 경향을 보이며 특히, Fig. 9(k),(l)의 홀 직경 2.8mm, 3.0mm인 조건에서 아크가 급격히 안정화되어 기공이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 반면, 홀 직경이 3.0mm를 초과할 경우 심선이 얇아져 용착효율 저하 및 단선, 아크쏠림(arc blow)이 발생하게 되어 결함을 야기시킨다게 된다. 용접봉의 선단 형상이 분할, 쐐기 그리고 할로우일 때 심선의 단면적 및 형상에 따라 초기 아크 안정화에 영향을 미치는 아크 스타트 시간 및 기공 발생 빈도가 변화하게 되며 본 연구에서는 할로우 형상의 경우 높은 아크 안정화를 나타내는 것으로 확인하였다.
Fig. 9
Arc start time and porosity for hollow electrodes according to diameter of hole
jwj-40-2-149gf9.jpg

3.4 할로우 형상의 홀 깊이에 따른 초기 아크 안정화 및 결함

Fig. 8에서 아크 스타트 시간이 빠르고 기공의 수가 낮은 할로우 직경 (k) 2.8mm에 대해 홀 깊이에 따른 초기 아크 안정화 및 결함 분석을 진행하였다.
Fig. 10은 홀 깊이 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 8.0, 10.0mm의 8가지의 시편에 대해 아크 스타트 시간 및 기공 개수를 나타낸 그래프이다. 홀 깊이 1.5mm~ 3.0mm에서는 단락이 빈번하게 발생하여 아크 스타트 시간이 증가하고 기공이 다량 발생하였으나, 홀 깊이가 증가할수록 아크가 안정화되는 모습을 보이며 기공의 개수가 줄어드는 결과를 확인하였다. 4mm부터 아크 스타트 시간은 대략 1s로 측정되었으며 앞서 실험했던 분할, 쐐기의 용접봉 선단 형상에 비해 매우 짧아졌다. 하지만 홀 깊이 8mm 이상부터 과도한 스패터 발생으로 인해 금속 비드 품질에 영향을 주었으며, 이러한 원인은 홀 깊이가 증가할수록 용접봉 내부에 채워지는 대기가 용접성을 저하시키는 것으로 판단된다.
Fig. 10
Arc start time and porosity for hollow electrodes according to depth of hole
jwj-40-2-149gf10.jpg

4. 결 론

본 연구는 피복 아크 용접 시 불안정한 아크 스타트로 인해 발생하는 초기용접결함을 해결하기 위해서 용접봉 선단에 전류밀도를 상승시켜 빠른 아크 안정화를 유도할 수 있는 선단 형상 설계에 대한 연구를 수행하였다.
실험에 사용한 용가재는 내균열성이 우수한 저 수소계 용접봉인 AWS E7016이며, 분할, 쐐기 그리고 할로우의 3가지 대표 형상을 선정하여 아크 스타트 시간 및 기공 결과를 바탕으로 아크 안정화에 대한 평가를 진행하였다. 동일한 용접 조건일 때 용접봉 선단의 단면적이 줄어들면 선단에는 전류 밀도가 증가하게 되고 결과적으로 선단 중심부의 온도를 상승과 더불어 좁은 형태의 아크 플라즈마가 발생할 것으로 판단된다. 동일한 용접 조건에서 높은 에너지 밀도를 가지는 아크 플라즈마로 인해 초기 아크 스타트 시 빠른 안정화를 구현할 수 있다.
기존 용접봉의 경우 초기 아크 스타트 시간 4~5s 그리고 다량의 기공이 발생하였지만, 선단의 단면적이 작아질수록 아크 스타트 시간이 짧아지고 기공이 적게 발생하는 경향을 확인하였다. 분할 및 쐐기 형상은 전극에 집중되는 전류밀도가 상승함으로써 안정적인 아크 스타트가 이루어졌으며 특히, 할로우 형상의 경우 아크 스타트 시간 0.6~1s 및 기공이 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 아크가 안정화될 때의 평균 음향의 크기는 50~60dB로 측정되었으며, 해당 크기일 때 가공된 선단의 용융이 완료되고 그 후 직경 4mm의 기존 용접봉이 용융된다는 것을 의미한다. 따라서, 빠른 시간 안에 평균 음향 크기에 도달하는 용접봉 선단이 아크 안정화가 높다고 평가할 수 있다.
아크 안정화가 우수한 할로우 형상은 용접봉의 단면적이 25%정도 감소된 지점(직경 2.0mm)부터 아크 스타트 시간이 단축되었고, 50%이상 감소되는 지점(직경 2.8mm, 3.0mm구간)에서는 결함발생이 없었으며, 깊이는 심선의 지름을 기준으로 ±1mm(5mm구간)에서 우수한 용접부를 얻는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 홀 가공을 적용한 부분의 용접봉 단면적은 심선의 1/2(50%) 정도로 설계하는 것이 좋으며, 홈의 깊이는 단락과 비드의 형상 불량 등 구조상 결함이 발생하지 않는 3mm∼5mm 깊이의 용접봉 선단 형상이 피복아크 용접의 초기결함을 저감시키는 것을 확인하였다.
용접봉 선단이 분할, 쐐기 그리고 할로우 형태로 가공되면 단면적이 줄어들어 좁은 형태의 아크 플라즈마로 인해 빠른 아크 안정화를 구현할 수 있다. 향후 세 가지 선단에서 발생하는 아크 플라즈마를 관찰하여 선단 형상의 관점에서 아크 안정화에 미치는 영향을 연구할 계획이다. 또한, 형상 가공 부분의 최적 치수 산출과 피복제 박리 등의 문제 해결하여 용접 시작부의 기계적 성질 검증 및 확보 등의 후속 연구가 필요하다.

후 기

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2019- R1A5A8083201)

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