FCA 필릿 용접 공정에서 오프셋과 용접속도가 비드형상과 용접결함에 미치는 영향에 대한 연구

A Study on the Effects of Offset and Welding Speed on Bead Shape and Welding Defects in the FCA Fillet Welding Process

Article information

J Weld Join. 2024;42(5):539-549

Publication date (electronic) : 2024 October 31

doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2024.42.5.11

Junsung Bae ^*^,^**

, Sang-Hyun Ahn ^*^,^***^,^†1

, Gwang-Ho Jeong ^*^,^****

, Seonmin Kim ^*

, Dae-Won Cho ^*^,

, Seokyoung Ahn ^**^,

배준성^*^,^**

, 안상현^*^,^***^,^†1

, 정광호^*^,^****

, 김선민^*

, 조대원^*^,

, 안석영^**^,

* 한국기계연구원 원전기기검증연구실

* Dept. of Nuclear Equipment Qualification and Safety, Korea Institute of Machinery and Materials, Busan, 46744, Korea

** 부산대학교 기계공학부

** School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Busan, 46241, Korea

*** 부경대학교 기계공학과

*** Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Busan, 48513, Korea

**** 창원대학교 스마트제조융합협동과정

**** Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University, Changwon, 51140, Korea

†Corresponding author: †dwcho@kimm.re.kr

††sahn@pusan.ac.kr

†1These authors contributed equally to this work.

Received 2024 August 28; Revised 2024 September 10; Accepted 2024 October 10.

Abstract

Many industries, such as automobile, aerospace, heavy industries, etc, have been interested in welding automation due to cost reduction and improving productivity. For welding automation, seam tracking plays an important role for the quality of welds. If the seam is misaligned, it can cause troubles such as weld defects and poor appearance. Most of previous studies have analyzed the influence on the bead shape and weld defects by current, voltage, welding speed, but there is lack of research regarding the effects of misaligned seam, called offset. Thus, in this study, fillet welds were conducted with flux-cored arc welding, which has high welding efficiency and low cost. To find out the guideline of offset, various offsets were intentionally applied to the welding experiments, and the changes in bead shape were observed and weld defects were detected for various combination of offset and welding speed. In addition, the grades of weld defect in each condition were evaluated by ISO 5817, which illustrates the international standard of weld defects. Based on the results, the guidelines of offset was suggested to avoid weld defects.

Keywords: Flux cored arc welding; Fillet welds; Offset; Bead shape; Weld defects; ISO 5817

1. 서 론

아크 용접은 고온의 아크를 이용하여 금속 재료를 용융 및 접합하는 공정으로 조선, 원자력, 자동차, 항공우주 등 다양한 산업에서 활용하고 있으며1), 이 중 조선업계의 경우 숙련공의 이탈 및 신규 기술공의 부족 등 지속적인 인력난을 겪고 있고, 더불어 생산성 및 안정성 향상을 위해 용접 자동화에 관심을 기울이고 있으며, 이를 위한 연구 역시 지속적으로 수행되고 있다2-8).

선박 건조 과정은 보통 소조립, 중조립, 대조립의 과정으로 이루어져 있으며, 이중 소부재 생산을 위한 소조립 과정의 경우 flux-cored arc welding (FCAW)를 활용한 용접 공정을 주로 사용하고 있다. FCAW의 경우 대부분의 특징이 gas metal arc welding (GMAW)와 유사하지만, 플럭스가 함유된 와이어를 사용하며, 이로 인해 아크가 안정적이고 혼합가스에 비해 상대적으로 저렴한 CO₂가스로도 충분한 보호 효과를 얻을 수 있다는 점에서 경제적인 이득을 취할 수 있기 때문에 많이 사용되고 있다9). 이에 앞선 많은 연구들이 FCAW 공정에서 자동화에 관한 연구 및 비드 형상 및 결함의 형성 과정에 대한 많은 연구를 진행하였다.

Rodrigues et al.은 로봇을 활용한 자동화 필릿 FCAW에서 용접 순서에 따른 변형 및 잔류응력을 측정하여 자동화 공정의 효율성을 증명하였으며10), Cho et al.은 FCAW 공정을 활용한 필릿 파이프 용접에서 비선형적인 비드 형상 예측을 위해 각장, 비드 폭, 덧살 높이 등을 측정 후 보간법을 사용한 비드 형상 예측 모델을 개발하였으며, analysis of variance (ANOVA)를 통해 적합성을 검증하였다11). Ivanov et al.은 FCAW 공정에서 모재의 강도 및 예열에 따른 냉간 균열 및 항복강도 등을 측정하였으며, 이에 대한 분석을 수행하였다12). Jin et al.은 필릿 FCAW에서 루트 갭에 따른 전류 및 전압을 측정하였으며, deep neural network를 이용한 실시간 용접 모니터링 시스템을 제안하였다13).

용접 비드의 경우 전류, 전압 및 용접속도와 같은 조건 외에도 경사각, 토치각과 같은 다양한 요소들에 의해 영향을 받는다. Rodrigues et al.은 전압, 용접속도, CTWD(Contact tip to workpiece distance)가 비드 형성 및 결함에 미치는 영향을 파악하였으며, 이를 통한 최적 조건을 선정하였으며14), Ahn et al.은 GMAW를 활용한 beed on plate 용접에서 경사각에 따른 용융풀의 거동 및 비드 형상을 관찰하고, 초고속 카메라를 활용하여 용적이행 및 용융풀 형상을 분석하고, 용융풀 해석을 통해 비드 형성 과정을 증명하였다15,16). Cho et al.은 GMAW를 활용한 루트갭의 유무에 따른 V-groove 형태의 용접에서 다양한 용접 자세에 따른 용융풀의 거동을 확인하였으며, 이를 활용한 root pass 및 second pass 용접 시 용접 위치에 따른 비드 형성 및 결함 발생 과정을 증명하였다17,18). Tham et al.은 3F 자세를 이용한 GMAW 필릿 용접에서 전류, 전압, 용접속도를 통한 입열량의 평균 절대 편차를 이용하여 비드 형상을 예측하였다19). Shen et al.은 charge-coupled device 카메라를 이용한 시각센서를 통해 용접선을 관찰하며, proportional, integral and derivative 제어를 통해 전류 및 와이어 공급 속도를 조절하는 로봇 제어 시스템을 개발하였다20).

앞선 연구에 따르면, 용접 자동화를 위해서는 전류, 전압 등의 제어도 이루어져야 하지만 토치각, 토치 위치 등의 일관성이 유지되어야 하며 이를 위한 용접선 추적 및 그에 대한 허용 범위가 필요하다. 그러나, 이러한 허용 범위에 대해서는 제대로 밝혀진 바가 없다. 이에 본 연구에서는 FCAW를 활용한 필릿 용접에서 추적 용접선의 오차인 오프셋에 따른 비드 형상 변화를 관찰하며, 또한 결함 검출을 통해 허용 가능한 범위의 오프셋을 알아보고자 한다. 또한, 용접속도를 추가적으로 변화시켜, 실제 용착량의 조절을 통해 오프셋 및 용접 속도의 변화에 따른 비드 형상 변화 및 결함 검출을 수행하고자 한다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 사용 재료 및 실험 방법

본 연구에서는 FCAW 용접 공법을 사용한 필릿 용접에서 와이어의 오프셋(Offset) 및 용접 속도 (Welding speed)가 실제 비드 형상에 미치는 영향을 보고자 한다. 모재는 SS400, 와이어는 Kiswel사의 1.2mm K- 71T 플럭스 코어드 와이어를 사용하였으며, 모재 및 와이어의 화학적 조성은 아래 Table 1에 나타내었다.

Table 1

Chemical composition of materials used in experiment

실험 셋업은 아래 Fig. 1과 같이 나타내었다. 실험을 위한 용접기는 현대PNS사의 Hi-400p 모델을 사용하였으며, 보호가스로는 CO₂가스를 사용하였다. 토치의 이송은 캐리지를 이용하였으며, 타겟 위치의 오프셋 변화를 모사하기 위하여 필릿 코너부를 기준으로 각각 +3mm, +2mm, +1mm, 0mm(코너부 정위치), -1mm, -2mm, -3mm의 7수준의 오프셋을 부여하였으며, 용접속도는 6mm/s, 7.5mm/s, 9mm/s의 3수준으로 변화하며 총 21회의 실험을 진행하였다. 이외 조건들은 아래 Table 2와 같이 나타내었다. 특히, Fig. 1에 나타나듯이 오프셋이 대각선으로 변화함에 따라 이에 따른 CTWD 또한 변화하며, 이를 고려한 실험 셋업을 진행하였다.

Fig. 1

Experiment set-up

Table 2

Experiment conditions

실험 후 시편 절단 및 폴리싱, 에칭을 통하여 비드 단면을 측정하였으며, 단면을 통한 비드 형상의 변화를 관찰하였다. 비드 단면에서의 특징점 추출 과정은 아래 Fig. 2와 같이 나타내었다. Fig. 2에는 필릿 시편 기준 하판부 각장(Leg length in horizontal plate, L_HP), 상판부 각장(Leg length in vertical plate, L_VP), 하판부 용입 깊이(Penetration depth in horizontal plate, P_HP), 상판부 용입 깊이(Penetration depth in vertical plate, P_VP), 하판부 토우 각(Toe Angle in horizontal plate, A_HP), 상판부 토우 각(Toe Angle in vertical plate, A_VP), 덧살 높이 (Reinforcement height, R_H), 덧살의 오목한 깊이 (Reinforcement lower depth, R_L) 비드 폭(Bead Width, W)등 비드의 형상을 나타낼 수 있는 여러 요소들의 측정 기준을 보여주고 있다. 또한, 용접 결함 국제 규격인 ISO 5817을 기준으로 용접부 평가를 진행하였으며, 이를 통하여 적절한 수준의 오프셋 및 용접 속도에 대한 분석을 수행하였다.

Fig. 2

Sequence of measuring bead geometrical outputs

3. 실험 결과

3.1 비드 형상 변화 분석

Table 3은 실험을 진행한 21개 Case에 대하여 비드 형상을 나타내는 요소들에 대한 측정값을 보여준다. 이에 오프셋 및 용접 속도의 변화에 대한 비드 형상 분석을 아래의 측정값을 통해 수행하였다. 아래 Case 중 Case 10(오프셋 +2mm, 용접속도 6mm/s)및 Case 16(오프셋 +3mm, 용접속도 6mm/s)의 경우 용접 후 비드 형상 분석을 위한 절단 작업 중 상판과 하판이 분리되었다. 절단면 분석 및 차후 진행된 RT 검사를 통해 슬래그 혼입 및 융합 부족에 의한 현상임을 확인하였다. 이에 해당 조건은 부적절한 조건으로 고려, 다른 조건과의 비교분석은 수행하지 않고 비드 형상에 대한 측정만 진행하였으며, 아래 Fig. 3-9의 그래프에는 점선으로 나타내었다.

Table 3

Measuring bead cross section

Fig. 3

L_VP and L_HP change under welding speed change

Fig. 4

W change under welding speed change

Fig. 5

L_VP and L_HP change under offset change

Fig. 6

W change under offset change

Fig. 7

P_VP and P_HP change under offset change

Fig. 8

R_H and R_L change under offset change]

Fig. 9

A_VP and A_HP change under offset change

3.1.1 용접 속도에 따른 비드 형상 변화

일반적으로, 용접 속도가 증가하면 입열량 및 용착량이 감소하며, 각장 및 목두께 등이 감소하게 된다. 아래 Fig. 3은 용접속도 변화에 따른 L_VP, L_HP의 변화를 보여준다. Fig. 3(a) 및 (b)에서는 용접속도가 증가함에 따라 각장이 줄어드는 경향을 확인할 수 있으며, 이는 용접속도가 증가함에 따라 용착량은 감소하며, 비드 형상이 작아짐을 의미한다.

Fig. 4는 용접속도 변화에 따른 W의 변화를 보여주며, 용접 속도가 증가함에 따라 W가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 동일한 용접속도에서 용착량의 경우 큰 차이는 없기 때문에 오프셋이 달라져 한쪽 각장의 길이가 증가하거나 감소하더라도 반대쪽 각장의 길이는 감소하거나 증가하기 때문으로 판단된다. 따라서, 용착량과 반비례 관계를 가진 용접 속도의 증가에 따라 감소한다는 것을 알 수 있다.

3.1.2 오프셋에 따른 비드 형상 변화

Fig. 5는 오프셋의 변화에 따른 L_VP 및 L_HP의 변화를 보여준다. 오프셋이 증가함에 따라 L_VP는 증가하며, L_HP는 감소하는 경향을 알 수 있으며, 오프셋이 증가함에 따라 타겟 위치가 상판부로 치우치며, 이는 L_VP의 증가로 이어진다. 또한, 동일한 용접 속도에서 용착량은 비슷하기 때문에 L_VP가 증가한다면 L_HP는 감소할 것으로 예상할 수 있으며, Fig. 5(a) 및 (b)를 통해 오프셋이 증가함에 따라 L_VP가 증가하고, L_HP는 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 결국 오프셋에 따라 비드의 형상이 변할 수 있고, 이는 부등각장과 같은 결함이 발생할 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 6에서는 오프셋의 변화에 따른 W의 변화를 표현하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 오프셋의 변화에 비해 W는 비교적 일정한 길이를 유지하고 있다. 이는 앞선 용접속도에 따른 W의 변화에서와 마찬가지로 동일한 용접속도에서 용착량은 큰 차이는 없기 때문에 오프셋이 달라져 한쪽 각장의 길이가 증가하거나 감소하더라도 반대쪽 각장의 길이는 감소하거나 증가하기 때문에, W의 변화는 오프셋의 변화에는 미미한 수준이며, 용접속도와 반비례 관계를 가진다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7에서는 오프셋 변화에 대해 P_VP 및 P_HP의 변화를 나타내었다. 용입 깊이의 경우 오프셋이 증가할수록 P_VP는 증가하며, P_HP는 감소하는 경향을 보인다. 이는 앞에 언급했듯이 타겟 위치의 변화로 인한 현상이며, 타겟 위치가 코너부에서 위로 증가할수록(오프셋이 증가할수록) 하판과의 거리는 멀어지며, 결국 하판으로의 용입은 어려워지기 때문이다. 마찬가지로, 타겟 위치가 코너부에서 우측으로 증가할수록(오프셋이 감소할수록) 상판과의 거리가 멀어지며, P_VP가 감소하는 경향을 나타낸다.

Fig. 8은 오프셋 변화에 따른 R_H 및 R_L의 변화를 나타내었다. 우선 R_H의 경우 오프셋이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 코너부에서 위로 증가한 위치에서 용융풀이 형성되며, 중력의 영향에 의하여 아래로 흘러내리게 된다. 이 과정에서 용융풀 표면에서 작용하는 표면장력에 의해 용융풀은 하단에 닿기 전까지 상판과 표면장력을 유지하며 하강하게 된다. 즉, 용융풀이 하강하며 고체 상태인 하판과 접촉하게 되면 접촉각을 형성하면서 L_HP가 성장하는 것을 억제하며, 전체적인 비드의 형상 또한 볼록해지게 된다.

마지막으로, Fig 9은 오프셋의 변화에 따른 토우 각의 변화를 보여준다. 특히, A_HP의 변화를 나타낸 Fig. 9(b)에서는 오프셋이 증가함에 따라 토우 각이 감소하는 경향을 보였는데, 이는 앞서 A_HP에서 언급한 것과 같이 용융풀에서 작용한 표면장력에 의해 발생한다. 오프셋이 증가한 위치에서 형성된 용융풀이 흘러내리며 하판에 닿을 때 접촉각이 형성되며, 이것이 응고되며 토우 각으로 형성되므로 낮은 수치를 보이게 된다.

3.2 ISO 5817 기준 비드 결함 평가

용접 공정의 경우 전류, 전압, 용접속도, 보호가스 등 수많은 요소로 인하여 비드 형상 등 수많은 결과값이 달라질 수 있다. 즉, 적절하지 못한 조건을 인가할 경우 용접부의 결함으로 이어질 수 있으며, 이는 곧 적절한 용접 조건의 중요성을 의미한다. 이에 본 연구에서는 Table 4와 같이 각 조건에 따른 용접부 결함 평가를 진행하였으며, 기준은 용접 결함 국제 규격인 ISO 5817을 사용하였다. ISO 5817의 경우 B, C, D등급으로 나뉘며, B등급에서 D등급으로 갈수록 결함이 심함을 의미한다. 아래의 Table 5는 각각 순서대로 부등각장, 목두께 과다, 볼록도 과다, 언더컷, 토우각 부족, 기공, 슬래그 혼입, 융합 부족, 용입 부족의 결함 기준21)을 나타내었다.

Table 4

Results of detecting weld defects throughout bead cross section

Table 5

Standard of detecting weld defects in ISO 581722)

우선 부등각장의 경우 모두 오프셋이 증가한 조건에서 발생하였다 (C등급 - Case 04, Fail - Case 11, 17, 18). 이 중 오프셋 +1mm 및 +2mm의 조건을 통해 용접속도가 증가할수록 결함 등급이 완화되는 것을 볼 수 있다. 부등각장(Excessive assymetry of fillet weld)의 판별 기준을 보면, 양측 각장의 차인 h를 판별의 기준으로 삼고 있다. Table 3에서 알 수 있듯이 오프셋 +1mm에서 용접 속도가 증가함에 따라 양측 각장의 차는 2.4mm, 2.02mm, 1.68mm로 감소하고 있으며, 용접 속도가 증가하며 용착량이 감소하고, 이는 양측 각장의 차의 감소에 영향을 줄 수 있다고 볼 수 있다.

다음으로 볼록도 과다(Excessive convexity) 및 목두께 과다(Excessive throat thickness)의 경우 오프셋이 증가한 Case에서 주로 발생하였으며, 과도한 오프셋 상승 및 용접속도 증가로 인해 용융풀의 하강 중 작용하는 표면장력 및 하판으로의 용입 부족으로 인해 L_HP의 증가가 어려우며, 이로 인해 볼록해진 비드의 형상에 의해 R_H가 과도하게 증가하며 발생하게 된다. 아래의 Fig. 10에서는 오프셋 +3mm의 조건에서 용접속도 7.5m/s와 9mm/s 조건의 비드 단면에서 L_VP, L_HP, W 및 R_H의 측정결과를 나타냈다. 용접속도가 빨라짐에 따라 용착량이 적어지며 L_VP, L_HP 및 W가 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 특히 볼록도 과다 및 목두께 과다의 판별기준인 h가 0.56mm 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10

R_H change under welding speed change

이외 언더컷(Undercut)은 검출되지 않았으며, 토우각 부족(Insufficient weld toe)은 대부분 오프셋이 증가한 Case에서 발생했다. 이는 앞서 계속해서 언급된 것처럼 오프셋 증가로 인한 용융풀의 흘러내림으로 인해 발생하였으며, 결국 오프셋이 일정 수준 이상 증가되는 조건은 부적절함을 알 수 있다.

기공, 슬래그 혼입 등의 내부 결함의 경우 보통 RT (Radiation test), UT(Ultrasonic test)와 같은 비파괴 검사를 통하여 결함을 검출하나, 본 연구에서는 RT에 더불어 절단면을 통해 내부 결함을 직접적으로 관찰 및 평가하였다. 아래의 Fig. 11은 각각 결함이 없는 조건, 기공, 슬래그 혼입이 발생한 조건에 대해 RT 시험 결과를 나타내었다.

Fig. 11

Defect detection throughout radiation test

내부 결함의 경우 모두 오프셋 +2mm, +3mm, -3mm과 같이 오프셋의 절대값이 커진 경우 발생하였으며, 이외의 Case에서는 모두 ISO 5817 기준 B등급을 통과하였다. 오프셋 +2mm, +3mm의 경우 각각 하판과 2.8mm, 4.2mm정도 위에서 아크가 생기고 용융풀이 형성되며, 하판의 위쪽에서 형성된 용융풀은 중력에 의해 아래로 흐르게 된다. 이로 인하여 용융풀 내부의 기체 및 슬래그가 빠져나가기 힘들고, 이후 냉각에 의해 굳어버리며 그대로 비드 내에 잔존하게 된다. 이로 인해 기공, 슬래그 혼입, 융합 부족(Lack of fusion) 및 용입 부족(Imperfection penetration)와 같은 결함이 발생하게 된다.

마찬가지로 오프셋 -3mm의 경우 상판과의 거리가 약 4.2mm정도 떨어진 위치에서 아크가 생기고 용융풀이 형성된다. 형성된 용융풀은 보호가스의 유동 및 arc pressure에 의해 벽면으로 이동하게 되며, 이 거리가 길수록 오프셋 증가 조건과 마찬가지로 기공 및 슬래그 혼입이 발생할 수 있다. 다만, 오프셋이 감소한 조건에서는 하판 위에서 용융풀이 형성되므로 앞선 오프셋이 증가한 조건과는 달리 용융풀이 하판으로 흘러내리지 않으므로 결함의 방지에 있어서 조금 더 유리할 수 있다. 이는 오프셋 -2mm의 조건에서는 오프셋 +2mm의 조건과 달리 내부 결함이 발생하지 않았음을 통해 확인할 수 있다 (Table 5).

이를 종합할 시, 대부분의 결함은 용접속도보다는 오프셋의 영향에 의해 주로 발생하였다. 부등각장, 볼록도 과다, 토우각 부족과 같은 비드 형상에서의 결함은 오프셋이 +2mm 이상 증가한 경우에서 주로 발생하였으며, 기공, 슬래그 혼입과 같은 비드 내부에서의 결함은 오프셋의 절대값이 증가한 +2mm, +3mm, -3mm에서 발생하였다. +1mm 및 -2mm의 오프셋의 경우 용접 속도에 따라 부등각장과 같은 결함 발생 가능성이 증가한다. 이로 미루어 볼 때, 결함의 방지를 위해서는 0mm에서 -1mm 사이의 오프셋이 적절할 것으로 예상되며 그 이외의 오프셋은 부적절할 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구는 오프셋 및 용접속도의 변화에 따른 용접부 비드 형상을 관찰하였으며, 이에 따른 적정 조건을 찾기 위하여 용접 결함 국제 규격인 ISO 5817을 기반으로 한 용접부 결함 평가를 진행하였다. 이와 관련하여 요약하면 아래와 같다.

1) 오프셋이 증가함에 따라 용융풀은 코너부 기준 위쪽에서 형성되며, 상판과 표면장력을 유지하며 중력의 영향으로 인해 하강한다. 이에 L_VP, P_VP, R_H가 증가하고, A_HP는 감소하며, 전체적인 비드 형상이 볼록해진다.
2) 오프셋이 감소함에 따라 형성된 용융풀과 코너부 사이의 수평방향 거리가 멀어지며 L_HP, P_HP, R_L가 감소하고, A_HP는 증가한다.
3) 코너부 정위치를 기준으로 오프셋이 증가함에 따라 부등각장, 토우각 부족과 같은 비드 외관 결함 발생 가능성이 증가한다. 반면, 오프셋이 감소할 시 본 연구에서 사용한 조건에서는 외관 결함 발생 가능성은 낮은 것으로 나타났다. 이는 용융풀이 상판에서 형성될 때와 하판에서 형성될 때, 중력이 주는 영향력이 다르기 때문이다.
4) 오프셋의 절대값이 증가함에 따라 형성된 용융풀과 코너부 사이의 거리가 증가하며, 기공, 슬래그 혼입과 같은 내부 결함 발생 가능성이 증가한다.
5) 이를 종합할 시, 필릿 용접 시 발생되는 결함은 용접속도에 비해 오프셋의 변화가 더 큰 영향을 미치며, 허용 가능한 오프셋의 범위는 0mm에서 -1mm 사이로 판단된다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부 선박소부재생산지능화혁신기술개발사업과제 (202300247726) 및 조선해양산업기술개발과제 (202400421155)의 지원으로 수행되었습니다.

References

1. Kang M. J, Choi W. H, Kim C. H. Statistical Analysis of Korean Welding Industry. J. Weld. Join 41(2)2023;:10–15. https://doi.org/10.5781/JWJ.2023.41.2.4.

2. Lee D. H, Ku N. K, Kim T. W, Kim J. W, Lee K. Y, Son Y. S. Development and application of an intelligent welding robot system for shipbuilding. Robot. Comput. Integr. Manuf 27(2)2011;:377–388. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2010.08.006.

3. Park J. H, Cho D. W, Moon H. S. CFD simulation of molten pool dynamic behavior on vertical-downward position in P-GMAW process. Int. Commun. Heat Mass Transf 1322022;:105876. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105876.

4. Park J. H, Kim D. S, Cho D. W, Kim J. W, Pyo C. M. Influence of thermal flow and predicting phase transformation on various welding positions. Heat Mass Transf 602024;:195–207. https://doi.org/10.1007/s00231-023-03429-w.

5. Kik T, Garasic I, Peric M, Landek D, Jurica M, Tonkovic Z. Modifications of the heat source model in numerical analyses of the metal-cored arc welding process. Energy 3022024;:131811. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131811.

6. Wordofa T. N, Perumalla J. R, Sharma A. An artificial intelligence system for quality level-based prediction of welding parameters for robotic gas metal arc welding. Int. J. Adv. Manuf. Technol 1322024;:3193–3212. https://doi.org/10.1007/s00170-024-13518-7.

7. Xu F, He L, Hou Z, Zuo T, Li J, Jin S, Wang Q, Zhang H. Online welding status monitoring method of T-joint double-sided double arc welding based on multi-source information fusion. J. Manuf. Process 1242024;:1485–1505. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.06.059.

8. Jang S. B, Lee W. J, Jeong Y, Wang Y, Won C. H, Lee J. W, Yoon J. H. Machine learning-based weld porosity detection using frequency analysis of arc sound in the pulsed gas tungsten arc welding process. J. Adv. Join. Process 102024;:100231. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2024.100231.

9. Kim T. H, Park C. G. Development of Welding Consumables for GMAW and FCAW. J. Weld. Join 35(6)2017;:96–100. https://doi.org/10.5781/JWJ.2017.35.6.14.

10. Rodrigues L. A. S, Loayza. L C. R, Borges D. J. A, Baia P. E. C, Freitas E. N, Braga E. M. Welding procedures influence analysis on the residual stress distribution and distortion of stiffened panels welded via robotized FCAW. Thin-Walled Struct 1412019;:175–183. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.03.055.

11. Cho D. W, Na S. J, Lee M. Y. Expectation of bead shape using non-linear multiple regression and piecewise cubic Hermite interpolation in FCA fillet pipe welding. J. Weld. Join 27(5)2009;:42–48. https://doi.org/10.5781/KWJS.2009.27.5.042.

12. Ivanov M, Cherniavsky A, Tingaev A, Bezgans Y, Derbenev D, Shaburova N, Suleymanova I, Alrukhaymi A, Sonar T. Experimental and numerical investigation on cold cracking susceptibility of naval grade high strength steel welds for lightweight shipbuilding structures. Int. J. Lightweight Mater. Manuf 7(4)2024;:597–613. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2024.03.004.

13. Jin C. N, Rhee S. H. Real-Time Weld Gap Monitoring and Quality Control Algorithm during Weaving Flux-Cored Arc Welding Using Deep Learning. Metals 11(7)2021;:1135. https://doi.org/10.3390/met11071135.

14. de O. Rodrigues L, de Paiva A. P, da Costa S. C. Optimization of the FCAW process by weld bead geometry analysis. Weld. Int 23(4)2009;:261–269. https://doi.org/10.1080/09507110802543468.

15. Ahn S. H, Bae J. S, Cho D. W, Kim D. H, Bae S. H, Kim S, Kang J, Park T. K, Park C. W, Park J. G, Choi D. J. A Study on Changes of Bead Shape and Metal Transfer Mode Affected by Molten Pool Behavior for Welding Position in GMAW Process. J. Weld. Join 41(4)2023;:244–253. https://doi.org/10.5781/JWJ.2023.41.4.3.

16. Ahn S. H, Bae J. S, Cho D. W, Park Y. W. Analysis of melting-to-solidification flow patterns with changes in depositional position during the wire-arc direct energy deposition process. Int. J. Adv. Manuf. Technol 1342024;:2179–2198. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14236-w.

17. Cho D. W, Na S. J, Cho M. H, Lee J. S. A study on V-groove GMAW for various welding positions. J. Mater. Process. Technol 213(9)2013;:1640–1652. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.02.015.

18. Cho D. W, Na S. J. Molten pool behaviors for second pass V-groove GMAW. Int. J. Heat Mass Transf 882015;:945–956. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.05.021.

19. Tham G, Yaakub M. Y, Abas S. K, Manurung Y. H. P, Jalil B. A. Predicting the GMAW 3F T-fillet geometry and its welding parameter. Procedia Eng 412012;:1794–1799. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.385.

20. Shen H. Y, Wu J, Lin T, Chen S. B. Arc welding robot system with seam tracking and weld pool control based on passive vision. Int. J. Adv. Manuf. Technol 392008;:669–678. https://doi.org/10.1007/s00170-007-1257-8.

21. Song H. J, Lee S. K, Kang Y. H, Na S. J. A Study on Seam Tracking and Weld Defects Detecting for Automated Pipe Welding by Using Double Vision Sensors. J. Korean Weld. Join. Soc 21(1)2003;:60–65.

22. ISO 5817,Welding-Fusion welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding excluded)- Quality levels for imperfection. International Oragnization Standard (ISO) 2014;

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	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Nb	Al	Fe
SS400	0.06	0.01	0.73	0.011	0.007	0.02	0.01	0.012	0.022	0.029	Bal.
K-71T	0.04	0.55	1.25	0.015	0.012	-	-	-	-	-	Bal.

Welding conditions	Values
Current (A)	300
Voltage (V)	31
Gas flow rate ( L/min)	20
Torch angle (°)	45°
CTWD (Contact Tip to Workpiece Distance, mm)	18 (Offset 0mm) 17 (Offset +1mm, -1mm) 16 (Offset +2mm, -2mm) 15 (Offset +3mm, -3mm)
Offset (mm)	-3 / -2 / -1 / 0 / 1 / 2 / 3
Welding speed (mm/s)	6 / 7.5 / 9

	Offset (mm)	Welding speed (mm/s)	L_HP (mm)	L_VP (mm)	P_HP (mm)	P_VP (mm)	R_H (mm)	R_L (mm)	A_HP (°)	A_VP (°)	W (mm)
Case 01	0	6	7.27	8.95	1.57	3.13	0.59	0.61	112.20	146.91	11.41
Case 02	0	7.5	5.94	7.74	1.93	2.92	1.03	0.06	100.98	145.62	9.64
Case 03	0	9	5.95	6.91	2.64	1.68	0.64	0.15	115.50	148.24	9.01
Case 04	+1	6	6.93	9.33	0.91	3.37	1.08	0.18	92.57	158.39	11.07
Case 05	+1	7.5	6.32	8.34	0.64	2.71	0.55	0.17	112.10	150.12	10.25
Case 06	+1	9	5.66	7.34	1.37	2.90	0.77	0.19	110.45	156.69	9.13
Case 07	-1	6	7.26	9.06	1.54	2.90	0.50	0.39	112.25	157.92	11.46
Case 08	-1	7.5	6.69	7.52	2.15	2.31	0.38	0.16	123.87	120.34	9.99
Case 09	-1	9	5.93	7.37	1.47	1.36	0.41	0.13	120.00	157.52	9.32
Case 10	+2	6	3.56	9.75	0.00	4.19	3.18	0.13	23.12	151.20	10.38
Case 11	+2	7.5	5.02	8.53	0.41	3.70	1.28	0.09	80.40	170.46	9.68
Case 12	+2	9	5.37	7.31	0.63	3.31	1.10	0.08	100.39	147.21	9.00
Case 13	-2	6	7.40	9.03	2.70	1.29	0.60	0.21	110.12	143.10	11.42
Case 14	-2	7.5	6.52	7.72	2.71	1.66	0.77	0.10	105.52	145.09	9.79
Case 15	-2	9	5.74	7.07	2.86	1.21	0.75	0.14	106.50	149.06	8.93
Case 16	+3	6	3.92	10.22	0.00	4.72	3.46	0.00	21.46	151.36	10.78
Case 17	+3	7.5	5.80	9.11	0.29	3.49	1.30	0.00	81.96	147.95	10.33
Case 18	+3	9	3.42	8.33	0.17	2.90	1.86	0.00	75.92	148.36	8.82
Case 19	-3	6	8.62	8.77	2.53	0.79	0.15	0.55	129.61	143.61	11.97
Case 20	-3	7.5	7.08	8.23	3.10	0.84	0.36	0.29	118.11	171.08	10.61
Case 21	-3	9	6.54	7.02	2.67	0.79	0.46	0.14	120.34	131.83	9.35

	D	C	B
Excessive assymetry of fillet weld	h ≤ 2mm + 0.2a	h ≤ 2mm + 0.15a	h ≤ 1.5mm + 0.15a
Excessive throat thickness	Permitted	h ≤ 1mm + 0.2a ,but max 4mm	h ≤ 1mm + 0.15a ,but max 3mm
Excessive convexity	h ≤ 1mm + 0.25b ,but max5mm	h ≤ 1mm + 0.15b ,but max 4mm	h ≤ 1mm + 0.1b ,but max 3mm
Undercut	h ≤ 0.2t ,but max 1mm	h ≤ 0.1t ,but max 0.5mm	h ≤ 0.05t ,but max 0.5mm
Insufficient weld toe	a1 ≥ 90°	a1 ≥ 100°	a1 ≥ 110°
Porosity	d ≤ 0.4a ,but max 5mm	d ≤ 0.3a ,but max 4mm	d ≤ 0.2a ,but max 3mm
Slag inclusion	l ≤ a ,but max 75mm	l ≤ a ,but max 50mm	l ≤ a ,but max 25mm
Lack of fusion	h ≤ 0.4a ,but max 4mm	Not permitted	Not permitted
Incomplete penetration	h ≤ 0.2a ,but max 2mm	Not permitted	Not permitted