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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.1 pp.110-115
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.1.110

Amount of Spatter in Arc Welding for High-Strength Galvanized Steel According to Shielding Gas Composition

Young-Cheol Jeong*, Young-Tae Cho*#, Yoon-Gyo Jung*
*Department of Mechanical Engineering, Changwon National University
Corresponding Author : ytcho@changwon.ac.kr+82-55-213-3609
October 27, 2015 December 10, 2015 December 11, 2015

Abstract

The need for high-strength galvanized steel has recently increased because of the increased number of car consumers who want improved efficiency and exterior quality. High-strength galvanized steel with high corrosion resistance improves the durability of products and exterior quality. Furthermore, the gilt of zinc does not come off during machining because of the fine adhesive property of zinc. When these are welded, zinc has a lower melting temperature than iron, so zinc is more quickly vaporized than iron. Vaporized zinc can stick to electrodes, which increases spatter in welding transportation. Created spatter can enter the molten pool and develop into inner defects or blowholes and pits. Scattered spatter sticks to the product, which leads to the secondary cost of spatter removal. Therefore, in this study, comparisons of amounts of spatter generated are conducted according to the composition of shielding gas in the MIG and CMT processes to find optimal welding parameters.


고강도 아연도금 강판의 아크 용접시 보호가스의 비율에 따른 스패터량에 대한 고찰

정 영철*, 조 영태*#, 정 윤교*
*창원대학교 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    고강도 아연도금강판은 자동차 산업 및 다양한 산업에서 주목 받고 있다. 표면이 균일하여 도장 후 외관이 미려하고, 강판위에 아연이 도금되어 있 어 내부식성 또한 우수하기 때문에 많은 전자제품, 건설산업, 자동차 산업 등에서 각광 받고 있다. 그 러나 아연도금강판을 접합하기 위한 용접 과정에서 낮은 용융점을 가진 아연의 기화로 인해 다량의 스 패터가 발생된다. 그로 인해 공정비용 증가 및 외 관품질 저하의 문제점을 일으킨다. 따라서 본 연구 에서는 GMAW(Gas Metal Arc Welding)를 이용한 아연도금강판 용접 시 발생하는 스패터를 최소화 하기 위한 연구로 CMT(Cold Metal Transfer) 공정 및 펄스 MIG 공정을사용하 여 스패터 발생량을비 교하고 Ar과 CO2의 보호가스 혼합비율에 따른 스 패터량을비교 하여 최적 용접 공정 및 최적 보호가 스 비율을도출하 고자 한다[1~3].

    2.스패터의 발생

    2.1스패터의 생성

    용접 시 발생하는 스패터는 대부분 보호가스의 조합이나 전류 및 전압의 조건 최적화가 되지 않아 생긴다. 보호가스의 적절하지 못한 조합은 아크의 불안정 및 용융지의 유동을 불안정하게 한다. 그로 인해 용접 스패터 발생빈도 또한 많아지게 된다. 또한 단락이행 시 주위 환경 및 아크 힘에 의해 스 패터 발생이 많아 질 수 있다. 단락이행에서 스패 터 발생은 Fig. 1과 같이 설명할 수 있으며 아크 재 발생 후 받는 아크 압력으로 인해 용융지로부터 이 탈되는 금속이 스패터로 형성이 된다. 용접 공정 중 스패터를 완전히 발생하지 못하게 하는 것은 어 려움이 있지만 스패터 방지 및 차단을 위하여 다양 한 종류의 방지제 및 방지막 등을 사용할 수 있다. 그러나 제품 품질 및 공간상의 문제로 근본적인 스 패터 감소를 위해서는 용접 공정 변수의 조절이 필 요하다[4].

    2.2Pulse 공정

    Pulse MIG 용접은 Pulse 전류와 Base 전류를 한 주기로 하는 Pulse 파형을 이용한 용접으로 주로 용 접봉에서 와이어를 용융시켜 떨어뜨리는 용접법으 로 알려져 있으며 펄스 전류를 통한 단락이행의 컨 트롤로 직류 MIG 용접에 비해 열입량 감소, 스패터 저감 및 기공감소의 효과를 보인다. 대략적인 펄스 파형을 통한 단락이행의 개략도가 Fig. 2에 나타나 져 있다[5].

    2.3CMT 공정

    CMT란 저온상태의 금속전이를 뜻하는 Cold Metal Transfer를 말하며, 공정 제어와 와이어의 움 직임이 연동되어 디지털 프로세스 컨트롤에 의해 단락이 감지되면 와이어가 역행하여 용적 이행을 돕는다. 즉, 기계적인 와이어의 움직임을 통해 단락 이행이 되며 전류에 의한 단락이행 보다 열이 유입 되는 순간이 짧아져 입열량 감소 및 스패터 감소의 효과를 볼 수 있다. Fig. 3은 CMT 용접 방법의 개 략도이다[6]. Fig. 4

    3.실험장비 및 조건

    3.1실험장비

    본 연구에서는 Fronius社의 TPS4000 CMT 장비를 사용하여 실험을 수행하였다. 사용한 용접 장비의 제원은 Table 1과 같다.

    3.2실험조건

    가스 혼합비율에 따른 스패터 양을 찾는 실험을 진행하기 전 먼저 각각의 용접 공정에서 최적 용접 조건을 도출하기 위한 실험을 진행하였다. 실험에 는 자동차 산업, 건축 자재 및 다양한 전기 부품에 적용되고 있는 아연도금강판인 SGARC340을 사용 하였다. SGARC340의 간단한 기계적 물성치와 화학 적 물성치를 Table 23에 나타내었다. 1.2 mm 두 께의 소재를 100 × 50 mm로 절단하여 bead on plate 용접을 실시하였으며 적용한 상세 용접 조건 은 Table 4에 나타내었다. 각 용접 공정에 따른 적 절한 전류 및 속도 범위를 선정한 후 가스 혼합 비 율을 조절하는 실험을 실시하였다.

    4.실험방법 및 결과

    4.1실험방법

    스패터를 포집하기 위하여 시편 고정용 지그에 시편을 Clamping 한 후 전류 및 전압에 따른 용접 실험을 수행하였다. 그리고 보호가스 비율을 변경 하면서 용접 스패터 차단커튼을 이용하여 비산되는 용접 스패터를 차단한 뒤 수작업을 통해 스패터를 포집하였다. 그 후 용접 조건 별로 포집된 스패터 의 양은 정밀저울을 이용하여 측정하였다. Fig. 5에 서 실험 순서를 보여주고 있다. Table 4의 용접 조 건에 따라 CMT 및 펄스 공정에서의 용접 실험을 수행하였다. 육안을 통해 양호한 비드를 형성하는 전류 및 용접속도 조건을 찾고 그 실험을 바탕으로 용접 혼합 가스 비율에 따른 실험을 수행하였다. 보호 가스는 CO2 가스와 Ar 가스를 혼합하여 사용 하였으며 CO2 가스를 0% ~ 25% 로 변경해 가며 실험을 진행하였다. 전류 및 속도의 조건을 선정할 때에는 생산성과 효율을 고려하여 그 범위를 정하 고자 하였다[7~9].

    4.2실험결과

    다양한 변수에 대한 기초 실험을 통해 CMT 공 정에서는 전류 100A, 용접속도 60 cm/min에서 가 장 나은 용접 비드 형상을 보여 주었고, 펄스 공 정에서는 전류 100A, 용접속도 90 cm/min에서 가 장 나은 비드 형상을 보였다. 용접된 시편의 결과 는 Fig. 6(a),(b)에 나타내었다.

    보호가스 비율에 따른 용접 결과는 Fig. 7 및 Fig. 8에서 보여주고 있다. 그 결과 공통적으로 Ar 100% 일 때 용접 비드가 높고 물결 형상의 불안 정한 비드형상이 생기는 것을 확인할 수 있었으 며, CMT 용접 공정에서는 용락 현상이 생기지 않 았지만 펄스 공정에서는 용접 시 CO2 25%에서 과도한 열입으로 인한 용락현상이 발견되는 것을 확인 하였다.

    Fig. 9에서 CMT공정과 펄스공정에서 보호가스 에 따른 스패터량을 그래프 나타내었다. 그 결과 CMT 공정에서는 CO2가스가 5%와 25%일 때 가 장 적은 용접 스패터량을 확인하였다. 펄스 공정 에서는 상대적으로 CMT 공정에 비하여 많은 스 패터가 발생하였으며, 10%와 20%에서 가장 적은 스패터량을 확인 할 수 있었다. 펄스공정에서는 CO2 가스의 비율이 높아질수록 스패터량이 증가 하는 경향에 보였으며, CMT 공정에서는 Ar가스가 100%일때를 제외하고는 CO2 비율 변화에 따른 스패터량 증가 경향이 거의 없었다. 따라서 스패 터의 양을 최소화 시키는 용접 방법으로 CMT 용 접이 유리하며 펄스 MIG 용접을 사용할 시에는 CO2의 함량을 10%로 해 주는 것이 스패터 양을 최소화 하기 위한 방법임을 알 수 있다.

    5.결 론

    본 연구에서는 고강도 아연도금 강판 용접 시 아 연의 기화로 인하여 다량의 스패터가 발생하고 이 에 따라 GMAW의 CMT 공정을 이용한 용접과 펄 스공정을 이용한 용접을 사용하여 보호가스에 따른 스패터 발생량을 분석하여 용접부 건정성이 향상 되는 Ar과 CO2의 비율을 알아보기 위한 실험을 진 행하였다. 고강도 아연도금강판 SGARC340을 Bead on plate로 CMT 공정에 적용시 전류 100A, 속도 60 cm/min일 때 가장 나은 용접 비드 형상을 확보할 수 있었고, 펄스 공정의 경우 전류 100A, 속도 90 cm/min 일 때 가장 나은 비드형상을 확인 할 수 있 었다. 보호가스 CO2 비율을 0%~25%로 변경하여 스 패터량을 측정한 결과 CMT의 경우 CO2 비율을 5%에서 25%까지 변화시켜도 스패터량의 변화가 거 의 없이 적은 양의 스패터가 발생됨을 알 수 있었 고 펄스의 경우 CO2의 비율이 10% 정도 일 때 스 패터량이 최소인 것을 확인 하였다. 위의 결과 값 을 통해 아연도금강판을 이용한 GMAW 용접 시 용접부 건전성을 확보하기 위해서는 Ar과 CO2의 적절한 혼합비율이 필요함을 알 수 있다.

    후 기

    “이 논문은 2015~2016년도 창원대학교 자율연구과 제 연구비 지원으로 수행된 연구결과임”

    Figure

    KSMPE-15-110_F1.gif
    Formation of welding spatter
    KSMPE-15-110_F2.gif
    Principle of pulse MIG welding
    KSMPE-15-110_F3.gif
    Principle of CMT welding
    KSMPE-15-110_F4.gif
    CMT welding machine
    KSMPE-15-110_F5.gif
    Experimental process to get the spatter amount with various gas composition
    KSMPE-15-110_F6.gif
    Results of basic experiment in CMT and pulse MIG welding processes
    KSMPE-15-110_F7.gif
    Weld bead shape in CMT process according to gas composition
    KSMPE-15-110_F8.gif
    Weld bead shape in Pulse process according to gas composition
    KSMPE-15-110_F9.gif
    Results of amount of spatter according to gas composition for each welding processes

    Table

    Specification of TPS4000 CMT
    Mechanical properties of SGARC340
    Chemical properties of SGARC340
    Welding conditions for experiment

    Reference

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