3.4.6 용접변수의 영향

(1) 와이어 송급속도
GMA용접에서 다른 변수가 일정할 경우 와이어 송급속도가 증가하면 용접전류도 증가한다. <그림1>은 저합금강 용접에서 와이어 송급속도와 용접전류와의 관계를 보여주고 있다.

이 그림에서 용접전류는 송급속도가 증가함에 따라 제곱근 함수적으로 증가한다. 한편, 컨텍트팁과 모재간 거리(contact tip to work piece distance, CTWD, 그림2)가 증가하면 용접전류는 감소하게 되는데, 이는 CTWD가 증가함에 따라 와이어 돌출길이가 길어져 저항열(I2R)이 올라가기 때문이다.

일반적으로 와이어 송급속도와 용접전류 및 와이어 돌출길이 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.고 알려져 있는데, 이 관계식에서 보듯이 동일한 송급속도에서 와이어 돌출길이(L)가 증가하면 용접전류(I)는 감소한다. 한편, 와이어 송급속도와 돌출길이가 결정되면 용접전류는 종속적으로 결정되는 변수이다.


< 그림 1 > 와이어 송급속도에 따른 용접전류의 변화
WFS = aI + bLI2

여기서, WFS : 와이어 송급속도, L : 와이어 돌출길이, I : 용접전류, a, b : 비례상수
(2) 용접전류
용접전류는 금속이행 모드 뿐만 아니라 용착속도 및 용입깊이를 결정하는 가장 중요한 변수이다.

GMAW에 사용되는 정전압 특성의 전원은 토치 선단에는 송출되는 와이어에 아크를 유지할 수 있는 필요 전류를 자동적으로 공급하는 특성을 갖고 있다. 따라서, 용접전류는 와이어 송급속도를 조정함으로써 제어된다(그림1) 일반적인 용접에서 와이어 송급속도는 용착속도와 일치하므로, 외견상으로는 용접전류가 증가함에 따라 용착속도가 증가하는 것처럼 보이게 된다.

그리고, 전류를 높게 하면 모재에 유입되는 열이 그만큼 증가하므로 용입깊이는 증가하게 된다. 지나치게 높은 전류는 볼록한 비드를 형성하여 외관이 좋지 못한 결과를 초래하므로 적당한 값을 선택해야 한다. 일반적으로 전류값을 높이면 아크 전압도 함께 높여 주어야 양호한 용접비드 형상을 얻을 수 있다.


< 그림 1 > 와이어 송급속도에 따른 용접 전류의 변화

(3) 용접 전압
용접전압은 아크전압 뿐만 아니라 용접 케이블과 접속 단자에서 발생하는 전압 강하도 포함되는데, 케이블 등에서의 전압 강하는 작기 때문에 용접전압은 아크전압과 큰 차이가 없다. 아크 전압은 와이어 끝과 모재간의 전압으로서 아크길이에 비례하며, 용접 비드의 형상 및 금속 이행 형태에 중요한 변수로 작용한다. 용접전압이 증가하게 되면 덧살은 낮아지고 비드 폭이 넓어져서 납작한 비드 형상을 가지게 된다. 또, 용입깊이는 어느 정도까지 증가하다가 감소하게 된다. 따라서, 양호한 비드 형상을 얻기 위해서는 용접전압과 전류가 적절한 조합을 이루어야 한다.

용접전압은 용접전류(또는 와이어 송급속도)와 함께 금속이행 양상에도 커다란 영향을 미친다. <그림1>은 Ar+2%O2 가스에서 직경 1.2mm의 저합금 와이어(ER100S-1)가 용접전압 및 전류의 변화에 따라 보여주는 용적이행 양상의 변화이다. 와이어 송급속도가 낮은 조건(저전류측)에서는 입상용적 이행이 나타나고, 저전압 측에서는 단락이행이 나타나며, 고전류 고전압 측에서는 스프레이 이행이 나타난다. 그리고, 고전류측에서 용접전압이 35V이상이 되면 회전아크 현상이 나타난다. 한편, 보호가스가 CO2이면 200A이하에서는 단락이행만이 나타나고, 그 이상에서는 전압이 증가함에 따라 단락이행에서 입상이행으로 천이한다.


< 그림 1 > 용접전압 및 전류 변화에 따른 용적이행 현상


< 그림 2 > 용접전압 및 와이어 송급속도 변화에 따른 용적이행 현상


< 그림 3 > 보호가스에 따른 적정 아크 전압

(4) 와이어 돌출길이

와이어 돌출길이는 컨택트 팁 선단으로부터 와이어 전극 선단부까지의 길이를 의미하는데, GMA용접과 같이 소모전극 와이어를 사용하는 용접법에서는 매우 중요한 변수 중의 하나이다. 이 길이가 길어지면 전기저항열(I2R)이 증가하여 와이어 용융속도도 증가하게 된다. 그러나, 지나치게 길어지면 보호가스에 의한 보호효과가 저하되고, 아크가 불안해지며 기공 등의 결함이 발생한다. 돌출길이가 지나치게 짧으면 가스 보호효과가 는 좋아지나, 노즐에 스패터가 부착되기 쉽고, 용접부의 외관이 나빠지며 작업성도 악화된다. 일반적으로 적정 돌출길이는 단락이행 조건에서는 10-15mm 이며, 그 밖의 이행 조건(200A이상)에서는 15-25mm 정도이다.

< 그림 1 > 아크길이 및 와이어 돌출길이의 정의

(5) 용접속도

용접속도는 아크가 용접 이음부를 따라 진행하는 속도이다. 용접속도는 용접전류, 용접전압과 함께 용입깊이, 비드형상 및 아크 안정성 등에 영향을 준다. 다른 조건이 모두 동일하다면, 용입 깊이는 적정 용접속도에서 최대가 된다. 용접속도가 너무 늦으면 아크가 모재부보다는 용융금속부에서 발생하기 때문에 용입이 작아지고, 용접속도가 너무 빠르면 단위길이당 투입되는 에너지가 작아지기 때문에 용입은 감소하게 된다. 따라서, 모재가 용융되는 양은 용접속도가 증가할 때 초기에는 증가하지만, 어느 이상의 속도부터는 감소하게 된다. 종래의 용접기는 사용하는 반자동 용접에서는 일반적으로 30-50cm/min 범위의 속도가 적절하다.

(6) 토치 방향

용접 진행방향에 대한 토치 방향에 따라 전진법과 후진법으로 구분된다.

전 진 법 후 진 법
1. 용접선이 잘 보임. 정확한 운봉 가능
2. 비드 높이가 낮고, 평탄한 비드가 형성
3. 스패터가 많으며, 진행 방향쪽으로 흩어짐
4. 용융금속이 아크보다 앞서기 쉬워 용입이 얕아진다.
1. 용접선이 가려서 정확한 운봉 불가능
2. 비드 높이가 높고, 폭이 좁은 비드형성
3. 스패터의 발생이 전진법보다 적다.
4. 용융금속이 앞으로 나가지 않으므로 깊은 용입을 얻을 수가 있다.
5. 비드형상이 잘 보이기 때문에 비드폭, 높이 등을 제어하기 쉽다.

< 그림 1 > 전진법과 후진법의 비교
<그림1>에 보는 바와 같이 전진법에서는 토치를 용접진행 방향 반대쪽으로 15-20˚로 유지하는 방법이고, 후진법은 용접 진행방향으로 기울이는 방법이다.(각각에 대한 장단점에 대해서도 <그림1>에 나타내었다.) 아크 안정성, 용융지의 보호효과 측면에서 후진법이 양호하기 때문에 일반적인 용접에서는 후진법이 사용된다. 그러나, Al 합금과 같이 용융지 전방에 있는 모재에 대해 청정작용이 필요할 경우에 있어서는 전진법이 유리하다.


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