GTAW를 이용한 파이프 내부 원주 용접의 공정해석에 관한 연구

Abstract

원자력 발전소와 같은 곳에서는 역지밸브의 시트링에 마모가 생길 경우 이를 보수하기 위해 GTAW를 이용하고 있다. 이를 자동화하기 위해 파이프 내부 용접 공정을 해석할 필요성이 제기된다. 본 연구에서는 파이프 내부 용접시 나타나는 비드의 형상을 예측하고 그 타당성을 실험을 통해 검증하였다. 아크가 이변량 정규분포형태의 분포를 가진다고 가정하고, 물리적인 관계를 고려한 사상을 통해 파이프의 온도 분포를 예측하는 해석적인 해를 구하였다. 용접 비드의 크기를 이 식으로부터 예측할 수 있고 실험을 통해 유의성을 검증하였다. 해석적인 해로부터 용융풀의 경계를 결정하고 수치적인 방법을 통해 아크 압력, 중력, 표면 장력을 고려하여 용융풀의 표면 형상을 해석하였다. 열원이 파이프 내부를 회전하므로 각각의 위치에서 중력이 용융풀에 작용하는 효과가 달라지고 이로 인해 비드의 형상이 변하게 된다. 이를 시뮬레이션하고 실험을 통해 확인하였다. 또한 여러 요인으로 인해 파이프 원주에 걸쳐 아크 길이가 달라질 수가 있으며 이것이 비드 형상에 미치는 영향을 해석하였다. 실험 결과로부터 용접 비드를 예측할 수 있는 타당한 식을 유도할 수 있었다. 아크 길이를 전 원주에 걸쳐 일정하게 유지하기 위해 자동 전압 제어 장치를 설계, 제작하였고 이를 실험에 이용하였다. 결론적으로 본 연구에서의 결과를 이용하면 파이프 내부 원주 용접에서 용접 전류, 용접 속도, 아크 길이와 같은 용접 조건이 결정되었을때 용접부의 형상을 미리 예측할 수 있다.