CD 스터드 용접 공정의 모델링 및 품질 향상에 관한 연구

Abstract

최근 CD 스터드 용접의 품질 향상에 관한 몇몇 연구가 진행되고 있으며 주로 용접 강도 향상에 관한 것이다. 하지만 CD 스터드 용접은 급속 냉각 공정이므로 용접 강도와 용접 품질은 차이가 있다. 용접부가 굽힘, 전단 시험에서 높은 강도를 나타내더라도 접합부에 기공이 존재하고 용접부의 품질은 낮다. 따라서 기공의 관점에서 접근하는 것이 필요하며 본 연구에서는 CD 스터드 용접 공정을 모델링을 통해 분석하고 품질 향상을 시도하였다. CD 스터드 용접 시스템을 기계적, 전기적 부분으로 구분하여 모델링하였다. 기계적 모델을 통해 아크 발생, 아킹 그리고 압력 용접으로 구분되는 각 단계의 지속 시간을 예측하였다. 스터드 팁과 모재 사이의 접촉 저항은 팁 용융 시간에 영향을 주며, 스터드와 모재 사이의 간격 증가는 아크 지속 시간에 영향을 주었다. 전기적 모델을 통해 용접 전압, 전류 파형을 계산하였다. 아크 저항, 케이블 저항, 커패시터의 내부저항 그리고 케이블 인덕턴스와 같은 전기적 요소는 출력 파형에 큰 영향을 미쳤다. 계산 결과와 실험 결과는 약 20%의 오차 범위 내에서 잘 일치하였다. 용접 품질 향상을 위한 기공 형성 기구를 제안하였고 간단한 유동 모델을 이용하여 기공 배출 가능성을 계산하였다. 기공이 용접부에 존재한다면 저탄소강의 경우 높은 냉각속도 때문에 대부분 바깥으로 빠져 나갈 수 없음이 밝혀졌다. 따라서 기공 감소를 위해 단락 전류를 낮추는 방법을 제안하였다. 실험에서 스프링 힘 또는 팁 길이를 조절하여 용접 전류가 낮을 때 단락을 일으키면 기공이 감소하였다. 기공이 완전히 제거되지는 않았지만 단락 전류를 감소시키는 방법은 기공을 줄이고 균일한 기공 비율을 유지하는데 효과적인 것으로 판단된다.