선박 상부데크의 버트용접에서 갭 대응력 향상을 위한 레이저-아크 하이브리드 용접공정 개발

Abstract

본 연구는 선박 상부데크 등에 사용되는 두께 8mm A grade 강재의 버트 용접을 대상으로 기존 공정인 SAW(Submerged Arc Welding)를 적용하였을시 발생되는 부재의 과도한 열변형과 양면용접의 Turnover공정으로 인한 작업자의 유해요소를 제거하기 위하여, 대체공정으로서 레이저-아크 하이브리드 용접기술을 개발하기 위해 다음과 같은 연구가 수행되었다. 1. 하이브리드 용접에서 용접현상에 가장 중요한 요소인 보호가스 조성을 최적화하는 연구를 수행하였다. CO₂ 레이저 용접에서 아르곤을 보호가스로 이용하는 경우에는 아르곤 가스에 레이저가 흡수되면서 가스 플라즈마가 발생되고 그것이 오히려 레이저의 조사를 방해한다. 그러나 아크용접에서는 용적이행 및 아크안정성에 도움이 되는 아르곤 베이스의 혼합가스를 보호가스로써 사용하는데, 레이저와 아크 용접공정이 동시에 수행되는 하이브리드 용접공정에서는 각 보호가스의 장점을 모두 얻을 수 있는 적절한 보호가스의 조합이 필요하게 된다. 2. 버트 용접에서 CO₂ 레이저-GMA 하이브리드 용접을 적용시 공정변수와 용접비드 형상과의 상관관계를 규명하였으며, 레이저-GMA 하이브리드 용접부에 나타나는 대표적인 결함과의 관계를 조사하였다. 특히, 현재 Backing plate없이는 용접이 불가능한 간극 2mm가 존재하는 버트 용접부에서 건전한 용접비드 형상을 얻을 수 있는 공정변수를 선정하였다. 3. 기존 하이브리드 용접에서 간극 2mm를 용접하기 위해서는 용접전류, 용접전압 및 용접속도의 조정이 외에 CTWD(Contact tip to Workpiece Distance)의 조정이 불가피하였다. 그러나 이는 실제 생산라인에서는 조정이 거의 불가능한 변수로서 이를 제거할 수 있는 방안을 도출할 필요성이 있다. 따라서, 용접와이어를 회전시켜 간극 대응력을 극대화시킬 수 있는 회전아크를 적용한 레이저-회전아크 하이브리드 용접공정을 개발하였으며 다양한 간극에 적용한 결과, CTWD 조정이 없이도 건전한 용접부를 획득할 수 있었고 보호가스 조성이나 레이저·아크 사이의 거리 등 기타 공정변수의 변화에 대해서도 강건한 시스템을 개발하였다.; Laser-arc hybrid welding process is currently hot-issued because it is able to improve welding productivity by utilizing advantages of both laser and arc welding simultaneously. For butt joint welding in shipbuilding, since an inevitable gap between the adjacent base plates generated during cutting, fitting up and welding is an important condition for weld quality and productivity. That is because submerged arc welding (SAW) process is currently prevalent to weld with butt joint, but it used to generate tremendous thermal distortion which brings about excessive post-treatment. However, even though the gap tolerance of laser-arc hybrid welding process is not allowable as much as that of SAW, laser-arc hybrid welding can release the tight gap tolerance in laser welding. And also, laser-arc hybrid welding process could reduce the danger during the turnover process because it can substitute the two sides welding in SAW to the one side. Therefore, laser-arc hybrid welding process has already been applied in the shipbuilding and automotive industries, having a tremendous momentum on the further applications. The main purposes of this study were as below. 1. Optimization of the process parameters, such as interspacing distance between laser and arc and composition of shielding gas. 2. Evaluation of gap bridging ability of laser-GMA hybrid welding. 3. Suggestion to improve gap bridging ability up to 2mm gap by developing laser-rotating arc hybrid welding system. The developed laser-arc hybrid welding process was satisfied with the results were intended in this study.