활성 럭스 조성에 따른 A-TIG용 특성

김 훈․공 용 수

大韓熔接․接合學 誌 第32卷 5號 別冊

2014. 10

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.

Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.5(2014) pp26-31

http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2014.32.5.26

26

활성플럭스 조성에 따른 A-TIG용접 특성

김 훈*,†․공 용 수*

* 구 학교 학원 기계공학과

Welding Characteristics of A-TIG Using Various Compositions of Active Fluxes

Bong-Hun Kim*,† and Yong-Soo Gong*

*Dept. of Mechanical Engineering, Graduate school, Daegu University, Gyeongsan 712-714, Korea

†Corresponding author : bhkim@daegu.ac.kr(Received March 31, 2014 ; Revised May 30, 2014 ; Accepted July 25, 2014)

Abstract Conventional TIG(C-TIG) welding process guarantees higher quality weldment when compared with other processes. However, C-TIG with inherent low penetration shows disadvantages in productivity, especially forthick-walled structure. To overcome these handicaps, active-flux TIG(A-TIG) welding has been introduced and studied widely in a motivation to improve both quality and productivity. Present study made a focus on optimum combination of oxide components to enhance arc contraction and penetration. Results indicated that arc contraction inducing enhancement of penetration could be possible when composition of active fluxes was well matched with base metal.

Key Words : A-TIG(Active Flux TIG), C-TIG(Conventional TIG), Arc contraction, Non-metallic oxide, Active flux

ISSN 1225-6153

Online ISSN 2287-8955

1. 서 론

일반 티그용 (Conventional TIG : C-TIG)의 얕

은 용입으로 인한 생산성 하를 개선하기 한 방안으

로 활성 럭스 티그 용 (Active flux TIG : A-

TIG)에 해 많은 연구가 진행 되고 있으며, C-TIG

용 에 비해 깊은 용입을 가질 수 있어 다층용 시 용

패스 수를 이는 효과를 기 할 수 있다고 보고되고

있다1-2). C-TIG용 과 A-TIG용 의 용융효율 변화를

해석 으로 측정한 연구 사례가 있었으며3), 아크길이와

쉴드 가스의 변화에 따른 A-TIG용 의 효과에 한

연구도 보고되고 있다4). 반 으로 A-TIG용 에

한 연구는 스텐 스강에 하여 활발히 진행되었으나

탄소강에 해서는 연구가 부족한 실정이다5). 본 연구

에서는 기존의 연구들에서 시도하지 않은 활성 럭스

조성을 변화시켜 탄소강(SS400, ASTM A572)과 스

텐 스강 (STS304)의 A-TIG용 시 용입 형상 A-

TIG용 의 아크 수축 효과분석과 기계 성질의 변화

여부에 을 두고 실험 연구를 실시하 다.

2. 실험 장치 방법

2.1 실험 장치

본 연구에서는 350A TIG 용 기를 사용하여 시편

을 용 하 으며, Fig. 1에 도시된 자동용 이송장치

를 이용하여 용 속도를 조 하 다. 한 용 간 변

형을 방지 할 수 있도록 용 지그를 사용하 으며 맞

기 용 시 이면비드 생성에 문제가 발생되지 않도록

이면에 차폐가스를 공 시킨 상태에서 용 을 실시하

다.

2.2 실험 재료

용 모재는 일반 탄소강 재질인 SS400과 오스테나

이트계 스테인리스강인 STS304를 사용하 고, 부가

연구논문

활성 러스 조성에 따른 A-TIG용 특성

大韓熔接․接合學 誌 第32卷 第5號, 2014年 10月 457

27

Fig. 1 Photograph of experimental setup

9T

80

(a) I - Type Preliminary experiments

60°

9T

80

(b) X - Groove C-TIG

60°

9T

80

(c) V - Groove A-TIG.

Fig. 2 Joint configuration of test plates: (a) I-Type

Preliminary experiments, (b) X-Groove C-TIG,

(c) V-Groove A-TIG

SpecimenOxide

(100%)SS400

STS

304

T1 Silicon Oxide △ X

T2 Magnesium Oxide X X

T3 Aluminium Oxide X X

T4 Calcium Oxide X X

T5 Titanium Oxide O O

T6 CaF2 Oxide X X

T7 Mangan Oxide X X

T8 Tungsten Oxide O X

T9 Cromium Oxide X O

* O : High, △ : Medium, X : Low with respect to

penetration depth

Table 1 Results of preliminary test using various

active fluxes

으로 용 부의 인성을 평가하기 한 충격치 측정용으

로 ASTM A572 Gr65를 사용하 다. 용 이음 형상

은 Fig. 2와 같이 9t ×80×150 mm의 I-그루 맞

기 이음으로 비용 을 실시하 으며, 한 C-TIG용

을 한 X-그루 와 A-TIG용 을 한 V-그루 를

가공하여 본 실험을 실시하 다.

2.3 실험 방법

용 조건은 각 두께에 따라 기존 연구의 비실험 데

이터를 토 로 9mm 두께의 강 에 한 정 용 조

건을 선정하 다. 아크길이의 변화에 해서는 2, 4,

6mm로 비 실험을 통하여 A-TIG용 의 효과가 가

장 크게 나타나는 아크길이인 4mm에 하여 용

류는 300(A), 용 속도는 65(mm/min)로 선정하

다. 한 각 재질의 모재의 이면비드 생성을 해 재질

에 맞는 와이어를 송 (송 속도: 950mm/min)하여 용

을 실시하 다. 탄소강용으로 AWS: A5.20 E71T-1

의 Ø1.2를, 스테인리스강에는 AWS: ER308의 Ø1.2

를 사용하 다.

활성 럭스 용액 도포제의 조성을 결정하기 해서

Table 1에 나타난 것처럼 여러 산화물을 사용하여

비실험을 실시하고 용입 증 효과측면에서 최 성분

조합을 용하여 본 실험을 실시하 다. 한 용입 증

의 효과를 찰하기 해 비디오카메라를 용 장치

에 설치하여 아크 수축 용입 증 의 효과를 분석하

다. 아크 특성을 분석하기 하여 차 필터를 장착한

비디오카메라로 아크 형상을 촬 하 으며, 동시에 디

지털 멀티미터로 아크 압도 측정 기록하 다.

럭스의 제조를 하여, 속 산화물 성분을 메탄올

과 혼합한 후 고출력 음 분쇄기를 사용하여 럭스

분말을 최 한 용해시켜 도포를 실시하 다. 한 성능

검증을 하여 인장 충격시험과 조직검사를 실시하

다. 용입 증 효과측면에서 최 럭스 성분과 용

조건을 이용하여 인장 시험편규격인 KS B ISO413606)

에 맞춰 시험편을 채취 하 으며, 온 충격값의 시험

편은 ASTM E237)의 기 으로 시험편을 가공하여 실

험을 실시하 다.

김 훈․공 용 수

458 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 5, 2014

28

1mm 1mm

(a) (b)

1mm

(c)

Fig. 3 Comparison of bead shape(SS400): (a) T5,

Titanium oxide, (b) T8, Tungsten oxide, (c)

C-TIG

1mm 1mm

(a) (b)

1mm

(c)

Fig. 4 Comparison of bead shape(STS304): (a) T5,

Titanium oxide, (b) T9, Chromium oxide (c)

C-TIG

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

6

5

4

3

2

1

0

Penetr

atio

n(m

m)

SS400

STS304

Specimen (%)

Fig. 5 Penetration of test fluxes listed in table 1

3. 활성 럭스 특성

3.1 산화물 성분에 따른 용입 효과

산화물 럭스들의 용입 증 효과를 악하기 하

여 Fig. 2의 I-Type 용 이음과 Table 1의 산화물

럭스를 사용하여 300A(용 속도 65 mm/min)로

비실험한 비드형상이 Fig. 3, 4에 도시되어 있다.

Fig. 3의 (a)는 탄소강에 티타늄 산화물(T5)를 도포

하여 용 한 형상인데 비드외 은 아주 좋으나, 용입

증 효과는 C-TIG용 과 같이 3mm정도로 큰 효과

가 나타나지 않았다. (b)는 텅스텐 산화물(T8)를 용

한 경우로 용입 깊이가 약 6mm로 상 으로 큰 효과

가 나타났다.

Fig. 4의 (a)는 티타늄 산화물(T5)을 STS304에 도

포하여 용 한 형상이다. 탄소강에 비해 티타늄 성분의

용입 깊이가 약 5mm로 큰 효과를 나타내었다. (b)는

크롬 산화물을 STS304에 도포하여 용 한 형상이다.

비드폭이 티타늄에 비해 약8mm정도로 넓어지지만, 용

입의 효과는 약 4mm정도로 티타늄 산화물 보다는 약

간 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.

각 모재와 산화물 종류에 따른 용입의 깊이를 그래

로 비교한 Fig. 5의 결과를 보면 티타늄 산화물은 양쪽

모두에 효과가 나타났다. 한 탄소강에는 텅스텐 산화

물 그리고 스텐 스강에는 크롬 산화물이 개별 인 효

과가 있다는 것을 볼 수 있었다. 이러한 비 시험 결

과를 바탕으로 본 실험에서는 용입 증 효과 아크

안정성을 고려하여 탄소강의 경우 텅스텐과 티타늄 산

화물을 조합한 럭스, 그리고 STS304의 경우에는 티

타늄과 크롬 산화물을 조합한 럭스가 선정되었다.

3.2 아크 특성 분석

Fig. 6 에서는 Fig. 3의 (b)와 (c)를 용 하 을 때

촬 된 아크 형상을 보여 다. (a)에 나타난 C-TIG의

아크는 폭이 4mm 정도로 넓고, 아크 길이가 3mm 정

도로 측되었으나, (b)와 같이 A-TIG용 의 경우 아

크의 폭은 C-TIG와 거의 같으나 아크 길이가 4mm정

도로 증가되었다.

한 아크 특성을 수치 으로 분석하기 하여 아크

압을 측정하 다. (a)와 같이 C-TIG의 경우 압의

변화가 측정 시 18V와 18.5V사이에서 거의 일정한 값

으로 측정되었지만, (b)의 A-TIG 용 효과가 나타날

경우 압이 18V에서 20V로 높아지는 양상이 측되

었고, 이것은 기존 연구들에서는 미흡하 던 A-TIG 효

과에 한 정량 검증 데이터이며 활성 럭스에 의한

아크 수축(Arc Contraction) 아크 강도(Arc Inten-

sity)의 상승에 의한 결과로 보인다.

활성 러스 조성에 따른 A-TIG용 특성

大韓熔接․接合學 誌 第32卷 第5號, 2014年 10月 459

29

Fluxmixture

Optimum

Composition(%)

A B A B

F1(SS400) W2O3 TiO2 60 40

F2(STS304) TiO2 Cr2O3 70 30

Table 2 Optimum composition of active-flux

mixtures

SS400

STS304

8

7

6

5

4

3

2

1

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Mixing ratio of component B(%)

Penetr

atio

n(m

m)

Fig. 7 Variation of penetration versus mixing ratio

of B component in Table 2

1mm1mm

1mm1mm

(a) (b)

1mm 1mm1mm

(c) (d)

Fig. 8 Improvement of penetration in A-TIG:

(a) C-TIG(SS400), (b) A-TIG(SS400) (c) C-

TIG(STS304), (d) A-TIG(STS304)

1mm 1mm

(a) C-TIG (b) A-TIG

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Time(s)

20

19.5

19

18.5

18

Volt

age(V

)

C-TIGA-TIG

(c) Arc Voltage

Fig. 6 Comparison of arc configuration and voltage:

(a) C-TIG , (b) A-TIG, (c) Arc Volatge

4. 활성 럭스 제조 효과 검증

4.1 최 활성 럭스

Table 2에 제시한 것은 비 실험을 통하여 유효한

효과를 나타낸 산화물 에서 각 모재별로 선정된 성분

을 나타내고 있다. 탄소강에서는 주성분(A)으로 텅스텐

산화물 그리고 첨가되는 부성분(B)으로 티타늄 산화물

을 선정하 다. 그리고 스텐 스강의 경우에는 주성분

으로 티타늄 산화물, 부성분으로 크롬 산화물을 용하

다.

Fig. 7은 각 모재에 하여 선정된 활성 럭스의 조

성에 따른 용입 증 효과의 변화를 나타내고 있다. 활

성 럭스 F1, F2 모두 부성분의 첨가량에 따라서 용

입 증 효과가 최 화 되는 조성이 존재함을 보여 다.

즉 탄소강의 경우 텅스텐 산화물과 티타늄 산화물의 혼

합비율이 6:4 정도, 그리고 스텐 스강의 경우에는 티

타늄 산화물과 크롬 산화물의 비율이 7:3 정도에서 최

화되고 있다.

4.2 활성 럭스 효과 분석

Fig. 7의 결과를 토 로 각 모재에 한 최 활성

럭스를 제조하고 용입 증 효과를 검증하기 해 두

종류의 모재에 하여 Fig. 2 (a)에 나타나 있는 I 용

이음을 용하여, A-TIG C-TIG 용 을 실시하

고 용 비드 형상을 Fig. 8에 제시하 다. 탄소강용

활성 럭스를 용한 (b)의 경우 체 인 용 비드 형

상이 텅스텐 산화물만을 용한 경우(Fig. 3 (b))보다

개선된 것을 볼 수 있었으며, 비드의 형태는 약 12mm

로 넓으나 용입은 3mm정도로 얕게 들어간 C-TIG에

비해 용입도 6mm정도로 깊어지고 비드 외 도 양호하

게 나타났다.

스텐 스강용 활성 럭스를 용한 경우 Fig. 8 (d)

와 같이 용 비드 폭이 9mm로 좁아지고 용입 한 7mm

로 깊게 들어갔음을 볼 수 있었다. 반면에 C-TIG는 비

김 훈․공 용 수

460 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 5, 2014

30

Fig. 9Pass

No.

Welding Condition

Joint

TypeCurrent

(A)

Arc

Length

(mm)

Speed

(mm/min)

(a)

P1 270 4 65

X -

Groove

P2 300 4 61

P3 300 4 65

P4 250 4 56

(b)

P1 270 4 65V -

GrooveP2 300 4 61

P3 300 4 56

(c)

P1 280 4 65X -

GrooveP2 300 4 61

P3 300 4 56

(d)P1 280 4 65 V -

GrooveP2 300 4 61

P4

P3

P1

P21mm1mm

P3

P2

P1

1mm1mm

(a) (b)

P3

P2

P1

1mm1mm

P2

P1

1mm1mm

(c) (d)

Fig. 9 Comparison of bead shape in multi-pass

groove welding: (a) C-TIG(SS400), (b)

A-TIG(SS400) (c) C-TIG(STS304), (d) A-

TIG(STS304)

Table 3 Welding conditions for multi-pass groove

welding

C-TIG(MPa) A-TIG(MPa)

SS400 471 465

STS304 634 647

Table 5 Result of charpy impact test(-5℃)

Location C-TIG(J) A-TIG(J)Base Metal

A572 Gr65

Weld Metal 9.6 16.6 16

Table 4 Results of tensile test

드폭이 약 15mm로 넓으나 용입은 약 3mm정도밖에

들어가지 않았다.

4.3 다층 용 용 효과

활성 럭스의 효과를 검증하기 한 다른 방안으로

Fig. 2에 제시된 X, V 그루 용 이음을 용하여 다

층 용 시 A-TIG의 효과를 분석하 다.

Table 3에는 류 아크길이와 용 속도를 측정

하여 각각의 패스 수에 따른 용 조건을 제시하 다.

각 용 조건에 맞게 용 이음을 가공한 후 용 을 실

시하 다. Fig. 9 (a)는 X 이음을 이용하여 C-TIG용

을 실시하 다. 총 4패스로 용 을 실시하 으며, 용

시 얕은 용입과 개선 각도에 의해 완 용입까지 많

은 시간이 소요되었다. (b)의 경우 A-TIG용 을 V이

음을 이용하여 용 을 실시하 다. 총 3패스로 용 하

으며, (a)에 비해 깊은 용입을 얻을 수 있게 되어 패

스수 감소의 효과를 나타낼 수 있었다. (c)는 스테인리

스강으로 X 이음을 이용하여 총 3패스 용 을 실시하

다. (d)는 스테인리스강의 A-TIG용 을 실시하 다.

총 2패스로 용 을 실시하 으며, 활성 럭스와 고

류 용 으로 인하여 용입이 깊어지고, 비드폭은 좁아지

는 것을 알 수 있었다. 고 류 다층용 시 용입 증

패스 수 감소 효과는 연강 보다는 스테인리스강에서

더욱 하게 나타나는 것을 측할 수 있었다.

4.4 용 부 강도 평가

용 부 강도를 평가하기 해 탄소강은 KS D 35158),

스텐 스강은 KS D 37059)을 기 으로 인장시편을 제

작하여 인장강도를 측정하 다. Table 4에 제시된 것

은 탄소강 스테인 스 강을 각각 시편 3개씩 인장시

험한 평균값으로 A-TIG의 경우 탄소강(SS400)은

465 MPa, 스텐 스강(STS304)은 647 MPa로 C-

TIG와 동등한 강도를 보 다.

아울러 KS D 3515의 기 인 400~510 MPa과

KS D 3705의 기 인 520 MPa을 만족하는 결과를

나타내었다. 본 연구에서 사용된 속 산화물 성분이

용착 속의 인성에 향을 미치는 정도를 평가하기 해

ASTM E23 AWS D1.1의 기 으로 온 (-5℃)

에서 충격시험을 실시하 다. SS400의 경우 충격값을

리하지 않는 재질이기 때문에 시험결과를 검증하기

하여 기존 충격값 데이터들이 가용한 ASTM A572

고장력강을 사용하 다.

용 조건은 Fig. 9에서 탄소강에 용하 던 용 이

음 조건을 동일하게 용하여 시험편을 제작하 고

충격시편은 용착 속부에 노치가 치할 수 있도록 C-

활성 러스 조성에 따른 A-TIG용 특성

大韓熔接․接合學 誌 第32卷 第5號, 2014年 10月 461

31

TIG A-TIG에 하여 각각 3개씩 모두 6개를 제작

하 다. Table 5에 제시한 것처럼 충격값은 모재부와

C-TIG A-TIG의 용착 속부를 비교하 으며, 노치

가공은 용착 속을 부식실험 후 심부를 측정하여 노

치가공을 실시하 다. 용착 속부의 충격값은 모재부

16(J), A-TIG 16.6(J)로 거의 등하게 나타나지만

C-TIG용 의 경우 충격값이 9.6(J)로 떨어지는데, 이

는 다층 용 으로 용착 속의 결정이 조 화된 향에

기인한 것으로 단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 활성 럭스 조성을 변화시켜 탄소강

(SS400, ASTM A572)과 스테인리스강 (STS304)의

A-TIG용 시 용입 형상 A-TIG용 의 아크 수축

효과분석과 기계 성질의 변화여부에 을 두고 실

험 연구를 실시하 다.

1) 연강과 스텐 스강에 하여 용입 증 효과가 최

화 되는 활성 럭스의 종류와 조성비율을 제시하

다. 탄소강의 경우 텅스텐 산화물과 티타늄 산화물의

혼합비율이 6:4, 그리고 스텐 스강의 경우에는 티타늄

산화물과 크롬 산화물의 비율이 7:3 정도에서 최 화

된 A-TIG 효과가 측되었다.

2) A-TIG용 은 C-TIG용 보다 비드폭은 좁아 지

고, 용입의 깊이가 증가하며, 은 입열량으로 패스 수

감소와 동시에 이면비드 생성이 가능하여 생산성 향상

효과가 하게 나타났다.

3) A-TIG 용 부의 인장강도는 탄소강과 스텐 스

강 모두 C-TIG와 동등한 수 을 나타내었다. 한

온 충격시험에서도 C-TIG는 9.6(J)로 기 치보다 낮

게 나왔으나, A-TIG는 16.6(J)로 모재의 기 치와 동

등한 결과를 나타내는 것으로 볼 때 A-TIG의 기계

성능은 C-TIG와 등한 것으로 단된다.

후 기

본 연구는 구 학교 연구년 학술지원비로 수행되었습

니다.

Reference

1. H. S. Ham, et al. : Development of low deformation

A-TIG welding process for high penetration aspect

ratio in thick stainless steel welding, Proceedings of

KWJS, 52 (2009), 7 (in Korean)

2. H. S. Ham, et al. : Development of A-TIG welding

process for deep penetration and decreasing deforma-

tion, Proceedings of Korea Marine Eng., (2006), 139-

140 (in Korean)

3. H. S. Ham : Effect of arc characteristic in A-TIG

welding for deep penetration on melting efficiency

and angular distortion. Pukyung Univ., February,

2007 (in Korean)

4. I. K. Park, H. S. Ham, and S. M. Cho : The effcect

of arc length and shield gas on penetration aspect

ratio in A-TIG welding, Journal of KWJS, 26-6

(2008), 42-47 (in Korean)

5. Ding Fan , Ruihua Zhang : Effect of flux on A-TIG

welding of mild steels, Trans JWRI, 30-1 (2001),

35-40

6. KS B ISO41360 : Destructive tests on welds in

metallic materials: Transverse tensile test

7. ASTM E23 : Standard Test Methods for Notched

Bar Impact Testing of Metallic Materials

8. KS D 3515 : Rolled Steels For Welded Structure

9. KS D 3705 : Hot Rolled Stainless Steel Plates,

Sheets and Strip