Numerical analysis for an arc plasma in the constant current and pulsed current GTA welding was performed to describe its characteristics. As a boundary condition, the current density distribution and temperature distribution along the electrode surface was emphasized. The current density was assumed to have a Gaussian distribution on the electrode surface. For various electrode vertex angles the distribution parameters were analytically calculated. As a result the calculated temperature contours of arc plasma have been improved much to have a conformity with experimental data. And it has been found that isothermal contours are broadened by using the distributed temperature condition. The effect of the flow rate of shielding gas was reviewed. As the flow rate of shielding gas increases, the high temperature region tend to shrink. The extremely steep pressure gradient was found near the electrode tip. It is assumed that this steep gradient of pressure at electrode tip drives a plasma jet flow to anode plate in a high velocity.
The volumetric radiative heat flux was analyzed from the model of an entire free burning arc of GTA welding and the results were compared with the measurements of arc light intensity. The radiation heat increases as the arc length increases. However, the radiation heat does not increase linearly as the arc length increases, because it is largely affected by view factors, $r^2_{i,j}$ and ψ. And eventually the radiation heat increase approaches a certain balanced value between the generated heat increase and the radiation distance (arc length) increase, as the arc length increases. The effect of electrode vertex angle is not so significant in the radiative heat flux and arc light intensity. However, the results of analysis and experiment consistently show that the smaller electrode vertex angle, namely, the sharper cone emits the more radiative heat flux, which is presumed to be resulted from the plasma climb on the electrode surface. The arc light intensity has very similar characteristics with the volumetric heat flux in the relationship to the arc length. The arc light intensity and the radiation heat are both linearly related with the logarithmic value of the arc length, when the arc length is not too long. And consequently the arc light intensity is assumed to have a linear relation to the radiation heat of welding arc, whose length is applicable to practical welding.
The pulsed current welding has some advantages over conventional GTA welding. The characteristics of arc shape during the current pulsation and unsteady effects during the pulsed current welding process are to be studied. For the description of the characteristics of arc plasma during pulsed current GTA welding, a transient model from the actual waveform was presented for welding practice. Through a case study for an unsteady welding process, the calculation results show that the temperature field of welding arc in low frequency pulsed process converges rapidly to a final value of equilibrium and the calculated arc shapes during the transient process are in good agreement with the actual photographs. From the comparison of different pulsed processes, the process by shorter time step has wider temperature contours of arc than the process by longer time step, when the welding current is lowered to base current. It is assumed that for the shorter time step the temperature field of arc is not fully developed owing to thermal inertia. It is assumed that the thermal field of arc has a certain amount of deviation from electro-magnetic field of arc owing to thermal inertia during the high frequency pulsed process. The arc pressure and shear stress distributions show that during the base current they have very low values compared with the values during the peak current. These facts are assumed to be utilized in pulsed current welding for the weld pool formation and penetration.
GTA 용접은 비소모성 전극을 사용하여 고강도이면서 집중화된 아크 용접을 하므로 정밀하고 고품질의 용접이음에 많이 사용되고 있고, 용접자동화가 가능하다. 용접에 소요되는 에너지가 아크 플라즈마를 통하여 전달되고 용접비드의 형성은 아크의 영향을 받으므로 이 용접의 품질은 주로 용접 아크에 의하여 결정된다. 본 연구에서는 아크 플라즈마의 적정한 해석을 통하여 입열량과 용접비드의 형성에 영향을 미치는 제반 요소를 예측하여 이를 용접자동화에 활용하게 하고자 한다.
또한 용접 자동화에서 제어의 요소로 사용되는 아크 길이의 제어에 있어서 아크 복사광에 대한 감응특성 연구를 포함하였다. 본 연구에서는 아크 플라즈마 해석의 결과와 실험적으로 측정한 아크 복사광의 감응도의 관계를 비교 분석하고, 아크 길이에 대한 관계를 매개로 하여 아크 복사광에 대한 감응도와 용접 아크의 체적적 복사열의 관계를 제안하였다.
근래에 그 장점을 용접 실무에 활용하고 있으며, 그 특성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 펄스 전류에 의한 아크 플라즈마의 특성 연구를 포함하였다.
제 2 장에서는 아크 플라즈마의 해석에 관한 연구를 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) GTA 용접에 있어서 아크 플라즈마의 특성을 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 위한 격자생성에는 그 끝이 뾰족하고 둥글게 되어 있는 전극 끝단 근처 부분을 미세하게 세분하고 전극 표면에 수직 방향으로 분포되는 전류 밀도를 잘 표현하기 위하여 경계밀착(boundary-fitted) 좌표계를 채택하였다.
2) 경계조건으로서 전극 표면에서의 전류 밀도 분포를 강조하였다. 전류 밀도는 전극 표면에서 가우스 분포를 할 것으로 가정하였다. 다른 연구에서는 분포 파라메타를 결정하는데 있어서 실험치에 부합시키기 위하여 시행착오에 의한 방법을 사용하였으나 본 연구에서는 해석적으로 계산하였다. 이 결과를 적용하여 계산된 아크 플라즈마의 온도 분포는 실험치와 매우 흡사하게 일치하였다. 그리고 다른 연구들에서는 경계조건으로서 전극 표면에서의 온도를 전반적으로 일정하게 설정하고 있으나 본 연구에서는 전극 표면에서의 온도 분포를 고려하였다. 두 경계 조건에서의 계산된 아크 플라즈마의 온도 분포를 비교하여 보면 전극 표면에서 온도 분포를 고려한 경우 아크 플라즈마의 온도 분포가 커지는 결과를 가져왔다.
3) 보호 가스의 유량에 의한 영향을 검토하였다. 유량의 변화에 따른 아크 플라즈마의 온도 분포 변화는 그다지 크지 않으며, 아크의 외형은 거의 그대로 남아 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 전극 끝단에서의 고온 영역은 상당히 변화한다. 보호가스의 유량이 증가함에 따라 고온 영역은 축소하게 된다.
4) 아크 플라즈마의 전압 분포, 전류 밀도 분포, 속도 분포, 아크 압력 분포, 열유동, 전단 응력 등에 관하여 검토하였다.
5) 전극 끝단 근처에서 매우 급격한 압력 감소가 있음을 알 수 있었다. 전극 끝단 근처에서의 이러한 압력 감소는 양극 표면으로 향하는 고속의 플라즈마 젯트 유동의 원동력으로 간주된다.
제 3 장에서는 용접 아크의 체적적 복사열에 대한 해석을 하고, 아크 복사광 감응도를 측정하여 그 결과를 해석 결과와 비교 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 용접 아크의 체적적 복사열은 아크 길이가 증가함에 따라 증가한다. 그러나 복사열은 형상계수 $r^2_{i,j}$ 및 ψ의 영향을 크게 받으므로 아크 길이의 증가에 따라 직전적으로 증가하지는 않는다. 그리고 궁극적으로 복사열의 증가는 아크 길이가 증가함에 따라 열량의 증가와 복사 거리(아크 길이)의 증가에 의하여 균형을 이룬 어떤 값에 접근하게 된다.
2) 전극의 꼭지각은 복사열 및 복사광 감응도에 그다지 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 해석 및 실험 결과는 전극의 꼭지각이 작을수록 발산되는 복사광은 많아짐을 일관되게 보여준다. 이것은 플라즈마가 전극 표면을 타고 오르는 현상에 기인한 것이라고 추정한다.
3) 용접 아크의 복사광 감응도는 아크 길이에 대한 관계에 있어서 체적적 복사열과 매우 흡사한 특성을 가졌다. 복사광 감응도와 복사열은 모두 아크 길이가 그다지 길지 않을 경우 아크 길이의 대수값에 대하여 직선적 관계를 가졌다. 그리고 결과적으로 복사광 감응도는 실용적인 아크 길이 범위 내에서 용접 아크의 복사열에 대하여 직선적인 관계를 가지는 것으로 간주할 수 있다.
제 4 장에서는 펄스 전류에 의한 아크 플라즈마 특성에 관한 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 펄스 전류에 의한 GTA 용접에 있어서 아크 플라즈마의 특성을 규명하기 위하여 실용적인 전류 파형으로부터 과도현상의 모델을 제시하였다.
2) 비정상 용접 과정에 대한 해석 결과 낮은 펄스 용접 아크의 온도 분포는 매우 빠르게 최종 평형상태의 값에 수렴함을 알 수 있다. 그리고 과도 현상 중의 아크 형상에 대한 계산 결과는 실제 촬영된 사진의 형상과 매우 잘 들어맞는다.
3) 서로 다른 펄스 용접 공정을 비교하여 보면 용접 전류를 기본 전류 값으로 낮추었을 경우 펄스 변화 시간이 짧은 공정이 펄스 변화 시간이 긴 공정 보다 아크의 온도 분포가 넓게 퍼져 있다. 이것은 열적 관성력에 때문에 열 평형이 충분히 진행되지 않은 것으로 간주된다. 높은 펄스 용접 공정 중에는 열적 관성력 때문에 아크의 온도분포와 전자기장 사이에 편차가 발생할 것으로 간주한다.
4) 기본 전류 동안의 아크의 압력 분포와 전단 응력 분포는 최고 전류 동안의 압력 및 전단 응력 분포에 비하여 매우 낮은 값을 갖는다.
