Fusion welding is a joining method chosen mainly for assembling large metal structures such as ships, bridges, pipelines, heavy construction machinery, rolling stocks, and cars. Among the variety of fusion welding processes available, gas metal arc welding(GMAW) is one of the most frequently used methods, primarily because it is highly suited to a wide range of applications, and also to automation. GMAW is an electric arc welding process which produces coalescence of metals by heating them with an arc established between the continuous filler metal electrode and workpiece.
A number of the problems related to automating arc welding processes include modeling, sensing and control of the process. Among the problems, the modeling of the process is very useful not only for the control but also for the analysis of the process and determination of appropriate process parameters because the tip-to workpiece distance can affect the weld pool formation and bead geometry. In this study, the modeling of relationship between the tip-to-workpiece distance and welding parameters was proposed and the effect of tip-to-workpiece distance on the weld shape was investigated through the analysis of fluid flow and heat transfer in the GMA weld pool. And finally, some weld seam tracking systems for butt joints were developed by using the relationship between the welding current and tip-to-workpiece distance.
GMAW systems are often used in the self-regulating mode where the power source has a flat or constant voltage characteristic, thereby producing the current change in response to the variation of tip-to-workpiece distance. This paper dealt firstly with one aspect of weld process modeling by mathematical analyses, representing the relationship between welding current and tip-to-workpiece distance. An experimental model was also proposed to predict the welding current variation. The linearized model which is able to determine the relationship of welding current to tip-to-workpiece distance was established for arbitrary welding voltage and wire feed speed by using $2^3$ factorial experiment and least square method. It was well known that the arc length controls the formation of weld by influencing the depth of penetration, bead width and bead height. Thus a relation of tip-to-workpiece distance to arc length was discussed by using the above mathematical and experimental models for analyzing the effect of tip-to-workpiece distance on the weld pool formation.
A three dimensional convection model has been developed to calculate the bead shape, velocity field and temperature field in the GMA weld pool by using a boundary-fitted coordinate system to handle the largely deformed weld pool surface and weld bead surface. Numerical simulations were performed for analyzing the effects of molten electrode droplets and tip-to-workpiece distance on the weld shape, and the weld shapes calculated were compared with those of experiment.
A weld seam tracking system for the butt weld joints of mixed(80% Ar + 20% $CO_2$) gas metal arc welding was constructed by controlling the speed of torch motion in the height direction. But it was revealed that the system is not applicable to the process of $CO_2$ gas welding, because the fluctuation of the welding current signal in the $CO_2$ gas welding is much more severe than that in the mixed gas welding. Therefore the welding current signal was fitted to a curve which is inversely proportional to the trace of tip-to-workpiece distance under the arc by using the quadratic curve-fitting method in order to extract a useful information of the torch position from the welding current signal. The availability of this curve-fitted welding current signal was investigated and a seam tracking system for the $CO_2$ gas welding was developed by using the curve-fitting method were compared with those of the torch height control system for the mixed gas and $CO_2$ gas welding.
Finally, for developing an advanced seam tracking system, a self-organizing fuzzy controller(SOFC) for weld seam tracking was also constructed in the $CO_2$ gas metal arc welding. A simple fuzzy controller without any adaptation was implemented with a set of fixed rules which was designed based upon the experiments. And then the proposed self-organizing fuzzy controller which could improve the control rules automatically was examined. A series of experiments were conducted to evaluate the performance and to confirm the learning action of the proposed SOFC for the $CO_2$ gas welding of butt joints.
가스 메탈 아크 용접(GMAW)은 모재와 소모성 전극 사이에 전압을 인가할 때 발생하는 아크를 이용하여 모재와 전극을 녹이며, 노즐을 통해 공급되는 보호가 스로써 용융부를 보호하여 대기와의 접촉으로 인한 산화를 방지하며 금속을 접합하는 방법이다. 이 용접법은 적용범위가 넓어 조선, 관 구조물, 각종 차량등 금속 구조물의 조립에 가장 많이 사용되고 있으나, 일반적인 용융용접법과 마찬가지로 용접중에 발생하는 유해한 광선, 가스등으로 작업환경이 열악하며, 적절한 용접부의 품질을 유지하기 위해서는 숙련된 기능이 요구되므로 자동화의 필요성이 강조되고 있다.
적절한 용가재와 용접 전후공정을 선택하므로써 용접부의 기계적 성질을 가능한한 모재의 수준에 이르도록 유도하지만, 집중적인 열의 투입과 급속한 냉각으로 용접부 또는 그 주위에 기계적 성질의 열화, 잔류응력등이 발생하게 된다. 따라서 이들 문제의 생성 기구와 접합부의 일차적 강도를 대변하는 용융부의 크기를 정확하게 파악하기 위해서는 해당 공정의 상세한 해석이 요구된다. 결국 공정의 자동화나 구조물의 설계를 위한 기본자료의 확보를 위해서는 여러 변수들이 공정의 결과에 미치는 영향을 먼저 해석하여야 한다.
GMA용접에서는 전극 돌출부와 아크를 포함하는 아크부분과 전극과 모재가 녹아있는 용융지의 상태가 용접중의 상태를 대변하며, 서로의 관계에 있어서 용융지의 크기는 아크의 영향을 받게 된다. 아크부분의 팁-모재간 거리는 전극 돌출 길이와 아크길이로 구성되며, 주어진 용접전압과 와이어 공급속도에서 용접전류를 결정한다. 즉 팁-모재간 거리의 변화는 전극 돌출길이와 아크길이를 변화시키며 이에 따른 저항성분의 변화로 용접전류가 변하게 된다. 따라서 아크열의 분포가 변하게 되며 용접전류의 변화와 함께 용융지의 크기에 영향을 미치게 된다. 또한 용접전류의 변화로 부터 팁-모재간 거리 혹은 토치 위치의 변화를 유추할 수 있으므로 이러한 관계를 용접선 자동 추적장치에 이용할 수 있다.
본 논문의 연구에서는 아크부의 중요 변수인 팁-모재간 거리의 변화에 따른 용접전류 및 용융부 형상의 변화에 관련한 해석과 용접전류 신호를 이용한 용접선 자동 추적 시스템의 구축을 연구 대상으로 하였다. 즉, 팁-모재간 거리와 용접전류 및 아크길이의 관계를 해석한 후, 팁-모재간 거리의 변화에 대한 용융부형상의 변화를 해석하기 위한 수치적 모델을 제시하였으며, 팁-모재간 거리의 변화에 의해 용접전류 신호가 변하는 해석결과의 응용으로 용접중의 전류신호를 이용하여 용접선을 자동 추적하는 시스템을 제작 평가하였다.
팁-모재간 거리에 따른 전류값의 예측을 위한 연구에서 아크부분의 전기적인 관계를 이론과 실험방법으로 해석하여 모델을 만들었으며, 이 모델을 이용하여 팁-모재간 거리와 아크길이의 관계를 검토하였다. 용접부 형상을 파악하기 위한 용융지의 열 및 유체 유동 해석에서는 용융전극의 첨가에 의해 용접부의 표면이 심하게 굴곡이 지는 문제를 해결하기 위하여 경계밀착좌표계를 이용하여 유한 차분법에 의한 수치적 모델을 만들었으며, 용융전극이 용융지에 전달되는 현상을 고려한 상태에서 팁-모재간 거리에 의한 용융지 형상의 변화를 해석하였다. 용접중의 전류신호를 이용하여 팁-모재간 거리를 일정하게 유지시키면서 용접선을 추적할 수 있는 시스템을 시험한 후 용접전류 신호의 처리를 개선하여 팁-모재간 거리를 잘 대변하도록 하는 방법을 용접선 추적장치에 적용하여 검토하였다. 또한 용접조건 및 환경의 변화에 적응하는 시스템 개발의 일환으로 퍼지 집합 이론을 이용한 자기구성 퍼지 제어기를 용접선 추적장치에 적용하여 적응효과를 확인하였다.
