Since the development of gas metal arc welding (GMAW) in the early 1940s, several types of GMAW processes have been commonly used such as direct current GMAW (DC-GMAW), pulsed GMAW (P-GMAW) and alternating current GMAW (AC-GMAW). Among them, AC-GMAW which is relatively new process can take advantage of both positive and negative electrode polarity. Despite its advantages, the research into the understanding of AC-GMAW principles is quite limited. Wire melting rate which quantitatively describes the productivity of the welding process is one of the most important representative characteristics of GMAW process and thus should be well investigated. In this regard, the wire melting phenomenon in AC-GMAW process should be carefully observed and analyzed. Therefore, in this study, a new form of wire melting rate equation for AC-GMAW process is proposed based on energy conservation theory and arc physics. Welding experiments and high speed photography were conducted to investigate the effect of welding parameters on arc behavior and wire melting rate. By making use of these experimental data, the wire melting rate coefficients of AC-GMAW are obtained through nonlinear regression analysis. The wire melting rate is influ-enced by not only the current waveform, electrode polarity and droplet size but also the shape of the wire tip. That is, if the wire tip becomes more slender, arc heating has more influence on the wire melting. Using the wire melting rate proposed in this research, the uncertainty of calculating wire melting rate coefficients of AC-GMAW can be excluded comparing to existing method. Also, even if the wire melting rate of certain period which has complex arc behavior cannot be obtained, the wire melting rate coefficients of AC-GMAW can be calculated using average wire feeding speed.
1900년대 초 가스 메탈 아크 용접 공정이 개발된 이후, 직류 전류 가스 메탈 아크 용접, 펄스 가스 메탈 아크 용접, 그리고 교류 전류 가스 메탈 아크 용접과 같은 다양한 유형의 가스 메탈 아크 용접 공정이 사용되고 있다. 이들 가운데 교류 전류 가스 메탈 아크 용접 (AC-GMAW) 공정은 상대적으로 최신 용접 공정으로, 정극성(正極盛, Electrode Negative)의 장점인 높은 용융률과 모재의 적은 입열량 및 역극성(逆極性, Electrode Positive)의 장점인 아크 안정성을 모두 취할 수 있는 용접 공정이다. 하지만 얕은 용입 깊이로 인해 주로 박판 용접에 사용되다가 음전류 기간에 피크 전류를 추가하는 방법으로 용입 깊이를 개선시켜 후판 용접에 적용이 가능해졌으나, 관련 연구의 부재로 인해 널리 활용되지 못하고 있다. 본 연구에서는 용접 공정의 대표적인 특징 중 하나인 용융 속도를 다루었다. 현재까지 각 용접 공정의 용융 속도를 구하는 방법에 대한 기존의 연구를 검토하고, AC-GMAW에 적용 가능한 새로운 용융 속도 식을 제안하였다. 이 식을 사용하여 연강 용접봉을 사용한 AC-GMAW의 용융 속도 계수를 계산하였으며, 제안된 식이 실험 결과와 합리적으로 잘 일치하는 것을 확인하였다.
용융 속도 계수는 용융 속도 식과 실험 데이터를 이용하여 비선형 회귀분석을 통해 얻어진다. 용접 전류의 영향을 반영하기 위해 용접 전류를 세 그룹으로 나누어 비선형 회귀분석을 통해 각각의 용융 속도 계수를 계산하였다. 음전류 기간의 아크 용융 계수(arc melting coefficient)는 용접 전류가 클수록 증가하였다. 이는 용접 전류가 클수록 용접봉의 끝 부분에 생기는 용융 방울의 크기가 빠르게 증가하여 아크의 용융 작용을 방해하기 때문에 용접봉의 용융 속도에 작용하는 아크에 의한 영향력이 작아지는 것을 의미한다. 음전류 기간의 저항 열 계수(resistive heating coefficient)는 용접 전류가 클수록 증가하였다. 이는 용접 전류가 증가하면서 용접 팁에서부터 용접 봉 끝 부분까지의 길이가 길어져, 용접봉의 용융 속도에 저항 열이 미치는 영향력이 커지는 것을 의미한다.
음전류의 피크 기간에는 빠른 속도로 용융 방울을 넘어 용접봉 표면의 넓은 영역을 감싸는 아크가 관찰되었다. 이 아크에 의해 용접봉의 표면은 용융되지만 내부는 용융되지 않아 고체 상태를 유지하여, 용접봉의 원래 직경보다 가느다란 부분이 생겨나게 된다. 용접 전류가 증가할수록 가느다란 부분은 더 길어지고 가늘어졌다.
양전류 기간의 아크 용해 계수는 용접 전류가 클수록 감소하였다. 이는 음전류 기간의 아크 용해 계수의 변화와는 반대되는 것으로 음전류의 피크 기간에 생긴 가느다란 부분과 관련이 있다. 용접봉의 용융 속도에 미치는 아크의 영향력은 용접봉의 직경이 작을수록 높아지고, 양전류 기간에는 주로 음전류의 피크 기간에 생긴 용접봉의 가느다란 부분이 용융된다. 용접봉의 가느다란 부분은 용접 전류가 클수록 가늘어지고 길어지기 때문에, 양전류 기간에서 용접봉의 용융 속도에 미치는 아크의 영향력이 용접 전류가 클수록 증가하는 것이다. 양전류 기간의 저항 열 계수는 감소하였다. 양전류 기간에서도 용접 전류가 증가할수록 용접 팁에서부터 용접 봉 끝 부분까지의 길이는 길어지지만, 이 기간에서의 저항 열 계수는 음전류에서와는 상반되는 변화를 보인다. 이는 용접 전류가 증가할수록 용접봉의 가느다란 부분으로 인한 용접봉의 용융 속도에 미치는 아크의 영향력의 증가량이 저항 열에 의한 영향력의 증가량보다 크기 때문에 양전류 기간의 저항 열 계수가 감소하는 것이다.
비선형 회귀 분석을 통해 얻어진 아크 용융 계수와 저항 열 계수를 이용하여 계산된 용융 속도를 비선형 회귀 분석에 사용되지 않은 실험의 용융 속도와 비교하였을 때 합리적으로 잘 일치하는 것이 확인되었다. 이를 통해, 교류 전류 가스 메탈 아크 용접의 용융 속도가 직류 전류를 사용한 아크 용접의 용융 속도보다 높다는 것이 학술적으로 증명되었고, 용융 속도 계산에 있어서 연구 격차가 줄어들어 교류 전류 가스 메탈 아크 용접 공정의 다른 연구에 도움이 되리라 예상된다.
