Welding is a dominant technology for determining the quality and productivity of manufacturing industries. Gas metal arc welding (GMAW) is one of the most widely applied welding process in which a continuous and consumable electrode are delivered to the workpiece. Even though it is a complex phenomenon which is influenced by welding current, arc voltage, shielding gas composition, electrode polarity and contact tip to workpiece distance, the better understanding of metal transfer process is still needed because it is closely related to the quality and stability of the welding process. Therefore, the qualitative growth of the domestic manufacturing industries requires the growth of the welding industry, and the better understanding of metal transfer is required to acquire the fundamental technology of the welding technique.
Representative analytical models, such as static force balance theory (SFBT) and the pinch instability theory (PIT), provided a physical understanding of the specific metal transfer mode and improved its performance by considering additional forces. However, existing models couldn’t consider both globular and spray transfer at once. In addition, the effects of $CO_2$ when Ar-$CO_2$ mixture is used as the shielding gas could not be considered in existing metal transfer models.
This thesis proposes the advanced metal transfer model. It is based on the attaching and detaching forces acting on the molten metal at the electrode tip, and both growth and detachment processes of the molten drop are modelled. In order to consider different behaviors of the metal transfer according to the magnitude of welding current, the equation for calculating the magnitude of transition current is derived and applied as the bifurcation point between globular and spray transfer. The tapering effect at the side of electrode and the corresponding forces are considered to model the metal transfer when the welding current is above the transition current. In addition, an equation, which depends on the $CO_2$ proportion, to estimate the arc-covered region in the molten drop is proposed. The dynamic detachment process of a molten droplet during the metal transfer process is described as the formation and breakup of the necking region between the electrode tip and the molten droplet, and the behavior of a molten droplet is modelled as second order differential system. The proposed model is applied for both direct current and pulsed current GMAW, and the simulation results are compared with experimental results
용접은 국내 제조업의 품질과 생산성과 가장 밀접하게 관련있는 공정이다. 가스 메탈 아크 용접 (GMAW)은 소모성 전극 팁에서 용융된 금속이 모재로 이행하는 형태의 용접 방법으로서, 산업 전반에 가장 널리 사용되는 용접 방법 중 하나이다. 금속 이행 공정은 용접 전류, 아크 전압, 보호가스 조성, 전극의 극성, 전극 팁에서 모재까지의 거리에 의해 영향을 받는 복잡한 현상이며, 용접부의 품질 및 공정의 안정성과 밀접하게 관련되어 있다. 결국, 국내 제조업의 질적인 성장을 위해서는 용접 산업의 발전이 필요하며, 용접 기술의 근본적인 기술확보를 위한 기초로서, 금속 이행 공정에 대한 이해도를 향상시키는 것이 요구된다.
정적 힘 평형 이론 (SFBT)와 핀치 불안정성 이론(PIT)와 같은 GMAW에서의 금속 이행을 분석하기 위해 제안된 모델은 특정 이행 모드에 대해 물리적 이해를 제공하였고, 추가적인 요소들을 고려함으로서 그 성능을 개선하였다. 그러나, 현재까지의 금속 이행 모델은 입상 용적 이행과 스프레이 이행을 한번에 고려하지 못한다. 게다가, 기존의 모델은 Ar-rich 가스가 보호가스로 사용되는 경우에 한정하여 금속 이행을 분석하였기 때문에, 보호가스의 변화가 금속 이행에 미치는 영향을 고려하지 못하였다.
본 논문에서는 진보된 금속 이행 모델을 제안한다. 제안하는 모델은 전극 팁에서의 용융 금속에 작용하는 유지력과 이탈력을 기초로 하여, 용융 금속의 성장과 이탈 공정을 모델링 한다. 전류의 범위에 따라 다르게 거동하는 금속 이행을 구분하여 묘사하기 위하여 천이 전류 식이 유도되어, 입상 용적 이행과 스프레이 이행 사이의 분기점으로서 적용된다. 용접 전류가 천이 전류보다 높을 때의 금속 이행을 좀 더 합리적으로 모델링하기 위해서 전극 팁에서의 테이퍼 효과와 이에 따라 변하는 힘의 효과가 고려된다. 또한, 아르곤-이산화탄소 혼합 가스가 사용되는 GMAW 공정에서의 금속 이행을 묘사하기 위하여, 이산화탄소의 비율에 따라 변화하는 용적 내의 아크 영역을 결정하는 식이 제안된다. 금속 이행 공정에서 용융 용적의 동적 이탈 과정은 전극 팁과 용융 액적 사이의 네킹 영역의 형성과 파단으로서 묘사되며, 용융 액적의 동역학적인 묘사는 2차 미분 방정식으로서 모델링 된다. 제안하는 금속 이행 모델은 직류 전류 및 펄스 전류 GMAW에 대해서 적용되며, 해석 결과는 실험 결과와 비교를 통해 검증된다.
