이 기술 요약은 Wenny Marthiana 외 저자가 Jurnal Kajian Teknik Mesin (2020)에 발표한 논문 “Analisa Pengaruh Variasi Arus Listrik Pengelasan Terhadap Kekuatan Sambungan Pengelasan MIG Pada Material ST 37″을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
- Primary Keyword: MIG 용접 전류
- Secondary Keywords: 인장 강도, ST 37 강재, 용접 공정 최적화, 기계적 물성, 용접부 강도
Executive Summary
- The Challenge: 용접 공정에서 적절한 파라미터 설정은 용접 조인트의 기계적 물성과 같은 최종 제품의 품질을 결정하는 데 매우 중요합니다.
- The Method: ST 37 강재의 MIG(Metal Inert Gas) 용접 공정에서 용접 전류를 90A, 100A, 110A, 120A로 변화시키며 용접된 시편의 인장 강도, 연신율, 탄성 계수를 측정했습니다.
- The Key Breakthrough: 용접 전류 110A에서 인장 강도(16.9 kg/mm²), 연신율(5.42%), 탄성 계수(3.14 kg/mm²)가 모두 최대값에 도달하는 최적점을 발견했습니다.
- The Bottom Line: MIG 용접 전류는 용접부의 최종 강도를 결정하는 핵심 요소이며, 최적 전류를 초과하면 오히려 기계적 특성이 저하될 수 있으므로 정밀한 제어가 필수적입니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
제조 산업 현장에서 금속을 접합하는 용접 기술은 필수적입니다. 특히 MIG 용접은 생산성이 높아 널리 사용되지만, 최종 용접부의 품질은 용접 전류, 전압, 속도와 같은 수많은 공정 변수에 의해 크게 좌우됩니다. 이러한 변수들을 최적으로 제어하지 못하면 용접부에 결함이 발생하고, 이는 곧 제품의 기계적 강도 저하로 이어져 안전 문제와 품질 불량을 야기할 수 있습니다. 따라서 특정 소재에 맞는 최적의 용접 조건을 찾아내는 것은 R&D 엔지니어들에게 주어진 중요한 과제입니다. 본 연구는 널리 사용되는 ST 37 강재를 대상으로, 가장 영향력 있는 변수 중 하나인 용접 전류가 용접부의 강도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 이 문제를 해결하고자 합니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 ST 37 강재에 대한 MIG 용접 공정에서 용접 전류 변화가 기계적 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명했습니다. 연구진은 ASTM E8 표준에 따라 인장 시험용 시편을 제작했습니다.
실험의 핵심 변수는 용접 전류로, 90A, 100A, 110A, 120A 네 가지 조건으로 설정되었습니다. 다른 주요 공정 변수들은 일관된 결과를 얻기 위해 다음과 같이 통제되었습니다.
- 전압: 24 V (일정)
- 용접 속도: 20 inch/min (일정)
- 전극봉 직경: 1.2 mm
각 전류 조건에서 용접된 시편들은 인장 시험기를 사용하여 파단될 때까지 하중을 가했으며, 이를 통해 인장 강도, 연신율, 탄성 계수와 같은 핵심 기계적 물성 데이터를 수집했습니다. 이 접근법을 통해 용접 전류와 용접부 강도 사이의 직접적인 상관관계를 명확히 파악할 수 있었습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험 결과, MIG 용접 전류는 ST 37 강재 용접부의 기계적 특성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
Finding 1: 용접 전류와 인장 강도의 상관관계: 110A에서 정점 형성
용접 전류가 증가함에 따라 인장 강도도 함께 증가하다가 특정 지점에서 감소하는 경향을 보였습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 인장 강도는 90A에서 15.15 kg/mm²였으나 전류가 증가하면서 꾸준히 상승하여 110A에서 16.9 kg/mm²라는 최대값에 도달했습니다. 하지만 전류를 120A로 더 높이자 인장 강도는 16.82 kg/mm²로 소폭 감소했습니다. 이는 110A가 해당 조건에서 최적의 용접 강도를 구현하는 ‘스위트 스폿(sweet spot)’임을 시사합니다.
Finding 2: 연성(Elongation) 또한 110A에서 최대화
재료의 연성을 나타내는 지표인 연신율(Regangan) 역시 인장 강도와 유사한 패턴을 보였습니다. 그림 9에 따르면, 연신율은 90A에서 4.83%로 시작하여 110A에서 5.42%로 최고치를 기록했습니다. 이후 120A에서는 5.26%로 다시 감소했습니다. 이는 110A 전류 조건이 용접부의 강도뿐만 아니라, 외부 힘에 의해 파괴되지 않고 변형될 수 있는 능력, 즉 연성까지도 극대화하는 최적의 조건임을 의미합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 용접 공정을 다루는 다양한 분야의 전문가들에게 실질적인 통찰을 제공합니다.
- For Process Engineers: 이 연구는 ST 37 강재의 MIG 용접 시 110A가 강도와 연성을 극대화하는 최적 전류임을 명확히 보여줍니다. 이는 품질 목표를 달성하기 위한 공정 파라미터 설정의 중요한 기준이 될 수 있으며, 과도한 전류가 오히려 품질 저하를 유발할 수 있음을 경고합니다.
- For Quality Control Teams: 그림 8과 그림 9의 데이터는 110A를 중심으로 한 공정 관리 한계(process control limits) 설정의 근거를 제공합니다. 이 최적 범위를 벗어난 용접부는 기계적 물성이 저하될 가능성이 높으므로, 품질 검사 시 중점적으로 관리해야 할 항목으로 삼을 수 있습니다.
- For Design Engineers: 이 연구는 용접부의 기계적 특성이 제조 공정 변수에 매우 민감하다는 점을 상기시킵니다. 또한, 모든 전류 조건에서 탄성 계수 값이 큰 변화 없이 낮게 유지된 것은 용접 후 냉각 과정에서 발생하는 잔류 응력과 미세 균열로 인해 용접부가 취성(brittle)을 띨 수 있음을 시사합니다. 이는 설계 단계에서 용접부의 피로 수명과 파괴 인성을 고려할 때 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.
Paper Details
Analisa Pengaruh Variasi Arus Listrik Pengelasan Terhadap Kekuatan Sambungan Pengelasan MIG Pada Material ST 37 (ST 37 소재의 MIG 용접 접합 강도에 대한 용접 전류 변화의 영향 분석)
1. Overview:
- Title: Analisa Pengaruh Variasi Arus Listrik Pengelasan Terhadap Kekuatan Sambungan Pengelasan MIG Pada Material ST 37
- Author: Wenny Marthiana, Yovial Mahyoedin, Duskiardi, Afri Rahim
- Year of publication: 2020
- Journal/academic society of publication: Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol.5 No.2
- Keywords: pengelasan (welding), Metal Inert Gas, Tegangan Tarik (Tensile strength), modulus elastisitas (elasticity modulus)
2. Abstract:
적절한 생산 공정 파라미터 설정은 MIG 용접 조인트의 인장 강도 및 연신율과 같은 기계적 특성을 포함한 제품 품질을 만족시키는 데 중요한 역할을 합니다. 용접 공정에서 고려해야 할 파라미터 중 하나는 용접 전류이며, 이는 용접 침투, 증착 속도, 용접 비드 형상 및 용접 금속의 품질에 가장 큰 영향을 미칩니다. 본 연구는 ST 37 시편에 대한 MIG 용접 공정에서 용접 전류 변화가 인장 강도, 연신율 및 탄성 계수에 미치는 영향을 조사했습니다. 실험 결과, 용접 전류가 110A까지 증가했을 때 인장 강도는 증가하는 경향을 보이다가 그 이상에서는 약간 감소했으며, 탄성 계수 값과 연신율 값도 마찬가지였습니다. 최대 인장 강도 16.9 kg/mm², 연신율 5.42%, 탄성 계수 3.14 kg/mm²는 110A 용접 전류에서 얻어졌습니다.
3. Introduction:
용접을 이용한 금속 접합 공정은 산업계에서 매우 광범위하게 활용됩니다. 그중 하나인 MIG(Metal Inert Gas) 용접은 필러 역할을 하는 와이어 형태의 전극봉을 사용하여 두 개 이상의 금속 재료를 국부적으로 녹여 하나로 합치는 방식이며, 이때 불활성 가스를 보호 가스로 사용합니다. MIG 용접을 포함한 용접 공정에서 고품질의 제품을 얻기 위해서는 공정 파라미터가 큰 영향을 미칩니다. Achmadi [1]에 따르면 용접 파라미터는 용접 결과에 영향을 미치는 변수이며, 부적절한 파라미터 선택은 용접 결함 및 기계적 특성 저하로 이어질 수 있습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
MIG 용접은 산업 현장에서 널리 사용되는 효율적인 접합 기술이지만, 그 품질은 용접 전류와 같은 공정 변수에 의해 크게 좌우됩니다. 특히 용접부의 기계적 강도는 제품의 신뢰성과 직결되므로, 최적의 공정 조건을 찾는 것이 중요합니다.
Status of previous research:
이전 연구들에서 용접 파라미터가 기계적 성질에 미치는 중요성은 여러 차례 언급되었습니다. Pouranvari [3]는 점용접에서 전류가 인장 강도에 미치는 영향을 밝혔으며, Raharjo [7]는 용접 전류가 증가할수록 입자 크기가 커져 특정 지점까지는 강도와 인성이 향상된다는 점을 보고했습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 ST 37 강재의 MIG 용접 공정에서, 용접 전류를 변화시켰을 때 용접부의 인장 강도, 연신율, 탄성 계수가 어떻게 변하는지를 실험적으로 확인하고, 최적의 기계적 강도를 나타내는 용접 전류 값을 규명하는 것입니다.
Core study:
ST 37 강재 시편에 대해 MIG 용접을 수행하되, 용접 전류를 90A, 100A, 110A, 120A로 다르게 설정했습니다. 이후 각 조건에서 제작된 시편에 대해 인장 시험을 실시하여 인장 강도, 연신율, 탄성 계수를 측정하고, 전류 값에 따른 기계적 물성의 변화를 분석했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 용접 전류를 독립 변수로, 용접부의 기계적 특성(인장 강도, 연신율, 탄성 계수)을 종속 변수로 설정한 실험적 연구 설계를 따랐습니다. 용접 전압, 속도 등 다른 변수들은 통제되었습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
ASTM E8 규격에 따라 제작된 용접 시편을 만능 인장 시험기를 사용하여 파단 시까지 인장 시험을 진행했습니다. 수집된 하중-변위 데이터를 바탕으로 각 시편의 인장 강도, 연신율, 탄성 계수를 계산하고, 용접 전류 값에 따른 변화를 그래프로 나타내어 분석했습니다.
Research Topics and Scope:
연구의 범위는 ST 37 강재를 대상으로 한 MIG 용접 공정에 한정됩니다. 주요 연구 주제는 용접 전류(90A, 100A, 110A, 120A) 변화가 용접부의 인장 특성에 미치는 영향입니다.
6. Key Results:
Key Results:
- 용접 전류는 용접부의 강도에 직접적인 영향을 미칩니다.
- 인장 강도와 연신율은 용접 전류 110A에서 각각 16.9 kg/mm²와 5.42%로 최대값을 기록했습니다.
- 용접 전류가 120A로 증가하자 인장 강도와 연신율 모두 감소하는 경향을 보였습니다.
- 110A에서 측정된 탄성 계수 값은 3.14 kg/mm²였습니다.
- 용접되지 않은 모재(Control specimen)의 평균 인장 강도는 38.62 kg/mm²로, 용접부의 강도가 모재보다 현저히 낮음을 확인했습니다.
Figure List:
- Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
- Gambar 2. Spesimen pengujian Tarik
- Gambar 3. Spesimen Kontrol
- Gambar 4. Spesimen dengan I = 90 A
- Gambar 5. Spesimen dengan I = 100A
- Gambar 6. Spesimen dengan I = 110A
- Gambar 7. Spesimen dengan I = 120A
- Gambar 8. Pengaruh Kuat Arus terhadap kekuatan tarik
- Gambar 9. Pengaruh Kuat Arus terhadap Regangan
- Gambar 10. Pengaruh Kuat Arus Modulus Elastisitas
7. Conclusion:
본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다. 1. MIG 용접에서 용접 전류의 변화는 용접 접합부의 강도에 영향을 미칩니다. 2. 가장 높은 접합 강도는 110A의 용접 전류를 사용했을 때 얻어졌으며, 그 값은 16.9 kg/mm²입니다. 3. 가장 큰 연신율 또한 110A의 용접 전류를 사용했을 때 나타났으며, 그 값은 5.42%입니다. 4. 110A 용접에서 얻어진 탄성 계수 값은 3.14 kg/mm²입니다.
8. References:
- [1] Achmadi. Pengelaasan .net., juni 2020
- [2] Muku and Krishna Made I Dewa, Kekuatan Sambungan Las Aluminium Seri 1100 dengan Variasi Kuat Arus Listrik Pada Proses Las Metal Inert Gas ( MIG ) Cakram, vol. 3, no. 1, pp. 11–17, 2009.
- [3] Pouranvari, M., 2011, “Effect of Welding Current on the Mechanical Response of Resistance Spot Welds of Unequal Thickhness Steel Sheets in Tensile-Shear Loading Condition: International Journal of Multidisciplinary Science and Engineering,” Vol. 2, No. 6.
- [4] B. Mishra, R. R. Panda, and D. K. Mohanta, Metal Inert Gas ( Mig ) Welding Parameters Optimization,” no. June, pp. 637–639, 2014
- [5] C. Labesh kumar, T. Van aja, KGK Murti. 2017. Optimization of Mig Welding Process Parameters for Improving Welding Strength of Steel. International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT) – Volume 50:1
- [6] W. D. Callister. 2014. Materials Science And Engineering, New Jersey. Wiley, Sixth Edition
- [7] Raharjo, Samsudi & Rubijanto J.P. 2012. Variasi Arus Listrik Terhadap Sifat Mekanis Sambungan Las Shielding Metal Arc Welding (SMAW). Jurnal FT UMS, 1412-9612
- [8] Syaripuddin, S., Susetyo, F. B., Aribowo, A. H., & Nofendri, Y. (2019). Kekuatan Tarik Multilapis Deposit Las Beberapa Produk Komersial Elektroda AWS A. 51 E6013. MECHANICAL, 10(1), 15-18.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 연구에서 용접 전류를 90A에서 120A 범위로 설정한 특별한 이유가 있나요?
A1: 논문에 명시되지는 않았지만, 이 범위는 ST 37 강재와 같은 일반적인 박판 용접에서 통용되는 전류 범위를 포함합니다. 연구진은 상대적으로 낮은 전류에서부터 높은 전류까지의 변화를 관찰함으로써, 기계적 물성이 어떻게 변하는지와 최적점이 존재하는지를 확인하고자 이 범위를 설정한 것으로 보입니다. 이 접근을 통해 단순히 ‘높을수록 좋다’가 아닌, 특정 최적점이 존재한다는 중요한 사실을 밝혀낼 수 있었습니다.
Q2: 그림 8을 보면 110A와 120A의 인장 강도 차이가 매우 작습니다. 이 감소가 실제로 유의미한가요?
A2: 수치상의 차이는 16.9 kg/mm²와 16.82 kg/mm²로 작지만, 이 감소는 매우 중요한 의미를 가집니다. 이는 110A에서 최적점에 도달한 후 과도한 입열량으로 인해 재료의 미세조직에 변형이 시작되었음을 시사합니다(Raharjo [7]의 연구와 일치). 전류를 계속 높이면 강도와 인성이 더 급격히 저하될 수 있음을 나타내는 변곡점이라는 점에서 공정 관리상 매우 유의미한 결과입니다.
Q3: 논문에서 탄성 계수가 전류 변화에 거의 영향을 받지 않았다고 언급했는데, 이는 용접 조인트에 대해 무엇을 의미하나요?
A3: 논의 섹션에서 Wiryosumarto [8]를 인용하며 설명한 바와 같이, 이는 용접된 재료가 사용된 전류 값에 관계없이 어느 정도 취성(brittleness)을 띤다는 것을 의미합니다. 용접 후 급격한 냉각 과정에서 발생하는 잔류 응력과 미세 균열이 재료가 파괴되기 전까지 탄성적으로 변형할 수 있는 능력을 제한하기 때문입니다. 따라서 용접부 설계 시에는 이러한 취성을 반드시 고려해야 합니다.
Q4: 용접부의 강도는 모재(base material)와 비교했을 때 어느 정도 수준인가요?
A4: 대조군으로 사용된 용접되지 않은 모재 시편의 평균 인장 강도는 38.62 kg/mm²였습니다. 반면, 가장 우수한 성능을 보인 110A 용접부의 강도는 16.9 kg/mm²였습니다. 이는 최적의 조건에서 용접하더라도 용접부의 강도는 모재의 절반에도 미치지 못한다는 것을 보여줍니다. 이는 용접이 필연적으로 야기하는 열영향부(HAZ)의 존재와 조직 변화 때문이며, 구조 설계 시 용접 계수(weld joint efficiency)를 고려해야 하는 이유를 명확히 보여줍니다.
Q5: 이 연구 결과를 바탕으로 현장 엔지니어에게 어떤 실질적인 조언을 할 수 있을까요?
A5: 본 연구와 유사한 조건(ST 37 강재, MIG 용접)에서 작업하는 엔지니어는 110A를 목표 전류로 설정하여 용접부의 강도와 연성을 극대화할 수 있습니다. 중요한 점은 무조건 높은 전류가 좋은 결과를 보장하지 않는다는 것입니다. 과도한 전류는 오히려 기계적 특성을 저하시키므로, 설정된 최적값을 정밀하게 유지하는 것이 고품질 용접의 핵심입니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 MIG 용접 전류가 ST 37 강재 용접부의 기계적 강도를 결정하는 데 얼마나 중요한 변수인지를 명확하게 보여주었습니다. 실험 결과는 110A라는 최적의 전류값이 존재하며, 이 지점을 초과하면 오히려 강도와 연성이 저하될 수 있음을 입증했습니다. 이는 생산 현장에서 경험에만 의존하던 파라미터 설정을 데이터 기반의 정밀한 제어로 전환해야 할 필요성을 강조합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
- 연락처 : 02-2026-0450
- 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
- This content is a summary and analysis based on the paper “Analisa Pengaruh Variasi Arus Listrik Pengelasan Terhadap Kekuatan Sambungan Pengelasan MIG Pada Material ST 37” by “Wenny Marthiana, et al.”.
- Source: http://journal.uta45jakarta.ac.id/index.php/jktm/index
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