GTAW 용접 (Gas Tungsten Arc Welding)

 

- GTAW가 앞선 용접 방법과 다른 가장 중요한 특징은 electrode가 용접 도중에 소모되지 않음

     (하기 그림과 같이 텅스텐 전극봉은 소모되지 않고 용가재(filler metal만 녹아서 용접됨)

- Electrode는 용접 아크의 초고온에 견디는 순수하거나 합금된(pure or alloyed tungsten)으로 만들어짐

     (텅스텐 녹는점: 3422 ℃)

- 전류가 흐를 때 tungsten electrode와 작업물 사이에 arc가 발생

 

- Filler metal은 반드시 외부에서 공급되어야 하며 보통 수동으로 하거나 기계적인 와이어 주입 시스템(mechanical wire feed system)이 사용된다.

- 아크와 metal shielding은 오직 tungsten electrode를 감싸고 있는 nozzle 밖으로 나오는 gas (보통 inert) 사용으로만 획득된다.

 

 

텅스텐 Electrode 

E : Electrodes

W : Tungsten의 chemical symbol

그다음 letters와 numbers : alloy type

 

 

- Thoria(산화토륨)나 zirconia(산화지르코늄)의 tungsten electrode에 첨가하면 더 방출이 잘되며 순수한 tungsten electrode보다 더 arc를 더 잘 발생하게 한다.

- 순수한 tungsten electrode는 "ball" end에 열을 형성하는 능력 때문에 aluminum 용접에 자주 사용된다.

   → sharp point 대신에 "ball" end는 더 낮은 전류의 집중으로 tungsten의 손상 가능성을 감소시킨다.

- EWTh-2는 Ferrous material에 가장 일반적인 Tungsten Electrode임

 

 

GTAW 용접봉

- GTAW의 designation은 GMAW와 동일함 

- bare, solid filler wire가 주로 36 in 길이로 구매되며 끝단부에 identification이 있음

 

 

GTAW Power source

- GTAW은 DCEP, DCEN, or AC에 사용 가능

- DNEP는 electrode에 더 많은 열을 준다. 반면에 DCEN은 base metal에 더 많은 heating을 준다.

 

- AC는 heats가 electrode와 base metal을 왔다 갔다 번갈아 움직인다.

  → AC는 alternating current가 weld quality의 개선을 하는 cleaning action을 증가시키기 때문에 aluminum 용접에 주로 사용됨

 

 

- Square Wave AC welding power source는 welding aluminum을 위해 개발되었음

- AC balance control과 함께 Square Wave machines은 aluminum alloys에 arc 안정성을 높이고

  tungsten spitting과 arc rectification(정류)을 없애면서, 조정 가능한 penetration과 cleaning action을 특징으로 한다.

 

- DCEN은 steel의 welding에 가장 일반적으로 사용됨 

 

SMAW	Constant current
GMAW	Constant voltage
FCAW	Constant voltage
GTAW	Constant current

 

GTAW Shielding gas

- 대부분의 GTAW은 shielding을 위해 inert gas를 사용

   → metal과 결함하지 않고 metal을 contaminant로부터 보호한다.

- Argon과 helium gas 사용

- Mechanized stainless steel이나 nickel welding 적용에 드물게 argon과 소량의 hydrogen을 혼합하여 사용하기도 함

 

 

GTAW Equipment

- Primary element로서 GTAW의 equipment는 SMAW와 동일한 power source 사용

   → 즉, 정전류 constant current type

- GTAW는 shielding gas를 사용하기 때문에 해당 control과 transmission을 위하여 장비가 추가됨

 

- 추가적인 특징으로 arc의 initiation에 도움을 주는 high frequency generator이다.

- DCEN에서 high frequency는 arc initiation에 도움을 주고 arc가 시작되고 난 후 꺼진다.

- AC current 사용 시 high frequency는 current reversal 동안에 half cycle마다 arc initiation을 위해 항시 남아 있는다.

- 용접 동안에 welding heat를 변경하기 위하여 remote current control이 부착될 수 있음

   → foot-operated나 torch 자체 달린 기기로 제어될 수 있음.

   → 즉각적인 제어가 요구되는 thin material과 open root pipe joints에 특히 유용함

 

GTAW 장점

- 용접 도중에 electrode가 녹지 않기 때문에 사실상 모든 재질의 용접에 사용 가능

- 극도로 낮은 currents로 용접할 수 있는 능력은 gas tungsten arc welding을 thinnest (down to 0.005 in)의 metal의 용접에도 적합

- 일반적으로 clean and controllable operation은 극도로 중요한 적용에도 GTAW를 완벽한 선택으로 한다.

      (aerospace, food and drug processing, petro-chemical, and power piping industries)

- 주요 장점은 GTAW가 고품질의 아주 훌륭한 visual appearance 만든다는 사실임

- No flux가 사용되기 때문에 공정이 매우 깨끗하고 용접 후에 제거해야 할 slag가 없음

- joint desing이 허용된다면 부가적인 filler metal의 사용 없이 용접할 수 있음

- 용접봉을 구할 수 없을 시 base metal을 잘라 용접봉 대신 wire처럼 사용할 수도 있음

 

 

GTAW 단점

- GTAW는 가장 느린 용접임

- Clean weld deposit이 가능함과 함께 오염에 매우 약함 → 그러므로 모재와 용접봉이 매우 깨끗하여야 함

- manual 용접으로 사용될 시 GTAW는 고기량의 기술이 요구됨

      → 용접사는 한쪽 손으로 arc를 제어하며 다른 손으로 용접봉을 밀어넣어야 함

- GTAW는 일반적으로 이러한 제한에도 불구하고 고비용으로 고품질의 용접이 요구될 시 사용됨

 

- 본질적인 문제는 하나는 오염에 매우 취약하다는 것임

   → 만약 base metal, filler meatl, shielding gas 중의 어느 하나에도 오염이나 습기가 있다면 결과는 용접부에 porosity가 발생된다.

 

- 또다른 본질적인 문제 중의 하나는 텅스텐 개재물(tungsten inclusions)

 

텅스텐 개재물 RT 필름 결함 사진으로 텅스텐은 밀도가 높아 RT필름 상세 하얗게 현상됨.

 

GTAW Tungsten inclusions 발생 이유

1. 용접물(molten metal)에 electrode tip이 접촉되어

2. filler metal이 electrode의 hot tip과 접촉되어

3. spatter에 의한 electrode tip의 오염

4. 주어진 electrode의 지름이나 타입이 current limit를 초과하는 경우

5. Collet으로부터 일반적인 거리를 초과하여 electrode가 확장되는 경우 → electrode를 과열되게 함

6. Collet의 부정확한 결박

7. 부정확한 shielding gas flow rates 이거나 electrode tip를 산화되게 하는 과도한 wind drafts

8. Electrode의 결함 (splits나 cracks과 같은)

9. 부적절한 shielding gas의 사용

10. 부적절한 electrode tip의 grinding

 

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