Influence of shielding gas flow on the TIG welding process using stainless steel 304 material

산업용 열교환기 장비의 부적절한 작동은 스테인리스강 파이프에 균열을 발생시키는 주요 원인 중 하나로 지목되고 있습니다. 용접 공정은 열영향부(HAZ)의 금속 미세구조를 변화시켜 용접부의 기계적 성질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 정밀한 제어가 필요합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 아르곤 보호 가스를 사용하는 TIG 용접 방식이 널리 채택되고 있으며, 이는 산화를 방지하고 안정적인 용접 아크를 형성하는 데 기여합니다. 본 연구는 우수한 내식성과 기계적 성질을 가진 304 스테인리스강을 대상으로 보호 가스 유량 변화가 용접 품질에 미치는 영향을 정량적으로 분석합니다. 특히 8, 13, 18 L/min의 세 가지 유량 조건에서 인장 강도, 변형률, 탄성 계수 및 경도 변화를 평가하여 최적의 용접 조건을 도출하고자 했습니다. 실험 결과는 가스 유량 증가가 용접부의 기계적 성능 향상과 밀접한 관련이 있음을 보여줍니다. 이러한 데이터는 조선, 철도 및 화학 플랜트와 같이 SS 304 소재가 빈번하게 사용되는 산업 현장에서 용접 구조물의 내구성을 확보하는 데 중요한 지침이 됩니다. 본 논문은 실험적 근거를 바탕으로 보호 가스 유량이 냉각 속도와 미세구조 형성에 미치는 상관관계를 입증하여 공정 최적화의 근거를 제시합니다.

메타데이터 및 키워드

Fig. 5 Welding results for three variations in shielding gas flow
Fig. 5 Welding results for three variations in shielding gas flow

논문 메타데이터

  • Industry: 제조 및 유지보수 (열교환기, 조선, 철도 산업)
  • Material: 스테인리스강 304 (SS 304)
  • Process: TIG (Tungsten Inert Gas) 용접
  • System: Argon TID DC IGBT Inverse T 350 H 용접기
  • Objective: 보호 가스 유량(8, 13, 18 L/min) 변화가 304 스테인리스강 용접부의 인장 강도, 변형률, 탄성 계수 및 경도에 미치는 영향 평가

핵심 키워드

  • 보호 가스 유량 (Shield Gas Flow)
  • TIG 용접
  • 스테인리스강 304
  • 기계적 성질
  • 아르곤 가스
  • 인장 응력
  • 브리넬 경도

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 SS 304 판재를 대상으로 V-홈(40°) 가공 후 TIG 용접을 수행하여 보호 가스 유량에 따른 기계적 특성 변화를 실험적으로 분석한 구조를 가집니다.

방법 개요

110A의 전류 조건에서 아르곤 가스 유량을 8, 13, 18 L/min으로 가변하여 용접을 수행하고, ASTM E8 및 E10 표준에 따라 인장 및 경도 시험을 실시했습니다.

주요 결과

가스 유량이 8에서 18 L/min으로 증가함에 따라 평균 인장 응력은 44.72 N/mm²에서 49.69 N/mm²로 약 11% 증가했으며, 경도는 99.712 HBW에서 106.704 HBW로 상승했습니다. 탄성 계수 또한 2518 MPa에서 2597 MPa로 향상되었습니다.

산업적 활용 가능성

산업용 열교환기(MHE)의 수리 및 유지보수, 조선 및 철도 산업의 스테인리스 부품 제조 공정에서 최적의 용접 파라미터 설정에 활용 가능합니다.

한계와 유의점

본 연구는 110A의 단일 전류와 40° V-홈 각도, 순수 아르곤 가스만을 대상으로 하므로 다른 공정 변수나 재질 적용 시 추가적인 검증이 필요합니다.

논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Influence of shielding gas flow on the TIG welding process using stainless steel 304 material
  • Author: Aljufri, Sofyan, Muhammad Nuzan Rizki, Reza Putra, Indra Mawardi
  • Year: 2024
  • Journal: Journal of Welding Technology
  • DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

2. 초록

메인 열교환기 장비에서 흔히 발생하는 문제는 부적절한 작동으로, 이는 스테인리스강 파이프에 균열을 발생시킬 수 있습니다.

용접 공정은 열영향부의 금속 미세구조를 변화시켜 용접부의 기계적 성질에 영향을 미칩니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 아르곤 보호 가스를 사용하는 TIG 용접이 고용됩니다.

본 연구의 목적은 TIG 용접 공정 중 보호 가스 유량의 변화가 304 스테인리스강 판재의 기계적 성질에 미치는 영향을 평가하는 것입니다.

8 L/min의 보호 가스 유량에서 평균 인장 응력은 44.72 N/mm², 변형률은 0.177, 탄성 계수는 2518 MPa, 경도는 99.712 HBW로 나타났습니다.

가스 유량을 13 L/min으로 증가시킨 결과, 평균 인장 응력은 47.50 N/mm², 변형률은 0.189, 탄성 계수는 2525 MPa, 경도는 105.522 HBW를 기록했습니다.

가스 유량을 18 L/min으로 더 높였을 때 평균 인장 응력은 49.69 N/mm², 변형률은 0.192, 탄성 계수는 2597 MPa, 경도는 106.704 HBW에 도달했습니다.

용접 중 보호 가스 유량의 사용은 인장 시험 과정에서 용접 부위 내 파단을 방지하므로 잘 형성된 용접부를 생성하는 데 효과적인 것으로 간주됩니다.

3. 방법론

시편 준비 (Material Preparation): 스테인리스강 304 판재를 200x20x5 mm 크기로 절단하였습니다. 밀링 머신을 사용하여 경사각 40°의 V-홈(V-groove)을 가공하였으며, 재료의 화학 성분은 Cr 18.24%, Ni 8.15%, Mn 1.19% 등을 포함하는 표준 SS 304 규격을 따랐습니다.

TIG 용접 파라미터 (Welding Process): Argon TID DC IGBT Inverse T 350 H 용접기와 E308L 전극을 사용하여 용접을 수행했습니다. 용접 전류는 110A로 고정하였으며, 보호 가스로는 순수 아르곤을 사용하고 유량을 8, 13, 18 L/min의 세 가지 조건으로 설정하여 비교 분석했습니다.

기계적 시험 (Mechanical Testing): 인장 시험은 ASTM E8 표준에 따라 Computer Hydrolic Testing Machine (HT-9502)을 사용하여 수행되었습니다. 경도 시험은 ASTM E10 표준에 따라 Brinell Hardness Tester (FB-3000LC)를 사용하였으며, 5mm 강구 압입자와 125 Kgf의 하중을 적용하여 용접부의 경도를 측정했습니다.

4. 결과 및 분석

인장 강도 분석: 보호 가스 유량이 증가함에 따라 인장 응력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였습니다. 8 L/min에서 44.728 N/mm²였던 응력은 18 L/min에서 49.698 N/mm²로 약 11% 향상되었으며, 이는 가스 유량이 용접부의 구조적 건전성을 높이는 데 기여함을 시사합니다.

연성 및 탄성 계수 변화: 변형률은 0.177에서 0.192로, 탄성 계수는 2518.2 MPa에서 2597.4 MPa로 유량 증가에 따라 동반 상승했습니다. 이는 높은 가스 유량이 용접부의 유연성과 강성을 동시에 개선할 수 있음을 나타냅니다.

경도 및 미세구조 상관관계: 용접부의 브리넬 경도는 18 L/min 유량에서 106.704 HBW로 가장 높게 측정되었습니다. 연구진은 높은 가스 유량이 냉각 속도를 가속화하고 용접부 내 펄라이트(Pearlite) 구조 형성을 촉진하여 경도를 상승시킨 것으로 분석했습니다.

파단 위치 분석: 모든 인장 시험 시편에서 파단은 용접부나 열영향부(HAZ)가 아닌 모재(Base Metal) 영역에서 발생했습니다. 이는 적절한 가스 유량 조건에서 형성된 용접부의 강도가 원래의 재료보다 더 강력하게 결합되었음을 입증하는 결과입니다.

Fig. 6 Fracture results that occurred during the tensile test process for specimens wit
Fig. 6 Fracture results that occurred during the tensile test process for specimens wit
Figure 9: 보호 가스 유량 변화에 따른 인장 응력 값의 비교 그래프. 유량 증가에 따른 강도 상승 추세를 시각화합니다.
Figure 9: 보호 가스 유량 변화에 따른 인장 응력 값의 비교 그래프. 유량 증가에 따른 강도 상승 추세를 시각화합니다.

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Figure 1: 인장 시험 시편의 상세 치수 도면. 표준 규격에 따른 시편 형상을 정의합니다.
  • Figure 9: 보호 가스 유량 변화에 따른 인장 응력 값의 비교 그래프. 유량 증가에 따른 강도 상승 추세를 시각화합니다.
  • Figure 14: 보호 가스 유량 변화에 따른 브리넬 경도 값의 비교. 유량과 경도 사이의 정비례 관계를 보여줍니다.
  • Table 4: 브리넬 경도 시험 데이터 시트. 세 가지 유량 조건별 개별 측정값과 평균값을 상세히 제공합니다.

6. 참고문헌

  • A. A. Tohari. (2021). Pengaruh Kecepatan Aliran Gas Pelindung Las MIG Baja SS-540. JTM Unesa. https://ejournal.unesa.ac.id/index.php/jtm-unesa/article/view/38246
  • E. Karayel and Y. Bozkurt. (2020). Additive manufacturing method and different welding applications. Journal of Materials Research and Technology. 10.1016/j.jmrt.2020.08.039
  • ASTM Internasional. (2013). Designation: E8/E8M − 13a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials 1. 10.1520/E0008_E0008M-13A

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 18 L/min 보호 가스 유량에서 측정된 평균 인장 응력과 경도 수치는 얼마입니까?

본 연구의 결과에 따르면, 18 L/min의 유량 조건에서 평균 인장 응력은 49.698 N/mm²를 기록하였으며, 평균 브리넬 경도는 106.704 HBW로 나타났습니다. 이는 실험된 세 가지 유량 조건 중 가장 높은 수치입니다.

Q: 보호 가스 유량이 증가할 때 용접부의 경도가 상승하는 물리적 이유는 무엇입니까?

가스 유량이 증가하면 용접 부위의 가스 압력이 높아지고 냉각 속도가 빨라집니다. 이러한 급속 냉각 효과는 용접부 미세구조 내에서 펄라이트(Pearlite) 구조의 형성을 촉진하며, 결과적으로 금속의 경도를 높이는 역할을 합니다.

Q: 인장 시험 결과 시편의 파단 위치는 어디였으며, 이것이 시사하는 바는 무엇입니까?

모든 시험 시편에서 파단은 용접부(Weld Metal)가 아닌 모재(Base Metal) 영역에서 발생했습니다. 이는 TIG 용접을 통해 형성된 용접부와 열영향부(HAZ)의 기계적 강도가 원래의 스테인리스강 304 모재보다 더 강력하게 형성되었음을 의미하며, 용접 공정의 건전성을 입증합니다.

Q: 실험에 사용된 스테인리스강 304의 주요 화학 성분 구성은 어떻게 됩니까?

실험에 사용된 SS 304 소재는 탄소(C) 0.042%, 망간(Mn) 1.19%, 크롬(Cr) 18.24%, 니켈(Ni) 8.15%, 규소(Si) 0.049% 등으로 구성되어 있습니다. 이는 표준적인 304 스테인리스강의 화학적 조성 범위를 충족합니다.

Q: 가스 유량 변화에 따른 탄성 계수(Modulus of Elasticity)의 변화 양상은 어떠합니까?

탄성 계수는 가스 유량에 비례하여 증가하는 경향을 보였습니다. 8 L/min 유량에서는 2518.2 MPa였으나, 13 L/min에서는 2525.1 MPa, 18 L/min에서는 2597.4 MPa로 측정되어 유량이 많을수록 재료의 강성이 소폭 향상됨을 확인했습니다.

Q: 본 연구 결과가 실제 산업 현장, 특히 열교환기 유지보수에 어떻게 적용될 수 있습니까?

열교환기 파이프 수리 시 TIG 용접을 사용할 때, 아르곤 가스 유량을 적절히 높게(본 연구 기준 18 L/min) 설정함으로써 더 높은 인장 강도와 경도를 가진 용접부를 얻을 수 있습니다. 이는 수리 후 장비의 내구성을 높이고 재균열 발생 가능성을 줄이는 데 기여할 수 있습니다.

결론

본 연구는 보호 가스 유량이 TIG 용접된 304 스테인리스강의 기계적 성질에 미치는 결정적인 영향을 확인했습니다. 실험 결과, 아르곤 가스 유량을 8 L/min에서 18 L/min으로 증가시킴에 따라 인장 응력, 변형률, 탄성 계수 및 브리넬 경도가 모두 향상되는 정비례 관계가 나타났습니다. 특히 18 L/min 조건에서 가장 우수한 기계적 성능을 보였으며, 모든 시편이 모재에서 파단됨으로써 용접부의 우수한 결합력을 입증했습니다.

공학적 관점에서 이러한 결과는 높은 가스 유량이 용접부의 산화를 효과적으로 방지하고 냉각 속도를 제어하여 미세구조를 강화한다는 점을 시사합니다. 다만, 본 연구는 특정 전류(110A)와 V-홈 각도에 국한되어 있으므로, 향후 다양한 용접 전류 및 홈 형상과의 복합적인 상관관계에 대한 추가 연구가 필요합니다. 이러한 데이터는 조선 및 플랜트 산업의 용접 품질 표준화에 중요한 기초 자료로 활용될 것입니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Aljufri, Sofyan, Muhammad Nuzan Rizki, Reza Putra, Indra Mawardi (2024). Influence of shielding gas flow on the TIG welding process using stainless steel 304 material. Journal of Welding Technology.

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

Technical Review Resources for Engineers:

▶ 논문에 명시되지 않음
▶ 기술 검토 및 적용 가능성 문의

This material is for informational purposes only. Unauthorized commercial use is prohibited.

Copyright © 2026 STI C&D. All rights reserved.