Taguchi Based Optimization of SMAW and TIG Welding Process Parameters on HSLA-DMR249A steel

HSLA-DMR249A 강은 인도 해군에서 탄소강을 대체하기 위해 개발된 고강도 저합금강으로, 우수한 강도와 용접성을 지니고 있어 전략적 응용 분야에서 매우 중요합니다. 하지만 이 재료의 용접성에 대한 심층적이고 체계적인 연구는 여전히 부족한 실정입니다. 본 연구는 SMAW(피복 아크 용접)와 TIG(텅스텐 불활성 가스 용접) 공정을 사용하여 DMR 249A 강의 기계적 성질을 최적화하는 것을 목표로 합니다. 실험 설계에는 다구치 L9 직교 배열법이 적용되었으며, 전류, 전압, 가스 유량이라는 세 가지 주요 공정 매개변수가 분석되었습니다. 연구의 핵심 기여는 각 용접 공정에서 경도를 최대화할 수 있는 최적의 매개변수 조합을 정량적으로 도출한 것입니다. 또한 분산 분석(ANOVA)을 통해 각 변수가 최종 용접 품질에 미치는 통계적 유의성을 검증하였습니다. 이러한 결과는 조선 및 구조용 강재 제작 현장에서 고장력강 용접 공정의 효율성을 높이는 데 실질적인 가이드를 제공합니다. 최종적으로 본 논문은 TIG 용접이 SMAW보다 우수한 경도 특성을 나타냄을 입증하며 산업적 활용 가능성을 제시합니다.

메타데이터 및 키워드

Figure 1: SMAW 및 TIG 용접의 경도 S/N 비에 대한 주효과도 (각 매개변수 레벨이 S/N 비에 미치는 영향을 시각화하여 최적점 식별)
Figure 1: SMAW 및 TIG 용접의 경도 S/N 비에 대한 주효과도 (각 매개변수 레벨이 S/N 비에 미치는 영향을 시각화하여 최적점 식별)

논문 메타데이터

  • Industry: 제조, 조선, 전략적 응용 분야
  • Material: HSLA-DMR249A 강, E308L 전극/용가재
  • Process: 피복 아크 용접 (SMAW), 텅스텐 불활성 가스 용접 (TIG)
  • System: 다구치 기법 (L9 직교 배열), 분산 분석 (ANOVA)
  • Objective: 용접부의 마이크로 경도를 최대화하기 위한 용접 공정 매개변수 최적화

핵심 키워드

  • SMAW
  • TIG
  • HSLA-DMR249A
  • 다구치 매개변수
  • 기계적 성질
  • 경도 최적화
  • ANOVA

핵심 요약

연구 구조

DMR 249A 강판(300 x 150 x 10 mm)을 대상으로 SMAW 및 TIG 용접을 수행하고, 다구치 L9 직교 배열을 통해 실험을 설계하여 공정 매개변수와 경도 간의 관계를 분석함.

방법 개요

전류, 전압, 가스 유량을 독립 변수로 설정하고, 망대특성(Larger-is-better) S/N 비 분석 및 ANOVA를 통해 최적의 용접 조건을 도출함.

주요 결과

TIG 용접이 SMAW보다 높은 경도(330 VHN vs 323 VHN)를 보였으며, 두 공정 모두에서 전류가 경도에 88% 이상의 압도적인 기여도를 가지는 것으로 나타남.

산업적 활용 가능성

인도 해군 전략 물자 및 조선 산업의 고장력강 용접 공정 표준화와 품질 관리를 위한 기초 데이터로 활용 가능.

한계와 유의점

본 연구는 평판 및 수평 필렛 용접 위치에 국한되며, 마이크로 경도 외의 충격 강도나 부식 저항성 등 다른 기계적 성질은 주요 분석 범위에서 제외됨.

논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Taguchi Based Optimization of SMAW and TIG Welding Process Parameters on HSLA-DMR249A steel
  • Author: G. Dhanraj, O. Raina, K. Deepa, M. Surendar, H. Gokulram
  • Year: 2025
  • Journal: First International Conference on Computer, Computation and Communication (IC3C-2025)
  • DOI/Link:

2. 초록

300 x 150 x 10 mm 크기의 HSLA-DMR249A 강을 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 및 피복 아크 용접(SMAW)으로 가공하고 기계적 성질과 매개변수를 최적화하였다.

용접부의 마이크로 경도와 같은 기계적 성질을 조사하였다.

실험을 수행하기 위해 두 용접 공정 모두에서 전류, 전압 및 유량과 같이 영향을 미치는 다양한 공정 매개변수를 고려하였다.

다양한 매개변수를 찾기 위해 다구치 전략(L9)과 ANOVA 방법이 사용되었다.

저합금강의 기계적 성질 결과에 영향을 미치는 가장 중요한 요인은 전압과 유량보다 전류인 것으로 나타났다.

기계적 성질 확인 결과, SMAW와 TIG 방법 모두에 의한 용접부의 경도는 각각 323 VHN, 330 VHN으로 더 단단해진 것으로 나타났다.

최적의 공정 매개변수는 피복 아크 용접(SMAW)의 경우 전류 200A, 전압 40V, 유량 13L/min이며, TIG 용접의 경우 전류 180A, 전압 20V, 유량 13L/min으로 확인되었다.

3. 방법론

재료 준비 및 특성: 300 x 150 x 10 mm 크기의 DMR 249A 강판을 모재로 사용하였으며, E308L을 전극 및 용가재로 선택하였습니다. 이 강재는 인도 해군이 전략적 용도로 개발한 특수 고강도 저합금강입니다.

실험 설계 (Taguchi L9): 전류, 전압, 가스 유량의 세 가지 인자를 각각 세 가지 수준(Level)으로 설정하여 다구치 L9 직교 배열법을 적용했습니다. SMAW는 전류(120, 160, 200 A), 전압(28, 34, 40 V), 유량(10, 13, 16 L/min) 수준에서, TIG는 전류(120, 150, 180 A), 전압(12, 16, 20 V), 유량(10, 13, 16 L/min) 수준에서 실험이 수행되었습니다.

통계적 분석: 용접부의 경도를 최대화하기 위해 ‘망대특성(Larger-is-better)’ S/N 비 분석과 ANOVA를 수행했습니다. 95% 신뢰 수준에서 각 매개변수의 통계적 유의성을 평가하여 최적의 조합을 도출하였습니다.

4. 결과 및 분석

SMAW 공정 최적화 결과: 전류가 경도에 미치는 가장 지배적인 요인으로 확인되었으며, 전류가 120A에서 200A로 증가함에 따라 경도도 상승했습니다. 최적 조건(200A, 40V, 13L/min)에서 최대 경도 323 VHN을 기록했으며, 전류의 기여도는 88.58%로 나타났습니다.

TIG 공정 최적화 결과: TIG 용접에서도 전류가 가장 중요한 변수였으며, SMAW보다 높은 최대 경도인 330 VHN을 달성했습니다. 최적 조건은 180A, 20V, 13L/min이며, 전류의 기여도는 88.26%로 나타났습니다. TIG 용접의 높은 경도는 부분 마르텐사이트 및 템퍼드 마르텐사이트 상의 형성에 기인합니다.

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Table 1: SMAW 및 TIG 용접 공정의 레벨 (저, 중, 고 세 단계의 매개변수 설정 정의)
  • Table 2: SMAW 및 TIG 용접 공정의 다구치 실험 설계 (L9 직교 배열에 따른 9가지 실험 조건 매트릭스)
  • Table 3: SMAW 용접 경도 S/N 비에 대한 분산 분석 (전류가 88.58%의 기여도로 유일하게 통계적 유의성을 가짐을 보여줌)
  • Table 4: SMAW 용접 경도 S/N 비 응답 (델타 값을 기준으로 전류를 영향력 1위 순위로 평가)
  • Figure 1: SMAW 및 TIG 용접의 경도 S/N 비에 대한 주효과도 (각 매개변수 레벨이 S/N 비에 미치는 영향을 시각화하여 최적점 식별)
  • Table 6: TIG 용접 경도 S/N 비에 대한 분산 분석 (전류가 88.26%의 기여도로 가장 중요한 요인임을 확인)

6. 참고문헌

  • G. Dhanraj, V. Velmurugan and N. Balaji. (2018). Metallurgical Behaviour and Mechanical Properties on The Shielded Metal Arc Welding and Tungsten Inert Gas Welding Process of DMR 249A Steel. Journal of the Balkan Tribological Association. Vol. 24, No 4, 622–632.
  • G.Magudeeswaran, Srihari. R. Nair, L. Sundar and N. Harikannan. (2016). Optimization of process parameters of the activated tungsten inert gas welding for aspect ratio of UNS S32205 duplex stainless steel welds. Defence Technology. Volume 10, Issue 3, 251-260.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: SMAW 공정에서 HSLA-DMR249A 강의 경도를 최대화하기 위한 최적 조건은 무엇입니까?

본 연구에 따르면 SMAW 공정의 최적 매개변수는 전류 200A, 전압 40V, 가스 유량 13L/min입니다. 이 조건에서 용접부는 323 VHN의 마이크로 경도를 나타냈습니다. ANOVA 분석 결과, 전류가 경도 형성에 88.58%의 기여도를 보여 가장 중요한 변수임이 입증되었습니다.

Q: TIG 용접이 SMAW보다 높은 경도를 나타내는 이유는 무엇입니까?

TIG 용접은 최적 조건(180A, 20V, 13L/min)에서 330 VHN의 경도를 기록하여 SMAW(323 VHN)보다 우수한 결과를 보였습니다. 이는 TIG 용접 과정에서 형성되는 미세조직의 차이 때문입니다. 구체적으로, TIG 용접부에서는 부분 마르텐사이트(Partial Martensite)와 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite) 상이 형성되어 경도 향상에 기여한 것으로 분석되었습니다.

Q: 용접 공정 매개변수 중 경도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 무엇이며 그 근거는 무엇입니까?

두 용접 공정 모두에서 ‘전류’가 경도에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 확인되었습니다. SMAW에서는 88.58%, TIG에서는 88.26%의 기여율을 보였습니다. 이는 ANOVA 분석을 통해 도출된 결과로, 전압이나 가스 유량의 변화보다 전류의 변화가 용접부의 기계적 성질 결정에 압도적인 통계적 유의성을 가짐을 의미합니다.

Q: 본 연구에서 사용된 HSLA-DMR249A 강재의 규격과 용도는 무엇입니까?

실험에 사용된 강재는 300 x 150 x 10 mm 크기의 판재로, 인도 해군이 전략적 목적으로 개발한 특수 고강도 저합금강입니다. 이 재료는 우수한 강도와 용접성을 갖추고 있어 주로 군함 제작 및 조선 산업에서 기존 탄소강을 대체하여 구조적 성능을 높이는 데 사용됩니다.

Q: 다구치 기법을 통한 최적화 과정에서 어떤 분석 지표가 사용되었습니까?

연구진은 다구치 L9 직교 배열법을 사용하여 실험을 설계하고, 경도를 최대화하기 위해 ‘망대특성(Larger-is-better)’ S/N 비(Signal-to-Noise ratio) 분석을 수행했습니다. 또한 각 매개변수의 영향력을 정량화하기 위해 분산 분석(ANOVA)을 병행하여 95% 신뢰 수준에서 결과의 타당성을 검증했습니다.

Q: 본 연구의 결과가 산업 현장에 주는 시사점은 무엇입니까?

이 연구는 고장력강인 DMR 249A의 용접 시 시행착오를 줄일 수 있는 정량적인 공정 가이드를 제공합니다. 특히 전류 제어의 중요성을 강조함으로써, 조선 및 중공업 현장에서 용접 품질의 일관성을 확보하고 기계적 성능을 최적화하는 데 기여할 수 있습니다. 다만, 연구 결과가 특정 용접 자세와 경도에 집중되어 있으므로 실제 적용 시에는 다른 기계적 성질과의 균형을 고려해야 합니다.

결론

전류는 DMR 249A 강의 SMAW 및 TIG 용접 모두에서 경도를 극대화하는 가장 핵심적인 요인이며, 두 공정 모두에서 88% 이상의 높은 기여도를 보였습니다. 최적의 SMAW 조건은 200A, 40V, 13L/min(323 VHN)이며, TIG 조건은 180A, 20V, 13L/min(330 VHN)으로 도출되었습니다. 특히 TIG 용접은 최적 조건에서 부분 마르텐사이트 및 템퍼드 마르텐사이트 상의 형성으로 인해 SMAW보다 더 높은 경도를 나타냈습니다.

이 연구는 인도 해군의 전략적 강재인 DMR 249A의 용접 공정 표준화에 중요한 데이터를 제공하지만, 실험 범위가 평판 용접 위치에 국한되었다는 한계가 있습니다. 향후 연구에서는 경도 외에도 충격 인성이나 부식 저항성과 같은 다양한 기계적 성질에 대한 최적화가 병행되어야 할 것입니다. 또한 실제 산업 현장의 다양한 용접 자세에 대한 추가 검증이 필요합니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: G. Dhanraj, O. Raina, K. Deepa, M. Surendar, H. Gokulram (2025). Taguchi Based Optimization of SMAW and TIG Welding Process Parameters on HSLA-DMR249A steel. First International Conference on Computer, Computation and Communication (IC3C-2025).

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.