그레이-다구치 방법을 이용한 용가재 없는 듀플렉스 스테인리스강 TIG 용접 공정 파라미터 최적화

Optimization of process parameters of TIG welding of duplex stainless steel without filler rod by grey-Taguchi method

본 연구는 현대 산업에서 널리 사용되는 듀플렉스 스테인리스강(DSS)의 용접 품질 향상을 위해 TIG 용접 공정 파라미터를 최적화하는 기술적 방법론을 제시합니다. 용가재를 사용하지 않는 조건에서 전류, 용접 속도, 보호 가스 유량이 기계적 성질에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 산업적 신뢰성을 확보하는 데 중점을 둡니다.

Paper Metadata

• Industry: 제조 및 가공 산업 (화학, 정유, 가스 제조)
• Material: 듀플렉스 스테인리스강 (Duplex Stainless Steel – ASTM/UNS 2205)
• Process: 용가재 없는 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접

Keywords

• Anova
• Duplex stainless steel
• Optimization
• Signal to noise ratio
• Taguchi design
• Tungsten inert gas welding

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 ASTM/UNS 2205 듀플렉스 스테인리스강 판재를 대상으로 용가재 없이 TIG 용접을 수행하는 실험적 프레임워크를 구축하였습니다. 실험 설계는 다구치의 L9 직교 배열법을 채택하였으며, 제어 인자로 용접 전류(80, 85, 90 A), 보호 가스 유량(7, 7.5, 8 l/min), 용접 속도(2.3, 2.8, 3.5 mm/s)의 세 가지 변수를 설정하였습니다. 용접 장비로는 400A급 IGBT 디지털 용접 인버터를 사용하였으며, 보호 가스로는 아르곤을 적용하였습니다. 실험을 통해 제작된 9개의 맞대기 용접 시편은 X-선 방사선 투과 시험과 인장 시험을 통해 품질을 평가받았습니다. 다중 응답 최적화 문제를 해결하기 위해 그레이 관계 분석(Grey Relational Analysis)과 다구치 기법을 결합한 하이브리드 방법론이 적용되었습니다.

Key Findings

실험 결과, 최적의 용접 파라미터 조합은 전류 90 A(수준 3), 가스 유량 8 l/min(수준 3), 용접 속도 3.5 mm/s(수준 3)로 결정되었습니다. ANOVA 분석을 통해 용접 속도가 전체 공정 품질에 53.3%의 기여율을 보이며 가장 지배적인 인자임을 확인하였으며, 가스 유량(30.8%)과 전류(14.2%)가 그 뒤를 이었습니다. 최적 조건에서의 예측된 그레이 관계 등급은 0.899974였으나, 실제 확인 실험을 통해 0.945485의 결과를 얻어 초기 실험 대비 약 0.15977의 개선 효과를 입증하였습니다. 인장 강도 측면에서는 최대 665 MPa, 항복 강도 270 MPa, 연신율 17.061%의 우수한 기계적 성질이 확보되었습니다. 모든 시편은 X-선 검사에서 결함이 없는 ‘허용 가능’ 수준으로 판명되었습니다.

Industrial Applications

본 연구에서 도출된 최적 파라미터는 화학 플랜트, 정유 시설, 가스 제조 산업에서 듀플렉스 스테인리스강 구조물 제작 시 직접적으로 적용 가능합니다. 용가재를 사용하지 않는 TIG 용접 공정은 재료 비용을 절감하고 공정을 단순화하면서도 높은 강도와 내부식성을 유지해야 하는 배관 및 압력 용기 제작에 유리합니다. 또한, 그레이-다구치 방법론은 복잡한 다중 목적 최적화가 필요한 다양한 금속 가공 공정의 품질 관리 및 공정 설계 가이드라인으로 활용될 수 있습니다. 특히 정밀한 입열량 제어가 요구되는 박판 용접 분야에서 공정 변동성을 최소화하고 생산성을 높이는 데 기여할 것입니다.

Theoretical Background

Grey Relational Analysis (GRA)

그레이 관계 분석은 정보가 부분적으로 알려지지 않은 복잡한 시스템의 상관관계를 분석하는 데 사용되는 정량적 기법입니다. 전통적인 다구치 방법이 단일 응답 최적화에 국한되는 한계를 극복하기 위해, 여러 성능 특성(항복 강도, 인장 강도, 연신율 등)을 하나의 통합된 지표인 그레이 관계 등급(Grey Relational Grade)으로 변환합니다. 이 과정은 데이터 정규화, 그레이 관계 계수 계산, 그리고 가중 평균을 통한 등급 산출 단계로 구성됩니다. 이를 통해 상충될 수 있는 여러 품질 특성을 동시에 만족시키는 최적의 공정 조건을 통계적으로 도출할 수 있습니다.

Signal-to-Noise (S/N) Ratio

다구치 기법의 핵심인 신호 대 잡음비(S/N 비)는 공정의 견고성을 측정하는 척도로 사용됩니다. 본 연구에서는 기계적 강도와 연신율의 극대화를 목표로 하므로 ‘망대특성(Higher-the-Better)’ 공식을 적용하였습니다. S/N 비는 평균값의 제곱과 분산의 관계를 로그 함수로 표현하여, 목표값에 근접하면서도 변동성이 최소화된 조건을 수치적으로 나타냅니다. 높은 S/N 비를 갖는 인자 수준이 최적의 조건으로 간주되며, 이는 외부 노이즈에 대해 공정이 얼마나 안정적인지를 보여주는 지표가 됩니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 75 mm x 50 mm x 3 mm 크기의 ASTM/UNS 2205 듀플렉스 스테인리스강 판재를 사용하여 맞대기 용접 방식으로 진행되었습니다. 용접 장비는 Electra Engineering의 400A급 IGBT 디지털 인버터를 사용하였으며, 2.4 mm 직경의 텅스텐 전극을 장착하였습니다. 용접 전류는 80, 85, 90 A로, 보호 가스인 아르곤 유량은 7, 7.5, 8 l/min으로, 용접 속도는 2.3, 2.8, 3.5 mm/s로 각각 3수준씩 설정되었습니다. 시편 제작 후 WEDM(와이어 방전 가공)을 사용하여 ASTM E8 표준에 따른 인장 시험편을 정밀 가공하였습니다.

Visual Data Summary

X-선 방사선 투과 시험 결과, 9개의 모든 시편에서 중대한 결함이 발견되지 않았으며, 일부 시편(1번, 5번)에서 미세한 언더컷이 관찰되었으나 모두 허용 범위 내에 있었습니다. 인장 시험 결과(Table 5), 5번 시편(85A, 7.5 l/min, 3.5 mm/s)에서 260 MPa의 높은 항복 강도를 보였으며, 9번 시편(90A, 8 l/min, 2.8 mm/s)에서 650 MPa의 최대 인장 강도를 기록하였습니다. S/N 비 주효과도(Fig. 5)와 평균 주효과도(Fig. 6)를 통해 각 인자의 수준 변화에 따른 그레이 관계 등급의 변화 추이를 시각적으로 확인하였으며, 모든 그래프에서 수준 3이 가장 높은 값을 나타냈습니다.

Variable Correlation Analysis

변수 간 상관관계 분석을 위해 수행된 ANOVA(Table 13) 결과, 용접 속도(S)의 P-값이 0.028로 나타나 95% 신뢰 수준에서 가장 유의미한 인자임이 입증되었습니다. 보호 가스 유량(F)의 P-값은 0.048로 두 번째로 높은 유의성을 보였으며, 용접 전류(C)는 0.098로 상대적으로 영향력이 낮았습니다. 이는 듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접 시 입열량을 결정하는 용접 속도의 정밀한 제어가 기계적 성질 확보에 가장 결정적인 역할을 함을 시사합니다. 또한, R-sq 값은 98.45%로 산출되어 본 실험 모델이 데이터의 변동성을 매우 높은 정확도로 설명하고 있음을 확인하였습니다.

Paper Details

Optimization of process parameters of TIG welding of duplex stainless steel without filler rod by grey-Taguchi method

1. Overview

• Title: Optimization of process parameters of TIG welding of duplex stainless steel without filler rod by grey-Taguchi method
• Author: Sandip Mondal, Pradip Kumar Pal, Goutam Nandi
• Year: 2021
• Journal: Indian Journal of Engineering & Materials Sciences

2. Abstract

용접 입력 파라미터는 용접 조인트의 품질을 생산하는 데 중요한 역할을 합니다. 용접 품질은 건전한 지식 기반을 갖춘 적절한 공정 파라미터를 사용하여 개선되었습니다. 전류, 용접 속도 및 보호 가스 유량은 듀플렉스 스테인리스강(DSS)에 대한 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접의 가장 중요한 영향 파라미터로 사용되었습니다. 본 연구에서는 듀플렉스 스테인리스강 – ASTM/UNS 2205의 TIG 용접 공정 파라미터에 대한 다중 목적 최적화가 결정되었습니다. 이러한 용접 공정 파라미터는 DSS 용접 조인트의 요구되는 품질을 달성하기 위해 최적화되었습니다. DSS에 대한 TIG 용접 품질은 인장 시험 측면에서 평가되었습니다. 이 다중 최적화 문제를 해결하기 위해 그레이 기반 다구치 기법이 사용되었습니다. 분산 분석(ANOVA)을 적용하여 최종 인장 강도, 항복 강도 및 연신율인 원하는 결과에 대한 개별 요인의 유의성을 평가하였습니다. 최적의 결과를 검증하기 위해 추가적인 확인 실험이 수행되었습니다. 본 연구를 통해 화학 산업, 정유소, 가스 제조 산업 등 많은 분야에서 DSS의 용접 품질을 지속적으로 발전시키기 위한 그레이 기반 다구치 방법의 적용 가능성을 보여주었습니다.

3. Methodology

3.1. 실험 설계: 다구치의 L9 직교 배열법을 사용하여 용접 전류, 가스 유량, 용접 속도의 3가지 독립 변수를 각각 3수준으로 설정하여 총 9회의 실험을 설계함.
3.2. 시편 준비 및 용접: ASTM/UNS 2205 듀플렉스 스테인리스강 판재를 세척 후 용가재 없이 TIG 용접을 수행하였으며, 아르곤 가스를 보호 가스로 사용함.
3.3. 품질 평가 및 최적화: 용접부의 건전성을 위해 X-선 검사를 수행하고, 인장 시험을 통해 얻은 데이터를 그레이 관계 분석(GRA)을 통해 정규화 및 통합 등급으로 변환하여 최적 조건을 도출함.

4. Key Results

본 연구의 핵심 결과는 최적의 용접 조건(A3-B3-C3: 전류 90A, 가스 유량 8 l/min, 용접 속도 3.5 mm/s)에서 기계적 성질이 극대화됨을 확인한 것입니다. ANOVA 분석 결과 용접 속도가 53.3%의 기여율로 가장 중요한 인자임이 밝혀졌으며, 확인 실험을 통해 그레이 관계 등급이 0.785715에서 0.945485로 크게 향상되었습니다. 인장 강도는 665 MPa로 예측치보다 높게 나타났으며, 모든 시편은 방사선 검사에서 결함 없는 합격 판정을 받았습니다. 이는 제안된 그레이-다구치 방법론이 DSS 용접 공정 최적화에 매우 효과적임을 입증합니다.

5. Mathematical Models

$$x_i(k) = \frac{y_i(k) – \min y_i(k)}{\max y_i(k) – \min y_i(k)}$$ (망대특성 정규화 공식)
$$\xi_i(k) = \frac{\Delta_{\min} + \psi \Delta_{\max}}{\Delta_{0i}(k) + \psi \Delta_{\max}}$$ (그레이 관계 계수 산출식, 여기서 $\psi=0.5$)
$$\gamma_i = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \xi_i(k)$$ (그레이 관계 등급 산출식)
$$SN = -10 \log \left[ \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{y_i^2} \right]$$ (망대특성 S/N 비 산출식)
$$\hat{\gamma} = \gamma_m + \sum_{i=1}^{o} (\bar{\gamma}_i – \gamma_m)$$ (예측 그레이 관계 등급 산출식)

Figure List

1. Fig. 1: TIG 용접 장치 구성도
2. Fig. 2: 용접 시편 2번의 사진
3. Fig. 3: 시편 4번 및 9번의 X-선 방사선 투과 필름
4. Fig. 4: 인장 시험편 준비 및 시험 후 시편 사진
5. Fig. 5: S/N 비에 대한 주효과도
6. Fig. 6: 평균값에 대한 주효과도

References

1. Palani P K, & Murugan N, J Manuf Process, 8 (2006) 90.
2. Del Coz Diaz J J, et al., Appl Therm Eng, 30 (2010) 2448.
3. Zou Y, et al., Mater Sci Eng A, 620 (2015) 140.
4. Juang S C, & Tarng Y S, J Mater Process Technol, 122 (2002) 33.
5. Tarng Y S, et al., Int J Adv Manuf Technol, 16 (2000) 688.

Technical Q&A

Q: 듀플렉스 스테인리스강(DSS) 용접에서 그레이-다구치 방법을 사용하는 주된 이유는 무엇입니까?

전통적인 다구치 방법은 단일 품질 특성 최적화에는 효과적이지만, 항복 강도, 인장 강도, 연신율과 같이 여러 응답 변수를 동시에 고려해야 하는 용접 공정에서는 한계가 있습니다. 그레이 관계 분석을 결합하면 이러한 다중 응답을 하나의 그레이 관계 등급으로 통합하여 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 복잡한 상관관계를 가진 공정 파라미터를 체계적으로 분석하고, 전체적인 용접 품질을 극대화하는 단일 최적 조건을 도출할 수 있기 때문입니다.

Q: 실험에서 사용된 세 가지 공정 파라미터 중 가장 영향력이 큰 것은 무엇이며 그 근거는 무엇입니까?

분산 분석(ANOVA) 결과에 따르면 용접 속도(Welding Speed)가 가장 큰 영향력을 미치는 것으로 나타났습니다. 용접 속도의 기여율은 약 53.3%로 계산되었으며, 통계적 유의성을 나타내는 P-값이 0.028로 설정된 유의 수준 0.05보다 작아 통계적으로 매우 유의미함이 입증되었습니다. 이는 용접 속도가 단위 길이당 입열량을 결정하는 핵심 요소로서, 듀플렉스 스테인리스강의 미세조직 형성과 기계적 성질에 결정적인 영향을 미치기 때문입니다.

Q: 최적의 파라미터 조합으로 도출된 결과는 구체적으로 무엇입니까?

본 연구에서 도출된 최적의 용접 파라미터 조합은 C3-F3-S3입니다. 이는 용접 전류 90 A, 보호 가스 유량 8 l/min, 용접 속도 3.5 mm/s를 의미합니다. 이 조건에서 그레이 관계 등급이 최대화되었으며, 확인 실험을 통해 항복 강도 270 MPa, 최종 인장 강도 665 MPa, 연신율 17.061%라는 우수한 기계적 성능이 확보됨을 검증하였습니다.

Q: X-선 방사선 투과 시험(X-ray radiography) 결과는 용접 품질에 대해 무엇을 시사합니까?

X-선 검사 결과, 실험에 사용된 9개의 모든 시편에서 균열, 기공, 슬래그 혼입과 같은 중대한 내부 결함이 발견되지 않았습니다. 일부 시편에서 미세한 언더컷이 관찰되었으나 모두 산업 표준에서 허용되는 범위 내에 있었습니다. 이는 본 연구에서 설정한 공정 파라미터 범위 내에서 수행된 TIG 용접이 구조적으로 건전한 조인트를 형성하고 있음을 시각적, 물리적으로 증명하는 것입니다.

Q: 확인 실험(Confirmatory experiment)의 목적과 그 결과의 의미는 무엇입니까?

확인 실험의 목적은 다구치 설계와 그레이 관계 분석을 통해 예측된 최적 조건이 실제 실험에서도 재현되는지 확인하고, 초기 설계 대비 품질 향상 정도를 검증하는 것입니다. 실험 결과, 예측된 그레이 관계 등급(0.899974)보다 실제 실험 등급(0.945485)이 더 높게 나타났으며, 이는 초기 실험 조건 대비 품질 지표가 0.15977만큼 개선되었음을 의미합니다. 결과적으로 제안된 최적화 모델의 신뢰성과 실용성을 확증하는 결과입니다.

Conclusion

본 연구는 그레이-다구치 방법론을 활용하여 듀플렉스 스테인리스강(ASTM/UNS 2205)의 용가재 없는 TIG 용접 공정을 성공적으로 최적화하였습니다. 실험 분석을 통해 용접 속도가 품질 결정의 가장 핵심적인 인자임을 규명하였으며, 전류 90A, 가스 유량 8 l/min, 속도 3.5 mm/s의 최적 조합을 제시하였습니다. 확인 실험 결과는 예측 모델과 높은 일치성을 보였으며, 기계적 강도와 연신율이 동시에 향상되는 성과를 거두었습니다. 이러한 결과는 고강도 및 고내식성이 요구되는 산업 현장에서 DSS 용접 공정의 신뢰성을 높이고 비용을 절감하는 데 중요한 기술적 근거를 제공합니다.

Source Information

Citation: Sandip Mondal, Pradip Kumar Pal & Goutam Nandi (2021). Optimization of process parameters of TIG welding of duplex stainless steel without filler rod by grey-Taguchi method. Indian Journal of Engineering & Materials Sciences.

DOI/Link: Not described in the paper

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