TIG 이중 전극 용접: 전기적 및 기하학적 파라미터가 공정 안정성과 용접부 품질에 미치는 영향 분석

TIG double-electrode welding: insights into electrical and geometric parameter effects on process stability and seam quality

본 연구는 적층 제조(Additive Manufacturing) 분야에서 생산성과 유연성을 높이기 위해 개발된 TIG 이중 전극(TIG-DE) 용접 공정의 물리적 특성을 분석합니다. 전기적 제어 변수와 토치 구성의 기하학적 배치가 아크의 거동 및 용접 비드 형성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하여 최적의 공정 범위를 제시합니다.

Paper Metadata

Industry: 적층 제조 (Additive Manufacturing), 용접 (Welding)
Material: 저합금강 S355JR (Material Number 1.0045)
Process: TIG 이중 전극 용접 (TIG-DE)

Keywords

TIG-DE
공정 최적화
공정 안정성
적층 제조
아크 압력
비드 형상

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 두 개의 TIG 토치(ABITIG MT 500W)와 독립적인 전원 공급 장치(EWM Tetrix 300)를 결합한 실험 시스템을 구축하여 수행되었습니다. DEWETRON 측정 시스템을 통해 1 MHz의 샘플링 속도로 전류와 전압 데이터를 수집하였으며, 고속 카메라를 동기화하여 아크의 물리적 변형을 실시간으로 관찰하였습니다. 수냉식 구리판 상에서 NATEC PLP 2226 압력 센서를 활용해 아크 압력 분포를 정밀하게 측정함으로써 기하학적 변수에 따른 에너지 밀도 변화를 분석하였습니다.

Key Findings

전류가 증가함에 따라 용접 비드 폭이 확장되며, 특정 전류 임계값에서 전자기적 상호작용으로 인해 아크의 타원형 프로파일이 90도 회전하는 현상이 확인되었습니다. 단일 전극 공정 대비 이중 전극 공정은 동일한 총 전류(200 A) 조건에서 아크 압력을 약 1381 Pa에서 200 Pa로 현저히 낮추어 용융 풀의 안정적인 제어를 가능하게 합니다. 전극 간격이 5 mm를 초과할 경우 아크 분리 현상이 발생하여 용접 품질이 저하되는 정량적 한계를 도출하였습니다.

Industrial Applications

본 연구의 결과는 고속 적층 제조를 위한 DED-Arc 공정의 안정적인 파라미터 윈도우를 설정하는 데 직접적으로 기여합니다. 특히 대형 부품의 적층 시 입열량을 효율적으로 분산시키면서도 넓은 비드를 형성할 수 있어 생산 효율성을 극대화할 수 있습니다. 또한 공정 모니터링을 통해 아크 압력 변화를 감지함으로써 용접 결함을 사전에 예측하고 방지하는 산업적 가이드라인을 제공합니다.

Theoretical Background

로렌츠 힘과 아크 상호작용

이중 전극 시스템에서 인접한 두 전극 사이에는 강한 전자기적 상호작용이 발생하며, 이는 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 두 아크가 서로 끌어당겨져 하나의 병합된 아크를 형성하게 만듭니다. 이러한 상호작용은 아크의 형태와 에너지 밀도 분포를 결정하는 핵심적인 물리적 요인입니다. 전류의 크기와 전극 간격에 따라 아크의 타원형 장축 방향이 변화하며, 이는 용융 풀 내부의 유동과 최종적인 비드 형상에 직접적인 영향을 미칩니다.

아크 압력 분포 이론

아크 압력은 용융 풀의 침투 깊이와 비드 표면의 형상을 결정하는 주요 변수입니다. 이중 전극 공정에서는 두 전극 사이의 간격(D)에 따라 압력 중심이 하나로 합쳐지거나 두 개의 독립적인 정점으로 분리되는 특성을 보입니다. 적절한 간격 설정은 아크 압력을 효과적으로 분산시켜 과도한 침투로 인한 결함을 방지하고, 넓고 균일한 용접 비드를 형성하는 데 필수적인 이론적 근거를 제공합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 S355JR 저합금강판(100x50x8 mm)을 대상으로 수행되었으며, 순수 아르곤(Argon) 차폐 가스 환경에서 비드 온 플레이트(Bead-on-plate) 용접을 실시하였습니다. 전극 각도(40°, 50°), 전극 간격(2~10 mm), 아크 길이(3~6 mm), 용접 속도(3~15 mm/s)를 주요 변수로 설정하여 공정 창을 분석하였습니다. 각 실험 조건에서 전압과 전류의 시간적 프로파일을 기록하여 공정의 전기적 안정성을 평가하였습니다.

Visual Data Summary

아크 압력 등고선도 분석 결과, 전극 간격이 좁을 때 아크는 단일 정점을 가진 타원형 구조를 유지하며 안정적인 에너지 전달 특성을 보여주었습니다. 고속 카메라 영상 분석을 통해 용접 속도가 10 mm/s를 초과할 경우 아크가 용융 풀 후방으로 치우치며 이탈하는 현상이 시각적으로 확인되었습니다. 용접 범위 다이어그램(Welding Range Diagram)은 녹색(안정), 적색(품질 부족), 청색(용융 풀 형성 불량), 자색(아크 분리)으로 구분되어 각 파라미터 조합의 유효성을 명확히 제시합니다.

Variable Correlation Analysis

전류 증가와 비드 폭 사이에는 강한 양의 상관관계가 존재하며, 이는 입열량 증가에 따른 필연적인 결과로 분석됩니다. 그러나 전극 간격이 약 7 mm 이상으로 넓어지면 아크가 물리적으로 분리되어 비드 폭이 불규칙하게 변화하는 비선형적 거동을 보입니다. 전극 각도 50°는 40° 대비 더 집중된 열 분포와 우수한 모재 융합 효율을 제공하여, 적층 제조 공정에서 더 넓은 안정 영역을 확보하는 데 유리한 것으로 나타났습니다.

Paper Details

TIG double-electrode welding: insights into electrical and geometric parameter effects on process stability and seam quality

1. Overview

Title: TIG double-electrode welding: insights into electrical and geometric parameter effects on process stability and seam quality
Author: P. Schilling, P. Synnatzschke, T. Ungethüm, H. C. Schmale
Year: 2025
Journal: Welding in the World

2. Abstract

본 연구는 TIG 이중 전극(TIG-DE) 용접 공정을 조사한다. TIG-DE 공정 개발의 동기는 특히 적층 제조 응용 분야에서 생산성과 다목적성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력에 있다. 전기적 파라미터와 기하학적 구성 간의 상호작용에 초점을 맞추어 용접부 결과를 분석한다. 전류와 전압이 증가하면 용접 비드가 넓어지며, 높은 전류에서 타원형 침투 프로파일이 크게 재지향되는 것이 관찰된다. 50°와 같은 더 큰 전극 각도는 더 넓은 용접 비드를 생성하여 모재 융합과 전반적인 용접 견고성을 향상시켰다. 최적의 전극 간격은 아크 안정성과 용융 풀 제어에 결정적인 것으로 입증되었다. 좁은 전극 간격은 동일한 총 전류를 사용하는 단일 전극 공정에 비해 아크 압력이 낮고 약간 타원형인 아크 형상을 결과로 나타낸다. 간격이 넓어지면 아크 분리와 다중 아크 압력 최대값이 발생한다. 높은 용접 속도는 불안정성을 유발하여 아크가 용융 풀에서 이탈하게 하며, 이는 전압 프로파일의 방향 의존성에 의해 악화되는 현상이다. 토치 경사각, 전극 간격 및 아크 길이의 결합된 효과는 안정 및 불안정 파라미터 범위, 아크 분리 조건 및 불충분한 에너지 입력 시나리오를 묘사하는 용접 범위 다이어그램으로 시각화된다. 이러한 발견은 지속적인 연구의 필요성을 강조하며, 특히 적층 제조 응용 분야를 위한 TIG-DE 용접 공정을 개선하기 위한 고급 실증기 개발의 길을 열어준다.

3. Methodology

3.1. 실험 시스템 구축: 두 개의 ABITIG MT 500W 토치를 독립적인 EWM Tetrix 300 전원 공급 장치에 연결하여 개별 전류 제어가 가능하도록 구성하였습니다.
3.2. 정밀 데이터 측정: DEWETRON 시스템을 활용하여 1 MHz 샘플링 속도로 전압 및 전류를 측정하고, 고속 카메라(Photron FASTCam SA4)와 동기화하여 아크 거동을 기록하였습니다.
3.3. 아크 압력 스캔: 수냉식 구리판과 NATEC PLP 2226 센서를 사용하여 32×32 mm 영역에 대해 비등간격 그리드 방식으로 아크 압력 분포를 정밀 측정하였습니다.
3.4. 용접 실험 조건: S355JR 강판을 대상으로 병렬(Parallel) 및 탠덤(Tandem) 이동 모드에서 전극 각도, 간격, 속도 변수를 조합하여 비드 온 플레이트 용접을 수행하였습니다.

4. Key Results

전류가 50 A에서 200 A로 증가함에 따라 비드 폭은 선형적으로 증가하였으나, 탠덤 모드에서는 아크 형상의 90도 회전으로 인해 특정 구간에서 비드 폭 역전 현상이 관찰되었습니다. 50° 전극 각도는 40° 대비 더 넓은 공정 안정 영역을 확보하였으며, 특히 저전류 영역에서 우수한 용융 풀 형성 능력을 보여주었습니다. 전극 간격 4 mm 조건에서 아크 압력은 단일 전극 대비 약 1/7 수준으로 감소하여 용융 풀의 안정성을 극대화하는 최적치로 확인되었습니다. 용접 속도가 10 mm/s를 초과할 경우 아크 이탈 현상이 발생하며, 이는 전압 프로파일의 불균형과 결합되어 용접 품질을 저하시키는 주요 원인이 됩니다.

Figure List

Fig. 1: 실험 장치 구성 및 이동 방향(병렬/탠덤) 모식도
Fig. 2: 전원 공급 및 측정 장비 연결 회로도
Fig. 3: 기하학적 변수(각도, 간격, 길이) 시각화
Fig. 4: 아크 압력 측정을 위한 수냉식 실험 장치
Fig. 5: 전류 강도 및 용접 속도에 따른 비드 폭 변화 그래프
Fig. 6: 이동 모드(병렬 vs 탠덤)에 따른 비드 폭 비교
Fig. 7: 전류 크기에 따른 아크 압력 분포 등고선도
Fig. 8: 용접 방향에 따른 전압 및 전류의 시간적 프로파일
Fig. 9: 고속 용접 시 아크 변형 및 전압-전류 변동 특성
Fig. 10: 전극 각도 및 이동 모드별 용접 비드 외관 비교
Fig. 11: 단일 전극과 이중 전극의 아크 압력 프로파일 비교
Fig. 12: 전극 간격에 따른 비드 외관 및 압력 분포 변화
Fig. 13: 아크 길이에 따른 아크 압력 감쇠 특성
Fig. 14: 공정 변수별 안정성을 나타내는 용접 범위 다이어그램

References

Meredith R (1941) Welding torch. US19410373157 B23K9/035.
Spaniol E, et al. (2020) Development of a novel TIG hot-wire process for wire and arc additive manufacturing. Weld World 64(8):1329–1340.
Leng X, et al. (2006) The characteristic of twin-electrode TIG coupling arc pressure. J Phys D: Appl Phys 39(6):1120–1126.
Ding X, et al. (2014) Numerical analysis of arc characteristics in two-electrode GTAW. Int J Adv Manuf Technol 70(9–12):1867–1874.

Technical Q&A

Q: TIG 이중 전극(TIG-DE) 공정을 개발하게 된 주요 동기는 무엇입니까?

가장 큰 동기는 적층 제조(AM) 응용 분야에서 생산성과 다목적성을 크게 향상시키기 위함입니다. 기존 TIG 공정은 정밀도는 높지만 생산 속도가 제한적인데, 이중 전극을 통해 입열량을 효율적으로 제어하면서도 빠른 적층 속도를 확보하고자 하는 것이 핵심 목적입니다.

Q: 전극 각도가 40°에서 50°로 증가할 때 용접 결과에 어떤 변화가 생깁니까?

50° 전극 각도는 40°에 비해 아크를 더 강하게 집중시켜 모재의 융합을 돕고 더 넓은 용접 비드를 형성합니다. 실험 결과 50° 각도가 공정 안정성 측면에서 더 넓은 파라미터 범위를 제공하며, 특히 견고한 용접부를 형성하는 데 더 실용적인 것으로 확인되었습니다.

Q: 전극 간격이 아크 압력에 미치는 영향은 어떠합니까?

전극 간격이 좁을수록(약 4 mm) 두 아크가 효과적으로 병합되어 단일 전극 대비 아크 압력을 현저히 낮춥니다. 예를 들어 200 A 총 전류 조건에서 단일 전극은 1381 Pa의 압력을 보이지만, 이중 전극은 200 Pa 수준으로 압력을 분산시켜 용융 풀의 과도한 함몰을 방지합니다.

Q: 용접 속도가 빨라질 때 발생하는 ‘아크 이탈’ 현상이란 무엇입니까?

용접 속도가 약 10 mm/s 이상으로 높아지면 병합된 아크가 용융 풀의 중심에서 벗어나 후방 전극 쪽으로 치우치거나 완전히 분리되는 현상입니다. 이는 입열량 부족과 전압 프로파일의 방향 의존성으로 인해 발생하며, 용접 비드의 불연속성과 품질 저하를 초래합니다.

Q: 전류 크기에 따라 아크의 형상이 어떻게 변화합니까?

저전류에서는 두 전극을 잇는 축에 수직인 방향으로 장축을 가진 타원형 아크가 형성됩니다. 그러나 전류가 증가함에 따라 전자기적 상호작용이 강해지면서 아크의 타원형 프로파일이 90도 회전하여 전극 축과 평행한 방향으로 재지향되는 특성을 보입니다.

Conclusion

본 연구는 TIG 이중 전극 용접 공정에서 전기적 파라미터와 기하학적 구성이 공정 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였습니다. 특히 전류 증가에 따른 아크 형상의 재지향성과 전극 간격에 따른 아크 압력의 획기적인 감소 효과를 정량적으로 입증함으로써, 고효율 적층 제조를 위한 물리적 토대를 마련하였습니다. 50°의 토치 경사각과 약 4 mm의 전극 간격이 아크 안정성 및 용융 풀 제어 측면에서 최적의 조합임을 확인하였습니다.

결론적으로, 개발된 용접 범위 다이어그램은 산업 현장에서 DED-Arc 공정 설계 시 발생할 수 있는 아크 분리나 용융 부족 결함을 사전에 방지할 수 있는 실질적인 가이드를 제공합니다. 향후 연구는 이러한 파라미터 범위를 실제 산업 규모의 실증기에 적용하여 공정의 신뢰성을 높이고, 다양한 소재에 대한 적응성을 확장하는 방향으로 진행될 것입니다.

Source Information

Citation: P. Schilling, P. Synnatzschke, T. Ungethüm, H. C. Schmale (2025). TIG double-electrode welding: insights into electrical and geometric parameter effects on process stability and seam quality. Welding in the World.

DOI/Link: https://doi.org/10.1007/s40194-025-01927-5

Technical Review Resources for Engineers:

▶ Access the original research paper (PDF)

▶ FLOW-3D 솔루션 팀과 협의하여 기술적 타당성을 검토하시려면..