이중 와이어 클래딩 기술: 적층 제조에 대한 심층 분석

오버레이 용접 공정은 효율성이 높고 장비 비용이 저렴하며 부품의 제조 및 수리, 재료 표면 수정, 중소형 금속 부품의 유연한 생산에 널리 사용됩니다.

실제 지하 엔지니어링 장비를 사용할 때 장비는 복잡한 힘과 열악한 작업 조건에 노출됩니다.

예를 들어, 터널 천공기는 쉴드 공법을 사용하는 터널 천공기입니다. 지하에서 터널 천공기를 사용하는 동안 커터 헤드와 커터 헤드 보호 블록, 커팅 시트, 엣지 스크레이퍼 시트와 같은 관련 부품은 필연적으로 마모를 경험하게 됩니다.

오버레이 용접 프로세스 는 커터 헤드의 마모된 부품의 재제조 및 수리뿐만 아니라 부품의 내마모성을 높이기 위해 부품의 내마모층 및 내마모망의 첨가제 준비에도 적용됩니다. 실제 생산에서는 생산 효율성을 높이기 위해 더 큰 용접 전류를 사용하는 경우가 많습니다.

그러나 오버레이의 한계로 인해 용접 품질전류가 너무 크면 희석률이 증가하여 오버레이 용접 공정 중에 합금 조성물의 분리 및 액체 금속 손실과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.

반대로, 오버레이의 용접 전류가 증가하면 용접 애플리케이션 가 상대적으로 작으면 생산 효율성이 떨어집니다.

효율적인 용접 방법 인 이중 와이어 용접은 사람들의 관심이 점점 더 커지고 있습니다. 이중 와이어 용접은 높은 용접 증착 속도를 달성 할 수 있으며 또한 용접 솔기 이중 와이어 용접의 온도 필드와 열 사이클을 사용하여 오버레이 용접층의 미세 구조와 성능을 향상시킵니다.

따라서 오버레이 용접에서 이중 와이어 용접의 적용을 탐구하고 오버레이 용접의 성형과 품질의 균형을 맞추고 실제 생산 효율성을 향상시키는 것은 오버레이 용접의 실제 기술 적용에 큰 의미가 있습니다.

오버레이 용접 적층 제조 시스템

그리고 용접 전원 실험에 사용된 용접기는 CLOOS의 QINEO PULSE 600입니다. QINEO 용접기를 사용하여 소전류 작업을 수행할 때 펄스 용접를 사용하면 스패 터가 작고 성형이 아름답습니다.

이를 바탕으로 용접 이음새의 품질을 고려할 뿐만 아니라 용접 증착 효율을 크게 향상시킨 이중 와이어 용접 공정이 개발되었습니다. 이중 와이어 용접 장비는 두 개의 와이어가 동일한 풀에서 지속적으로 용융되는 이중 와이어 건 구조를 채택합니다.

전면 와이어는 후면 와이어를 예열하고 후면 와이어는 전면 와이어를 재가열하여 오버레이 용접 층의 미세 구조와 성능을 향상시킵니다.

두 개의 전선이 서로 절연되어 있기 때문에 유연하고 다양한 조합을 사용할 수 있습니다.

이를 통해 두 와이어의 파라미터를 독립적으로 조정할 수 있을 뿐만 아니라 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 두 가지 직경과 다른 재질의 와이어를 선택할 수 있으므로 광범위한 애플리케이션을 포괄할 수 있습니다.

공유 용융 풀 이중 와이어 용접의 작동 원리는 그림 1에 나와 있습니다.

실험에서 단일 와이어 용접과 비교하여 이중 와이어 용접 시스템을 통해 단일 와이어와 이중 와이어를 자유롭게 전환하는 반면 다른 용접 방법과 보호 가스 조건은 변경되지 않습니다.

이 실험에서는 클로스의 QINEO PULSE 600 용접기가 사용되었습니다. 용접력 소스를 사용하여 오버레이 용접 와이어를 녹이고, 클로스 로봇에는 용접 중 용접 건 움직임의 정확성을 보장하고 용접 속도를 제어하기 위해 이중 와이어 용접 건이 장착되어 있습니다. 오버레이 용접 시스템과 하드웨어의 일부 부품은 그림 2에 나와 있습니다.

실험 방법 및 프로세스

실험에 사용된 기본 재료는 다음과 같습니다. Q235 강철로 두께가 12mm이며 주요 화학 성분은 표 1에 나와 있습니다. 실험에 사용된 내마모성 용접 와이어는 DIN 8555 모델인 UTP AF ROBOTIC 600입니다: MSG 6-GF-60-GP 모델이며 주요 화학 성분은 표 2에 나와 있습니다. 용접 와이어의 직경은 1.2mm입니다. 사용된 보호 가스는 80% Ar + 20% CO입니다.₂.

표 1: 기본 재료의 화학적 조성(질량 분율)(%)

표 2: 용접 와이어의 화학적 조성(질량 분율)(%)

단일 와이어 용접의 기존 용접 매개변수는 표 3에 나와 있습니다.

표 3: 용접 매개변수 오버레이 용접용

용접 효과는 그림 3에 나와 있으며, 용접 폭은 10.64mm, 용접 높이는 3.43mm, 용착 깊이는 1.13mm입니다.

이중 와이어 오버레이 용접 테스트의 경우 용접 방법 및 차폐 가스 조건은 단일 와이어 오버레이 용접의 조건과 일치했습니다. 실험의 건조 연신율은 20mm였습니다. 직교 실험 방법을 사용하여 전방 와이어 전류, 후방 와이어 전류 및 용접 속도를 조정하여 3요소 및 4단계 직교 실험을 수행했습니다. 용접 폭과 용접 높이 데이터는 용접 형성을 관찰하고 측정하여 얻었습니다. 일부 용접 파라미터와 용접 크기는 표 4에 나와 있습니다.

표 4: 이중 와이어 용접의 용접 파라미터

이중 와이어 용접의 용접 전류, 용접 폭, 용접 높이 데이터를 분석해 보면 용접 전류와 용접 속도가 변할 때 용접 형성의 변화와 측정 오차에 따른 용접 폭과 높이의 변동을 고려할 때 용접 높이의 변화는 크지 않고 용접 폭의 변화가 더 두드러진다는 것을 알 수 있습니다.

용접 속도가 각각 35cm/min, 40cm/min, 45cm/min으로 일정하게 유지될 때 용접 폭과 전/후 와이어 전류 사이의 관계는 표면 방정식에 맞습니다.

설정된 표면 방정식 모델 함수는 다음과 같습니다:

공식에서:

Y - 용접 폭(mm);
x1 - 전면 와이어의 전류(A);
x2 - 백 와이어의 전류(A);
A0, A1, A2, A3, A4, 및 A5 - 계수.

용접 속도가 35cm/min, 40cm/min, 45cm/min인 경우 방정식의 계수 a3, a4, a5는 대략 0입니다. 속도가 35cm/min인 경우 표면 피팅 방정식은 다음과 같습니다:

따라서 피팅 방정식의 x1x2, x12, x22 항이 y 값에 미치는 영향은 상대적으로 작다고 추론할 수 있습니다.

피팅 공식을 사용하여 40cm/min 및 45cm/min의 속도로 실험 데이터를 테스트하고 앞쪽 및 뒤쪽 와이어의 전류 값을 입력하여 y 값을 구한 결과, 계산된 y 값과 실제 용접 폭은 상당히 균일한 오차를 보였습니다.

그림 4와 같이 이중 와이어 용접의 용접 폭과 전류 사이의 관계는 공식 (2)에서 얻을 수 있습니다.

공식 (2)에 따르면 용접 폭은 전면 및 후면 와이어의 전류와 양의 상관 관계가 있으며 선형 관계에 가까우며 후면 와이어 전류의 영향이 더 큽니다. 실제 용접 공정에서 앞 와이어는 뒷 와이어에 예열 효과가 있는 반면, 뒷 와이어는 용융 풀에 상당한 영향을 미칩니다.

용융 풀은 백 와이어의 아크 힘과 지속적인 열의 영향을 받아 용융 풀에서 금속 액체가 흐르는 경향이 증가하여 궁극적으로 용접 폭이 증가합니다.

이중 와이어 표면의 용접 전류가 140A 및 120A이고 용접 속도가 30cm / 분일 때 용접 폭은 10.73mm, 높이는 3.23mm, 관통 깊이는 0.82mm입니다. 그림 5와 같이 표면 처리 효과가 좋습니다.

이때 이중 와이어 표면의 크기는 단일 와이어 표면과 유사하며 이중 와이어 표면의 침투 깊이는 더 얕습니다. 그리고 열 영향 구역 가 감소하면 모재와의 반응 정도가 감소하고 희석 속도가 감소하여 표면 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

용접 속도가 기존 단일 와이어 서피싱에 비해 50% 이상 증가하여 생산 효율성이 크게 향상되었습니다.

미세 구조 테스트 및 분석:

이중 와이어 표면 및 단일 와이어 표면 샘플의 경우 절단하여 20mm×10mm×10mm 표면 시편을 얻고 그 성능을 테스트하고 분석했습니다. 용접 매개변수는 표 5에 나와 있습니다.

표 5 시편의 주요 용접 파라미터

미세 경도 테스트

샘플의 미세 경도 테스트에는 중국산 600HVS-1000AVT 타입 이미지 미세 경도 시험기를 사용했습니다. 비커스 압자는 4면이 피라미드 모양인 것을 사용했습니다. 하중은 300g(2.94N)과 100g(98N)이었고, 유지 시간은 15초였습니다.

이중 와이어 용접 및 단일 와이어 용접 샘플은 도트 측정을 위해 1mm 간격으로 용접 표면을 초기 측정 지점으로 시작하여 융착선을 따라 측정했습니다.

각 측정 지점에서 여러 번 측정하여 평균값을 구한 결과 단면 평균 미세 경도 분포 곡선이 도출되었습니다(그림 6 참조).

그림 6에서 용접 표면 위치에서 이중 와이어 용접과 단일 와이어 용접 샘플의 경도 값이 비슷하다는 것을 알 수 있습니다.

용접 비드 표면에서 3mm 떨어진 거리까지 복선 용접 샘플의 경도 값은 기본적으로 변하지 않고 복선 용접 샘플 2의 경도 값은 약간 증가하는 반면 단선 용접 샘플의 경도 값은 점차 감소합니다.

용접 비드 표면에서 3~5mm 떨어진 거리에서 이중 와이어 용접 및 단일 와이어 용접 샘플의 경도 값은 매트릭스 경도(140HV0.2)에 가까워질 때까지 급격히 감소합니다.

미세 경도 테스트 결과, 이중 와이어 용접 샘플의 표면층 표면 경도가 700HV0.2 이상으로 실제 표면 적용의 경도 요구 사항을 충족하는 것을 확인할 수 있습니다.

단일 와이어 표면 처리 및 이중 와이어 표면 처리 중에는 합금 원소 의 표면층이 모재 쪽으로 확산되며, 표면층이 모재에 가까울수록 경도가 더 뚜렷하게 감소합니다.

경도 분포 곡선을 통해 단일 와이어 표면 처리 시 확산 과정이 상대적으로 안정적이며 경도 값은 거리에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 유추할 수 있습니다.

표면층이 모재에 가까워질수록 경도 값은 점차 감소합니다.

이중 와이어 표면화에서 이중 와이어 용접에서 온도 필드와 열 사이클을 사용하면 요소 확산 프로세스가 개선되고 표면화 층의 구조와 특성이 최적화되며 표면화 층의 표면으로부터 일정 범위의 거리 내에서 경도 값은 기본적으로 변하지 않습니다.

마찰 및 마모 성능 테스트

이중 와이어 표면 샘플과 단일 와이어 표면 샘플을 동일한 환경 조건(온도: 28-30°C, 습도: 60%)에서 HT 1000 볼온디스크 기계에서 건식 슬라이딩 마모 테스트를 실시했습니다.

테스트를 위해 직경 4mm의 Si3N4 볼을 선택하고 하중은 10N으로 고정하고 슬라이딩 속도는 59mm/s로 고정했으며 마모 시간은 30분으로 설정했습니다. 마모량은 FA2104 정밀 저울을 사용하여 측정했습니다.

테스트 과정을 관찰한 결과, 더 작은 하중과 낮은 속도에서 이중 와이어 용접 샘플 2는 연마 마모와 소성 변형이 결합된 가벼운 마모가 짧은 시간 동안 발생했지만 약 1분 후에 안정화되는 것으로 나타났습니다.

마찰 계수 곡선의 추세는 단선 용접 샘플과 유사하게 변화했습니다. 이중 와이어 용접 샘플 1의 마찰 계수는 크게 변동했고, 이중 와이어 용접 샘플 3은 더 오랜 시간이 지난 후 마찰 정상 상태 단계에 진입했습니다.

단선 용접 샘플의 마찰 계수가 0.4 정도로 가장 작았고, 이중선 용접의 마찰 계수는 0.6~0.8로 변동했습니다.

시료 온도가 낮았기 때문에 어떤 시료에서도 용융 마모가 관찰되지 않았습니다. 마찰 및 마모 성능 테스트 결과는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7b에서 이중 와이어 용접 샘플의 마찰 손실이 매우 작은 반면 단일 와이어 용접 샘플의 마찰 손실은 약 1.5g임을 알 수 있습니다.

마찰 및 마모 성능 테스트 결과에 따르면 단선 표면과 비교하여 이중선 표면은 마찰 계수가 증가하고 마모량이 감소하는 것으로 나타났습니다.

그림 7: 샘플의 마찰 및 마모 성능 테스트 결과.

마모 표면 구조 성능 테스트

재료 마모는 복잡한 과정입니다. 마모량 손실 원인을 확인하기 위해 마찰 테스트 후 이중 와이어 증착 용접 샘플과 단일 와이어 증착 용접 샘플의 마모 표면의 형태 및 성분 분석을 자이스 시그마 주사 전자 현미경(SEM)과 Smartedx 에너지 분산 분광기(EDS)를 사용하여 수행했습니다.

마찰 테스트 후 이중 와이어 증착 용접 샘플과 단일 와이어 증착 용접 샘플의 마모된 표면의 SEM 및 EDS 이미지는 그림 8에 나와 있습니다.

그림 8에서 이중 와이어 용접 샘플 1의 표면은 주로 소량의 접착 자국이있는 얕고 미세한 쟁기 자국으로 구성되어 있음을 알 수 있습니다.

이때 마모는 주로 마모성 마모입니다. 단일 와이어 용접 샘플 표면의 접착 면적이 증가하고 흰색 입자가 많이 있습니다.

EDS 비교 및 분석을 통해 백색 입자는 주로 Si 원소를 포함하는 화합물인 것으로 확인되었습니다. 실리콘 화합물은 주로 건식 마찰 마모 공정에서 역마찰 쌍의 경도가 높기 때문입니다.

시료 표면에 부착된 마모 입자는 이때 주로 마모는 마모성 마모와 접착성 마모입니다.

단선 증착 시 실리콘 화합물을 형성하는 금속 결정은 접착 방지 특성이 좋지 않아 마찰 시 접착 마모가 증가하고 마모가 증가하는 것으로 추론됩니다.

이중 와이어 증착 과정에서 실리콘 화합물의 조성과 결정화가 개선되어 마모가 감소합니다.

결론

용접 작업에서는 이중 와이어 증착 용접 방법을 채택합니다. 용접 매개 변수를 조정하고 증착층의 형성 크기를 제어하고 이중 와이어 용접의 온도 장 및 열주기 특성을 활용하여 용접의 구성 및 결정화를 개선하고 희석 속도를 줄입니다.

이는 증착층의 조직 성능과 내마모성을 어느 정도 향상시키고 증착 용접의 효율을 크게 향상시킵니다.

이 연구 결과는 지하 엔지니어링 장비의 증착 용접 적용뿐만 아니라 증착 용접 및 아크 적층 제조 분야에서 이중 와이어 용접의 적용에 대한 기준값을 제공합니다.