전류가 증가함에 따라 클래딩층의 깊이와 폭은 증가하고 높이는 감소합니다. 이는 전류 증가로 인해 발생하는 열이 클래딩 금속뿐만 아니라 기판의 일부도 녹이고, 클래딩과 기판이 혼합되어 클래딩층 전체가 침하되기 때문입니다. 결과적으로 용융 깊이가 증가하고 높이가 감소합니다. 또한 전류가 증가하면 플라즈마 아크가 더 거칠어지고 열원의 온도 범위가 넓어지며, 기판 내 용융 풀의 확산 능력이 강해져 용융 풀의 폭이 증가합니다.
1.2 효과용접용융된 클래딩 층의 성형 속도

표 3.2 용접 속도에 따른 용융 클래딩층의 단면 형상

용접 속도가 증가함에 따라 클래딩층의 용융 깊이가 감소하고, 층 높이는 처음에는 급격히 감소하다가 서서히 줄어들며, 폭도 감소합니다. 용접 속도가 4mm/s일 때, 클래딩 금속이 일정 수준까지 증가하면 용융 깊이는 1.17mm가 됩니다. 이때 단위 길이당 열 입력량이 모재를 더 이상 용융시키기에 충분하지 않아 용융 클래딩층의 높이가 4.34mm까지 계속 증가합니다. 용접 속도가 5mm/s로 증가하면 단위 길이당 열 입력량과 와이어 공급량이 감소하므로 용융 깊이, 층 높이, 폭이 모두 감소합니다. 용접 속도가 계속 증가하면 앞서 언급한 바와 같이 열 입력량이 부족하여 모재의 일부만 용융되고, 용융 클래딩층의 높이는 처음에는 급격히 감소하다가 서서히 줄어들며, 폭도 감소합니다. 앞서 언급했듯이 용접 속도가 계속 증가하면 이때 열 입력이 불충분해져 모재의 일부만 녹게 되고, 용융 피복층이 처지지 않아 용융 깊이가 더 많이 감소하는 반면 층 높이는 덜 감소하게 됩니다.

1.3 와이어 공급 속도가 클래딩층 성형에 미치는 영향

표 3.3 다양한 와이어 공급 속도에 따른 클래딩 층 단면의 기하학적 치수.

용접봉 이송 속도가 증가함에 따라 클래딩층의 깊이와 폭은 감소하고 층 높이는 증가합니다. 이는 전류와 용접 속도가 일정할 때 단위 길이당 열 입력량이 일정하기 때문입니다. 용접봉 이송 속도가 증가하면 단위 길이당 용가재량이 증가하고, 클래딩 금속이 흡수해야 하는 열량이 많아집니다. 이때, 전체 클래딩층을 완전히 용융시키기에 충분한 열 입력량이 확보되지 못하면 모재 부분의 용융량이 줄어들어 용융 깊이가 감소하고 층 높이가 증가합니다. 또한 모재 부분에 가까운 클래딩 금속의 확산 능력이 저하되어 폭이 급격히 감소합니다.

요약하자면, 플라즈마 아크 클래딩을 이용한 2205 듀플렉스 스테인리스강 층 형성에 효과적인 공정 변수 범위는 전류 90A~110A, 용접 속도 4mm/s~6mm/s, 와이어 공급 속도 50mm/s~70mm/s, 이온 가스 유량 1.5L/min입니다.
2. 반응 표면 방법을 기반으로 한 용융 클래딩층 형성 공정 매개변수 최적화
반응표면법(Response surface method, RSM)은 실험 설계와 통계적 최적화 기법을 결합한 방법으로, 시험 데이터 분석을 통해 영향 인자와 반응 값의 적합 함수 및 3차원 표면 지도를 도출하여 실제 시험 결과와 영향 인자 및 반응 값 사이의 관계를 직관적으로 보여주고 예측 및 최적화 역할을 수행할 수 있습니다. 이러한 이유로 중심 합성 설계(Central composite design, CCD)에 RSM을 적용하여 공정 최적화 프로그램을 개발하고, 전류, 용접 속도, 와이어 공급 속도 및 용융 클래딩층 희석률, 종횡비 간의 관계를 탐색하고, 수학적 모델링을 통해 공정 변수와 희석률, 종횡비 간의 관계를 도출하여 용융 클래딩층 품질을 예측하고자 합니다.

2.1 공정 변수가 클래딩층 희석률에 미치는 영향.

표 3.8 공정 최적화 결과 및 검증