기술 자료 / STS 박판 벨로우즈 의 마이크 로 티그 용접부 형상 에 미치 는 공정 변수 의 영향 - 고등 기술 연구원 로봇 생산 기술 센터 김용 , 박기영 - 벨로우즈 ( bellows ) 는 밸브 , 자동차 부품 , 반도체 장비 , 유량 및 압력 센서 , 항공기 용 부품 등 산업 용 기계 의 요소 부품 으로서 널리 사용 되 고 있 다 . 
 기술 자료 : STS 박판 벨로우즈 의 마이크 로 티그 용접부 형상 에 미치 는 공정 변수 의 영향 
 STS 박판 벨로우즈 의 마이크 로 티그 용접부 형상 에 미치 는 공정 변수 의 영향 
 고등 기술 연구원 로봇 생산 기술 센터 김용 , 박기영 
 Effect of Process Parameters on Welded Bead Formation in Micro TIG Welding of Stainless Steel Bellows Yong Kim and Ki - Young Park 
 벨로우즈 ( bellows ) 는 밸브 , 자동차 부품 , 반도체 장비 , 유량 및 압력 센서 , 항공기 용 부품 등 산업 용 기계 의 요소 부품 으로서 널리 사용 되 고 있 다 . 벨로우즈 는 그림 1 과 같이 주름 을 갖 는 하나 의 다이 아프 램 ( diaphragm ) 을 중첩 시켜 여러 개 의 파형 ( convolution ) 을 갖 는 유연 한 쉘 ( flexible sheel ) 구조 로 이루어져 있 다 . 
 이 와 같 은 형태 를 갖 는 벨로우즈 의 제작 을 위해서 는 암 , 수 의 다이 아프 램 을 겹쳐 그 사이 에 Cu 합금 으로 된 냉각 링 ( chill ring ) 을 삽입 하 고 내경 을 용접 하 여 낱개 의 파형 셀 을 만들 어 낸 후 다시 이 들 을 꿰 어 회전 시키 며 외경 을 용접 한다 . 작업자 는 용접 이 진행 되 는 동안 현미경 을 통해 용접 토치 팁 ( tip ) 과 용접부 위 와 의 거리 를 일정 하 게 유지 해야 하 며 , 또한 용접선 을 정확히 따라가 도록 조종 하 는 작업 을 하 게 되 며 한 개 의 파형 셀 에 대한 용접 이 끝나 면 다음 으로 옮겨 반복 된 작업 을 계속 하 는 상당히 숙련 된 기술 을 필요 로 한다 . 벨로우즈 는 사용 환경 의 특성 상 매우 까다로운 용접 품질 이 요구 되 는 데 보통 작업 과정 에서 토치 위치 , 입 열량 , 갭 등 일반 적 인 공정 변수 에 의해 용접 불량 이 발생 할 수 있 으며 , 실제 제품 에서 는 하나 의 미세 불량 도 용납 되 지 않 는다 . 이 에 따라 일부 선진 기업 에서 는 용접 품질 의 철저 한 관리 를 위해 클린 룸 에서 작업 하 는 경우 도 있 으며 , 어떠 한 경우 에 도 용접 전 불순물 제거 를 위한 세척 작업 과 용접 후 전수 검사 를 통해 그 품질 을 보증 한다 . 
 벨로우즈 용접 에서 고려 할 수 있 는 모든 변수 는 총 12 가지 가 있 으며 , 이 는 하드웨어 적 인 변수 와 공정 조건 에 관련 된 변수 로 구분 할 수 있 다 . 우선 시스템 적 변수 로 는 이 음부 를 중심 으로 한 토치 팁 의 상하좌우 위치 공차 및 벨로우즈 의 정렬 불량 과 그 에 따른 갭 , 그리고 용접 각도 및 Cu 냉각 링 의 상태 , 마지막 으로 성형 중 발생 된 버르 ( burr ) 등 이 있 다 . 한편 공정 조건 변수 로 는 용접 전류 , 전압 및 속도 에 따른 입 열량 과 함께 보호 가스 , 텅스텐 봉 끝단 의 관리 정도 , 용접부 오염 정도 및 용접 극성 등 이 고려 된다 . 본 연구 에서 는 이 에 따라 벨로우즈 용접 에서 발생 할 수 있 는 12 가지 의 변수 중 에 주요 인자 를 선정 하 여 그 중 정량 적 평가 가 가능 한 5 가지 의 변수 에 대해 비드 형상 에 미치 는 영향 을 살펴보 았 다 . 
 실험 장치 의 전체 형상 은 그림 2 와 같 고 실험 대상 벨로우즈 는 오스테나이트 계 304 스테인리스 스틸 박판 을 사용 하 였 다 . 
 이 의 두께 는 0 . 15 t , 외경 은 145 mm , 내경 은 123 mm 이 다 . 용접기 는 0 . 1 A 단위 로 도 가변 이 가능 한 마이크 로 GTAW 용접기 를 사용 하 였으며 , 회전 지그 로 는 소형 선반 을 이용 하 였 다 . 토치 끝 단 팁 위치 는 실체 현미경 을 사용 하 여 10 배 확대 하 여 정밀 제어 하 였으며 , 용접 용 보호 가스 로 는 아르곤 을 적용 하 였 다 . 
 표 1 에 제시 된 양산 조건 을 최적 조건 이 라 가정 하 여 이 를 중심 으로 각 공정 변수 별 3 ~ 4 수준 의 실험 을 하 였으며 , 회전 중 와 블링 으로 인한 오차 를 최소 화 하 고 결과 의 재현 성 을 확보 하 기 위해 1 / 4 영역 만 을 용접 하 였 다 . 용접 결과 의 분석 을 위해 에폭시 마운 팅 을 통해 각 용접 시편 의 단면 을 확보 하 고 이 를 그림 3 과 같 은 기준 을 갖 고 이미지 분석 을 통해 그 크기 를 정확히 측정 하 였 다 . 
 Arc current 	 5 . 0 A 
 Arc voltage 	 12 . 5 V 
 Welding speed 	 0 . 6 m / min 
 Shielding gas flow 	 Ar 15 ℓ/ min 
 Tungsten tip distance 	 2 . 5 mm 
 표 1 . Standard welding conditions 
 통상 적 으로 벨로우즈 용접부 의 품질 은 용접 비드 형상 분석 을 통해 이뤄지며 , 비드 좌우 대칭 성 의 경우 L 2 의 값 이 높 은 곳 을 기준 하 여 , L 2 와 L 1 의 비 가 두 배 이하 가 되 어야 한다 ( 그림 3 참조 ) . 또한 비드 넓이 는 thickness × 2 . 2 ~ 2 . 8 사이 , 비드 높이 는 thickness × 1 . 2 이상 이 되 어야 한다 . 본 실험 에 사용 된 벨로우즈 의 두께 는 0 . 15 t 로서 이 와 같 은 품질 기준 에 따라 높이 는 0 . 18 mm 이상 , 넓이 는 0 . 33 ~ 0 . 42 mm 범위 내 에 들어와야 한다 . 이 를 바탕 으로 이상 적 인 비드 형상 을 CAD 로 계산 할 경우 , 높이 0 . 293 mm , 폭 은 0 . 37 mm , 이 에 따른 전체 용융 면적 은 0 . 101 mm 2 이 되 어야 한다 . 본 실험 에서 는 이상 과 같 은 품질 기준 을 통해 각 공정 변수 에 따른 민감 도 에 대한 확인 과 함께 벨로우즈 용접 품질 에 영향 을 미치 는 최대 변수 에 대해 파악 하 고자 하 였 다 . 
 ( 1 ) 팁 좌우 조준 위치 에 따른 영향 
 기타 용접 조건 은 표 1 과 같이 놓 고 , 용접선 을 기준 으로 텅스텐 봉 끝단 의 조준 위치 만 그림 4 와 같이 변화 시켜 가 며 용접 한 결과 , 그림 5 와 같이 한 쪽 으로 치우 칠수록 비드 좌우 대칭 성 에 영향 을 미치 는 것 으로 나타났 다 . 
 좌우 대칭 성 은 앞선 그림 3 과 같이 L 2 와 L 1 값 을 기준 하 여 판단 하 며 , 그 값 이 2 이상 이 면 품질 기준 을 벗어난다 . 본 실험 에서 비드 폭 과 높이 는 범위 내 에서 벗어날수록 점점 감소 하 다가 완전히 벗어난 4 번 조건 에서 다시 증가 되 는 형상 을 나타냈으며 , 예상 과 같이 아크 쏠림 으로 인해 좌우 비드 가 대칭 성 의 문제 로 인해 용접 불량 이 발생 하 였 다 . 이 에 따라 0 . 15 t 벨로우즈 의 모서리 이음 에서 의 허용 가능 영역 은 센터 기준 ± 0 . 15 mm 이하 로 정밀 한 위치 고수 가 요구 되 는 것 을 확인 하 였 다 . 
 ( 2 ) 팁 높이 에 따른 비드 형상 변화 
 마이크 로 TIG 용접 을 수행 함 에 있 어서 팁 의 높이 는 용접 품질 을 결정 하 는 주요 인자 가 된다 . 동일 입 열량 에서 도 팁 높이 에 따라 용융 량 이 달라지 는 것 은 아크 용접 의 기본 원칙 이 된다 . 본 연구 에서 도 , 이 와 같 은 일반 적 사실 을 바탕 으로 정상 높이 2 . 5 mm 를 기준 하 여 1 mm 및 4 mm 높이 에 대해 실험 하 여 그 영향 에 대해 확인 하 였 다 . 
 이미지 분석 결과 팁 높이 는 그림 6 과 같이 벨로우즈 용접부 의 품질 에 매우 큰 영향 을 미치 는 것 으로 나타났 다 . 그림 7 은 팁 높이 에 따른 비드 폭 , 높이 및 용융 면적 변화 에 대한 경향 을 그래프 로 나타내 것 으로서 팁 높이 변화 에 따라 동일 용접 조건 에서 도 큰 차이 를 보이 는 것 을 알 수 있 다 . 팁 이 모재 와 매우 근접 한 1 mm 거리 에서 는 전체 적 으로 비대 한 비드 를 형성 하 였 고 점점 멀 어 질수록 그 크기 는 전체 적 으로 감소 된 결과 를 나타내 었 다 . 그림 6 의 1 번 조건 은 품질 규정 에서 비드 폭 이 0 . 42 mm 이하 의 조건 을 만족 하 지 못하 였으며 , 3 번 조건 에서 는 불 안정 한 아크 로 인해 약간 의 험 핑 비드 가 발생 되 었 다 . 이 에 따라 벨로우즈 의 용접 에서 는 전 영역 에 걸쳐 � L 높이 가 균일 하 게 고수 되 어야 함 을 알 수 있 었 다 . 
 ( 3 ) 입 열량 ( 전류 ) 의 영향 
 용융 용접 에서 입 열량 ( 전류 , 전압 및 속도 ) 은 공정 중 최우선 변수 로서 고려 된다 . 이 에 따라 기준 조건 인 5 A 전류 를 기준 으로 ± 3 A 까지 용접 후 비드 형상 변화 를 측정 하 였 다 . 결과 는 앞서 제시 된 비드 폭 과 높이 의 품질 기준 을 적용 하 여 적정 범위 를 산정 하 였으며 , 그 결과 그림 8 과 같이 4 A 이상 에서 는 모두 품질 기준 을 만족 하 였 다 . 
 최소 입 열인 2 A 적용 시 에 는 비드 폭 과 높이 가 모두 기준치 를 만족 하 지 못하 였으며 , 3 A 의 전류 에서 도 비드 폭 이 0 . 33 mm 이상 을 초과 하 지 못하 였 다 . 반면 7 A 이상 에서 는 품질 기준 은 만족 하 였으나 약간 비대 한 비드 의 형성 과 함께 품질 기준 의 상한 에 근접 하 였 다 . 그림 8 을 살펴보 면 5 A 의 기준 전류 값 이상 에서 는 비드 ( 폭 , 높이 ) 크기 가 거의 변하 지 않 으며 , 실제 용접 시 에 는 6 . 25 J / cm 정도 의 입 열량 으로 용접 을 수행 하 는 것 이 가장 이상 적 인 용접 품질 을 얻 을 수 있 는 것 으로 나타났 다 . 또한 입 열량 은 비드 형성 에 어느 정도 영향 을 미치 긴 하 지만 적정 조건 이 유지 될 경우 범위 내 에서 는 품질 기준 을 좌우 하 는 최대 인자 는 아닌 것 으로 사료 된다 . 
 ( 4 ) 기타 변수 에 따른 영향 평가 
 1 ) 갭 에 의한 영향 
 모든 용접 에 있 어서 이 음부 관리 는 주요 변수 로 작용 하 며 특히 박판 에 대한 정밀 용접 의 경우 에 는 더욱 세심 한 주의 가 요구 된다 . 본 연구 에서 도 이 에 따라 0 . 1 mm 의 갭 을 임의 로 발생 시켜 정상 조건 에서 용접 후 정상 상태 와 비교 분석 하 였 다 . 그림 9 및 그림 10 은 그 결과 로서 비드 폭 은 갭 발생량 에 비례 하 여 증가 하 였으며 , 전체 적 인 용융 면적 은 동일 하 였 다 . 이 에 따라 비드 높이 가 약간 줄어들 긴 하 였 지만 예측 과 달리 갭 에 의한 품질 민감 도 는 그리 크 지 않 은 것 으로 나타났 다 . 실제 양산 에서 도 지그 의 기계 적 압착 력 때문 에 갭 은 최대 0 . 1 mm 를 넘 지 않 으며 , 따라서 벨로우즈 용접 에서 갭 은 품질 에 영향 을 주 는 주요 인자 가 되 지 않 음 을 확인 하 였 다 . 
 2 ) 보호 가스 유량 에 따른 용접 성 
 아크 용접 에서 보호 가스 의 역할 은 용접 시 용융 풀 을 대기 로부터 보호 하 고 산화 를 방지 시키 는 역할 을 한다 . TIG 용접 은 일반 적 으로 불활성 가스 인 아르곤 을 많이 쓰 는데 , 이 는 He 보다 가격 이 저렴 하 면서 도 이온 화 에너지 가 높 아 우수 한 차폐 효과 를 기대 할 수 있 기 때문 이 다 . 이 에 따라 본 실험 에서 는 5 ~ 25 ℓ/ min 까지 보호 가스 적용 단계 를 달리 하 여 용접 하 여 비드 형상 에 미치 는 영향 을 확인 하 였 다 . 그 결과 그림 11 과 같이 우선 보호 가스 를 사용 치 않 는 경우 단면 형상 뿐 만 아니 라 비드 외관 에서 도 산화 를 유발 하 여 심각 한 불량 을 초래 하 게 된다 . 
 한편 가스 가 5 ℓ/ min 이상 적용 된 용접 시편 에서 는 유량 에 따른 비드 형상 의 변화 가 거의 없 는 것 으로 나타났 다 . 보다 확실 한 차폐 를 위해서 는 15 ℓ/ min 수준 이 요구 되 며 , 이 때 외관상 품질 도 가장 우수 하 게 나타났 다 . 
 3 ) 기타 용접 변수 에 따른 품질 영향 
 실험 방법 및 결과 를 정량 화 시킬 수 없 는 기타 용접 변수 에 대해 그 영향 을 객관적으로 확인 하 였 다 . 벨로우즈 는 앞서 언급 한 데 로 정밀 용접 이 요구 되 어 실체 현미경 을 이용 하 여 용접 하 게 되 는데 , 그림 12 는 그 화면 을 보여 주 고 있 다 . 그림 12 의 Cu 냉각 링 은 용접부 주변 산화 를 방지 하 고 열 의 방출 을 도와 줄 뿐 만 아니 라 지그 의 역할 도 겸하 게 된다 . 이러 한 냉각 링 을 적용 하 지 않 고 용접 할 경우 , 일단 앞서 언급 된 효과 를 전혀 기대 할 수 없 을 뿐 만 아니 라 기계 적 장착 력 을 최대 로 해도 와 블링 현상 으로 인해 용접 이 거의 불 가능 한 상태 가 된다 . 
 벨로우즈 는 또한 사용 환경 특성 상 우수 한 진공 특성 을 지녀야 하 며 , 이 에 따라 모든 용접 벨로우즈 는 누수 에 관한 전수 검사 를 통해 품질 을 보증 하 게 되 어 있 다 . 그러나 용접부 가 이 물질 로 오염 되 어 있 는 경우 그 부위 에 산화 가 발생 하 게 되 고 결함 으로 나타나 누수 에 직접 적 인 영향 을 미치 게 된다 . 따라서 벨로우즈 용접 환경 은 청결 하 게 유지 되 어야 하 며 경우 에 따라 클린 룸 에서 용접 이 이뤄지는 경우 도 있 다 . 따라서 용접 품질 확보 를 위해서 는 최소한 이 물질 방지 를 위해 각 공정 별 세척 작업 이 요구 된다 . 
 한편 텅스텐 봉 끝단 상태 는 그림 12 와 같이 항상 첨단 을 유지 하 여 미세 부위 의 정밀 용접 이 가능 토록 되 어야 하 며 , 마지막 으로 박판 프레스 성형 을 통해 제작 되 는 벨로우즈 는 버르 발생 을 최소 화 시켜 용접부 정렬 에 문제 가 없 도록 하 여야 한다 . 
 본 연구 에서 는 박판 벨로우즈 용접 에서 고려 되 어야 하 는 변수 중 정량 적 평가 가 가능 한 5 가지 의 변수 를 선정 하 여 비드 형상 에 미치 는 영향 을 확인 하 였으며 , 다음 과 같 은 결론 을 얻 을 수 있 었 다 . 
 ( 1 ) 벨로우즈 용접 품질 에 영향 을 미치 는 최대 인자 는 하드웨어 적 인 변수 와 관계 되 며 , 텅스텐 봉 끝단 의 상하좌우 위치 에 매우 민감 하 게 반응 함 을 알 수 있 었 다 . 
 ( 2 ) 0 . 15 t 벨로우즈 용접 에서 는 6 . 25 J / cm 의 입 열 조건 이 가장 이상 적 인 비드 를 형성 하 는 것 으로 확인 되 었 으며 , 기타 용접 공정 변수 는 적정 범위 에서 는 품질 에 큰 영향 을 미치 지 않 음 을 확인 하 였 다 . 
 ( 3 ) 벨로우즈 용접 시 용접 공정 변수 보다 는 지그 시스템 등 하드웨어 적 인 변수 가 품질 과 직결 되 므로 , 균일 한 품질 을 얻 기 위해서 는 시스템 관리 가 무엇 보다 중요 하 다 . 
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 3 . R . K . Holbert , et al , ‘ Laser Beam Welding of Stainless Steel Sheet ’, Welding Journal 66 - 8 ( 1987 ) , 21 - 25 
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