JP2017501877A - Ｔｉｇ溶接用溶加材 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的なワイヤー溶加材より熱流速の投入面積が広く、単位長さ当たりの入熱量が増加して、安定した溶接が可能なＴＩＧ溶接用溶加材を提供することを目的とする。前記のような目的を達成するため、本発明は、母材の上段に電極が位置し、前記電極と母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるＴＩＧ溶接用溶加材において、前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接用溶加材に関するものであり、さらに詳細には溶接生産性の高いＴＩＧ溶接用溶加材に関するものである。

一般的に、発電設備、海上プラント若しくは石油化学プラントの配管設備などには、低級材料の炭素鋼が主に用いられ、その内面にステンレス鋼やニッケル合金などの高強度で耐熱性、耐久性、耐腐食性などを有する異種金属で一定厚さに上盛溶接を行なって用いる。普通、かかる上盛溶接を肉盛溶接と言うが、非常に脆弱な環境で物理的性質の弱い金属が用いられる際、金属表面を溶接でコーティングし、耐腐食性、耐久性、耐磨耗性、強度などを向上させる方法として、比較的に安い単価で高い機械的・化学的特性を満たせるため、多く用いられている。

前記のような肉盛溶接は、多くの自動化装置に用いられている。例えば、登録特許第９０９５９６号は、パイプ内面の自動肉盛溶接装置に関するものであり、パイプが挿入・固定され、パイプを回転させる回転チャク部と、前記回転チャク部に固定されたパイプを貫通し、水平に平行に配置される１対のガイドワイヤーと、前記ガイドワイヤーを引張る引張部と、前記ガイドワイヤーによって支持され、パイプ内部に沿って移動可能であり、パイプ内面に肉盛溶接を行なう溶接部と、前記回転チャク部によってパイプが回転すると同時に前記溶接部が一側に移動し、パイプ内面に溶接ビードが螺旋を形成しながら連続的に肉盛溶接が行われるように制御する制御部とからなることを特徴とする構成である。

また、登録特許第３８３０１４号は、ホットワイヤーＴＩＧ溶接用トーチに関するものであり、直径が小さく、長さが長いパイプ内面の肉盛溶接を円満に行えるホットワイヤーＴＩＧ溶接用トーチに関するものであって、連結部と、前記連結部に連結され、適切な長さを有し、両端が絶縁体に連結される体部と、前記体部の長さ方向に対し角張って連結される電極部とで構成され、パイプ内部の直径が少なくとも１５０ｍｍの製品までも肉盛溶接が可能であり、１．５Ｍ程度の長さを有するパイプまでも内部の肉盛溶接が可能であるため、直径が小さく長さの長いパイプ内部の肉盛溶接に有用に適用できることを特徴とする構成である。

前記に開示された肉盛溶接装置は、その溶接方式にＴＩＧ溶接を提案している。

前記ＴＩＧ溶接は、溶接部の機械的特性及び耐腐食性に優れ、作業環境が清潔という長所があるものの、生産性が低いという大きな問題がある。生産性を高めるためには電流を高め、溶接速度を増加させなければならないが、大電流を用いるとアーク圧力に基づく強いアーク力によって溶融池の表面に酷い圧入現象が生じ、アンダーカット、ハンピング、そして分離ビードといった溶接欠陥が発生する。

また、溶着速度を高め、生産性を向上させるためには、ワイヤーの送給速度を高める必要があるが、１．０若しくは１．２ｍｍの細いワイヤーを用いる場合、高いワイヤーの送給速度のため、アーク熱を吸収できる時間に余裕が足りず、アーク中心から僅かにずれて送給されてもワイヤーが溶融できず溶融プールの外に弾き出されて、未溶融のワイヤーが形成される。前記のような未溶融のワイヤーが生じる場合、溶接が中断されて生産性が落ちるので、現場では十分高い電流で溶接する。したがって、送給速度を高める場合、基本的に電流を高めることになるが、この場合、大きなアーク力によるアンダーカットなどの溶接欠陥が発生し、母材溶込が大きくなるため、適用し難いという短所がある。

前記のような短所を克服するための構成として、本願出願人によって出願された韓国特許出願番号２０１２‐００９６７２０が挙げられる。

前記特許は、ＴＩＧ溶接に、平板状の断面を有する溶加材の適用を提案するものであって、従来のワイヤーの形に比べ溶接速度が高いという長所がある。

しかし、前記特許においては矩形の平板断面に限られているので、一部の断面形状を変更し、さらに高い生産速度を有する新しい形状の溶加材の断面へ改良の余地がある。

本発明は、前記のような従来技術の短所を克服するために導出されたものであり、一般的なワイヤー溶加材より熱流速の投入面積が広く、単位長さ当たりの入熱量が増加して、安定した溶接が可能なＴＩＧ溶接用溶加材を提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するため、本発明は、母材の上段に電極が位置し、前記電極と母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるＴＩＧ溶接用溶加材において、前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とする。

好ましくは、前記溶加材の断面は、幅と厚さで表現される平板が前記電極に向かって凹に曲がった形状であることを特徴とする。

さらに好ましくは、前記溶加材の断面は、母材の垂直線に対し、互いに対称であることを特徴とする。

好ましくは、前記溶加材の断面下段は、３次スプライン曲線であることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。

好ましくは、前記溶加材の断面下段は、円弧であることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。

好ましくは、前記溶加材の断面下段は、放物線であることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。

好ましくは、前記溶加材の断面下段は、母材と接触する地点を中心に両側が傾斜した直線形状であることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。

好ましくは、前記溶加材の断面は、水平に配置される中央平板と、前記中央平板の端の傾斜平板とから構成されることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。

さらに好ましくは、前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板より厚いことを特徴とする。

さらに好ましくは、前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板の厚さより１．１ないし２倍であることを特徴とする。

好ましくは、前記中央平板は、屈曲部をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、前記幅は３ｍｍないし１０ｍｍであり、厚さは０．３ないし１ｍｍであることを特徴とする。

好ましくは、前記溶加材の材質は、ステンレススチールであることを特徴とする。

さらに好ましくは、前記溶加材の材質は、ｓｕｓ３００系、ａｌｌｏｙ６２５、ｄｕｐｌｅｘ ｓｔｓ２２０９及びｓｕｐｅｒ ｄｕｐｌｅｘのうち、選択されたいずれか１つであることを特徴とする。

本発明にかかるＴＩＧ溶接用溶加材は、従来の円形の溶加材とは異なって電極方向に凹に曲がった比較的に大きな断面形状に構成したことにより、電極を通じて伝達される熱流速を幅広く吸収し、入熱量が増加する。その結果、相対的に低い溶接電流と低い溶加材の送給速度でも高い生産性及び安定した溶接を提供する効果がある。

ＴＩＧ溶接装置の一般的な構成である。 図１で発生するアーク形状のグラフである。 図２に示すアークに基づいたプラズマ流の曲線グラフである。 図３に示す流曲線の一部の構成である。 図３に示す流曲線において、一定の長さで示した法線である。 図５の法線を連結した断面曲線である。 図５を完成した断面曲線である。 図６の他の実施例である。 図６のさらに他の実施例である。 図６のさらに他の実施例である。 実施例に適用した溶加材の断面の長さである。 比較例のビード写真である。 実施例のビード写真である。 実施例の他のビード写真である。 断面分析のための説明図である。 比較例のビードの断面写真である。 実施例のビードの断面写真である。 実施例の他のビードの断面写真である。 実施例の他のビードの断面写真である。 試験例４にかかるビードの形状である。 図２０で形成されたビードの断面形状と、当該断面によるビードの高さ及び溶込深さのデータである。

以下、図面を参照し、本発明にかかる好適な実施例を具体的に説明する。

本発明にかかるＴＩＧ溶接用溶加材１０は、その断面形状を、ＴＩＧアークプラズマ内において溶加材１０に投入される熱量が最も多い形に定義することを特徴とする。

まず、ＴＩＧ溶接は、図１に示すように電極１、母材２、電極１と母材２との間に形成されるアーク３、前記アーク３周辺に供給されるシールドガス４とでモデリングされる。

前記アーク３は、電極１における１つの点から始まり、母材２において一定の幅で形成されるが、その内部もエネルギーを伝達するのでアーク３内部の表現も重要である。

アーク３内部は、位置関数であるプラズマ流５で表現することができる。ここで、プラズマ流５の外郭線がアーク３形状に該当する。

前記アーク３の平面は、円形に定義する。すなわち、前記図１のアーク３は、軸対称形状に定義する。

一方、前記のようなアーク３においては、プラズマ流５の法線方向に溶加材１０が位置する場合、アーク３によるプラズマが溶加材１０に投入する熱量が最も高いものに定義し、本発明は、前記プラズマ流５の法線面を算定し、溶加材１０の断面形状を決定することを特徴とする。

次に、前記アーク３の形状は、その内部のプラズマ流５によって母材２側の平面に形成される圧力分布若しくは熱流速分布がガウシアン分布の形を有するものであると仮定する。通常の自然現象の確率ではガウシアン分布の形を有する場合が多く、前述したように、ＴＩＧ３０溶接上のアーク３は電極１を基点に母材２へ拡散される分布特性などを考慮した場合、妥当な仮定である。

したがって、アーク３の形状ｆ（ｒ）は、次のように定義される。

ここで、ｒは電極１を原点とする半径方向の距離を意味し、ｆ（０）は電極１と母材２との間の垂直距離、すなわち、アーク３の長さを示し、σは分散を意味し、前記σ値はアーク３の半径方向の距離によって選択される。

図２は、σ＝１であり、ｆ（０）＝５の場合のアーク３の形状を示すグラフである。

一方、プラズマ流５は、ｆ（０）値を選択した後にσを調節し、前記プラズマ流５が母材２に接続する点を基準にｒ値を選定することができるが、ガウシアン分布の特性上、母材２に正確に接続せず収束するため、ｒ値を選定できないという短所がある。

したがって、本発明においては、実際のアーク３の長さに１０％分の長さを加えてプラズマ流５を形成し、実際のアーク３の長さのところに接する点を基準にｒを選定し、前記短所を克服した。

前記アーク３の長さの変更は、±１０％以内で適切に選択し、構成することができる。

図３は、アーク３の長さ、５を５．５にプラズマ流５を構成し、０地点でプラズマ流５が交差する値をｒに算定したとき、ｒ値が最初の０．２５から０．５単位で増加する１０個のプラズマ流５を示す図面である。

そして、図４は、アーク３の長さの下部０．５を除去したプラズマ流５を示す図面である。

一方、各プラズマ流５の経路のうち、原点に近接したプラズマ流５とｘ軸との交点、すなわち、ｙ値が０の地点（若しくは一定値）で法線を計算し、前記法線と隣接するプラズマ流５との交点を求めて、前記交点で該当プラズマ流５の法線を求め、続けて各プラズマ流５の接線を求める場合、プラズマ流５の法線連結曲線を得ることができる。

図５は、プラズマ流５を全体１０個に限定し、５個目の地点で各法線を用いて交点を求め、該当法線を示した図面である。

前記図５中、各プラズマ流５の法線地点を連続に連結する場合、図６のような曲線６を得ることができる。

プラズマが９０℃で溶加材に衝突する際に最も高いエネルギー吸収率を表すことに基づくと、前記曲線６が最も高いエネルギー吸収率を表す。また、前記曲線６は対称形であるため、実際には図７に示すような断面曲線７がアーク３に対し最も高い入熱量を表す。

すなわち、電極１を通じて瞬間的に生成される全てのアーク３が同様に、前記断面曲線７に垂直に吸収されるので、理論的には最も高い入熱量を表すのである。

前記断面曲線７と同一形の溶加材１０の断面を形成する場合、最も高い入熱量を表すが、前記曲線は複雑な数式によって表現され、実際に作製し難いので、簡略化して入熱量を増加させる形を構成することができる。

まず、図８に示すように、溶加材１０の断面は、矩形の平板を基に断面下段の中心がアーク３の原点に位置し、また、断面下段の中心の傾きが０であり、端部が一定の高さを有する３次スプライン曲線に定義することができる。

ここで、矩形の平板の幅は３ｍｍないし１０ｍｍであり、厚さは０．３ｍｍないし１ｍｍが好ましい。

その際、平板の幅が３ｍｍ未満である場合には生産性に問題があり、１０ｍｍを越える場合には溶融に問題がある。また、溶加材１０が電極１に正確に一致しない場合には、一部の未溶融が発生する恐れがある。

また、平板の厚さが０．３ｍｍ未満の場合には生産性に問題があり、１ｍｍを越える場合には溶融に問題がある。

また、前記溶加材１０は、通常のＴＩＧ溶接に用いられる全ての材質を適用することができる。例えば、ステンレススチール、ｓｕｓ３００系、ａｌｌｏｙ６２５、ｄｕｐｌｅｘ ｓｔｓ２２０９、ｓｕｐｅｒ ｄｕｐｌｅｘなどを適用することができる。

一方、前記のように３次スプライン曲線に定義する場合、前記断面曲線７の特性を十分に反映できるという長所がある。

また、図９に示すように、溶加材１０の断面を円弧状に構成することができる。

前記断面は、前記断面曲線７に非常に類似しており、また、平板において一部を折曲して構成することができるため、円形若しくは平板状の溶加材１０に比べ、高い入熱量を表す。

また、中心が原点に位置する２次放物線に構成することもできる。

そして、図１０（ａ）に示すように、折れた平板形状に構成することもできる。前記断面は、断面曲線７と一部差はあるが、溶加材１０の端部で高い入熱量を表すので、適切な入熱量を期待できる。

また、図１０（ｂ）に示すように、中央は平板状であり、前記平板の両端に傾いた平板が構成される形に具現化することもできる。

前記構成は、入熱量の面においては多少不利であるが、溶加材１０の供給及び電極１の下部に位置する点などでは有利であるという長所がある。

前記図１０（ｂ）の断面は、中央平板と傾いた平板とを異なる厚さで構成することができる。そのとき、中央平板部分の入熱量が高いので、傾いた平板より厚く形成することが好ましく、前記中央平板の厚さを前記傾いた平板に比べて１．１ないし２倍に形成することが好ましい。

１．１倍未満である場合には特に効果がなく、２倍を超える場合には中央平板部分に未溶融が発生する恐れがある。

また、図１０（ｃ）に示すように、中央平板に屈曲部９を形成して構成することができる。前記屈曲部９は、溶加材１０の送給とガイドなどのための構成に活用することができる。

すなわち、溶加材１０の断面形状を、平板を基に電極１に向かって凹に形成することが、従来の円形の断面状の溶加材１０に比べて高い入熱量を表し、平板状に比べても高い入熱量を表す。

また、前記溶加材１０の断面は、平板を基づかずに電極１を基に凹に形成することもできる。その際は非対称に構成することもできる。

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。

実施例
断面の幅が５ｍｍで厚さ０．６ｍｍのｓｕｓ３０４材質の平板溶加材１０を折曲し、図１１に示すように幅４．６ｍｍで高さ１．７ｍｍの対称３次曲線に形成してＴＩＧ溶接を行なった。

ベース材質はＳＳ４００であり、溶接速度は３８ｃｐｍ（ｃｍ／ｍｉｎ）、電流３６０Ａ、アークの長さは７ｍｍに設定した。

溶加材１０の送給速度は、２５０ｃｐｍから４００ｃｐｍまで１０ｃｐｍ単位に増加させて溶接した。前記送給（ｆｅｅｄ）速度によって単位時間当たりの溶着速度（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）が決定され、２５０ｃｐｍの場合は３．５１ｋｇ／ｈｒであり、４００ｃｐｍの場合は５．６２ｋｇ／ｈｒであり、中間送給速度は、補間して計算される。

比較例
断面の幅が５ｍｍで厚さ０．６ｍｍのｓｕｓ３０４材質の平板溶加材１０を、実施例と同じ条件でＴＩＧ溶接を行なった。

溶加材１０の送給速度は、２５０ｃｐｍから３００ｃｐｍまで１０ｃｐｍ単位に増加させて溶接した。

試験例１（ビードの外形分析）
前記実施例と比較例を対象にビードの外形を分析した。図１２は、比較例において各送給（ｆｅｅｄ）速度に対するビードの外形写真であり、送給速度が２９０ｃｐｍ以上の場合には、未溶融現象が起こることを確認することができた。

図１３及び図１４は、実施例において各送給速度によるビードの外形写真であり、４００ｃｐｍまで未溶融現象のない良好なビードが形成されることを確認することができた。

試験例２（ビードの断面分析）
前記実施例及び比較例によって形成されたビードの断面を分析した。ビードの断面は、図１５に示すように母材２表面のａとｂとの間に線を引き、中心で溶込を測定する（１地点）。そして、中心の両側に２ｍｍの間隔でさらに２回測定する（２、３、４及び５地点）。その後、５つの溶込深さの平均を計算した後、最大と最小の溶込深さを測定する（６及び７地点）。

図１６は、比較例にかかるビード断面の形状と当該ビード断面の溶込深さのデータであり、図１７、図１８及び図１９は、実施例にかかるビード断面の形状と当該ビード断面の溶込深さのデータである。前記データを通じて、実施例は比較例に近い溶接品質を有することを確認することができた。

試験例３（最大溶着速度）
試験例１及び試験例２を通じて最大溶着速度を計算すると、実施例は５．６ｋｇ／ｈｒ、比較例は３．９ｋｇ／ｈｒの溶着速度を表し、実施例にかかる溶加材１０が比較例に比べて数等の生産性を見せ、また試験例２で確認したように類似した溶接品質を見せることが確認される。

試験例４（多重ビード形成試験）
実施例の溶加材１０の断面を用いて６つのビードの層を形成し、断面の特性を分析した。

その際の溶接条件は、材質はＳＳ４００であり、溶接速度は３８ｃｐｍ（ｃｍ／ｍｉｎ）、電流は３６０Ａ、アークの長さは７ｍｍに設定し、溶加材１０の材質はＳＴＳ３０４、送給速度は３６０ｃｐｍ、溶着面積は２０ｍｍ^２、溶着速度は５．０２ｋｇ／ｈｒ、トーチのウィービング周期は３Ｈｚ、ウィービング長さは５ｍｍに設定した。

図２０は溶接されたビードの形状であり、図２１は溶接ビードの断面の写真と断面の１５個の位置におけるビード高さ及び溶込深さに対するデータである。

前記図２１及び図２２から均一なビードが生成されることを確認することができた。

以上、特定の好適な実施例を用いて本発明を図示・説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施例を全て含む。

Claims (14)

1. 母材の上段に電極が位置し、前記電極と前記母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるＴＩＧ溶接用溶加材において、
   前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とするＴＩＧ溶接用溶加材。
2. 前記溶加材の断面は、幅と厚さで表現される平板が前記電極に向かって凹に曲がった形状であることを特徴とする、請求項１に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
3. 前記溶加材の断面は、母材の垂直線に対し、互いに対称であることを特徴とする、請求項２に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
4. 前記溶加材の断面下段は、３次スプライン曲線であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
5. 前記溶加材の断面下段は、円弧であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
6. 前記溶加材の断面下段は、放物線であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
7. 前記溶加材の断面下段は、母材と接触する地点を中心に両側が傾斜した直線形状であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
8. 前記溶加材の断面は、水平に配置される中央平板と、前記中央平板の端の傾斜平板とから構成されることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
9. 前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板より厚いことを特徴とする、請求項８に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
10. 前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板の厚さより１．１ないし２倍であることを特徴とする、請求項９に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
11. 前記中央平板は、屈曲部をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
12. 前記幅は３ｍｍないし１０ｍｍであり、厚さは０．３ｍｍないし１ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
13. 前記溶加材の材質は、ステンレススチールであることを特徴とする、請求項１ないし請求項１２のうち、いずれか１項に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
14. 前記溶加材の材質は、ｓｕｓ３００系、ａｌｌｏｙ６２５、ｄｕｐｌｅｘ ｓｔｓ２２０９及びｓｕｐｅｒ ｄｕｐｌｅｘのうち、選択されたいずれか１つであることを特徴とする、請求項１３に記載のＴＩＧ溶接用溶加材。
    
    

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