KR100343749B1 - 표면처리유 도유층이 형성된 용접용 와이어와 도유 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접용 와이어의 표면에 표면처리유를 도유함에 있어서, 도유 완료 후 도유부분과 비도유부분으로 분리될 수 있도록 하여 용접용 와이어의 표면처리유 도유량과 도유 형태를 효과적으로 조절한 용접용 와이어와 도유 장치 관한 것이다.

본 발명 용접용 와이어는 도유량이 와이어 Kg당 0.015∼0.15g이며, 부분적인 도유상태를 나타내는 특정 표면에서의 부분 도유면적율이 20∼85%임에 기술적 특징이 있으며, 표면처리유의 도유상태는 직선형 또는 나선형의 띠 형태로 형성되고, 이를 위한 표면처리유의 도유 장치는 표면처리유가 채워진 침적조와 링 형상의 에어 분사체로 구성된다.

본 발명의 용접용 와이어는 직선형이나 나선형 띠 형태로 표면처리유가 도유되기 때문에 와이어 단위 중량당 도유 기름의 양이 적은 양까지 제어될 수 있을 뿐 아니라 도유 형태도 일정하게 유지될 수 있기 때문에 용접시 와이어의 균일한 송급성 향상과 과다 한 표면처리유에 의한 용접부 결함 방지에 효과적이다.

Description

표면처리유 도유층이 형성된 용접용 와이어와 도유 장치{Welding wire electrode with surface treatment oil, and apparatus for oiling the surface treatment oil}

본 발명은 용접용 와이어의 표면에 표면처리유를 도유함에 있어 특정 위치의 외주면 면적에 대한 도유면적의 비율인 부분 도유면적율과 전체 도유량이 조절된 표면처리유 도유층이 형성된 용접용 와이어와 도유 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 와이어 외주면에서 특정 위치의 외주면 면적에 대한 도유면적의 비율인, 부분 도유면적율에 의해 와이어의 부분적인 도유상태가, 와이어 단위 중량당 도유량으로 와이어 전체의 도유량이 관리된 나선형 띠 형태의 표면처리유 도유층이 형성된 용접용 와이어와 도유 장치에 관한 것이다.

최근 조선, 교량, 철골, 자동차 등 각 산업 분야의 발전과 함께 용접용 와이어의 사용량이 급격히 증가하고 있으며, 이는 용접 작업의 생산성을 향상시키기 위하여 종래의 수동 용접을 반자동 또는 로봇(robot)에 의한 자동 용접으로 변경함에 따른 자연적인 추세이다.

따라서, 용접용 와이어의 길이 역시 더욱 길어지게 되고, 길어진 와이어는 필연적으로 더욱 많은 굴곡을 갖게 되는 바, 용접시 와이어의 공급에 문제를 일으킬 수 있게 됨으로써, 와이어의 길이가 증가할 수록 용접 생산성에 있어서 와이어의 송급성이 중요한 변수가 된다.

가스 쉴드 아크 용접에 있어서, 용접용 와이어의 송급성은 아크의 안전성과 용접 비드의 형성 상태와 밀접한 관계를 가지며 특히, 송급 롤러에서 용접 토치 사이의 용접 와이어 길이가 길고 굴곡이 많은 경우에는 용접시의 용접 전류를 높게 사용함에 따라 와이어의 송급 속도 또한 증가하게 되어 송급 불일정과 아크 불안정으로 인한 비드의 형태가 나쁘게 된다.

일반적으로 용접용 와이어의 송급성에 영향을 미치는 인자로는 와이어 표면 도금층의 품질, 표면 상태와 표면처리유의 도포 상태, 와이어의 인장강도·직진도 등을 들 수 있다.

상기 용접용 와이어의 송급성 개선을 위하여 지금까지 와이어 표면 도금층의 도금량과 도금 방법에 대한 많은 개선이 이루어져 왔으며, 인장강도 개선 측면에서는 신선 중간에 열처리 공정을 도입하기도 하였고, 와이어 표면의 거칠기나 비표면적 관리를 통한 표면 상태의 개선과 새로운 표면처리유 등이 개발되는 등 송급성 개선을 위한 많은 진보가 있었다.

특히, 표면처리유에 있어서 일본 특허 공개 공보 평1-166899호에는 광물유인 고급 지방산과 고급 지방산 금속염을 혼합시킨 윤활제를 최종 신선 후, 와이어 표면에 도유하며, 동 평2-284792호에는 카르복실산의 나트륨염 또는 칼륨염을 함유한 윤활유를 와이어 표면에 도유함으로써 송급성을 향상시킬 수 있다고 개시되어 있으나, 단지 표면처리유의 종류와 도유량에 대한 언급만 있을 뿐 중요한 도유 방법에 대해서는 언급되고 있지 않다.

상기 표면처리유의 도유량과 도유 상태가 중요한 이유는 다음과 같다.

용접용 와이어 표면에 도유되는 표면처리유의 양이 적거나 도유된 상태가 불균일 하게 되면 와이어 공급시 케이블 내에서의 마찰력이 상승, 와이어 송급이 안정되지 못하여 아크가 불안정하게 됨으로써 정상적인 용접이 불가능하게 되고, 도유량이 과다하면 송급 롤러에서 슬립이 발생하거나 용접 토치 선단에서 과다하게 도포된 표면처리유가 용융 금속이 형성되어 있는 용융지(熔融池)에 떨어져 증발하면서 용접부 결함인 피트(pit)나 블로우 홀(blow hole) 등을 형성시키게 되는 바, 표면처리유의 도유량과 도유 형태의 관리는 매우 중요하다.

종래 와이어 표면처리유의 일반적인 도유 방법으로는 습식 스킨 패스(skin pass) 방식, 펠트 도유 방식 그리고 정전 도유 방식 등이 있다.

상기 습식 스킨 패스 방식은 용접용 와이어의 최종 신선시 사용되는 표면처리유 도유 방법으로서 도금층 표면에 일정한 윤활 풀(pool)을 형성시키고, 이 윤활 풀 내에 윤활제를 내재하도록 하는 방식으로 일반적인 와이어 제조 설비에서는 적용이 불가할 뿐 아니라 와이어의 생산 비용이 증가하는 문제가 있다.

그리고, 펠트 도유 방식은 최종 신선 후 와이어 표면에 표면 처리유를 적당히 도유한 다음, 앞착 펠트로 닦아 표면처리유의 도유량을 조절하는 방식으로서, 가장 보편적인 방법이다.

그러나, 상기 펠트 도유 방식은 모세관 현상을 이용한 방법으로서 펠트 사용 초기와 사용 시간에 따른 도유량의 편차가 클 뿐 아니라 앞착 펠트의 닦아주는 기능 역시 사용 시간이 길어짐에 따라 와이어 표면의 도금층에서 박리되는 도금 금속분말에 의하여 펠트의 오염도가 증가하여 초기 상태를 유지하지 못하고 오히려 와이어 표면에 이물질을 부착시키는 역효과를 초래하게 된다.

또 다른 방식으로서, 도유 설비 자체가 고가인 정전 도유 방식은 표면처리유를 미스트(mist)화 하여 용접용 와이어 외주면 전체에 균일하게 도유할 수 있는 장점은 있으나 표면처리유의 겉보기 면적비를 원하는 수치로 관리하기가 어렵다.

즉, 상기 종래의 일반적인 도유 방법으로는 균일한 도유량 및 도유 형태를효과적으로 관리하기가 어려워 표면처리유 측면에서의 송급성 개선이 힘들다.

본 발명은 종래 용접용 와이어의 도유상태가 가진 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 와이어의 전체적인 도유량 뿐 아니라 부분적인 도유상태까지도 관리, 제어가 가능하므로써, 용접용 와이어의 송급성에 중요한 영향을 미치는 표면처리유의 도유량과 도유 상태의 두 가지 측면에 대한 최적의 관리 기준과 그 기준에 의해 표면처리유가 도유된 용접용 와이어와 도유 장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나선형 도유층 형성을 위한 에어 분사체의 사시도.

도 2의 (가), (나)는 각기 도1에 도시한 에어 분사체의 정면도와 측단면도.

도 3은 본 발명 방법에 의한 표면처리유 도유 설비의 개략적인 구조도.

도 4는 본 발명에 따른 나선형 도유층 형성을 위한 에어 분사체의 내주면에 부착된 에어 노즐 부착 위치 및 각도를 보인 것으로,

(가)는 정면도이고,

(나)는 측단면도이다.

도 5는 본 발명 방법에 의하여 나선형 띠 형태의 표면처리유가 도유된 용접용 와이어의 정면도.

도 6은 나선형 띠 형태의 표면처리유가 도유된 용접용 와이어를 단면 중심각이 45°되도록 일정 길이로 절단한 상태를 보인 것으로,

(가)는 절단편의 사시도이고,

(나)는 절단편의 외주면을 펼친 상태이다.

도 7은 본 발명에 따른 직선형 도유층 형성을 위한 에어 분사체를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 측단면도이다.

도 8은 표면처리유의 동점도와 온도 사이의 상관 관계도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

21. 내부 링 22. 외부 링

23. 베어링 24. 외부 기어

25. 에어 노즐 33. 표면처리유 침적조

34. 에어 분사체

본 발명의 상기 목적은 와이어의 특정 위치에서 표면처리유의 도유율을 나타내는 부분 도유면적율과, 이를 활용할 수 있도록 용접용 와이어 표면 전체에 도유된 표면처리유를 나선형 또는 직선형 띠의 변화시켜 주는 링 형상의 에어 분사체에 의하여 달성된다.

상기 부분 도유면적율은 표면처리유를 직선형이나 나선형의 띠 형태로 와이어 표면에 형성시킨 상태에서 와이어의 특정 부분 외주면을 도유면과 비도유면으로 분리하였을 때, 특정 부분의 외주면 면적에 대한 도유 면적의 비율을 뜻하는 것으로서, 이는 와이어의 부분적인 도유상태를 관리하기 위한 것이며, 이를 활용하기 위해서는 도유되는 표면처리유의 균일한 형상이 중요하기 때문에 직선형이나 나선형, 특히 나선형의 띠형상으로 표면처리유의 도유층을 형성시켜 주는 것이 가장 효과적이다.

상기 부분 도유면적율에 대하여 언급하기 전에, 우선 이에 필수적인 직선형이나 나선형 띠 형태의 표면처리유 도유층을 형성시키는 장치와 방법에 대하여 기술하기로 한다.

본 발명의 도유 장치는 침적조와 에어 분사체로 구성되며, 에어 분사체는 직선형 도유층을 형성시키는 경우 관통구 내주면에 적어도 두개 이상의 에어 노즐이 부착된 링과 같은 단순한 형상이나, 나선형 도유층을 형성시키는 경우에는 다소 복잡한 이중 링 형태로서, 외부 링(outer ring)은 고압 에어를 공급 받아 적어도 하나 이상의 에어 노즐이 부착되고 회전하는 내부 링(inner ring)으로 고압 에어를 전달하는 역할을 하며, 고정되어 있다.

상기 에어 분사체와 침적조를 이용한 본 발명의 표면처리유 도유 방법은 다음과 같다.

용접용 와이어의 최종 신선 후, 권취되기 전에 와이어를 침적조에 통과시켜 와이어 표면에 표면처리유를 도유한 다음, 에어 분사체의 관통구를 통하여 진행시키게 되면 링 관통구의 내주면에 부착된 에어 노즐을 통하여 분사되는 고압 에어에 의하여 와이어 표면 전체에 도유된 표면처리유의 일부가 균일하게 제거된다.

이때, 와이어 표면에 잔류하면서 띠 형태로 형성되는 표면처리유의 도유량과 띠 형상은 분사되는 에어 압력, 표면처리유의 온도 등을 변화시켜 제어할 수 있으며, 나선형 도유층을 형성시키는 경우에는 에어 분사체의 내부 링 회전 속도도 중요한 제어 요소가 된다.

본 발명 도유 방법에서 표면처리유를 띠 형태로 형성시키는 것은 와이어 표면 전체에 도유할 경우에는 최소 도유량을 얻는데 한계가 있기 때문이다.

본 발명 용접용 와이어의 표면처리유 도유 방법의 상기 기술적 구성과 구체적인 작용효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

도1과 2에 나선형 도유층 형성용 에어 분사체의 사시도와 정면도 및 측단면도를, 도3에 최종 신선후의 개략적인 설비 레이 아웃을 도시하였으며, 도 7에 직선형 도유층 형성용 에어 분사체의 사시도와 측단면도를 도시하였다.

직선형 띠 형태의 도유층(71)을 형성시키는 에어 분사체(70)는 나선형 도유층 형성에 쓰이는 에어 분사체(34)보다 그 구조가 단순하다. 즉, 전자(70)는, 내부 링(21)과 외부 링(22)으로 분리되고 내부 링이 회전하는 후자(34)의 이중 링 구조에서 내부 링과 외부 링을 하나의 고정 링으로 일체화 한 것인 바, 하기에서는 후자와 나선형 도유층을 중심으로 설명하기로 한다.

도시한 바와 같이, 용접용 와이어(31)는 최종 신선기(32)를 통과하고 침적조(33)에서 표면처리유(33A)가 표면에 도유된 후, 에어 분사체(34)를 관통하여 권취기(35)에 권취됨으로써 제조 완료된다.

상기 공정에서 와이어 표면 전체에 도유된 표면처리유를 나선형 띠 형태로 형성시켜 주는 에어 분사체(34)는 이중 링의 구조로 되어 있으며, 내부 링(21)의 외주부(21A)는 적어도 하나 이상의 에어 공급구(22B)가 부착된 외부 링(22)의 관통구 내주부(22A)와 측면이 씰링(sealing)된 베어링(23)(bearing)으로 연결되어 외부 링(22)의 내주부(22A)을 따라 회전할 수 있는 구조로서, 내부 링(21)의 일측면부(21B)에 부착된 기어(21C)와 또다른 외부 기어(24)가 나선형 베벨(bevel)기어 형태로 결합하고, 모터에 의하여 구동되는 외부 기어(24)에 의하여 내부 링(21)이 회전하게 된다.

그리고, 내부 링(21) 관통구의 내주면(21D)에는 4개의 에어 노즐(25)이 부착되어 있으며, 각 에어 노즐(25)의 에어 분사 각도는 도4에 도시한 바와 같이 와이어(31) 외주면에 대한 각도(41)는 에어 분사 방향이 외주면의 접선 방향으로, 와이어(31) 진행 방향(44)에 대한 에어 분사 방향은 역방향 각도(42)가 45°가 되도록 부착되며, 각도 조절이 가능하도록 구성된다.

상기와 같이 나선형 도유층 형성용 내부 링(34)의 관통구 내주면에 부착된 에어 노즐은 와이어 표면에 형성되는 도유부와 비도유부가 와이어 길이 방향으로 회전하기 때문에 균일성을 갖게 되어 상기 노즐은 적어도 하나 이상이면 되나, 직선형 도유층 형성용 분사체(70)의 경우 부착된 에어 노즐이 하나 일 경우에는 비도유면이 와이어 표면의 일측에만 편재하게 되므로 적어도 두개 이상의 노즐을 부착하여야 한다.

그리고, 에어 노즐에 각도를 부여하는 것은 분사 에어와 최초 접촉하는 와이어 표면의 표면처리유만이 제거되고, 그 외의 표면처리유에 대한 영향을 가능한 한 최소화 하여 에어 분사체를 벗어난 와이어 표면의 최종 표면처리유 형태에 영향을 미치지 못하도록 하기 위해서 이다.

따라서, 침적에 의하여 다량의 표면처리유가 도유된 와이어는 에어 분사체를 통과하면서 나선형 띠 형태의 표면처리유만(51)이 잔류하게 되고, 이를 개략적으로 도시한 것이 도5이다.

상기 나선형 띠 형태의 표면처리유가 도유된 와이어의 단면 중심각을 45°가 되도록 하면서 나선형 도유층이 대각선 방향으로 위치하도록 임의의 길이만큼 잘라낸 것이 도6의 (가)이고, 그 외주면을 평면상에 펼친 것이 도6의 (나)이다.

이때, 외주면 면적에 대한 표면처리유 도유면적의 비가 전술한 부분 도유면적율이며, 이는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

단, S = (a+b) ×(a'+b') ; 측정대상의 외주면 면적

상기 부분 도유면적율은 표면처리유가 나선형 형태로 도유된 용접용 와이어의 부분적인 도유상태를 관리하기 위한 것으로, 에어 분사체에서 분사되는 에어 압과 표면처리유의 관리 온도 조절에 의한 기름의 점도 조절 및 분사체를 구성하는 내부 링의 회전 속도를 조절하여 제어되며, 20∼85% 범위로 관리하는 것이 바람직하다.이때, 부분 도유면적율이 20%에 미치지 못하면 송급성이 떨어지게 되고, 85%를 초과하게 되면 용접 토치로부터 과도한 기름이 흘러 용접 결함을 발생시킬 위험이 급격히 증가하게 된다.

그리고, 용접용 와이어에 도유되는 표면처리유의 전체적인 도유량은 와이어 Kg당 0.015∼0.15g 범위로 제어되며, 그 이유는 상기 부분 도유면적율의 경우와 같다.

본 발명에 의한 도유 형태 중에서 나선형 띠 형태의 표면처리유를 도유한 방법과 종래 펠트식 도유 방법에 의한 용접용 와이어의 송급성과 용접성 비교를 위하

여 실시한 용접 작업 조건은 아래 표1과 같다.

용 접 조 건	쉴드가스공급량(CO2)	용 접 토 치
전 류		전 압	속 도	길 이	루프직경	turn
320A	32V	35CPM	20 l/min.	6m	200mm	1∼2

* 용접자세 ; 하향

상기의 용접 조건으로 실시한 용접 작업에 사용된 용접용 와이어는 JIS Z3312 YGW 11 규격의 선경 1.2mm 와이어를 최종 신선하여 사용하였으며, 표면처리유의 종류는 도 8에 도시한 세 가지 종류 중에서 일반적인 사용 온도에 적합한 A형을 선택하였고, 겉보기 면적비와 도유량을 변화시키면서 이에 따라 변화하는 송급 롤러에서의 와이어 슬립률(%), 아크 안정성 및 송급성으로 송급성 시험 종합 평가를 하였으며, 용접 결함도 평가하였다. 그리고, 상기 송급성은 6m 길이의 용접 토치를 200mm의 루프(loop)경으로 하였을 때의 송급 가능성 여부로 평가하였다.

구분	No.	도 유 상 태	송 급 성 시 험	용접결함
		면적비(%)	도유양(g/Kg)		형 태(나선형)	슬립률(%)	송 급 성	아 크안정성	종합평가
							1 turn			2 turn
발명재	1	25	0.018	0	1.2	0	0	0	◎	무
	2	40	0.035	0	1.5	0	0	0	◎	무
	3	50	0.037	0	2.1	0	0	0	◎	무
	4	84	0.130	0	4.0	0	△	△	0	무
	5	20	0.016	0	0.8	0	△	△	0	무
비교재	6	15	0.020	×	2.0	△	×	×	×	무
	7	20	0.012	×	1.5	0	×	△	△	무
	8	87	0.210	×	6.0	△	×	△	△	유
	9	90	0.195	×	12.0	×	×	×	×	유

상기 표2에서 아크 안정성은 모니터링 시스템으로 아크 단락 횟수, 전류 변화, 전압 변화를 조사한 결과이며, 용접 결함은 1m 길이의 용접부 비드 외관으로 평가 하였고, 슬립률은 다음 식2로 구하였다.

상기 표2에서 본 발명재의 1번 내지 3번의 겉보기 면적비는 20∼85% 범위내에 있고, 도유량도 와이어 1Kg당 0.015∼0.15g 범위에 있으며 도유 형태 또한 나선형을 이루고 있어 송급성 시험 결과가 우수한 것으로 나타났으나, 본 발명재 4와 5번 실시예의 경우 본 발명 면적비 관리 범위의 상·하한 값에 근접함으로써 본 발명의 다른 실시예보다는 아크 안정성이 다소 떨어지고 송급성에서도 2회전은 안정적이지 못함을 알 수 있다.

비교재는 종래의 펠트식 도유 방법으로 표면처리유를 도유한 것으로서 본 발명재와 비교해 보면, 비슷한 겉보기 면적비를 가질 때 펠트식의 경우 더욱 많은 표면처리유가 도유됨을 알 수 있으며, 나선형을 이루는 본 발명 도유 방법에 비하여 와이어의 송급성이 떨어져 아크의 안정성 불안을 초래하는 것으로 나타났다.

그리고, 특히 비교재 8과 9의 경우에는 과다한 표면처리유 도유에 의하여 송급롤에서의 슬립이 급격히 증가하여 송급성이 떨어지고, 용접시 팁 선단에서 집적된 표면처리유가 용접부에 떨어져 용접 결함을 발생시킴을 알 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 용접용 와이어는 전체적인 도유량 뿐 아니라 부분 도유면적율에 의한 부분적인 도유상태까지도 관리되므로써, 와이어의 균일한 송급성 개선과 과다한 표면처리유에 의한 용접부 결함 방지에 효과적이며, 에어에 의한 간접 접촉으로 표면처리유의 도유 형태를 형성시키는 바, 와이어 표면의 오염도 방지할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (5)

1. 표면처리유가 도유된 용접용 와이어에 있어서, 용접용 와이어의 외주면 길이 방향을 따라 나선형으로 도유된 표면처리유 도유층의 도유량이 용접용 와이어 Kg당 0.015∼0.15g이며, 상기 나선형 도유층이 대각선 방향으로 위치하도록 용접용 와이어를 일정 길이만큼 절단하여 단면상의 원주방향 360°중 중심각 45°에 해당하는 외주면을 평면상에 전개 하였을 때 아래 식으로 표현되는 부분 도유면적율이 20∼85%인 것을 특징으로 하는 표면처리유가 도유된 용접용 와이어.

   단, S = (a+b) ×(a'+b') ; 측정대상의 외주면 면적
2. 삭제
3. 삭제
4. 용접용 와이어의 표면에 표면처리유를 도포하는 장치에 있어서, 진행중인 와이어(31)가 잠기도록 와이어의 진행경로상에 설치되고 표면처리유가 채워진 침적조(33)와; 링의 구조로서 관통구 내주면에 적어도 두개 이상의 에어 노즐이 부착되며, 관통구 내주면외의 분사체 외면에 에어 공급구가 적어도 하나 이상 부착되는 에어 분사체(70)로 구성된 것을 특징으로 하는 용접용 와이어의 표면처리유 도유 장치.
5. 용접용 와이어의 표면에 표면처리유를 도포하는 장치에 있어서, 진행중인 와이어가 잠기도록 와이어의 진행경로상에 설치되고 표면처리유가 채워진 침적조(33)와; 적어도 하나 이상의 에어 공급구(22B)가 부착된 외부 링(22)과, 외부 링(22)의 관통구 내주부(22A)와 측면이 씰링(sealing)된 베어링(23)(bearing)으로 연결되어 상기 외부 링(22)의 내주부(22A)을 따라 회전하는 내부 링(21)과, 내부 링(21)의 일측면부(21B)에 부착된 환상의 기어(21C) 및 이 기어(21C)에 베벨 기어 형태로 결합하고 모터에 의하여 구동되는 외부 기어(24)로 이루어진 이중 링 구조의 분사체(34)로 구성된 것을 특징으로 하는 용접용 와이어의 표면처리유 도유 장치.