KR100590351B1 - 다전극 가스 실드 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

다전극 가스 실드 아크 용접에 있어서, 가스 실드 아크 용접용 용제 함유 와이어를 선행 전극 및 후행 전극으로서 사용하고, 필러 와이어를 상기 선행 전극과 후행 전극 사이의 용융 금속 중에 삽입하고, 상기 선행 전극 및 후행 전극에 음극성 전류를 흐르게 하고 필러 와이어에 양극성 전류(필러 와이어가 용융 금속에 대하여 음극성)을 흐르게 하면서 용접한다. 이러한 방법에 의해, 용접 속도가 200cm/분 이상인 고속 용접에 있어서 외란 요인(필릿 용접부의 과대 갭, 숍 프라이머의 과대 도포막 두께, 공장 내에서의 전류 전압 변동 등)이 발생해도, 용접 작업성이 매우 안정되어 불완전한 부분을 수선할 필요가 없어진다.

Description

다전극 가스 실드 아크 용접 방법{MULTIELECTRODE GAS-SHIELD ARC WELDING METHOD}

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 나타내는 평면도이다.

도 2는 도 1의 용융 금속부를 나타내는 확대 종단면도이다.

도 3은 언더컷을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 나타내는 평면 회로도이다.

도 5는 각 선행 전극의 어긋남의 거리를 나타내는 시프트 간격을 나타내는 평면도이다.

본 발명은 용제 함유 와이어를 사용하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것으로, 특히 다전극 1풀(pool) 용접 시공(2 전극으로 하나의 용접지를 형성 하는 가스 실드 아크 용접법)에 있어서, 자기 쏠림의 발생에 의해 스패터가 다발하여 비드 형상이 악화되는 것을 방지할 수 있는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

종래, 조선 또는 교량의 수평 필릿(fillet) 용접의 고능률화를 도모하기 위해서, 다전극 가스 실드 아크 용접 방법이 검토되어 왔다. 다전극 가스 실드 아크 용접 방법의 1풀 용접 시공에서는 다음과 같은 기술이 제안되었다.

일본 특허 공개 제 1994-234075호 공보에는 알칼리 금속 산화물의 1종 이상, 알칼리 금속 산화물을 제외한 산화물, Mg, Si 및 Mn을 함유하는 소정 조성의 용제 함유 와이어를 선행 전극 및 후행 전극으로서 사용하고, 양전극간을 15 내지 50mm로 하여 가스 실드 아크 용접을 실시하는 방법이 개시되어 있다. 이 종래 방법에 의해, 1m/분 이상의 고속 용접에 있어서, 작업성이 양호하고 또한 내기공성이 우수한 가스 실드 아크 수평 필릿 용접 방법이 된다고 되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 1994-312267호 공보에는 선행 전극과 후행 전극의 양쪽, 또는 한편에 용착 금속의 확산성 수소량이 15.0 내지 40.0밀리리터/100g인 루틸계 용제 함유 와이어를 사용하여 양전극의 극간 거리를 20 내지 50mm으로 하고, 실질적으로 1풀을 형성하여 수평 필릿 용접을 실시하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의해, 조선, 교량 등의 분야에서 많이 사용되고 있는 프라이머 도장 강판의 수평 필릿 용접에 있어서, 특히 고능률로 내피트성이 우수한 고속 수평 필릿 가스 실드 아크 용접이 수득된다고 되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 1995-256455호 공보에는 직경이 1.2 내지 2.0mm인 용접 와이어를 사용하여, 제 1 전극과 제 2 전극간의 간격을 15 내지 40mm, 제 2 전극과 제 3 전극간의 간격을 70mm 이상으로 하고, 각 전극에 750A 이하의 용접 전류를 공급하고, 제 1 및 제 2 전극으로부터 제 1 용융지를 형성하고, 제 3 전극에 의해 제 2 용융지를 형성하고, 2m/분 이상의 용접 속도로 용접을 실시하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의해, 특수한 대용량 용접기를 필요로 하지 않고, 비드 외관·형상 및 아크 안정성 등의 용접 작업성이 우수하고, 또한, 피트, 블로우 홀 및 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하지 않는 가스 실드 아크 용접 방법이 제공된다고 되어 있다.

일본 특허 공개 제 1997-277042호 공보에는 용제 코어드(cored) 와이어를 사용하여 2전극으로 실시하는 수평 필릿 용접 방법에 있어서, 후행 전극의 용접 전류를 선행 전극의 0.8 내지 0.9배의 범위가 되도록 하는 동시에, 양전극간 거리를, 10 내지 100mm의 범위 내가 되도록 하고, 또한 선행 전극의 후퇴각 및 후행 전극의 전진각이 각기 5 내지 10°의 범위 내가 되도록 필릿 용접하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의해, 탕흐름이 없는 안정된 탕 고임이 형성되어, 결함이 없는 비드가 얻어져 용접 속도를 고속화한 경우에도 양호한 비드가 수득된다고 되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 1998-216943호 공보에는 적어도 후행 전극을 루틸계 용제 함유 와이어로 하는 용제 함유 와이어를 사용하여 실시하는 2전극 1풀 방식의 수평 필릿 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 선행 전극의 와이어 돌출 길이가 후행 전극의 돌출 길이에 대해, 하기 수학식 1을 만족하도록 시공하는 방법이 개시되어 있다. 이 본 발명에 의해, 용접 구조물의 변형을 저감하기 위해서 소각 장화(小脚長化)한 경우에도, 용접 결함이 없이 양호한 비드 형상이 수득되는 소각장 고속 수평 필릿 가스 실드 아크 용접 방법이 수득된다.

일본 특허 공개 제 2000-52033호 공보에는 3전극 이상의 다전극 아크 용접에 있어서, 최후부의 전극(3) 이외의 전극(1, 2)을 다른 극성의 직류 전극의 조합으로 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그리고 이 방법에 의해, 최후부의 전극의 아크에 영향을 주는 귀환 전류치를 작게 하여 아크의 안정성이 좋고, 또한 비드 형상이 양호한 다층 용접을 가능하게 하는 다전극 아크 용접 방법이 수득된다고 하고 있다.

또한, 일본 특허 공개 제 2001-225168호 공보에는 2개의 와이어를 사용하는 소모 전극 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 선행 와이어 및 후행 와이어에 펄스 전류를 통전하여 선행 와이어 및 후행 와이어의 아크 길이를 펄스 주파수의 변화에 의해 용접 전류의 평균치를 증감시킴으로써 제어하는 용접 구조물에 있어서의 소모 전극 가스 실드 아크 용접 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 특히 2전극 소모 전극 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

그러나 상기의 기술에서는 실제 구조물인 경우, 각종 외란 요인(① 필릿 용접부의 과대 갭, ② 숍 프라이머의 과대 도포막 두께, ③ 공장 내에서의 전류 전압 변동 등)에 의해, 이들 시공의 포인트인 탕 고임(10)(도 2 참조)의 균일성 및 안정 성이 없어지고, 그 결과 아크불안정이 생겨 스패터 다발, 비드 형상, 외관 및 정렬의 악화, 언더컷의 다발 등에 의해, 불완전한 곳에 대한 수선 용접이 증대하고 있다. 특히, 용접 속도 150 내지 200cm/분 전후에서 이 경향이 현저해지기 때문에, 용접 속도가 높아도, 불완전한 곳에 대한 수선 비율이 증대하여 결과적으로는 용접공 수가 대폭 증가된다는 문제점이 생기고 있다.

본 발명은 상기 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 용접 속도가 200cm/분 이상인 고속 용접에 있어서 상술한 외란 요인(① 필릿 용접부의 과대 갭, ② 숍프라이머의 과대 도포막 두께, ③ 공장 내에서의 전류 전압 변동 등)이 생겨도, 용접 작업성이 매우 안정적이고, 불완전한 부분을 수선할 필요가 없는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법은 가스 실드 아크 용접용 용제 함유 와이어를 선행 전극 및 후행 전극으로서 사용하고, 필러 와이어를 상기 선행 전극과 후행 전극 사이의 용융 금속 중에 삽입하고, 상기 선행 전극 및 후행 전극에 음극성 전류를 흐르게 하고 상기 필러 와이어에 양극성 전류를 흐르게 하면서 용접하는 것을 특징으로 한다. 여기서 선행 전극 및 후행 전극에 음극성 전류를 흐르게 한다는 것은 선행 전극 및 후행 전극을 용융 금속에 대하여 양극성으로 하는 것을 의미하고, 필러 와이어에 양극성 전류를 흐르게 한다는 것은 필러 와이어를 용융 금속에 대하여 음극성으로 하는 것을 의미한다.

상기 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 상기 선행 전극과 후행 전극간의 극간 거리를 15 내지 50mm로 설정하여 용접하는 것이 바람직하다. 이 다전 극 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 예컨대, 상기 필러 와이어를 용제(flux) 함유 와이어로 할 수 있다. 또한, 상기 후행 전극의 후방에 제 3 전극을 상기 후행 전극과 상기 제 3 전극간의 극간 거리가 100mm 이상이 되도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 선행 전극에 흘리는 전류가 250A 이상, 상기 후행 전극에 흘리는 전류가 200A 이상, 또한 상기 필러 와이어에 흘리는 전류가 100A 이상인 것이 바람직하다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 종래부터 지적되고 있는 선행 전극과 후행 전극 사이에서 형성되는 이른바 탕 고임을 안정화시키면 아크가 안정된다는 지견에 더하여, 추가로 스패터의 억제, 비드 형상, 외관 및 정렬의 안정화 및 언더컷을 억제할 수 있다는 것을 발견한 것이다. 그래서 종래에는 탕 고임의 안정화에 대해 전극의 전진 후퇴 각도, 극간 거리, 전극의 목적 위치, 모재 어스가 취하는 위치, 와이어 돌출 길이 등을 조정하고 있었던 것에 비해, 본 발명에서는 완전히 신규의 착상을 기초로, 탕 고임에 필러 와이어를 삽입하고, 그 필러 와이어에 양극성 전류를 흘리면서 용접하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 관해서, 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 나타내는 평면도, 도 2는 그 용융 금속부를 나타내는 확대 종단면도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 용접 양태는 수평 필릿 용접에 관한 것이지만, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는 것은 당연하다. 피용접재로서의 하판(1)이 수평으로 설치되고, 입판(2)이 이 하판(1)상에 수직으로 배치되어 있다. 이 입판(2)과 하판(1)과의 사이의 구석부를 선행 전극(3), 후행 전극(5) 및 제 3 전극(6)에 의해 필릿 용접한다. 이 경우에, 선행 전극(3)과 후행 전극(5)과의 사이의 용융 금속(8)에, 필러 와이어(4)이 삽입되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는 선행 전극(3)과 후행 전극(5)과의 사이의 극간 거리가 15 내지 50mm이고, 후행 전극(5)과 제 3 전극(6)과의 사이의 극간 거리가 100mm 이상이다. 또한, 필러 와이어(4)은 필러 와이어(4)이 용융 금속(8)에 대하여 음극성이 되도록 한 뒤에 급전되고(양극성 전류), 이 급전 전류는 100A 이상이다.

이 수평 필릿 용접에 있어서, 선행 전극(3) 및 후행 전극(5)에 의해 용융 금속(8)이 형성되고, 이 용융 금속(8)이 응고되어 용접 금속(7)이 형성된다. 용융 슬래그(9)는 용접 금속(7)상에 부상한다. 또, 부호10은 탕 고임을 나타낸다.

다음으로 상술한 수치 한정의 이유에 관해서 설명한다.

선행 전극과 후행 전극과의 사이의 극간 거리: 15 내지 50mm

본 발명에 있어서는 선행 전극과 후행 전극의 극간이 15 내지 50mm인 것이 필수적이다. 여기서, 극간 거리란 각 전극에 있어서의 와이어 선단간의 거리이다. DC 전원을 사용하여 용접을 실시하는 경우, 자기 쏠림 및 하나의 용융지 형성의 점에서 선행 전극 및 후행 전극의 극간 거리가 문제가 된다. 이 극간 거리가 15mm보다도 작으면 선행 전극, 후행 전극 모두 아크가 안정적이지 않고, 비드 외관·형상이 불량해지고 또한 스패터의 발생량이 많아진다. 한편, 극간 거리가 50mm보다도 크면 2전극으로 하나의 용융지를 형성하는 것이 불가능해져, 내피트성이 불량해진다. 따라서, 선행 전극과 후행 전극의 극간 거리를 15 내지 50mm의 범위로 한다. 또한, 보다 바람직한 범위는 25 내지 35mm이다.

필러 와이어 및 그 극성: 용융지가 양극성, 필러 와이어가 음극성

본 발명에서는 필러 와이어(4)을 선행 전극(3)과 후행 전극(5) 사이에 형성되는 용융 금속(8)(풀)에 삽입하는 것이 가장 중요한 특징이다. 그 필러 와이어(4)으로서는 솔리드 와이어 또는 용제 함유 와이어를 적용할 수 있다. 솔리드 와이어의 경우에는 종래의 도금된 솔리드 와이어일 수도 있고, 또한 최근 적용 범위가 확대되고 있는 무도금 솔리드 와이어일 수도 있다. 성분은 특별히 규정이 없이 JISZ3312에 규정된 YGW11 내지 YGW24 중에서 적절한 것을 선택할 수 있다.

용제 함유 와이어의 경우에는 성분의 조정이 가능하고, 선행 전극(3)에 사용하는 와이어의 성분과 후행 전극에 사용하는 와이어의 성분을 바꿀 수도 있다. 즉, 선행, 후행 및 필러의 3개의 와이어가 용융하여 하나의 용융 금속으로 되어 가기 때문에, 그 3개의 와이어의 성분(이 성분은 합금 성분, 탈산제, 및 슬래그 형성제 등으로 이루어진다)의 합계를 생각하면서, 각각의 와이어 성분을 조정할 수도 있다. 선행 전극 및 후행 전극의 조성에 관해서는 후술한다. 또한, 용제 함유 와이어 중에서도 이른바 메탈계라고 불리는 금속분을 주체로 하는 용제를 충전한 와이어가 바람직하다. 필러 와이어는 주로 저항 가열에 의해 용융되기 때문에 슬래그 형성제와 같은 융점이 높은 분체는 녹은 후의 잔여분의 우려가 있고, 메탈계의 경우 거의 금속 분말이므로 용이하게 용융된다.

필러 와이어가 솔리드 와이어인 경우에는 용제 함유 와이어의 경우에 비해 슬래그 형성제 등을 첨가할 수 없다는 점이 다르지만, 그 이외에는 기본적으로는 동일한 사고 방식으로 그 성분을 조정하면 바람직하다.

어쨌든 탕 고임의 안정화에는 필러 와이어(4)을 용융지(용융 금속(8))에 삽입하고, 그 극성이 양극성인 전류를 필러 와이어에 공급하는(즉, 필러 와이어(4)을 용융 금속(8)에 대하여 음극성으로 하는) 것이 필수적이다. 여기서는 선행 전극 및 후행 전극에 음극성 전류를 공급하는(즉, 선행 전극 및 후행 전극을 용융 금속에 대하여 양극성으로 하는) 것을 전제로 하고 있다. 그 반대 극성으로 하면 각종 외란 요인(① 필릿 용접부의 과대 갭, ② 숍프라이머의 과대 도포막 두께, ③ 공장 내에서의 전류 전압 변동 등)의 영향을 해소할 수 없다. 극간 거리가 15mm 미만인 경우의 문제점과 마찬가지로, 선행 전극, 후행 전극 모두 아크가 안정되지 않고, 비드 외관·형상이 불량해지고, 스패터의 발생량이 많아지는 등의 문제가 생긴다. 스패터의 다발은 실드 노즐로의 스패터의 부착에 의해 실드 불량이 되어 기공 발생의 원인이 된다. 한편, 필러 와이어에 양극성 전류를 흐르게 하면 각종 외란에도 영향받지 않는 안정적인 탕 고임이 형성된다. 이 메커니즘은 꼭 분명한 것은 아니지만, 아래와 같이 고찰할 수 있다.

탕 고임을 안정적으로 형성하기 위해, 풀의 점성 및 용접 속도 등의 중요한 요인이 있지만, 2전극의 아크의 발생 방향 및 아크력(플라즈마 기류에 의한 압력)이 적당히 균형을 이루고 있는 것도, 탕 고임의 안정적인 형성에 결여될 수 없다고 생각된다. 자기 쏠림에 의해, 이 아크의 방향성, 힘의 균형이 무너지면, 탕 고임 이 불안정해져 건전한 용접를 실시할 수 없게 된다.

일반적으로 자기 쏠림이라고 불리고 있는 현상은 그 원인은 크게 나눠 두 가지라고 생각된다. 즉 아크를 통과하여 피용접물을 흐르는 전류가 피용접물의 형상 불균일 및 피용접물의 형상 그 자체가 비대칭 복잡한 경우, 또는 피용접물의 단부를 용접하는 경우에 단부이기 때문에 피용접물의 1방향으로 전류가 흐르기 쉬운 경우, 피용접물의 어스 위치가 부적당한 경우 등의 이유에 의해, 피용접물에 흐르는 전류 전체에 의해 생기는 자계가 불균일해지는 경우이다. 구조물의 형상 및 어드선을 취하는 방법에 따라, 아크 발생점 근방의 자계의 기울기의 영향에 의해 아크가 편향하는 것이 첫 번째 자기 쏠림 현상이다. 이 경우는 다전극 시공법의 복수의 아크 전체가 영향을 받아, 어느 한 방향으로 편향하는 등의 문제가 생긴다. 그 대책으로는 어스 위치를 복수 마련하는 것 등이 종래에 제안되었다. 본 발명자들은 이것에는 피용접물에 흐르는 전체 전류를 낮추는 것이 용융지 근방의 자계의 기울기를 저감할 수 있다고 생각했다. 그 구체적 방책으로서 용융지에 필러를 삽입하고, 반대 방향으로 전류를 흘림으로써 피용접물에 흐르는 전체 전류치를 내리는 것이 적절하다고 고찰했다. 반대 극성전류를 공급하는 2전극에 사이에 양극성 전류를 공급하는 필러를 삽입함으로써 풀 근방의 구조물에 흐르는 직류 전류가 2전극의 전류의 합으로부터 필러 와이어의 전류를 뺀 값이 되어 자계의 기울기가 작아지기 때문에, 자기 쏠림이 일어나기 어려워진 것으로 생각된다.

도 4를 사용하여 상기 설명을 보충한다. i1는 선행 전극에 흐르는 용접 전류를 나타내고, i2는 후행 전극에 흐르는 용접 전류를 나타내고, i3은 필러 와이어 에 흐르는 전류를 나타낸다. 필러 와이어를 삽입하지 않는 경우에는 피용접물에 흐르는 전체 전류는 i1+ i2이다. 그러나 필러 와이어를 삽입하여 반대 방향으로 i3을 흐르게 함으로써 피용접물에 흐르는 전체 전류는 i1+ i2- i3이 되어 i3의 전류분이 저하된다. 그 때문에 전체 전류에 의해 생기는 자계도 저하되어, 피용접물에 흐르는 전류 전체에 의한 자기 쏠림은 경감된다.

또 하나의 자기 쏠림의 원인으로서는 2전극 1풀을 구성하는 선행 전극과 후행 전극에 의한 2개의 아크 상호간의 간섭이다. 종래, 탕 고임은 선행 전극과 후행 전극에 의해 협지된 용융 금속 및 선행 전극과 후행 전극의 아크력에 의해 억제되어 안정되는 것으로 생각되고, 2개의 아크는 서로 마주 당기는 방향(탕 고임을 서로 미는 방향)으로 조정하는 것이 필요하다고 생각되어 왔지만, 본 발명에서는 역으로 필러에는 역방향 전류를 흘림으로써 각각의 아크에는 필러로부터 반발하는 방향으로 전자력을 가하면 탕 고임이 매우 안정된다는 것을 발견했다. 그 이유는 꼭 명확한 것은 아니지만, 다음과 같이 추정할 수 있다. 원래 2전극(선행 전극과 후행 전극)으로 동일 방향의 전류를 흘리면 각각의 전극의 자계의 영향으로 서로 마주 당기는 방향으로 힘이 작용하고, 이 상태로 탕 고임을 만들면서 균형을 잘 이루고 있지만, 예컨대 자기 쏠림 등을 계기로 탕 고임을 넘어서 상호간의 아크가 마주 당기는 상황, 또는 갭이 크고 풀이 내려가 탕 고임이 없어지면, 아크가 직접 마주 끌어당기는 상황이 된다. 일단, 이렇게 되면 안정된 탕 고임을 재형성하기 어려워진다고 추측할 수 있다. 2전극 사이에 존재하는 적당한 탕 고임이 아크의 간섭을 완화하는 역할을 하고 있다고 생각된다. 2전극 사이에 반대 방향으로 전류를 흐르게 하는 필러 와이어가 있으면, 이 2전극의 전류에 의한 기운 자계를 어느 정도 상쇄하게 되기 때문에, 2전극이 마주 당기는 힘이 약해져 아크의 간섭이 저감되게 된다. 따라서, 본 발명에서는 필러 와이어에는 용접 전류와는 반대 방향으로 전류를 흘리는 것이 큰 포인트가 된다.

또한, 필러 와이어의 삽입은 2전극 1풀인 본 시공법에서의 탕 고임을 안정화시키는 별도의 효과도 가져온다. 즉, 필러에 의한 용착 금속의 증가는 아크보다도 저온도의 용융 금속을 공급하고, 이 용융 금속을 탕 고임 부분에 제공하는 것은 탕 고임 안정에 매우 효과적이라고 생각된다. 필러 와이어를 삽입함으로써 용착 금속이 증가하고, 탕 고임이 커지고, 또한 탕의 온도가 저하되고 있다고(아크를 발생시키고 있지 않으므로) 생각된다. 탕 고임이 커지는 것은 자기 쏠림을 저감하는 방향이며, 탕의 온도가 저하되는 것도 용융 금속의 유동성을 저하시켜 탕 고임의 흔들림을 억제하는 데 효과가 있다고 추정된다.

제 3 전극과 후행 전극의 극간 거리: 100mm 이상

본 발명은 3전극에 의한 시공에서도 적용할 수 있다. 3전극의 용접을 실시하는 경우에는 대각장(大脚長) 용접(통상 각장이 8mm 이상)을 목적으로 하고 있고, 제 3 전극과 후행 전극의 극간 거리는 100mm 이상 떼어 놓을 필요가 있고, 100mm 미만에서는 선행 전극(제 1 전극)과 후행 전극(제 2 전극)에 의한 모재(피용접재)로의 투입된 열량의 관련으로 제 3 전극에 의해 더욱 모재로의 입열이 추가되기 때문에 도 3에 도시한 바와 같이 언더컷이 발생하고, 불완전한 부분을 수선 용접할 필요가 있다. 100mm 이상 떼어 두면 제 3 전극의 용접까지 모재 온도가 내려가 언 더컷 발생이 적어진다. 또한, 제 3 전극에도 가스 실드 아크 용접용 용제 함유 와이어를 적용한다.

필러 와이어의 전류: 100A 이상

필러 와이어에 흘리는 전류는 와이어 용융 속도에 영향을 주며, 지나치게 높으면 용융 금속(용융 풀)로부터 불거져 나와 아크가 되기 때문에 저절로 상한은 있지만, 반대로 지나치게 낮은 것은 저항 가열에는 영향이 없다. 통상 하한치는 존재하지 않지만 본 발명에서는 자기 쏠림을 억제하기 위해서는 최저한의 전류치가 있다. 100A 미만에서는 그 효과가 없다. 또한 구체적으로는 선행 전극과 후행 전극의 전류치에 관련이 있지만 통상의 범위이면 100A가 하한치이다. 또한, 필러 와이어의 전원에는 수하(垂下) 특성 또는 정전류 특성이 적합하고, 아크 용접 전원과는 별개의 전원으로서 독립적으로 제어되는 것이 소망된다. 단순히 모재에 흐르는 용접 전류를 필러 와이어로 분류시키는 것은 아니고, 적극적으로 반대 방향 전류를 제어해야 한다.

기타 용접 조건은 종래부터 시공되고 있는 2전극 탠덤 용접과 변함이 없다. 필요에 따라 규제하는 것이 바람직한 조건은 이하와 같다.

와이어 입경

선행 전극의 와이어의 직경(와이어 직경이라고 한다)은 1.2 내지 4.0mm, 후행 전극의 와이어 직경은 1.2 내지 4.0mm로 하고, 또한, (선행 전극의 와이어 직경)≥(후행 전극의 와이어직경)의 관계로 하는 것이 바람직하다. 와이어 직경은 아크의 안정성, 용융지의 안정성 및 비드 외관에 크게 영향을 미치고, 특히 다전극 인 경우에는 선행 전극 및 후행 전극의 와이어 직경의 밸런스도 중요하다.

즉, 선행 전극의 와이어 직경이 1.2mm보다도 작으면 아크가 안정적이지 않고, 비드 형상이 불량해지고, 4.0mm보다도 크면 선행 전극으로부터의 스패터 발생량이 많아진다. 또한, 후행 전극의 와이어 직경이 1.2mm보다도 작으면 아크의 퍼짐이 없어져, 비드 외관·형상이 나빠진다. 또한 선행 전극보다도 크면 후행 전극에 있어서의 아크 및 용융지가 불안정해져, 후행 전극으로부터의 스패터 발생량이 많아진다. 따라서, 선행 전극 및 후행 전극의 와이어 직경 및 양자의 관계를 상기한 바와 같이 한다.

선행 전극, 후행 전극 및 제 3 전극의 조성

선행 전극, 후행 전극 및 제 3 전극으로서, 어느 것이나 용제 함유 와이어를 적용한다. 루틸을 주체로 하는 티타니아계 용제 함유 와이어 또는 이른바 메탈계라 불리는 금속분을 주체로 하는 용제 함유 와이어 중 어떤 것이라도 적용할 수 있다.

또한, 선행 전극 및 후행 전극에 사용하는 용제 함유 와이어에 관해서는 특히 통상의 단전극용으로 설계된 것보다 다전극 시공법에 적합한 조성이 바람직하다. 즉, 선행 전극 및 후행 전극의 양쪽의 용제 함유 와이어에 의해 하나의 용융지가 형성되기 때문에, 제 3 전극에 관해서는 용융지는 별개로 형성되어 이러한 배려는 불필요하다. 특히, 조성에 관해서 제한은 없지만, 특히 바람직한 와이어 조성은 티타니아계 용제 함유 와이어의 경우에는 와이어 전체 질량당 산화물(TiO₂, SiO₂, MgO, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃, ZrO₂ 등)은 1.5 내지 5.5 질량%이다. 산화물이 1.5 질량% 미만에서는 비드 표면을 덮는 슬래그가 얼룩져, 비드 외관·형상이 악화된다. 한편, 산화물이 5.5 질량%를 초과하면, 슬래그량이 과잉이 되어, 슬래그의 유동성이 커지기 때문에 비드 종단부의 정렬이 악화된다. 따라서, 산화물은 1.5 내지 5.5 질량%의 범위로 한다. 또한, 산화물의 원료에는 루틸, 이루미나이트, 지르콘사이드, 알루미나, 마그네시아, 규사 등을 들 수 있다.

알칼리 금속 산화물(K₂O, Na₂O 및 Li₂O 환산)은 다양한 것을 적용할 수 있고, 합계 와이어 전체 질량당 0.01 내지 0.15 질량% 함유하여야 한다. 이들 알칼리 금속 산화물이 0.01 질량% 미만에서는 아크의 안정이 수득되지 않는다. 한편, 알칼리 금속 산화물이 0.15 질량%를 초과하면, 아크의 분출이 너무 강해져 용융지가 안정되지 않는다. 또한, 알칼리 금속 산화물의 원료는 흡습하기 쉽기 때문에, 와이어 전체의 내흡습성이 열화되기 쉽다. 따라서, 알칼리 금속 산화물은 K₂O, Na₂O 및 Li₂O 중 1종 또는 2종 이상을 0.01 내지 0.15 질량%의 범위로 한다. 또, K₂O, Na₂O, Li₂O의 원료로서는 장석, 소다 유리, 칼리 유리 등을 들 수 있다.

또한 Mg, Si, Mn이 탈산제 등의 목적으로 첨가된다. Mg는 원료로서는 금속 Mg, Al-Mg, Si-Mg, Ni-Mg 등을 들 수 있다. Si 원료로서는 Fe-Si, Fe-Si-Mn 등을 들 수 있다. Mn 원료로서는 금속 Mn, Fe-Mn, Fe-Si-Mn 등을 들 수 있다.

기타, 함유되는 조성은 철분, 불화물, 산화 비스무트 등이다. 메탈계 용제 함유 와이어인 경우의 특히 바람직한 와이어 조성은 와이어 전체 질량당 산화물(TiO₂, SiO₂, MgO, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃ , ZrO₂ 등)은 1.5 질량% 이하이다. 그 대신, 금속 원료는 와이어 전체 질량당 98 질량% 이상을 함유시킨다. 환언하면 용제 중에는 금속 원료를 용제 전체 질량당 94 질량% 이상 포함시키는 것이 바람직하다. 금속 원료는 철분 또는 Fe-Mn 및 Fe-Si 등의 철합금이 있다. 아크 안정제로서 알칼리 금속 산화물(K₂O, Na₂O 및 Li₂O 환산)은 티타니아계와 마찬가지의 여러 가지 것이 적용될 수 있고, 합계로 와이어 전체 질량당 0.01 내지 0.15 질량%로 함유되어야 한다. 이들 알칼리 금속 산화물이 0.01 질량% 미만인 경우 아크의 안정이 수득되지 않는다. 한편, 알칼리 금속 산화물이 0.15 질량%를 초과하면, 아크의 분출이 너무 강해지기 때문에 용융지가 안정되지 않는다. 또한, 알칼리 금속 산화물의 원료가 흡습하기 쉽기 때문에, 와이어 전체의 내흡습성이 열화되기 쉽다. 따라서, 알칼리 금속 산화물은 K₂O, Na₂O 및 Li₂O 중 1종 또는 2종 이상을 0.01 내지 0.15%의 범위로 한다. 또한, K₂O, Na₂O, Li₂O의 원료로서는, 장석, 소다 유리, 칼리 유리 등을 들 수 있다. 기타, Mg, Si, Mn은 마찬가지로 첨가된다.

전진·후퇴각

선행 전극의 와이어 각도를 0 내지 후퇴각 15°으로 하고, 후행 전극의 와이어 각도를 0 내지 전진각 25°로 하는 것이 바람직하다. 전진각 및 후퇴각은 스패터의 발생량, 비드 형상에 크게 영향을 미친다. 선행 전극은 전진각이 되면 선행 전극으로부터 스패터 발생량이 많아지고, 후퇴각이 15°보다도 커지면 언더컷이 발 생하기 쉬워진다. 후행 전극은 후퇴각이 되면 아크가 안정되지 않고, 스패터 발생이 많아진다. 전진각이 25°보다도 커지면 비드 외관·형상이 불량해진다. 따라서, 선행 전극 및 후행 전극의 와이어 각도를 상기한 바와 같이 한다.

토치 각도:

선행 전극 및 후행 전극 모두 토치 각도를 40 내지 60°로 하는 것이 바람직하다. 토치 각도는 비드 형상 및 비드 외관에 크게 영향을 미친다. 40°보다도 작으면 하판에 언더컷이 발생하기 쉬워지고, 60°보다도 크면 상판에 언더컷이 발생하기 쉽게 된다. 따라서, 선행 전극 및 후행 전극 모두 토치 각도를 상기한 바와 같이 한다.

용접 전류

선행 전극의 전류를 250A 이상인 직류 와이어 양극성(와이어가 용융 금속에 대하여 양극성, DCEP, Direct Current Electrode Positive), 후행 전극의 전류를 200A 이상인 직류 와이어 양극성(DCEP)으로 하고, 또한, (선행 전극의 전류)≥(후행 전극의 전류)의 관계로 하는 것이 바람직하다. 이것은 일반적으로 용접 구조물의 필릿 용접부에 필요한 각장 4.0mm을 확보하기 위해서 필요한 전류이며, 상기 전류를 하회하면 아크가 안정되지 않는다. 또한, 선행 전극의 전류가 후행 전극의 전류보다도 작으면 선행 전극과 후행 전극에 있어서의 아크의 간섭에 의해 선행 전극의 아크가 흐트러지기 때문에 비드의 외관·형상이 불량해진다. 따라서, 선행 전극과 후행 전극의 전류 및 양자의 관계를 상기한 바와 같이 한다.

또한, 특히 상기 시공법을 2전극(트윈(twin))으로 하는 경우, 이하에 나타낸 조건에 있어서 상기 원하는 달성이 가능하다는 것이 밝혀졌다.

시프트 간격

입판을 협지하는 양 선행 전극·후행 전극의 시프트 간격을 0 내지 30mm 또는 70mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이동 간격이 30 내지 70mm 사이에서는 스패터의 발생이 많아져 용접 작업성이 불량해지기 때문에, 이 사이를 제외한 시프트 간격으로 한다. 여기서, 시프트 간격이란 도 5에 나타낸 바와 같이, 각 선행 전극의 어긋남 거리를 나타낸다.

또한, 본 발명을 효과적으로 실시하기 위해서는 목적 위치(즉, 와이어 선단에서의 상판까지의 거리)의 조정이 중요한 포인트가 된다. 목적 위치는 용입 확보, 외관·형상이 양호한 비드의 형성, 용융지의 안정성 및 내기공성에 크게 영향을 미친다. 이를 위해서는 선행 전극의 목적 위치는 루트보다 하판측 0 내지 2mm, 후행 전극의 목적 위치는 루트보다 하판측 0 내지 3mm로 하고, 또한, 선행 전극의 목적 위치가 후행 전극의 목적 위치보다도 루트에 가깝거나 동일하게 하는 것이 바람직하다.

선행 전극의 목적 위치는 용입을 확보하기 위해서 조정할 필요가 있고, 지향하는 곳이 입판측이면 입판에 언더컷이 발생하기 쉬워져 비드 형상이 불량해지고, 또한 지향하는 곳이 하판측 2mm보다도 크면 루트부의 용입을 확보할 수 없고, 비드가 등각(等脚)이 되지 않는다는 점에서 필릿부의 강도를 확보할 수 없다. 또한, 후행 전극의 목적 위치는 비드 외관·형상을 양호하게 하기 위해서 조정해야 하고, 목적하는 것이 하판측 0mm(상판측)보다도 작든지 또는 3mm 보다도 크면 용융지가 안정되지 않고, 비드 외관·형상이 불량해지고, 또한 스패터의 발생량이 많아진다. 또한 후행 전극의 목적 위치가 선행 전극의 목적 위치보다도 루트에 가까워지면 내기공성이 불량해지고, 또한 용융지가 안정되지 않고, 비드 외관·형상이 불량해진다. 따라서 선행 전극 및 후행 전극의 목적 위치 및 양자의 관계를 상기한 바와 같이 한다. 또한, 제 3 전극은 반대로 상판측을 목적하고, 루트부에서 상판측으로 5mm 정도를 목적한다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예에 관해서, 본 발명의 범위로부터 벗어난 비교예와 대비하여 설명한다. 하기 표 1에 나타낸 성분 조성의 용제를 연강제 케이싱 내에 용제율 14%로 충전하여 직경 1.6mm의 용제 함유 와이어를 제조하고, 이 와이어를 선행 전극, 후행 전극 및 제 3 전극의 와이어로서 사용하고, 이하의 조건으로 용접 시험을 실시했다. 용접 조건은 이하와 같다.

(1) 공시 강판 및 이음새 형상: 12mm× 100mm× 1000mm 강판을 사용하여 T형 필릿 이음새를 형성했다. 또한, 프라이머막 두께는 40μm이다.

(2) 용접 자세: 2전극 수평 필릿 용접

(3) 실드 가스: 100% CO₂, 유량 25리터/분

(4) 와이어 돌출 길이: 25mm

(5) 전원 특성: DC 와이어(+)

(6) 와이어 직경: 선행 전극: 1.6mm, 후행 전극: 1.6mm, 제 3 전극: 1.6mm

(7) 용접 전류·전압: 선행 전극: 500 A× 38V, 후행 전극: 450A× 35V, 제 3 전극: 400A× 33V

(8) 토치 각도: 선행 전극: 50°, 후행 전극: 50°, 제 3 전극: 50°

(9) 전진·후퇴각: 선행 전극: 후퇴각 10°, 후행 전극: 전진각 10°, 제 3 전극: 전진각 0°(10)목적 위치: 선행 전극: 0mm, 후행 전극: 2mm(하판측), 제 3 전극: 5mm(상판측)

(11) 극간 거리: 25mm

(12) 용접 속도: 2.2m/분

(13) 필러 와이어 직경: 1.2mm

(14) 필릿 루트부의 갭: 2.0mm

이 용접 시험의 용접 조건을 하기 표 2에 나타내고, 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다. 표 2에 있어서, 필러 와이어가 솔리드 와이어인 경우의 와이어 성분을 표 4에 나타내고, 필러 와이어가 용제 함유 와이어인 경우의 와이어 성분을 표 5에 나타낸다.

단, 표 3에 있어서, ◎는 우수한 경우, ○는 양호한 경우, △는 약간 불량인 경우, ×는 불량인 경우이다.

표 2에서 명백한 바와 같이 실시예 4, 5, 7, 8, 9, 10은 본원 청구항 1을 만족하고 있고, 종합판정으로 양호했다. 특히, 실시예 7 내지 10은 청구항 3 또는 4를 만족하고 있고, 특히 양호(優)였다.

한편, 비교예 1은 솔리드 와이어의 필러 와이어를 탕 고임(10)에 삽입하고 있는데도 불구하고, 선행 전극과 후행 전극의 극간 거리가 15mm보다도 작기 때문에, 선행 전극, 후행 전극 모두 아크가 안정적이지 않고, 비드 외관·형상이 불량해졌다. 또한 스패터의 발생량이 많아졌다. 또한, 비교예 2는 마찬가지로 솔리드 와이어의 필러 와이어를 탕 고임에 삽입하고 있는데도 불구하고, 선행 전극과 후행 전극의 극간 거리가 50mm보다도 크기 때문에, 2전극으로 하나의 용융지를 형성하는 것이 불가능하여 내피트성이 불량해졌다. 또한 탕 고임의 안정성이 결여되어 고속 용접을 할 수 없게 된다. 비교예 3은 필러 와이어의 극성이 반대 극성이기 때문에, 탕 고임이 불안정해지고 아크가 불안정해져서 스패터가 증가했다. 또한 비드 외관·형상이 악화된다. 비교예 6은 비교예 3의 필러 와이어가 용제 함유 와이어인 경우이지만, 용제 함유 와이어에 있어서도 필러 와이어의 극성이 반대 극성이기 때문에, 탕 고임이 불안정해져서 아크가 불안정해지고 스패터가 증가했다. 또한 비드 외관·형상이 악화되었다.

이상 상술한 바와 같이 용접 속도가 200cm/분 이상의 고속 용접에 있어서, 필릿 용접부의 과대 갭, 숍프라이머의 과대 도포막 두께, 공장 내에서의 전류 전압 변동 등의 외란 요인이 생겨도, 용접 작업성이 매우 안정적이고, 불완전한 곳을 수선 용접할 필요가 없는 다전극 가스실드 아크 용접 방법을 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 가스 실드 아크 용접용 용제(flux) 함유 와이어를 선행 전극 및 후행 전극으로서 사용하고, 필러 와이어를 상기 선행 전극과 후행 전극 사이의 용융 금속 중에 삽입하고, 상기 선행 전극 및 후행 전극에 음극성 전류를 흐르게 하고 상기 필러 와이어에 양극성 전류를 흐르게 하면서 용접하는 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극과 후행 전극간의 극간 거리를 15 내지 50mm로 설정하여 용접하는 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 필러 와이어가 용제 함유 와이어인 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 후행 전극의 후방에 제 3 전극을 상기 후행 전극과 상기 제 3 전극간의 극간 거리가 100mm 이상이 되도록 설치한 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극에 흐르는 전류가 250A 이상이고, 상기 후행 전극에 흐르는 전류가 200A 이상이며, 상기 필러 와이어에 흐르는 전류가 100A 이상인 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극 및 상기 후행 전극으로서 사용하는 와이어가 용제 함유 와이어이고, 용제 중에 TiO₂를 포함하며, 와이어 전체 중량에 대하여 산화물을 합계 1.5 내지 5.5 질량%로 함유하는 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극 및 상기 후행 전극으로서 사용하는 와이어가 용제 함유 와이어이고, 용제 중에 용제 전체 질량당 94 질량% 이상의 금속 원료를 포함하고, 와이어 전체 중량에 대하여 산화물을 합계 1.5 질량% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극의 와이어의 각도가 0 내지 후퇴 각도 15°이고, 상기 후행 전극의 와이어의 각도가 0 내지 후퇴 각도 25°인 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 선행 전극 및 상기 후행 전극 모두의 토치 각도가 40 내지 60°인 것을 특징으로 하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.

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