KR100722385B1 - 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법에 관한 것으로, 플라즈마 절단면을 갖는 강재를 맞대기 용접하기 위해 레이저 빔과 아크를 동시에 이용하는 하이브리드 용접 방법에 있어서, A≤LP/WS≤B, A=5.5t/(t+2), B=8.5t/(t+2)의 용접 조건을 만족한다. 여기서, LP는 레이저 출력이고, WS는 용접속도이며, t는 강재의 두께 이다. 또한, 6≤FR/WS≤10 의 용접 조건을 만족한다. 여기서, FR은 아크 용접 와이어의 송급 속도이다.
하이브리드 용접, 플라즈마 절단, 레이저 출력, 용접속도, 강재의 두께, 아크 용접 와이어 송급 속도, 절단 각도

Description

플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법{HYBRID WEDING METHOD FOR PLASMA CUT PLATE STEELS}
도 1은 본 발명의 하이브리드 용접 상태를 보여주는 개략도이다.
도 2의 (a) 또는 (b) 하이브리드 용접시 강재의 플라즈마 절단 이음부의 용융금속의 유동 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 용접을 위한 강재의 플라즈마 절단 상태를 도시한 도면이다.
본 발명은 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 절단 강재의 두께에 따라 레이저 출력, 용접 속도, 아크 용접와이어 송급 속도 및 강재의 플라즈마 절간 각도 등의 용접 조건들을 제어하여 용접 품질과 용접 생산성을 향상시킬 수 있도록 하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 아크 용접은 후판 강재를 용접하기 위해 가장 널리 사용되고 있는 용접 방법 중의 하나이다. 그러나 아크 용접은 용입 깊이가 깊지 못하기 때문에 후판 강재를 용접하기 위해서는 다층 용접을 하여야 한다. 이로 인하여 용접 생산성이 저하된다. 따라서, 아크 용접의 용접 생산성을 높이기 위하여 용접 입열량을 높일 경우 용접부 물성 저하 및 열변형이 발생하게 된다.
전술된 아크 용접의 단점을 해결하기 위해 최근에는 후판 강재의 용접에 레이저를 이용하는 사례가 증가하고 있으며, 특히, 선박 및 강구조물 제작에 활발히 적용되고 있다.
이 레이저 용접은 용접 시 사용되는 레이저 빔은 고에너지가 집적된 광선이기 때문에 강재에 전달되는 용접열이 용접 이음부에 집중되어 용입 깊이가 깊고, 아크 용접에 비해 용접 입열량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 레이저 용접은 빔의 직경이 매우 작은 레이저의 특성상 용접 이음부의 갭 허용값(gap tolerance)이 매우 작을 수 밖에 없으며, 이로 인해 용접 이음부에 대한 정밀 가공이 필요하게 되어 결국, 전체적인 용접 생산성을 저하시키게 된다.
따라서, 아크 용접과 레이저 용접의 단점들을 서로 보완하기 위해 아크 용접과 레이저 용접을 접목한 하이브리드 용접이 개발되어 사용되고 있고, 현재에도 많은 연구가 진행 중이다.
이 하이브리드 용접은 넓은 갭 허용값을 갖는 아크 용접의 장점과, 용입 깊이가 깊은 레이저 용접의 장점을 이용해 용접 생산성과 용접 품질을 동시에 향상시킬 수 있다.
조선 및 철구조물 제작업체 등에서는 용접 작업을 위해 강재를 절단 작업을 수행하게 되며, 이 강재 절단 방법으로는 플라즈마 절단, 산소 가스 절단, 레이저 절단 등이 많이 사용되고 있다. 이중, 플라즈마 절단이 생산성 및 강재 절단 두께 등에서 매우 우수한 특성을 가지고 있어 산업 현장에서 많이 사용되고 있다.
그러나, 플라즈마 절단과 같이 열절단의 경우 절단 표면에 산화피막이 형성되어 용접시 결함을 유발하는 단점이 있다. 특히, 레이저 및 하이브리드와 같은 고속, 고밀도 열원 용접에서는 이러한 산화피막의 영향이 매우 크다. 이로 인해 레이저 및 하이브리드 용접은 플라즈마 절단면을 갖는 두께 6mm이상의 강재에는 용접 품질이 매우 저하되는 것으로 보고되고 있다.
이에 대해 대한민국 특허 출원 제 2005-0049171호에서는 플라즈마 절단 강재를 사용하더라도 필렛 용접부의 결함을 저감시킬 수 있는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 맞대기 용접부의 경우에서는 플라즈마 절단면을 사용할 경우, 산화피막으로 인해 레이저 빔의 흡수율이 높아져 과용입이 발생하는 문제점이 확인되었다.
따라서 강재의 산화피막을 제거하기 위해 플라즈마 절단면에 대해 추가로 기계 가공을 할 경우, 조선소 및 철구조물 제작업체들의 생산성이 저하되고, 생산비가 증가하는 된다.
이와 같이, 조선소와 철구조물 제작업체와 같이 강재를 플라즈마 절단을 많이 사용하는 산업분야에서 플라즈마 절단된 강재를 2차 기계 가공 없이 하이브리드 용접을 이용해 맞대기 용접을 수행할 수 있도록 함과 아울러 우수한 용접 비드 품질 및 고생산성을 얻기 위한 하이브리드 용접 조건들의 적절한 선택이 이루어지도록 하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 절단 강재의 두께에 따라 레이저 출력, 용접 속도, 아크 용접 와이어 송급 속도, 및 강재의 플라즈마 절단 각도 등을 제어하여 하이브리드 용접의 용접 품질과 용접 생산성을 향상시키기 위한 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 플라즈마 절단 강재 하이브리드 용접 방법은 플라즈마 절단면을 갖는 강재를 맞대기 용접하기 위한 하이브리드 용접 방법에 있어서, A≤LP/WS≤B, A=5.5t/(t+2), B=8.5t/(t+2)의 용접 조건을 만족한다. 여기서, LP는 레이저 출력이고, WS는 용접속도이며, t는 강재의 두께 이다. 또한, 6≤FR/WS≤10 의 용접 조건을 만족한다. 여기서, FR은 아크 용접 와이어 송급 속도이다.
레이저 출력(LP)은 6kW 내지 12kW인 것을 포함하고, 용접 속도(WS)는 1 내지 3 m/min인 것을 포함하며, 강재의 두께(t)는 6mm 내지 20mm인 것을 포함하고, 아크 용접 와이어 송급 속도는 6m/min 내지 20m/min 인 것을 포함한다.
또한, 강재의 플라즈마 절단면의 절단 각도는 1° 내지 3°인 것을 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하 는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 하이브리드 용접 상태를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 플라즈마 절단 강재의 맞대기 용접을 위한 하이브리드 용접은 플라즈마 절단 강재(14)의 절단면이 서로 마주하도록 배치시키고, 두 강재(14)가 마주하는 수직선 상에서 레이저 빔(12)을 조사하여 레이저 용접을 수행함과 동시에 레이저 빔(12)의 일측에서 강재(14)와 소정의 경사각(θ1)을 이루는 아크 토치(11)로부터 발생되는 아크에 의해 아크 용접이 이루어지도록 한다.
이 하이브리드 용접은 강재(14)의 맞대기 용접부에 조사되는 레이저 빔(12)과 아크 토치(11)로부터 발생되는 아크는 설정된 간격(S)만큼 이격되며, 레이저 빔(12)을 중심으로 아크 토치(11)의 다른 일측에서 강재(14)와 대략 45°경사각을 유지하며 보호가스 노즐(13)이 배치되어 강재(14)의 맞대기 용접부에 보호가스를 공급할 수 있도록 한다.
하이브리드 용접은 넓은 갭 허용값을 갖는 아크 용접의 장점과, 용입 깊이가 깊은 레이저 용접의 장점을 이용해 두께 6mm 내지 20mm의 후판 강재를 용접하는데 주로 사용된다.
이 후판 강재(14)는 선박 및 강구조물의 제작시 주로 사용되며, 생산성 및 두께가 두꺼운 강재의 절단에 매우 우수한 특성을 갖는 플라즈마 절단법에 의해 주로 절단된다.
이 플라즈마 절단된 강재(14)를 하이브리드 용접법으로 플라즈마 절단면을 맞대기 용접하는 경우 절단면에 형성된 산화피막으로 인해 레이저 빔의 흡수율이 높아져 과도하게 용입이 이루어지는 용입 불량 현상이 발생한다.
도 2의 (a)또는 (b) 하이브리드 용접시 강재의 플라즈마 절단 이음부의 용융금속의 유동 변화를 도시한 도면이다. 여기서, 도 2의 (a)는 기계가공 절단면의 하이브리드 용융금속 유동특성을 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 플라즈마 절단면 하이브리드 용접금속의 유동특성을 도시한 것이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 이 용입 불량 현상은 강재(14)의 플라즈마 절단면의 산화피막에 의해 용융금속의 표면장력 및 유동의 변화에 의해 발생하게 된다. 즉, 산화피막에 의해 공급되는 산소는 하이브리드 용융금속의 표면 장력 온도 계수를 양수값을 갖도록 함으로써 하이브리드 용융금속의 유동을 도2의 (b)에서와 같이 바꾸어 줌에 따라 용융금속의 유동변화는 결국 도2의 (a)에 도시한 기계적 절단 가공면에 대한 하이브리드 용융금속의 흐름과는 달리 용융금속의 흐름을 아래로 유도함으로써 용입 불량 현상이 유도된다.
따라서, 플라즈마 절단 강재(14)의 맞대기 용접을 위한 하이브리드 용접시 용입 불량 현상을 막기 위해 하이브리드 용융금속의 유동을 제어가 요구된다. 이 하이브리드 용융금속의 유동제어는 강재(14)의 두께 따른 용접속도, 레이저 출력, 및 아크 용접 와이어 송급 속도 등의 하이브리드 용접의 용접 조건들 제어하여 얻을 수 있다.
이하, 표 1은 강재의 두께에 따라 플라즈마 절단 강재의 맞대기 용접을 위한 하이브리드 용접의 용접 조건들을 변화시켜 얻은 용접 비드 품질을 나타낸다.
Figure 112005074556567-pat00001
이와 같은 용입불량 및 기포발생을 방지하기 위하여 본 발명의 하이브리드 용접법은 플라즈마 절단된 강재의 두께에 따라 레이저 출력, 용접속도, 용접 와이어 송급 속도 등의 최적 용접 조건들을 제시한다.
전술된 하이브리드 용접의 용접 조건들 중, 플라즈마 절단 강재의 두께에 따라 레이저 출력, 및 용접속도는 다음 수학식 1을 만족하도록 한다.
Figure 112005074556567-pat00002
여기서, LP는 레이저 출력(kW)이고, WS는 용접속도(m/min), t는 강재의 두께(mm)이다.
용접 속도(WS)는 두께(t)가 6 내지 20mm인 플라즈마 절단 강재의 맞대기 용접의 경우 1m/min 이상을 유지하지 못하면 과도한 용입 현상으로 인하여 용락이 발생하게 되고, 3m/min 이상을 초과하게 되면 아크가 불안해지고 용접부의 기공이 다량으로 발생하게 된다. 따라서, 용접 속도(WS)는 1m/min 내지 3m/min이 가장 바람직하다
따라서, 용접속도 대한 레이저 출력(LP/WS)이 A에 미치지 못하면 불완전 용입이 발생하게 되고, B를 초과하게 되면 용락이 발생할 수 있다. 따라서, 레이저 출력은 6 내지 12kW가 바람직하다.
그리고, 용접 속도(WS)에 따른 아크 용접 와이어 송급 속도(FR)는 다음 수학식 2를 만족하도록 한다.
Figure 112005074556567-pat00003
여기서, FR은 아크 용접 와이어 송급 속도(m/min)이다.
용접 속도(WS)에 대한 아크 용접 와이어 송급 속도(FR)가 6에 미치지 못할 경우 용입 부족이 발생하고, 10을 넘을 경우 용접금속 상단부에 다량의 기공이 발생하여 용접부 품질을 저하시키게 된다. 따라서, 아크 용접 와이어 송급 속도(FR)는 6m/min 내지 20m/min 인 것이 바람직하다.
또한, 강재의 플라즈마 절단 각도는 하이브리드 용접의 용접 특성을 바뀔 수 있는 중요한 하나의 용접 조건에 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 용접을 위한 강재의 플라즈마 절단 상태를 도시한 도면이다
도 2를 참조하여 설명하면, 강재(14)를 플라즈마 절단 토치(16)에서 공급되는 플라즈마 열에 의해 절단부가 용융 절단된다. 플라즈마 절단 토치(16)는 강재의 수직선으로부터 소정의 절단 각도(θ2)을 가지고 절단될 수 있다.
이 강재(14)의 플라즈마 절단 각도(θ2)가 강재와 수직하는 0°인 경우, 맞대기 용접을 위해 강재(14)의 절단면을 맞대어 놓았을 때 절단면의 하부가 벌어지는 형상이 나타나 하이브리드 용접시 용융금속의 용락이 발생하는 주요 원인이 된다. 그리고, 절단 각도(θ2)가 4°이상인 경우, 루트 페이스(root face) 길이가 짧아져 용락 및 표면에 기공을 다량 발생시킨다.
따라서, 플라즈마 절단 강재(14)의 하이브리드 용접은 강재의 플라즈마 절단 각도(θ2)가 1° 내지 3°범위에서 우수한 비드 품질이 나타난다. 이 중, 하이브리드 용접을 위한 가장 바람직한 강재의 플라즈마 절단 각도는 2°이다.
전술된 바와 같이, 강재(14)의 두께에 따른 용접 속도(WS), 레이저 출력(LP), 아크 용접 와이어 송급 속도(FR), 및 강재의 플라즈마 절단면의 절단 각도(θ2) 범위의 용접 조건에서 플라즈마 절단 강재(14)의 맞대기 용접에 하이브리드 용접을 수행함으로써, 플라즈마 절단 강재(14)를 절단면에 대한 2차 기계가공 없이 하이브리드 용접을 해도 양호한 용접부 품질을 얻을 수 있으며, 오히려, 기존의 기계 절단 방법에 비해서 동일한 용입 깊이를 기준으로 용접속도를 약 80%이상 증가시킬 수 있으므로, 용접생산성 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법은 플라즈마 절단 강재의 두께에 따라 레이저 출력, 용접 속도, 아크 용접 와이어 송급 속도, 및 강재의 플라즈마 절단 각도 등을 제어하여 하이브리드 용접의 용접 품질과 용접 생산성을 향상시키기는 효과를 갖는다

Claims (7)

  1. 플라즈마 절단면을 갖는 강재를 레이저 빔과 아크를 이용하여 맞대기 용접 이음하기 위한 하이브리드 용접 방법에 있어서,
    Figure 112005074556567-pat00004
    의 용접 조건을 만족하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
    여기서, LP는 레이저 출력(kW)이고, WS는 용접속도(m/min)이며, t는 강재의 두께 이다.
  2. 제1항에 있어서,
    Figure 112005074556567-pat00005
    의 용접 조건을 만족하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
    여기서, FR은 아크 용접 와이어 송급 속도(m/min)이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용접 속도(WS)가 1m/min 내지 3 m/min인 것을 포함하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 아크 용접 와이어 송급 속도(FR)는 6m/min 내지 20m/min인 것을 포함하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 출력(LP)은 6kW 내지 12kW인 것을 포함하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강재의 두께(t)는 6mm 내지 20mm인 것을 포함하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강재의 플라즈마 절단면의 절단 각도는 1° 내지 3°인 것을 포함하는 플라즈마 절단 강재의 하이브리드 용접 방법.
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