KR101053300B1

KR101053300B1 - 맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법

Info

Publication number: KR101053300B1
Application number: KR1020040112625A
Authority: KR
Inventors: 홍승갑
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-08-01
Also published as: KR20060074023A

Abstract

본 발명은 맞대기 용접부의 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명의 하이브리드 용접 방법은, 레이저와 아크를 각각 선행 및 후행 프로세스로 하되, 레이저와 아크 토치 사이의 간격(S)을 6mm 이하로, 시험판과 아크 토치 사이의 각도를 50^o이상으로 하는 동시에, 보조가스 유량을 10~30ℓ/min로 유지하면서 용접을 실시하며, 레이저와 아크의 각 출력 및 용접 속도 사이의 특정 관계식이 갖는 값이 용접 대상 강재 두께의 70∼120% 범위에 있도록 제어함에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 하이브리드 용접 방법은 아크가 후행 프로세스로서 역할을 함에 따라 선행하는 레이저에 의한 용접 후 용접부가 열처리되는 효과를 얻게 됨으로써 최종 용접부의 경도 상승이 최소화되며, 용접부의 갭허용차 향상, 기공 저감, 스패터 발생량 감소 등의 효과가 있다.

하이브리드 용접, 맞대기 용접부, 선행 프로세스, 아크, 아크 토치, 레이저

Description

맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법{Hybrid welding method for butt welding}

도 1은 하이브리드 용접 상태를 보여주는 모식도.

도 2는 아크 선행 하이브리드 용접된 용접비드의 경도 그래프.

도 3은 레이저 선행 하이브리드 용접된 용접비드의 경도 그래프.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 아크 토치 12. 레이저 빔

13. 보조가스 노즐 14. 강재

S. 레이저-아크 간격 θ. 아크 토치 각도

본 발명은 맞대기 용접부의 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 레이저와 아크를 각각 선·후행 프로세스로 하고, 레이저 출력, 아크 출력, 레이저 빔과 아크 토치의 각 중심축간 간격, 아크 토치의 각도 및 보조가스의 유량 등을 적절히 제어함으로써, 후판 강재를 사용한 선박 및 강구조물의 맞대기(butt) 용접부에 부여되는 용접 품질과 용접 생산성을 향상시키기 위한 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.

후판 강재를 용접하기 위하여 오래전부터 사용되었으며 현재에도 가장 널리 사용되고 있기도 한 아크 용접은, 용입 깊이가 깊지 못하기 때문에 상대적으로 후판 강재를 용접하기 위해서는 다층 용접을 하여야 하며, 이로 인하여 용접 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 용접 생산성을 높이기 위하여 용접 입열량을 높일 경우 용접부 물성 저하 및 열변형이 커지게 되는 문제점을 가지고있다.

상기와 같은 아크 용접의 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 후판 강재의 용접에 레이저를 이용하는 사례가 증가하고 있으며, 특히, 선박 및 강구조물 제작에 활발히 적용되고 있다.

그러나, 상기 레이저 용접에 사용되는 레이저 빔은 고에너지가 집적된 광선으로서, 용접시 강재에 전달되는 용접열이 용접 이음부에 집중되기 때문에 용입 깊이가 깊고, 그에 따라 아크 용접에 비하여 용접 입열량을 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, 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 생산성이 저하되는 측면이 있다.

상기와 같이, 용접부가 넓고 열변형이 크며 용접 생산성이 낮는 아크 용접과, 갭 허용값이 매우 작아 용접 이음부에 대한 정밀 가공을 필요로 하는 레이 저 용접의 단점을 해결하기 위하여 아크와 레이저를 동시에 사용하는 하이브리드 용접이 개발되었다.

즉, 넓은 갭 허용값을 갖는 아크 용접의 장점과 용입 깊이가 깊은 레이저 용접의 장점을 함께 이용함으로써, 용접 생산성과 용접 품질을 동시에 향상시킬 수 있는, 아크와 레이저를 접목한 하이브리드 용접 방법이 개발되었으며, 현재에도 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나, 레이저와 아크를 함께 사용함으로써 용접을 제어하기 위한 변수가 많아지게 되어 그 제어가 어려워지는 문제가 있는 바, 레이저 빔과 아크간의 상호 작용 및 레이저 용접과 아크 용접 각각의 많은 제어 변수로 인하여 어느 한 용접의 변수값을 잘못 설정할 경우에는 오히려 용접부의 품질을 저하시킬 수도 있게 될 뿐 아니라, 용접부 품질이 안정적이지 못하고 부위에 따라 매우 심한 편차를 보이게 될 수도 있다.

상기와 같은 용접부의 최종적인 품질은, 용접 이음부의 갭 허용값 감소, 용입 감소, 기공 발생, 경화도 상승, 스패터 발생 등 여러 인자에 의하여 결정되기 때문에, 어느 한 인자 또는 일부만을 충족시켜서는 의미가 없으며, 이들 모두를 만족시킬 수 있는 용접 조건의 설정이 필요하게 된다.

따라서, 용접 이음부에 대한 갭 허용값, 용접부 기공, 용접부 경화도 상승 및 스패터 발생 등과 같은 용접부 품질에 직접적인 영향을 미치는 요소들을 동시에 향상시킴으로써, 하이브리드 용접의 장점이 최대한 구현되도록 하기 위해서는 용접 조건과 관련된 많은 수의 용접 변수들 사이의 상호 작용을 고려하여 적절한 용접 변수의 설정이 필요하나, 그에 대한 종합적인 기술이나 방법이 부족한 실정이다.

본 발명은 아크와 레이저를 접목한 종래 하이브리드 용접 방법이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 특히, 조선 및 건축용 고강도 후물재의 맞대기 용접에 하이브리드 용접을 적용함에 있어서 레이저의 출력, 선·후행 프로세스, 레이저 빔과 아크 토치 사이의 간격, 아크 토치 각도, 보조가스 유량 등을 적절히 제어함으로써 용접부의 품질과 용접 생산성을 최대화할 수 있는 하이브리드 용접 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 선행 프로세스로서 아크가 아닌 레이저를 적용하며, 레이저 빔과 아크 토치의 중심축간 간격을 6mm 이하로 설정함으로써 달성된다.

본 발명의 맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법은, 특히, 선박 및 강구조물 제작시 많이 사용되고 있는 두께 6∼20mm의 후판 강재에 대한 맞대기 용접에 적합토록 레이저와 아크를 각각 선·후행 프로세스로 적용한 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명의 하이브리드 용접 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기의 선행 프로세스 및 레이저 빔(12)과 아크 토치(11)의 각 중심축이 강재(14) 표면과 만나는 두 지점 사이의 간격(S, separation, 이하 "레이저-아크 간격"이라 한다.) 외의 다른 용접 제어 변수로서, 아크 토치 각도(θ)를 50^o 이상, 보조가스 유량을 10∼30ℓ/min로 제어함에 기술적 특징이 있으며, 레이저 출력(L.P)과 아크 출력(A.P) 및 용접 속도(W.S)를 용접 대상 강재(14)의 두께(t)와 특정한 관련을 갖도록 하는 다음의 수학식 1을 만족하도록 설정함에 본 발명의 또 다른 기술적 특징이 있다.

이때, 상기 아크 토치 각도(θ)는 레이저 헤드 방향으로 가능한 근접하도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, L.P는 레이저 출력(kW), W.S 는 용접 속도(0.5∼5m/min),

t는 강재의 두께(6∼20mm), A.P는 아크 출력(2∼17kW)

상기와 같이, 본 발명의 하이브리드 용접 방법을 구성하는 중요 변수인 선행 프로세스, 레이저-아크 간격, 아크 토치 각도, 보조가스 유량. 레이저 출력, 아크출력 및 용접 속도 등을 한정한 이유에 대하여, 다음의 표 1과 같은 조건으로 실시된 용접 실험들을 대상으로 하여 살펴보면 다음과 같다.

No.	L.P (kW)	W.S (m/mm)	A.P (kW)	S (mm)	가스유량 (ℓ/min)	토치각도 (°)	선 행 프로세스	용 접 품 질
1	12	1	10.7	3	30	61	레이저	양 호
2	12	1	10.7	3	30	31	레이저	기 공 발 생
3	12	1	10.7	3	30	41	레이저	기 공 발 생
4	12	1	10.7	3	30	51	레이저	양 호
5	12	1	10.7	5	30	61	레이저	양 호
6	12	1	10.7	7	30	61	레이저	기공발생,스패터다량발생
7	12	1	10.7	9	30	61	레이저	기공발생,스패터다량발생
8	12	1	10.7	11	30	61	레이저	기공발생,스패터다량발생
9	12	1	10.7	3	10	61	레이저	양 호
10	12	1	10.7	3	20	61	레이저	양 호
11	12	1	10.7	3	30	61	레이저	양 호
12	12	1	10.7	3	40	61	레이저	기 공 발 생
13	12	1	10.7	3	50	61	레이저	기 공 발 생
14	12	1	10.7	3	60	61	레이저	기 공 발 생
15	12	1	10.7	3	0	61	레이저	용 입 부 족

선행 프로세스

하이브리드 용접은 레이저와 아크가 용접 방향을 향하여 전·후로 배치된 상태에서 함께 이동하면서 용접이 실시되는 용접으로서, 용접 방향 전방에 위치하여 1차적인 용접을 실시하게 되는 선행 프로세스의 종류에 따라 용접부 특성에 많은 차이가 발생하게 되는 바, 본 발명자는 다수의 용접 시험을 통하여, 용입 깊이 측면에서는 아크의 선행이 다소 유리할 수 있으나, 아크 안정성과 용접부 경도 측면에서는 레이저가 선행하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.

그리고, 아크 안정성 측면에서, 레이저가 선행할 경우에는 레이저에 의해 발생되는 플라즈마를 통하여 뒤따라 오는 아크의 발생이 쉬워지게 되어 그 안정성이 향상됨으로써 스패터의 발생이 감소하게 됨도 확인할 수 있었다.

또한, 용접부 경도의 경우, 50kgf/mm²급 고강도 강재를 이용하여 각각 실시된 아크 선행 및 레이저 선행 하이브리드 용접의 각 용접부가 갖는 경도를 조사한 결과, 아크 선행 하이브리드 용접의 경우에는 용접비드 하단의 경도가, 도 2에 도시된 바와 같이, 400Hv 가까이 되는 것으로 확인되었는 바, 이와 같은 용접부의 경도 상승은 필연적으로 용접부의 인성 저하를 초래하게 되며, 이를 해결하기 위해서는 모재의 탄소당량을 낮추거나, 추가적인 열처리가 실시되어야 할 필요가 있게 된다.

그러나, 모재의 탄소당량을 낮추게 되면 원하는 강도를 얻기 힘들게 되고, 추가적인 열처리를 실시할 경우에는 생산성이 저하하게 될 뿐 아니라, 생산 비용의 상승을 초래하게 된다.

상기와 같은 아크 선행 하이브리드 용접에 비하여, 레이저 선행 하이브리드 용접의 경우에는 레이저 용접에 의해 경화된 용접부가, 레이저를 뒤따라 오는 아크 열에 의한 열처리 효과를 얻게 됨으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 용접부의 경도가 약 300Hv정도로 유지되는 것으로 나타났다.

따라서, 용접부의 경도 상승을 최소화하기 위하여 본 발명의 하이브리드 용접 방법에서는 레이저를 선행 프로세스로 선택하였다.

레이저 빔과 아크 토치 간격

본 발명의 하이브리드 용접 방법에서는 레이저-아크 간격(S)을 6mm 이하로 하게 되는 바, 이는, 상기 레이저-아크 간격(S)을 6mm 이상으로 했을 경우 레이저 빔에 의한 용융지(熔融池)와 아크에 의한 용융지가 서로 합체되지 못하고 분리되면서 아크가 매우 불안정하게 되어 스패터의 발생량이 증가하게 되기 때문이다.

또한, 하이브리드 용접에서 이음부의 갭 허용차를 확대를 위한 가장 중요한 인자는, 레이저 빔에 의해 형성된 키홀(key hole) 내부를 향한, 아크에 의해 생성된 용융 금속의 원활한 공급임을 본 발명자는 확인할 수 있었다.

즉, 레이저-아크 간격이 6mm를 초과할 경우에는 레이저 빔과 아크에 의한 각각의 용융지가 일체화되지 못하고 서로 분리됨으로써, 레이저 빔에 의해 형성된 키홀 내부로, 아크에 의해 생성된 용융 금속의 유입이 원활하게 이루어지지 않게 되며, 그에 따라, 레이저 용접과 비교하여 하이브리드 용접의 장점인 갭 허용차 범위가 축소된다.

아크 토치 각도

본 발명의 하이브리는 용접 방법에서는, 아크 토치의 각도를 50^o이상으로 유지하는 것이 바람직한 바, 아크 토치의 각도가 50^o에 미치지 못하면 아크의 직진성이 떨어져 용입 깊이가 축소되는 동시에 아크가 불안정해짐으로써 용접부에 기공이 다량 발생할 수 있게 된다.

보조가스 유량

레이저 빔에 의해 발생되는 플라즈마를 제거하여 플라즈마에 의한 레이저 빔의 흡수를 최소화시킴으로써 레이저 빔의 용접부 전달 효율을 높이기 위하여 주로 헬륨 가스가 사용되는 보조가스는, 본 발명의 방법에서, 그 공급유량이 10∼30ℓ/min로 제어되는 바, 그 유량이 10ℓ/min에 미치지 못하면 레이저 빔에 의해 발생되는 플라즈마를 효과적으로 제거하지 못하기 때문에 용접부로 입사되는 레이저 빔의 효율이 감소하여 용입 효율이 떨어지게 되며, 그 유량이 30ℓ/min를 초과하게 되면 오히려 보조가스의 압력이 증가하게 되어 용융지로 보조가스가 유입됨으로써 용접부에 조대한 기공이 형성될 수 있게 된다.

레이저 출력, 아크출력, 용접 속도

레이저 빔의 출력과 아크 출력 및 용접 속도는 강재의 두께에 따라 상기의 수학식 1을 만족하도록 설정되는 바, 상기 수학식 1의 값이, 강재 두께의 70%에 미치지 못하면 불완전 용입이 발생되고, 120%를 초과하게 되면 용락이 발생될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 용접 방법은 선행 프로세 스로서 레이저를 채택함으로써 용접부의 경도 상승이 최소화되며, 레이저 빔과 아크 토치 사이의 간격, 아크 토치 각도 및 보조가스 유량을 일정한 범위내로 유지하면서 레이저와 아크의 출력 및 용접 속도를 강재 두께에 따라 일정한 범위내에서 설정되도록 함으로써, 용접부의 갭허용차 향상, 기공 저감, 용접부 경화도 저하 및 스패터 발생량 감소 등이 가능하며, 그에 따라 용접부 품질과 용접 생산성의 향상이 기대된다.

Claims

아크와 레이저를 함께 사용하는 강재의 하이브리드 용접 방법에 있어서, 레이저 출력과, 아크 출력 및 용접 속도가 다음의 수학식 1을 만족하도록 용접함을 특징으로 하는 맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법.

수학식 1

여기서, L.P는 레이저 출력(kW), W.S 는 용접 속도(0.5∼5m/min),

t는 강재의 두께(6∼20mm), A.P는 아크 출력(2∼17kW)
아크와 레이저를 함께 사용하는 강재의 하이브리드 용접 방법에 있어서, 선행 프로세스를 레이저로 하며, 레이저-아크 간격(S)을 6mm 이하로 하고, 아크 토치 각도를 50^o이상으로 하는 동시에 보조가스 유량을 10~30ℓ/min로 유지하면서 실시됨을 특징으로 하는 맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법.
아크와 레이저를 함께 사용하는 강재의 하이브리드 용접 방법에 있어서, 레 이저 출력과, 아크 출력 및 용접 속도가 다음의 수학식 1을 만족하도록 하며, 선행 프로세스를 레이저로 하며, 레이저-아크 간격(S)을 6mm 이하로 하고, 아크 토치 각도를 50^o이상으로 하는 동시에 보조가스 유량을 10~30ℓ/min로 유지하면서 실시됨을 특징으로 하는 맞대기 용접부 품질 향상을 위한 하이브리드 용접 방법.

수학식 1

여기서, L.P는 레이저 출력(kW), W.S 는 용접 속도(0.5∼5m/min),

t는 강재의 두께(6∼20mm), A.P는 아크 출력(2∼17kW)