KR101145654B1 - 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법 - Google Patents

겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

연속적인 또는 간헐적인 겹치기 침투 접합을 용접하는 방법은 가스금속 매립 아크(GMBA) 용접 방법을 이용한다. 소모성 금속 전극(26)과 제1 구성요소(22)의 표면 사이에 아크(28)를 형성하고, 전극(26)으로부터 제1 구성요소(22)로 금속을 용착시키고 제1 구성요소(22)를 통과하여 제2 구성요소(24)내로 뻗은 용융 금속의 풀(10)을 생성함으로써 제1 구성요소(22)는 그 아래에 놓인 제2 금속 구성요소 (24)에 가스금속 매립 아크 용접된다. 용융 금속 풀은 제2 구성요소(24)내로 뻗은 용접부(30)로 응고되며, 구성요소들 사이의 계면에서의 용접부 폭은 적어도 제1 구성요소(22)와 제2 구성요소(24) 중에 얇은 것의 두께와 동일하다. 아크(28)는 제1 구성요소의 두께내에 적어도 부분적으로 매립되고 접합을 생성하기 위하여 원하는 접합 위치의 방향으로 이동된다.
Figure 112006091481687-pct00001
겹치기 침투 접합, 아크 용접, 전극, 아크, 용융 풀, 용접부

Description

겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법{GAS METAL BURIED ARC WELDING OF LAP-PENETRATION JOINTS}
본 발명은 겹치기 침투 접합의 용접에 관한 것이며, 더 구체적으로는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 관한 것이다.
금속 구성요소(부재)의 가스금속 아크 용접은 토치의 소모성 금속 전극에 전류를 인가하고 전극의 팁과 구성요소의 표면 사이에 아크를 형성하는 것을 필요로 한다. 전극의 금속은 구성요소에 용입 재료로서 용착되고, 전극 및 구성요소의 금속 혼합물을 포함하는 금속의 용융 풀을 형성한다. 용융 금속의 응고시에 용접 접합부가 형성된다. 가스금속 아크 용접은 일반적으로 겹치기 필릿, 티 필릿 및 정방형 맞대기 접합과 같은 비교적 얇은(1 mm - 4.5 mm) 구성요소를 접합하기 위하여 사용된다. 도 1은 금속 전극(8)으로부터 아크가 만들어져서 두개의 구성요소(2, 4) 사이에 정방형 맞대기 접합의 가스금속 아크 용접을 개략적으로 도시한 것이다. 아크(6)와 용융 풀(10)의 용접 구역을 지나간 후에 응고되는 용접 비드(12)를 생성하기 위하여 용융 금속 풀(10)은 전극(8)과 구성요소(2, 4) 사이에 형성된다. 이러한 접합(겹치기 필릿 접합, 티 필릿 접합 및 정방형 맞대기 접합)은 전극의 팁(14)과 아크가 용접되는 접합 에지의 ±0.5 mm 내에 측면 방향으로 위치되는 것을 요구한다. 비록 로봇의 이용 및 고정구를 통하여 용접 작업하는 동안 제어를 제공하지만, 전극 아크의 측면 방향 위치가 접합부에 대하여 정확한 것을 보장하기 위하여 여러 가지 기술이 사용되었다.
한가지 해결 방안은 치수가 정확한 구성요소와 용접 고정구를 사용하는 것인데, 이것은 용접 공정의 최종적인 비용에 많은 비용을 추가시킨다. 대안으로 또는 추가적으로 부재, 용접 고정구 및/또는 위치결정장치의 치수 공차의 변화뿐만 아니라 접합부에 대한 전극 팁과 아크의 측면 방향 위치의 변화에 의한 에지 또는 에지 위치의 변화를 보상하기 위하여, 토치 및 아크를 접합 에지에 대하여 진동시키는 것이다. 비록 토치를 진동시키는 것이 접합 에지에서의 상당한 변화를 극복하지만, 주요한 단점은 생산성이 현저하게 감소 즉, 진동을 일으키도록 허용하기 위해 용접 이동 속도는 감소된다. 접합/전극 관계를 향상시키기 위한 다른 방법들은 접합부 추적 시스템에 기초한 영상을 이용하는데, 이들 방법의 대부분은 비용이 많이 들고 알루미늄 구성요소에 대해 신뢰성이 떨어지고 유지관리가 어렵다. 촉각 접합부 추적 시스템은 효과적이지만, 예리한 모서리 또는 방향 변화를 수용하거나 다수의 짧은 접합부를 생성하는 것과 같은 삼차원의 조립체를 용접하는데 있어서 제한된 적용성을 갖는다.
게다가, 용접부(용융 금속 풀(10)의)가 적층된 구성요소에 충분한 깊이로 도달하지 못하고 응고시에 하부 구성요소와 용접부가 융합되지 못하기 때문에, 즉 하부 구성요소에 침투하지 못하기 때문에 종래의 방법은 겹치기 침투 접합이 가스금속 아크 용접에 대해 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 비롯, 가스금속 아크 용 접으로 겹치기 침투 접합을 스폿 용접하는 것이 공지되었지만, 이것은 몇몇 이유 때문에 구조적으로 중요하지 않은 접합에 대한 것에 제한되어 사용된다. 짧은 용접 시간, 스폿 용접 동안에 인가되는 불충분한 전류 밀도 및 겹쳐지는 부분 사이의 접합 표면상에 존재하는 표면 산화물을 음극으로 청정하게 할 수 없는 것들의 조합은 불충분한 계면 용접 폭 및 하부 구성요소 내에 제한된 용접 침투 깊이를 갖는 와인컵 형상의 프로파일을 나타내게 된다. 이것은 가스금속 아크 용접된 스폿 용접부를 상대적으로 약하게 하고 피로 하중하에서 내구성에 한계를 나타낸다.
가스금속 매립 아크(gas metal buried arc(GMBA)) 용접으로 지칭하는 더욱 깊은 가스금속 아크 용접이 도 2에 도시된 바와 같이 정방형 맞대기 접합에 대하여 달성되었다. 가스금속 매립 아크 용접 방법은 용접 전극을 통과하는 용접 전류가 종래의 가스금속 아크 용접보다 가스금속 매립 아크 용접 방법에서 훨씬 높다는 점에서 종래의 가스금속 아크 용접과 상이하다. 가스금속 매립 아크 용접 방법에서 더 높은 전류 밀도를 나타내며, 이것은 구성요소 안으로 더 깊이 침투하는 더욱 침투력이 높은 조준 아크를 인도한다. 그러나, 지금까지 겹치기 침투 접합의 깊은 가스금속 매립 아크 용접은 달성되지 않았다.
본 발명은 소모성 금속 전극과 제1 구성요소의 표면 사이에 아크를 형성하고, 전극으로부터 제1 구성요소로 금속을 용착시키고 제1 구성요소를 통과하여 제2 구성요소내로 뻗은 용융 금속의 풀을 형성하는 것에 의해서 제1 금속 구성요소를 그 아래에 놓인 제2 금속 구성요소에 가스금속 아크 용접하는 것으로 이루어진 겹치기 침투 접합하는 방법을 포함하고 있다. 용융 금속 풀이 용접부로 응고할 때, 두개의 구성요소 사이의 계면에서 용접부의 폭은 적어도 제1 구성요소와 제2 구성요소 중에 얇은 것의 두께와 동일하다. 용접하는 동안, 아크는 제1 구성요소의 두께 내로 적어도 부분적으로 매립되고 접합을 생성하기 위하여 원하는 접합 위치의 방향으로 이동된다.
도 1 은 정방형 맞대기 접합의 가스금속 아크 용접에 대한 종래기술의 개략도,
도 2 는 정방형 맞대기 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 대한 종래기술의 개략도,
도 3 은 본 발명의 방법에 따른 겹치기 침투 접합의 용접에 대한 측면도,
도 4 는 도 3에서 만들어진 접합부의 측면도,
도 5 는 본 발명을 실행하기 위한 전극 공급 속도, 용접 전류 및 이동 속도의 제안된 조화에 관한 그래프이다.
이하의 설명을 위한 "상부", "하부", "좌", "우", "수직", "수평", "위", "아래"의 용어는 본 발명과 관련하여 도면에서의 방향을 의미하는 것이다. 그러나, 본 발명은 명시적으로 나타낸 것 이외에 본 발명의 다양한 변경 및 단계 순서를 상정할 수 있다. 또한, 첨부 도면에 도시되고 이하에 설명되는 특정 장치 및 공정은 본 발명의 예시적인 실시예이다. 그러므로, 여기에 설명된 실시예에 대한 특정 치 수 및 다른 물리적인 특성이 제한하기 위한 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명은 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법을 포함한다. 겹치기 침투 접합의 전술한 가스금속 아크 용접의 문제점(즉, 접합 표면으로부터 표면 산화물을 음극 방식으로 제거할 수 없음, 제한된 침투 및 불충분한 계면 깊이)을 극복하기 위하여, 겹치기 침투 접합은 높은 전력 밀도 프로세스(예를 들면, 레이저 빔, 전자 빔 또는 플라즈마 용접)로 용접된다. 도 3을 참조하면, 제1 금속 구성요소(22)가 제2 금속 구성요소(24)에 접하여 위치된다. 제1 및 제2 구성요소(22, 24)는 도시된 바와 같이 수직 적층으로 또는 다른 배열로 위치될 수 있다. 제1 및 제2 구성요소(22, 24)를 용융시키는 강한 침투 조준 아크(28)를 생성하기 위하여 금속 소모성 전극(26)을 갖는 용접 토치에 고전류(예를 들면, 종래의 가스금속 아크 용접의 150 암페어와 비교하여 350암페어)가 인도된다. 전극(26)의 금속은 또한 구성요소(22, 24)와 함께 용해되어 용융 풀(10)을 만들며, 이 용융 풀은 응고되어 용접 비드(30)가 된다. 아크(28)는 제1 구성요소(22)와 제2 구성요소(24)의 상부를 통하여 침투하고 용해시켜 두개의 구성요소(22, 24) 사이에 용접부(30)를 형성한다. 아크(28)에 의해 유지되는 고전류 밀도는 구성요소(22, 24) 사이의 접합 표면에 존재하는 산화물 층을 관통하여 파괴하고 용해하기에 충분한 전자기력 및 열을 제공하는 것, 적층된 구성요소를 통하여 침투하는 것 및 용융 풀을 강력하게 교반하는 것을 포함하는 다수의 효과를 갖는다. 이 방식에서, 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접은 계면 산화물의 음극 아크 청정 작용이 없는 것을 산화물을 파쇄, 용해 및 슬래그 형태로 용접부 상부로 부유시킴으로써 보상하 는 동시에 원하는 용접부 형상(즉, 침투 및 계면 깊이)을 달성한다.
도 4를 참조하면, 용접부(30)의 폭과 깊이가 겹치기 침투 접합을 성공적으로 생성하기에 충분한 것을 보장하는 공정 조건하에서 용접부(30)가 만들어진다. 이러한 목적을 위해, 제2 구성요소(24)내로 침투하는 용접부의 침투 깊이(D)는 제2 구성요소(24)를 용해하고 응고시에 용접부와 융합 및/또는 합체하기에 충분하여야 한다. 비교적 얇은 구성요소(1 - 5mm)에 대하여, 제2 구성요소(24)내로 5 - 10% 침투가 적절하다. 또한, 제1 및 제2 구성요소(22, 24) 사이의 계면의 용접부 폭(W)은 적어도 각각의 구성요소(22, 24)중에 얇은 구성요소의 두께(T 또는 t) 정도의 크기가 되어야 한다. 도 4에서, 구성요소(24)가 더 두꺼운 구성요소로 도시되어 있으나, 구성요소(22, 24)가 같은 두께 또는 구성요소(22)가 구성요소(24)보다 얇은 것으로 제한하는 것을 의미하는 것은 아니다. 전극과 아크는 제1 및 제2 구성요소(22, 24) 사이의 원하는 접합 위치의 방향으로 이동된다. 용접은 연속적으로 또는 스티치 용접을 생성하도록 간헐적으로 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 겹치기 침투 용접을 위한 적합한 재료는 전극으로서 AA 합금을 사용한 알루미늄 협회(Aluminum Association(AA))의 알루미늄 합금의 구성요소이다. 두개의 구성요소는 판재, 주물 또는 압출재 및 그 조합이 될 수 있다. 예시적인 방식으로, 본 발명은 300 암페어에서 AA 5356 전극을 사용하여 2mm 두께의 두개의 AA 5754-O 판재를 함께 용접하고, 2mm 두께의 AA 6062-T4 판재를 4mm 두께의 두개의 AA 7075-T6 압출재에 접합하도록 성공적으로 실행되었다. 또한 본 발명의 가스금속 매립 아크 용접은 강, 스테인리스강, 티타늄 및 티타늄 합금, 구리 및 구리 합금과 같은 다른 재료로 만들어진 구성요소 사이에 겹치기 침투 접합을 생성하는데도 적합하다.
본 발명에 따라 만들어진 겹치기 침투 접합은 접합부 에지에 대한 전극 팁/아크 위치에서의 측면방향 변화를 수용하기 위하여 더욱 느린 용접 이동 속도 및/또는 토치 진동을 요구하는 겹치기 필릿 접합과 같은 다른 접합의 가스금속 아크 용접보다 더 높은 효율로 만들어질 수 있다. 겹치기 필릿 접합의 가스금속 아크 용접의 전형적인 이동 속도는 2.5mm 두께의 구성요소를 용접하기 위해 약 0.6 내지 1.2 미터/분 이지만, 같은 두께의 구성요소에 대해 본 발명에 따른 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접의 이동 속도는 약 1.5 내지 2 미터/분 이다. 게다가, 겹치기 침투 접합에 있어서의 구성요소 에지에 대한 전극 팁/아크의 측면 방향 위치는 다른 접합에 대한 것보다 덜 중요하기 때문에 본 발명은 구성요소에 대한 엄격한 치수 허용 오차에 대한 요구를 회피할 수 있고 조립 절차(즉, 고정 및 용접 절차)를 간소화한다. 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접의 또 다른 장점은 용접 시스템의 이용을 최대화하고 레이저 빔, 전자 빔 및 플라즈마 용접의 겹치기 침투 접합을 위해서 종래에 사용되는 고가의 용접 시스템을 필요로 하지 않고 동일한 용접 장비가 가스금속 매립 아크 용접 및 가스금속 아크 용접 모두에 사용될 수 있다는 것이다. 이것은 동일한 또는 상이한 조립에서 다른 접합(즉, 겹치기 침투 용접과 겹치기 필릿 용접, 티 필릿 용접 등)할 때 두 용접 모드 사이의 전환을 통하여 달성될 수 있다. 또한, 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 있어서의 더 빠른 이동 속도는 상응하는 두께의 구성요소 사이에 겹치기 필릿 접합 의 가스금속 아크 용접하는 동안에 일어나는 용접에 기인한 전체적인 뒤틀림을 감소시킨다.
적용에 따라, 가스금속 매립 아크 용접되는 겹치기 침투 접합은 포지티브 극성 전극 또는 네거티브 극성 전극으로 DC 전류를 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명은 또한 다른 펄스 및 비펄스(예를 들면, 정방형파, AC) 전류 및/또는 와이어 공급 조절 시스템과 함께 실행될 수 있다. 겹치기 침투 접합을 가스금속 매립 아크 용접하는 동안 제어된 용접 개시 및 정지(즉, 일관된 정상적인 품질 및 기하학적인 특성)을 성취하기 위하여, 용접 개시 및 종료 절차를 프로그램할 수 있는 용접 시스템이 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전극 공급 속도(또는 와이어 공급 속도(WFR:wire feed rate))는 용접 전류와 조화를 이루며, 상이한 두께 및 합금 조합의 함수로서 증가 및 감소하도록 프로그램될 수 있다. 몇몇 예에서, 용접 개시 및 종료 절차는 전극 공급 속도/용접 전류 및 용접 이동 속도를 조화시키도록 프로그램될 수 있다.
바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주내에서 다른 방식으로 실시될 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 금속 구성요소와 그 아래에 놓인 제2 금속 구성요소 사이에 겹치기 침투 접합을 가스금속 매립 아크 용접하는 방법에 있어서,
    소모성 금속 전극과 제1 구성요소 사이에 아크를 형성하는 단계;
    전극으로부터 제1 구성요소로 금속을 용착시키고 제1 구성요소를 통과하여 그 아래에 놓인 제2 구성요소내로 뻗은 용융 금속의 풀을 생성하는 단계;
    용융 금속 풀을 용접부로 응고시키는 단계; 및
    접합을 생성하기 위하여 제1 구성요소의 표면을 가로질러 아크와 전극을 이동시키는 단계를 포함하고 있으며,
    제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 계면에서의 용접부의 폭은 제1 구성요소와 제2 구성요소 중에 얇은 것의 두께보다 크거나 또는 같은 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 용접부는 제2 구성요소내로 침투하고 응고시에 제2 구성요소와 융합되는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 아크는 적어도 부분적으로 제1 구성요소의 두께내에 위치되는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 구성요소는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 제1 및 제2 구성요소는 강, 스테인리스강, 티타늄 및 티타늄 함금, 구리 및 구리 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 제1 구성요소와 제2 구성요소는 각각 판재, 주물, 압출재 또는 단조재로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 아크와 전극은 최소한 분당 1 미터의 속도로 이동되는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 용접은 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 용접은 간헐적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법.
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