KR101161885B1

KR101161885B1 - 맞대기 용접 방법

Info

Publication number: KR101161885B1
Application number: KR1020067009712A
Authority: KR
Inventors: 데일 에이 플러드
Original assignee: 트리 툴 인코포레이티드
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2012-07-03
Also published as: EP1694460B1; WO2005051583A3; US7170032B2; CA2544908C; KR20060123167A; WO2005051583A2; CA2544908A1; TWI350226B; US20050109735A1; CN1905983A; JP2007517664A; EP1694460A4; EP1694460A2; TW200529965A

Abstract

수소 함유 차폐 가스 및 GTAW 장비를 사용하여, 제 1 루트 패스 상에 비-스테인리스 강 가공편을 용접하는 방법은 275 미만, 바람직하게는 100 미만의 수분 투과율 계수를 갖는 탄성중합체 재료로 제조된 호스 또는 도관을 포함하는 차폐 가스 전달 시스템과, 적어도 텅스텐 및 란탄 산화물, 바람직하게는 텅스텐, 란탄 산화물, 이트륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 텅스텐 전극 혼합물을 사용함으로써 개선된다. 수소 함유 차폐 가스를 전달하는 탄성중합체 호스를 통해 수분 투과를 방지하는 것은 루트 패스 용접 후 제 2 패스 필러 용접중에 용융된 용접 금속의 추출을 제거한다. 전극 수명은 텅스텐 혼합물을 사용하여 증대된다.

Description

맞대기 용접 방법{PROCESS FOR WELDING}

본 발명은 용접 방법, 특히 차폐식 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding; GTAW) 방법에 관한 것이다.

제 1 또는 루트 패스 동안, 필러 와이어 및 수소 함유 아르곤(또는 다른 불활성 가스) 차폐 가스 혼합물을 구비하고, 이어서 후속하는 필러 패스 동안, 무-수소 불활성 가스를 구비하는 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding; 가스 텅스텐 아크 용접) 장비를 사용하여 베벨 예비된 접합부(bevel prepared joints)를 따라 강 가공편을 맞대기 용접하기 위한 개선된 용접 방법이 1997년 11월 11일 허여된 미국 특허 제 5,686,002 호에 개시되어 있으며, 상기 특허는 여기서 청구되고 개시되는 본 발명과 동일하게 소유권이 귀속된다.

미국 특허 제 5,686,002 호에 개시된 방법에 따라, 중간 내지 두꺼운 시트(sheet) 또는 관형 강 금속 가공편은 접합될 에지를 베벨링(beveling)함으로써 작은 간극("개방 루트")을 두고 서로 맞대어지도록 준비된다. 그 후, 루트 용접 패스는 종래의 자동(반자동 포함) 또는 비-자동식 GTAW 장비, 필러 와이어 및 바람직하게는 95/5 아르곤-수소 혼합물로 구성되는 차폐 가스를 사용하여 이루어진다.

이러한 가공편, 특히 탄소강으로 이루어진 가공편의 성공적인 용접은 탄소강 용접부로 수소가 인입하는 것에 대한 제약으로 인해, 원천적으로 장담할 수 없었으며, 이는 수소 오염이 발생할 때 그러한 금속으로 사용되는 종래의 용접 공정에서 부딪히는 메짐성(embrittlement) 및 다공성 문제에 기인한다.

한편, 루트 패스 동안 수소의 존재는 침투(penetration), 용접 풀 안정성, 청결 및 차폐 가스 혼합물의 수소로 얻어지는 강화된 열 효과로 인한 개방 루트를 갖는 베벨링된(beveled) 에지를 사용하여 준비된 대 직경 튜브 및 파이프와 같은 탄소강 가공편을 접합하는 용접기에 의해 직면하게 되는 다른 문제들을 해결할 것이라는 것이 학설화되어 있다.

미국 특허 제 5,686,002 호에 개시된 해결책은 루트 패스를 위해서만 아르곤/수소 혼합물을 사용하고, 후속하는 패스를 위해서는 무-수소 불활성 가스 혼합물을 사용하는 것으로, 이는 수소 메짐성에 종속하지 않는 바람직하고 비-다공성의 용접부를 생산하게 되고, 이론적으로 용접부로부터 수소를 제거하게 된다. 사실상, 크롬-몰리브덴 강과 같은 고 강도 강뿐 아니라 탄소강을 포함하는 실험을 통해, 차폐 가스 내의 수소의 역효과로부터 자유로운 용접이 이러한 신규한 공정을 사용하여 달성될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 용접 방법에 대해 더욱 상세한 설명을 위해서는, 본원에 참조되는 미국 특허 제 5,686,002 호를 참조할 수 있다.

미국 특허 제 5,686,002 호에 개시된 방법을 사용하여 이루어지는 용접은 바람직하고 우수한 품질을 지니지만, 서두에서 문제삼지 않은 것으로 상기 방법을 탄소강을 용접하기 위해 적용할 때, 예상치 못한 현상들이 발견된다.

구체적으로, 제 2 용접 패스가 루트 패스 후에 이루어지는 경우, 용접 풀 영역에서 용융된 금속의 갑작스런 실질적으로 폭발성의 분출이, GTAW 토치 장비의 가스 렌즈 및 전극을 오염시킴으로써 용접 공정을 망쳐놓기에 충분한 빈도 및 강도로 발생하게 된다. 이러한 분출은 전극 및 가스 렌즈 상에 용융 금속을 퇴적시켜, 용접이 계속되기 전에 수리 또는 교체가 필요하게 될 상황에 이른다는 것이 알려져 있다. 이러한 현상은 심지어 제 2 패스 "건식 와시(dry wash)"(무 필러 융접)가 이루어지는 동안에도 발생한다.

루트 패스 용접 및 덮개 또는 필러 용접이 용접 동안 용접 구역 내의 어떠한 종류의 오염, 특히 수분 및 산소 오염 방지를 포함하는 모든 수용 가능한 GTAW 표준 및 사양에 따라 엄격하게 제조되기 때문에, 설명이 용이하지 않다. GTAW 장치의 모든 설비는 차폐 가스 공급원이 검사되는 것처럼 검사된다. 전극이 우선 의심이 되지만, 인과 관계 요소로서 무용함이 밝혀졌다. 가능한 폭발성 화학적 오염은 조기에 배제되었으며, 마찬가지로 잠재적 폭발 물질의 존재를 야기할 수 있는 용접동안 생성되는 요소의 혼합물 또는 루트 패스의 고상 용접 금속 내의 가스도 배제되었다. 필러 용접 차폐 가스의 혼합물을 변경하는 것은 공급된 차폐 가스가 문제의 근원이라는 것을 의미하지 않았다. 또한, 용접 구역 내의 수분은 가공편을 예열하는 단계를 포함하는 실험에 의해 배제되었다.

결국, 제 1 필러 또는 덮개 패스 동안 용융된 용접 금속을 수반하는 폭발성 사례는 루트 패스의 고상 용접 금속 내의 작은 포켓 또는 셀에 포집된 유형의 과열 가스에 기인될 수 있음이 이론화되었으며, 이는 풀의 선단 에지가 상기 포켓 또는 셀에 접근하고 상기 포켓 또는 셀을 둘러싸는 금속의 영역을 가열함에 따라 상기 고상 용접 금속이, 주위 금속의 융해가 발생할 때 과열되고 가압된 가스가 용융된 용접 금속의 강렬한 분출로 급격하게 확장될 때까지 집중적으로 가압되기 때문이다. 루트 패스 동안 수소의 사용은 다음의 덮개 또는 필러 용접 패스 동안 제거되게 되는 초기의 다공성을 야기함이 이론화되었다. 그러나, 대부분 아르곤 및 소량의 무수소의 작은 포켓의 존재로는 루트 용접부에 걸쳐 제 1 필러 패스 동안 관측되는 분출의 격한 특성을 밝혀내지 못한다.

추가 조사가 루트 패스 용접의 포켓 또는 셀 내에 수분이 포함될 수 있다는 가능성에 초점을 맞출 때까지 의문은 미해결 상태로 남아 있었다. 불필요한 수분이 어떤 경로로 셀 또는 포켓 내에 수용되는지는 초기 조사를 근거로 도출해 낼 수 없었으며, 차폐 가스 및 용접 구역 내에 수분 오염을 방지하기 위한 예방만이 취해졌다. 만약, 포집된 수분이 셀 내에 수용된다면, 적어도 이는 제 2 패스 동안 과열되어 증기로 되는 셀 내의 포집 증기가 관측된 분출을 야기하는 원인을 설명할 수 있다.

그러나, 수분이 어떻게 용접 영역에 도달하는가는 해결해야할 문제로 남아 있다.

용접 금속 폭발 문제에 대한 연구 과정에서 본 발명자에 의해 검토된 1959년에 허여된 미국 특허 제 2,905,805 호는 35% 수소를 포함하는 아르곤-수소 차폐 가스 혼합물을 사용하여 스테인리스 강의 GTAW 용접 동안 발생되는 수분 포켓에 의해 발생되는 문제점들을 개시하고 있다. 상기 특허에 따라, 용접 동안 산소 및 수소 의 화학적 혼합물이 용접부의 구멍에 수용되는 수분을 발생시키는 것으로 간주되었으며, 상기 특허에서 제안된 해결책은 차폐 가스 내의 용접 구역에 존재하는 수소의 양을 제한하고 용접 공구 전진 속도를 조절하는 것이었다.

이러한 이론은 95/5 아르곤-수소 차폐 가스 혼합물 및 GTAW 장비로 탄소, 크롬-몰리브덴 및 다른 비-스테인리스 강 용접에 대해서는 적용할 만하지 않다. 우선, 용접 구역의 어떠한 산소 오염도 언제나 용접 구역을 무산소로 유지하는 차폐 가스 시스템의 특징으로 인해 발생하지 않을 것이기 때문이다. 다른 원인에 의해 용접 금속 내의 셀 또는 포켓의 발생에 관계없이, 용접 금속 내의 수분 발생을 위해 용접 동안 소모되지 않은 차폐 가스 내의 미량의 수소와 결합하기에 불충분한 산소가 존재한다. 탄소강 용접은 스테인리스 강 용접보다 현저히 광범위하게 다공성에 종속되는 것으로 알려져 있으나, 미국 특허 제 5,686,022 호의 방법에 따라 이루어지는 탄소강 용접의 구멍의 셀 내에 수분이 존재하게 되는 원인은 용이하게 설명할 수 없었다.

따라서, 수분 및 산소의 가능한 공급원으로서 차폐 가스 전달 시스템에 초점이 맞춰졌다. 수분 및 산소 오염이 없는 용접 구역을 유지하기 위한 바로 그 물질, 즉 차폐 가스가 아마도 모든 주의에도 불구하고, 유해한 오염물질을 이송하는 것임이 이론화되었다.

차폐 가스 저장 탱크와, 피팅과, 전달 호스와, 차폐 가스 혼합물의 공급 및 전달을 위해 사용되는 용접 헤드 모두가 수분 및 산소를 오염시키는 가능한 원인으로 상세하게 조사되었다. 여전히 이러한 요소의 원인은 발견되지 않았다.

따라서, 탄성중합체 가스 전달 호스가 미국 특허 제 5,686,002 호에 따라 실행되는 GTAW 용접 공정 동안 용접 구역을 오염시키는 수소 및 산소의 원인으로서 조사되었다. 비록, 사용시 GTAW 용접을 위한 모든 사양에 부합하지만, 다양한 플라스틱, 고무 및 용접 가스 공급용으로 가능한 다른 탄성중합체 호스 재료들은 호스 및 다른 요소를 구성하기 위해 사용되는 재료에 종속하여 호스의 벽을 통한 다양한 가스 투과 또는 확산 정도에 종속한다는 점이 밝혀졌다. 따라서, 전술된 방식으로 반응하는 용접의 셀 포켓 내의 수분의 공급원은 대기로부터 수분 증기를 허용하여 루트 패스 용접의 셀 또는 포켓 내에 포집되기에 충분한 정도로 호스 벽을 통해 투과 또는 확산되는 탄성중합체 차폐 가스 전달 호스였다는 것이 실험을 통해 밝혀지게 되었다. 후속하는 용접 패스 동안의 가열에 따라, 수분은 과열되고 관측된 격한 분출 효과를 발생한다. 용접 금속 분출에 대한 하나의 해결책은 이러한 분출로부터 야기되는 단점을 방지하기 위해 요구된다.

두번째 요소로서, GTAW 장비에 사용된 종래의 텅스텐 전극이 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 방법에서 사용되는 동안, 즉 95/5 아르곤-수소 가스 혼합물을 사용하는 동안 심각하게 열화된 것이 발견되었다. 전극 수명이 통상적인 95/5 아르곤-수소 차폐 가스를 사용하는 스테인리스 강 용접 공정 또는 높은 차단 환경을 수반하는 "청정실" 환경과 달리, 상기 특허에 따른 방법은 "청정" 또는 살균 용접을 생성할 필요가 없는 환경에서 용접을 실행한다. 이는 통상적으로 어디에서 스테인리스 강 "청정실" 용접이 실행되는지 관심이 없으며, 이러한 용접은 상대적으로 낮은 암페어를 사용하고, 열 입력 및 용접은 예를 들어, 탄소강 플레이트 및 육중한 벽 튜브, 또는 크롬-몰리브덴과 같은 다른 강을 포함하는 통상의 용접 공정보다 짧은 지속성을 갖는다. "청정실" 공정에 있어서, 사용된 텅스텐 전극의 도핑 매개체(doping agent)가 완전하게 기화되지 않을 수 있으며, 따라서 사용중 전극 상에 산소의 산화 및 응축을 감소시킬 수 있다. 한편, 탄소, 크롬-몰리브덴 및 다른 비-스테인리스 강과 함께 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 공정 동안 사용된 텅스텐 전극이 제시되었으며, 보다 짧은 수명 및 보다 빈도수가 높은 교체가 예상되는데, 이는 보다 긴 용접 시간, 차폐 가스 내의 수소, 전극 상의 산화물 응축, 전극 상의 일정 위치에 용접 구역의 오염 및 그 밖의 다른 요인에 의한 긴 용접 시간, 높은 열 입력에 기인한다.

명백하게, 특히 탄소강, 그러나 일반적으로 부분적 수소 차폐 가스를 사용하는 비-스테인리스 강을 포함하는 용접 공정에 있어서의 텅스텐 전극 수명을 감소시키는 것에 대한 해결책이 요구된다.

발명의 요약

본 발명은 미국 특허 제 5,686,003 호에 따른 GTAW 용접 장치 및 기술을 사용하는 베벨 접합 예비부(bevel joint preparations)를 갖는 비-스테인리스 강 금속 가공편을 맞대기 용접하는 방법이며, 상기 미국 특허에서는 루트 패스의 용접은 수분 및 가능하다면 산소의 가스 전달 호스 또는 전체로는 용접 장치의 전달 시스템 내로의 투과를 방지하는 차폐 가스 탄성중합체 호스 전달 시스템을 사용하여 실행된다.

바람직하게는, 탄성중합체 차폐 가스 전달 호스는 0 내지 275, 바람직하게는 100 미만의 수분 확산 또는 투과율 계수(이하, 설명에서 정의됨)를 갖는 것으로 선 택된다. 탄성중합체 전달 호스용 산소에 대한 투과율 계수는 더욱 넓은 범위에 있게 되지만, 바람직하게는 수분에 대한 바람직한 투과율 계수와 동일한 범위에서 정해진다.

바람직하게는, 본 발명은 GTAW 공정용 용접 전극으로서, 무게 비율에 있어, 텅스텐 98.5%, La₂O₃ 1.3%, Y₂O₃ 0.1%, ZrO₂ 0.1%를 포함하는 전극을 사용하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 98.5% 텅스텐 및 1.5% 란탄 산화물을 포함하는 전극이 사용될 수 있다.

전술된 전극 구성물은 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접의 기본 공정을 실행할 때, 강화된 전극 수명을 위해 전술된 차폐 가스 전달 호스 재료의 사용 없이 사용될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 용접 공정을 실행하기 위해 준비된 개방 루트 간극 및 베벨링된 단부 접합 예비부를 갖는 맞대기 용접될 한쌍의 비-스테인리스 강 관형 가공편에 대한 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 관형 가공편 사이의 베벨링된 접합 영역에 대한 확대도,

도 3은 GTAW 장비로 맞대기 용접하기 위해 종래 사용된 "J-타입" 접합부를 도시한 도면,

도 4는 필러 와이어와, 아르곤-수소 차폐 가스 혼합물 및 아르곤 가스가 제공되는 선회식 GTAW 장비를 사용하여 실행되는 종래 기술에 따른 용접 공정에 대한 개략도.

미국 특허 제 5,686,002 호에 개시된 종래의 공정 및 도면을 참조하면, 함께 맞대기 용접될 비-스테인리스 강(예를 들어, 탄소강) 금속 가공편(10, 12)은 용접될 가공편의 단부가 베벨링되어, B/2의 각도로 베벨링되는 가공편의 말단부 각각에 의한 전체 포함 베벨 각도(B)가 제공되도록 준비된다. 도시된 바와 같이, 가공편(10, 12)은 관형 금속부이지만, 본 발명을 관통하는 원리는 평판 가공편에서도 사용될 수 있으며, 상기 평판 가공편의 경우에 가공편(10, 12)의 맞대기 부는 가공편 사이의 적절한 전체 베벨 각도(B)를 갖도록 준비될 것이다.

또한, 미국 특허 제 5,686,002 호의 공정에 따라, 가공편(10, 12)의 말단부는 가공편의 루트 단부 사이에 일정한 간극(G)을 제공하도록 치수화된 랜드 두께(land thickness; L)(도 2 참조)를 남겨두고 베벨링되며, 여기서 상기 두께는 용접 공정에 포함되는 가공편 금속 및 용접 구성을 위한 GTAW 용접기로부터 적절한 열 입력(암페어)을 사용하여 가공편 사이의 양질의 용접 침투성을 보장하기 위한 최소 두께이다. 통상적으로, 최소 랜드 두께는 제 1 또는 루트 패스 용접이 용접 작업 동안 베이스 금속 합금에 영향을 주는 열적 역효과를 최소화하기 위해 GTAW 장비에 대한 최소한의 요구 암페어 설정을 사용하여 접합부의 루트 영역의 가공편 사이에서 실행될 수 있도록 요구된다.

가공편 접합부가 준비된 후에, 가공편(10, 12)은 상기 가공편 사이의 적어도 루트 패스 용접의 완료시 고형화된 용접 금속의 바람직하지 못한 열적 압축 응력을 방지하도록 구성되는 개방 루트 간극(G)(도 2 참조)을 남겨두고 근접 위치된다. 또한, 필러 와이어의 직경보다 큰 간극(G)은 용접중에 필러가 개방 간극을 통해 유동하는 것을 회피하도록 방지된다. 간극(G)의 치수는 베이스 금속 및 필러 와이어의 야금술의 관점과, 용접중에 가공편 단부 사이의 수축 가능성 및 가공편의 벽두께에 종속된다.

미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 공정은 차폐 가스 및 필러 와이어가 제공되는 "GTAW" 용접기 또는 종래의 가스 텅스텐 아크 용접 장치를 사용하는 것으로 개시된다. 한편, 당시의 종래 기술상의 공정에 따라, 이러한 GTAW 용접기의 사용은 개방 루트 베벨링된 접합부를 용접하기 위해 제안되지 않았으며, 대신에 제안된 공정은 GTAW 용접 장치가 사용될 때의 도 3에 도시된 바와 같은 "J" 타입 단부를 사용하였다. 가공편의 이러한 "J" 단부의 루트 영역에서의 가공편 사이의 제 1 용접 또는 "루트" 패스를 형성하는 경우, GTAW 용접 장치를 갖춘 루트 용접 패스는 도 3에 도시된 바와 같이, 인접한 가공편 사이에 랜드 두께(L')를 형성하여 근접 루트 도는 "잼업 접합부(jam up joint)"를 사용하여 이루어져서, 균일하고 우수한 침투 및 보강을 보장하게 된다고 믿어진다.

다른 한편으로, 만약 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 베벨 접합부가 개방 루트를 제거하기 위해 근접하게 되면, 베벨링된 가공편의 단부 사이의 용접 금속 수축에 의해 유발되는 응력이 특히, 탄소강 가공편 사이의 루트 영역에서 조잡한 용접을 야기한다. 전술한 바와 같이, 이러한 문제들은 도 3에 도시된 바와 같은 용접 접합 영역을 위해 "J-preps"를 사용함으로써 극복될 수 있으며, 상기 "J-preps"에는 사이의 포함 각도(a)로 베벨링된 면을 갖는 가공편(16, 18) 사이의 폐쇄형 루트 접합부(14)와, 용접 접합 영역에서 다양한 변형에 민감한 자동 용접기의 요구 사항을 만족시키는 구성 및 정밀한 루트 단부 랜드 두께가 제공된다.

그러나 37.5°로 절단된 베벨로 용접을 위해 미리 준비된 사전 베벨링된 단부를 갖는 도관 및 피팅부를 설비하는 것은 금속 도관 및 피팅 산업 분야에서는 종래 기술에 해당한다. 도관 및 피팅의 단부(16, 18)에 도 3에 도시된 것과 같은 J-preps(14)를 제공하는 것은 종래 기술에 해당하지 않는다. 이러한 J-preps는 용접 이전 분야에서 통상 사용되었으며, 그 공정은 수고롭고 비싼 것이었으며 현재도 그러하다. 사실상, 자동 용접기가 고체적 생산품에 사용될 수 있는 것은 J-preps으로 미리 준비된 직선 베벨링된 단부에서는 특별한 것이 아니다.

미국 특허 제 5,686,002 호에서 개시된 바와 같이, 개방 루트 베벨 접합부는 만약 이하의 공정을 사용하는 경우 필러 와이어 및 차폐 가스가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 성공적인 용접을 이룰 수 있다. 가공편은 도 1에 도시된 가공편의 단부 사이에 전체 포함 각도(B)를 제공하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 B/2의 각도로 절단된 직선 베벨 단부 접합부가 준비된다. 상기 베벨은 이러한 베벨이 도 2에 도시되고 전술된 요구되는 미리 결정된 단부 랜드(L)를 구비하도록 준비된다. 그 목적은 상기 단부 랜드를 가능한 작고 균일하게 만들어, 자동 용접기가 접합부의 루트 영역에서의 가공편 사이에서 루트 패스 용접을 이루도록 적합하게 프로그램될 수 있으며, 열 입력(용접기의 암페어 설정)이 용접 구역의 필러 금속 및 베이스 상의 야금적 악영향 없이 베이스 금속의 우수한 침투를 보장하게 될 정도로 유지될 수 있도록 하는 것이다.

가공편은 가공편의 인접 루트 단부 사이의 개방 간극(G)을 제공하기 위해 함께 이동되며, 이러한 간극(G)의 값은 용접 금속의 열 수축에 의한 가공편 단부 사이의 응력 또는 변형을 방지하는 최소 간극(G) 값이 선택되고, 또한 자동 용접중에 가공편 사이의 간극을 통해 필러 금속 와이어가 유동하는 것을 방지하는 최대 간극(G) 값이 선택된다.

도 2에 도시된 바와 같은 접합 영역의 제공 후에, 용접은 도 4에 도시된 바와 같이 GTAW 용접 장치를 사용하여 이루어진다. 도 4에서, 궤도식 GTAW 용접기(20)는 가공편(10, 12)[가공편(12)만 도 4에 가시화됨] 사이의 베벨링된 단부 접합 영역에서 용접 공정을 수행하는 것으로 개략적으로 도시된다. GTAW 용접기(20)는 종래적인 것이며, 전력 공급원(24)으로부터 배선(23)을 통해 전력이 공급되어 가공편(10, 12)과 전극 사이에 용접 아크를 발생 및 유지시키는 비-소모성 텅스텐 전극(22)이 포함된다. 전력 공급원은 종래의 GTAW 적용예에 따른 특정 가공편 사이의 각각의 용접 패스를 위한 컴퓨터 프로그램에 따라 작동되는 다양한 제어 시스템을 포함한다.

GTAW 용접기(20)는 본 예에서 전력 공급 유닛(24)의 제어하에 차폐 가스 공급 또는 운반 배선(30)을 통해 입구 도관(28)을 거쳐 차폐 가스를 수용하는 하우징(26)을 포함한다. 상기 차폐 가스는 통상적으로 도 4에 도시된 바와 같은 적합한 용기 또는 "병"에 저장되고 불활성인 아르곤이다. 또 다른 차폐 가스가 공지된 원리에 따라 용접 공정에 사용될 수 있으며, 이러한 다른 가스의 공급은 도 4에 도시된 바와 같이 전력 공급원(24)을 통해 직접 제어되거나, 전력 공급 시스템 외부의 장치에 의해 독립적으로 제어된다.

특허 제 5,686,002 호에 개시된 공정에 따라, 아르곤과 수소 차폐 가스의 공업용 혼합물은 혼합물 공급 용기(M)로부터 전력 공급원(24)을 거쳐 GTAW 용접기(20)에 공급되며, 전력 공급원은 또한 공급원(A)으로부터 아르곤 차폐 가스만의 공급을 제어 받는다.

와이어 필러(32)는 용접 프로그램의 요구사항에 따라 공급 릴(34)을 구동하는 모터(36)의 작동을 조절하는 전력 공급원(24)의 제어하에 공급 릴(34)로부터 용접 구역에 제공된다.

따라서, 본 예의 GTAW 용접기(20)는 용접기(20)용 안내 트랙으로서 링(40)을 사용하여 전력 공급원(24)의 제어하에 적절한 회전 구동 기구(38)에 의해, 용접되는 접합 영역 주위를 선회 구동된다.

공정의 주요 요소는 개방 간극 루트 패스 용접을 행할 때, 차폐 가스의 구성요소로서 수소를 사용하는 것이다. 용접중에, GTAW 용접기(20)는 가공편(10, 12) 사이의 개방 간극 루트 패스용 전력 공급원(24)의 제어하에 수소-함유 차폐 가스 혼합물이 제공되며, 필러 와이어(32)가 용접 구역에 공급된다. 필러 와이어(32)의 구성은 가공편의 구성에 야금학적으로 대응한다. 또한, GTAW 용접에 대한 표준 및 공지된 원리에 따라, 입구(28)를 통해 공급되고 차폐부(26)에 의해 용접 구역으로 이송되는 차폐 가스는 용접 구역에 보호 대기를 제공하여, 용융 상태의 용접 금속이 공기 내의 산소, 또는 수분을 포함하여 주위 대기에 함유된 다른 불순물 또는 오염물질과 반응하는 것을 방지하여야 했다.

바람직하게는, 95% 아르곤과 5% 수소 가스의 혼합물("95/5")은 37.5°베벨 단부 예비부, 0.000으로부터 0.010 인치(0.000으로부터 0.254㎜)의 랜드 두께 및 루트 영역상의 파이프 단부 사이의 0.035 인치(0.889㎜) 간극(G)을 갖는 4"직경 중간 두께 벽 탄소강 파이프의 선회식 GTAW 용접기를 사용하여 효율적으로 작업할 수 있음을 발견하였다. 95/5 혼합물이 바람직하지만, 대략 99% 아르곤 1% 수소로부터 90% 아르곤 10% 수소("99/1 로부터 90/10") 사이의 혼합 범위가 효율적으로 사용될 수 있으며, 다만 바람직한 95/5 혼합을 벗어난 혼합 범위로서 용접 침투/보강 품질에 대한 결과는 감소할 수 있다. 유사한 용접 공정이 직경 2 인치(0.5㎜) 이상의 후판 스테인리스 강 파이프를 통해 양질의 루트 패스 용접을 실행할 수 있다고 믿어진다. 루트 패스는 95/5 가스 혼합물에 대한 적합한 전류/전압 조정으로, 전극 진동 없이 이루어진다.

아크 영역에 수소의 존재는 용접 풀(pool)을 안정화하고, 개방 간극 영역 내에 중심을 잡아 수소-함유 차폐 가스 없는 유사 GTAW 용접 공정과 비교하여 용접의 루트 영역에서의 우수한 침투 및 충전을 제공한다는 것이 알려졌다.

루트 패스 용접이 완료된 후에, GTAW 용접기는 모터(38)에 의해 출발 위치로 복귀되고, 적어도 하나의 후속 "필러" 용접 패스가, 바람직하게는 루트 패스 용접이 여전히 고온인 동안 공지된 선회식 GTAW 용접 공정에 따라 아르곤과 같은 무-수소(hydrogen-free) 차폐 가스만을 사용하여 즉시 형성된다.

공지된 용접 표준에 따라, 탄소강 용접 공정과 함께 수소 함유 차폐 가스의 사용은 적어도 미국에서는 종래의 용접 실무에서 통상 꺼려져 왔고 현재도 그러한데, 이는 "수소 메짐성"("hydrogen embrittlement")이라는 현상으로 인해 용접부에 취약함을 야기하는 용접 접합부의 수소 포착 가능성을 회피하기 위해서이다. 그러나, 전술된 바와 같이, 수소-함유 차폐 가스의 사용, 특히 95% 아르곤 5% 수소 혼합물의 사용은 용접 구역 내의 수소의 유리한 영향에 의해 개방 간극 베벨 예비 가공편 상에 양질의 루트 패스 용접부를 제공하는 것이 알려져 있다. 미국 특허 제 5,686,002 호에 개시된 바와 같이, 수소 메짐성 문제에 대한 해결책은 용접부에 남아 있을 수 있는 잔류 수소를 충분히 제거하도록 루트 패스 용접부를 가열하기 위해 아르곤만을 사용하여 루트 패스 종료후, 후속하는 용접 패스를 형성하는 것이다.

아르곤이 적층 또는 필러 패스에 바람직하지만, 필러 차폐 가스가 무-수소일 것이 필수적이다.

본 발명의 배경기술에서 전술한 것과 같이, 루트 패스후에 제 2 패스를 용접하는 중에, 용융된 용접 금속의 급격한 추출은 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 공정에 장애임이 후에 밝혀졌다. 용접 구역의 오염을 방지하기 위한 모든 예방에 도 불구하고, 관측된 추출 사례들은 루트 패스 동안 용접물에 형성되는 셀 또는 포켓에 수분의 존재 가능성에 의해 설명될 수 있다.

전술된 용접 공정의 실행에 있어, 파커 해니핀 코오프(Parker Hannifin Corp)에서 제조한 데이코 7121 용접(Dayco 7121 Welding)과 같은 표준 아르곤 탄성중합체 공급 호스가 사용된다. 조사 및 실험에 의하면, 이러한 호스는 대기 수분 및 산소의 확산에 종속될 수 있으며, 대기압에 비해 호스 내부의 높은 전체 또는 총 압력에 불구하고, 부분압 효과로 인해 이러한 가스가 호스 내로 주입되는 결과를 야기하게 된다는 것을 알 수 있다. 추가로 이러한 실험에 의해, 전술된 추출 효과의 실질적인 제거 및 개선은 0 내지 275, 바람직하게는 100 이하의 투과율 계수를 갖는 탄성중합체 차폐 가스 공급 호스를 사용함으로써 얻어질 수 있다. 재료의 투과율 계수는 상기 재료의 가스로의 투과율에 대한 수치값으로 그 유도 과정은 공지되어 있다. P는 투과율 계수이며, 이는 하나의 소스로 다음의 수학식과 같이 정의된다.

수학식 1

P = (투과량)(막 두께/표면적)(시간)(막 교차 압력 강하)

투과율 계수의 보다 상세한 설명을 위해, 에이더블유에스 용접 저널(AWS Welding Journal)의 1999년 7월호 37 및 38 페이지를 참조할 수 있다.

종래 기술에 따라, 가스 투과는 심지어 도관 내의 전체 압력이 대기보다 높은 경우에도 투과성 재료로 만들어진 공급 도관을 통해 유동하는 가스(용접 가스 포함)를 오염시킬 수 있다는 것이 인지된 반면, 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 공정중에 제 2 패스 용접을 실행할 때 관측될 수 있는 용접 금속 추출 사례들이 금속 가공편 사이의 개방 루트 용접 접합부의 루트 패스 내의 셀 또는 포켓에 포집된 차폐 가스를 함유하는 수소 내의 실질 수분 투과에 기인될 수 있다는 것은 인지되지 않았다. 종래의 데이터에 따라, 오염 투과 또는 확산은 주입 가능한 의약용 재료 및 마이크로프로세서 제조 분야 등을 위해 사용되는 고순도 도관 및 음식 제공 장비와 같은 "청정실 환경" 용접 요구의 관점에만 관련하였다. 수소 함유 차폐 가스를 사용하여 탄소강과 같은 스틸 상의 개방 루트식 루트 패스 용접중에 수분 오염은 제 2 패스 도포 또는 필링 용접중에 알려진 우려는 없으며, 이는 심지어 일반적으로 수분 오염이 우려되는 수중 용접 분야에도 적용된다.

따라서, 본 발명은 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 GTAW 용접 장비 및 기술을 사용하여 베벨 접합 예비부를 갖는 비-스테인리스 강 금속 가공편을 맞대기 용접하는 방법이며, 상기 미국 특허에서, 루트 패스의 용접은 용접 장비의 차폐 가스 탄성중합체 전달 호스 시스템 내로 수분 및 바람직하게는 산소의 주입을 방지하는 차폐 가스 전달 시스템을 사용하여 실행된다.

바람직하게는, 0 내지 275, 바람직하게는 100 미만의 수분 투과율 계수를 갖는 탄성중합체 차폐 가스 전달 호스가 선택된다. 탄성중합체 전달 호스를 위한 산소에 대한 투과율 계수는 보다 범위가 넓을 수 있지만, 바람직하게는 수분에 대한 바람직한 투과율 계수와 같은 범위이다.

수분에 기초한 용접 금속 추출 문제를 극복하기 위해 도출된 차폐 가스 전달 호스 재료에 대한 예로서, 다양한 제조처 및 판매처에 의해 이용 가능한 하이 익스트림-퓨러티 테플론 피에프에이 450(퍼플루오로알콕시)[High Extreme-Purity Teflon PFA 450(perfluoroalkoxy)] 및 티에이치브이 플루로폴리머(테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴)[Thv Fluropolymer(tetrafluoroethylene hexafluoropropylene vinylidene)]가 있다.

또한, 다양한 제조처 및 판매처에 의해 이용 가능한 나일론 꼬임-강화 PVC 호스 재료가 제 2 패스 용접 단계 동안 관측되는 용접 금속 추출을 실질적으로 감소시키는 것으로 알려져 있다.

일반적으로, 전술한 바람직한 투과율 계수를 나타내는 활로겐화 단위체를 포함하는 공중합 탄성중합체(copolymer elastomer)로 제조되는 차폐 호스 또는 튜브가 높은 투과율 계수를 갖는 차폐 가스 전달 호스를 투과하는 수분과 결합하는 산소 및 수분에 의해 야기되는 용접 금속 추출을 제거 또는 실질적으로 제거한다고 믿어진다. 통상적으로, 수분은 산소보다 훨씬 많은 양으로 탄성중합체 재료를 통해 투과한다.

100 미만의 투과율 계수를 갖는 것으로 공지된 전형적인 플라스틱 재료로는, 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌)[Teflon(polytetrafluoroethylene)], 테플로네 에프이피(폴리테트라플루오로에틸렌-코)[Teflone FEP(polytetrafluoroethylene-co)], 엘디피이(저 밀도 폴리에틸렌)[LDPE(low density polyethylene)], 에이치디피이(고 밀도 폴리에틸렌)[HDPE(high density polyethylene)], 피피(폴리에틸렌 밀도 0.907 gm/cm³)[PP(polypropylene density 0.907 gm/cm³], 사란(폴리비닐레딘 클로라이드)[Saran(polyvinyledene chloride)], 및 켈-에프81(폴리트리플루오르 클로로에틸렌)[Kel-F81(polytrifluoro chloroethylene)을 포함한다.

전술된 전형적인 예들 모두가 용접 가스 공급 호스 적용례에 사용될 수는 없다.

미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 방법의 또 다른 강화에 따라, 통상적인 GTAW 적용예에 대해 모든 허용 가능한 표준에 부합하는 2% 트리탄 전극(thoriated tungsten)을 사용하여 상기 특허에서 개시된 종래의 방법 실행 중에 관측되는 상대적으로 짧은 텅스텐 수명에 대한 문제는 이하의 비율을 포함하는 텅스텐 전극을 사용함으로써 극복된다.

텅스텐 98.5%

La₂O₃ 1.3%

Y₂O₃ 0.1%

ZrO₂ 0.1%

이러한 전극은 "트라이-믹스"("Tri-Mix")로 종래에 공지되어 있었으며, 독일 울프람 인더스트리 어브 트라운스타인(Wolfram Industrie of Traunstein) 및 용접품의 다양한 판매업자들에 의해 이용 가능하다. 미국 특허 제 5,686,002 호에 따른 용접 공정에 있어 개선된 수명을 갖는 또 다른 텅스텐 전극은 98.5% 텅스텐 및 켈리포니아 윌로스의 스테인리스 스터프로부터의 일반적 명칭 "1.5% 란타네이티드 텅스텐"("1.5% lanthanated tungsten")하에 이용 가능한 1.5% 란탄 산화물의 혼합물로 제조된다.

본 발명의 주요 사항을 구성하는 방법에 대한 전형적인 실시예가 개시되었지만, 이러한 실시예들은 단순히 전형적인 실시예이며, 첨부된 특허청구범위에 의해 형성되는 보호범위로부터 벗어나지 않는 한도에서, 실질적으로 상이하지 않고 균등 관계에 있는 대안적인 단계 및 재료들을 포함하고, 기계공, 화학공 또는 용접공에게 공지된 통상의 변형예를 사용하여 당업자에 의해 변형될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

필러 와이어를 이용하는 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding; 가스 텅스텐 아크 용접) 용접기를 사용하여 베벨 접합 예비부(bevel joint preparations)를 갖는 비-스테인리스 강 금속 가공편을 맞대기 용접하는 방법으로서,

상기 가공편의 루트 단부에서 최소 랜드 두께를 갖는 베벨 접합 영역을 구비한 베벨링된 가공편을 조제하는 단계와,

상기 가공편의 인접한 루트 단부 사이에 개방 루트 영역을 형성하는 개방 간극을 두고 조제된 가공편 접합 섹션을 배치하는 단계로서, 상기 간극은 용접 수축으로 인한 상기 가공편 사이의 유해한 압축 응력을 방지하는 최소 치수 및 상기 간극의 필러 와이어 침투를 방지하는 최대 치수를 갖는, 상기 배치 단계와,

필러 와이어와, 1% 내지 10% 수소와 그 나머지 양의 불활성 가스를 포함하는 차폐 가스가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 루트 패스 용접으로 상기 인접한 가공편의 개방 루트 영역을 융접(fusion welding)하는 단계와,

무-수소 차폐 가스 및 필러 와이어가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 적어도 하나의 추가 필러 용접 패스로 상기 루트 패스 용접을 덧씌우는 단계를 포함하는, 맞대기 용접 방법에 있어서,

상기 개방 루트 패스는, 수분 투과율 계수가 0 내지 275인 차폐 가스 전달 탄성중합체 호스(a shield gas delivery elastomer hose)를 사용하여 용접이 수행되는 영역 내에 수분이 없는 상태에서 실행되는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

수분 투과율 계수가 100 미만인 탄성중합체 전달 호스를 사용하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 2 항에 있어서,

할로겐화 단위체로 된 공중합 탄성중합체로 제조된 호스를 전달 호스로서 선택하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

98.5% 텅스텐 및 1.5% 란탄 산화물을 포함하는 혼합물을 용접 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 가공편은 탄소강을 포함하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가공편 각각의 베벨 접합 영역은 37.5°로 베벨링되고, 상기 접합 단부의 단부 랜드 두께는 0.000 내지 0.010 인치(0.000 내지 0.254㎜)이며, 상기 간극 치수는 0.035 인치(0.889㎜)이고, 상기 가공편은 파이프인 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 불활성 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 차폐 가스는 95% 아르곤 및 5% 수소인 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가공편은 관형이며, 상기 루트 패스 및 덧씌움 용접은 상기 필러 와이어 및 차폐 가스가 공급되는 선회식 GTAW 용접기를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 루트 패스에 후속하는 상기 제 2 패스 용접은 아르곤 차폐 가스를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 가공편은 관형 도관 및 상기 도관용 피팅(fittings)인 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 용접 패스를 위해 선회식 GTAW 용접기를 사용하는 것을 추가로 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
제 1 항에 있어서,

전달 시스템을 거쳐 상기 차폐 가스로의 산소의 주입을 방지하는 탄성중합체 차폐 가스 전달 호스를 사용하는 것을 추가로 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
필러 와이어를 이용하는 GTAW 용접기를 사용하여 베벨 접합 예비부를 갖는 비-스테인리스 강 가공편을 맞대기 용접하는 방법으로서,

상기 가공편의 루트 단부에서 최소 랜드 두께를 갖는 베벨 접합 영역을 구비한 베벨링된 가공편을 조제하는 단계와,

상기 가공편의 인접한 루트 단부 사이에 개방 간극을 두고 조제된 가공편 접합부를 배치하는 단계로서, 상기 간극은 용접 수축으로 인한 상기 가공편 사이의 유해한 압축 응력을 방지하는 최소 치수 및 상기 간극의 필러 와이어 침투를 방지하는 최대 치수를 갖는, 상기 배치 단계와,

필러 와이어와, 1% 내지 10% 수소와 그 나머지 양의 불활성 가스를 포함하는 차폐 가스가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 루트 패스 용접으로 상기 인접한 가공편의 개방 루트 영역을 융접하는 단계와,

무-수소 차폐 가스 및 필러 와이어가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 적어도 하나의 추가 필러 용접 패스로 상기 루트 패스 용접을 덧씌우는 단계를 포함하는, 맞대기 용접 방법에 있어서,

중량비로 텅스텐 98.5%, La₂O₃ 1.3%, Y₂O₃ 0.1%, ZrO₂ 0.1%를 포함하는 혼합물을 용접 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
필러 와이어를 이용하는 GTAW 용접기를 사용하여 베벨 접합 예비부를 갖는 비-스테인리스 강 금속 가공편을 맞대기 용접하는 방법으로서,

상기 가공편의 루트 단부에서 최소 랜드 두께를 갖는 베벨 접합 영역을 구비한 베벨링된 가공편을 조제하는 단계와,

상기 가공편의 인접한 루트 단부 사이에 개방 간극을 두고 조제된 가공편 접합부를 배치하는 단계로서, 상기 간극은 용접 수축으로 인한 상기 가공편 사이의 유해한 압축 응력을 방지하는 최소 치수 및 상기 간극의 필러 와이어 침투를 방지하는 최대 치수를 갖는, 상기 배치 단계와,

필러 와이어와, 1% 내지 10% 수소와 그 나머지 양의 불활성 가스를 포함하는 차폐 가스가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 루트 패스 용접으로 상기 인접한 가공편의 개방 루트 영역을 융접하는 단계와,

무-수소 차폐 가스 및 필러 와이어가 공급되는 GTAW 용접기를 사용하여 적어도 하나의 추가 필러 용접 패스로 상기 루트 패스 용접을 덧씌우는 단계를 포함하는, 맞대기 용접 방법에 있어서,

98.5% 텅스텐 및 1.5% 란탄 산화물을 포함하는 혼합물을 용접 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는

맞대기 용접 방법.
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