KR101169132B1

KR101169132B1 - 다전극 가스 실드 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR101169132B1
Application number: KR1020090117845A
Authority: KR
Inventors: 시게오 나가오카; 히로시 아리타; 스스무 에하라; 가즈히코 이토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2012-07-30
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: ES2423284T3; PL2193869T3; CN101745723A; EP2193869A1; KR20100062955A; EP2193869B1; JP2010155281A; JP5225962B2

Abstract

선행극 및 후행극 사이에 필러 와이어를 삽입하는, 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 극간 거리가 20 내지 30mm이며, 선행극 수평각 L, 후행극 수평각 T 중 큰 쪽을 X, 작은 쪽을 Y로 하고, 또한 필러 와이어 토치각 F, 선행극 후퇴각 α, 후행극 전진각 β, 필러 와이어 토치 전후각 γ로 이루어지는 변수가 하기 수학식을 만족하고, 필러 와이어의 와이어 목표 위치를 입판의 하단부터 (상각장-2mm)까지의 범위로 한다.

40°≤L≤60°, 40°≤T≤60°, X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5°, 4°≤α≤14°, 5°≤β≤15°, -5°≤γ≤5°

이러한 방법에 의해, 비드 형상을 현저히 개선하고, 선행극과 후행극 사이에 발생하는 아크 간섭을 완화하며, 또한 설비화를 용이하게 한다.

Description

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

본 발명은 플럭스 코어드 와이어를 사용한 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것으로, 특히 다전극으로 하나의 용융 풀(pool)을 형성하는 다전극 1풀 용접 시공에 있어서 각 전극 사이에 필러 와이어를 공급하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

종전, 조선 또는 교량의 수평 필릿(fillet) 용접의 고능률화를 도모하기 위해, 다전극 가스 실드 아크 용접 방법에서의 1풀 용접 시공 방법이 채용되고 있었다. 그러나, 실제 구조물의 경우, 각종 외란(外亂) 요인, 즉 (a) 필릿 용접부의 과대 갭, (b) 숍 프라이머(shop primer)의 과대 도포막 두께, (c) 공장 내에서의 전류 전압 변동 등에 의해, 이들 시공의 중요한 요건인 탕류의 균일성 및 안정성이 없어지고, 그 결과 아크 불안정이 생겨 스패터(spatter)의 다발, 비드 형상, 외관 및 정렬의 악화, 및 언더컷의 다발 등에 의해, 리페어 용접이 증대하였다. 특히, 150 내지 200cm/분의 용접 속도 전후에서 이 경향이 현저해지기 때문에, 용접 속도 를 크게 하여도 리페어 비율이 증대하여, 결과적으로는 용접공수가 대폭 증가한다는 문제가 생기고 있었다.

그래서, 본원 출원인은 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 선행 전극 및 후행 전극으로서 사용하고, 선행 전극과 후행 전극 사이의 극간 거리를 15 내지 50mm로 설정하고, 필러 와이어를 상기 선행 전극과 후행 전극 사이의 탕류 중에 삽입하고, 상기 필러 와이어에 양극성의 전류(와이어 마이너스)를 흘리면서 용접하는 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 이미 제안하였다(일본 특허 제3759114호).

이 특허문헌에 기재된 용접 방법에 있어서는, 선행극과 후행극 사이에 발생하는 아크 간섭을 완화하는 수단으로서 필러 와이어를 삽입하고 있지만, 필러 와이어의 삽입에 의해 용접 금속량이 증가하고, 결과로서 비드 형상이 볼록 형상화되는 경향이 있다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 선행극 및 후행극 사이에 필러 와이어를 삽입하는 용접 시공 방법에 있어서, 비드 형상을 현저히 개선하고, 선행극과 후행극 사이에 발생하는 아크 간섭을 완화하며, 또한 설비화가 용이한 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 수평으로 설치된 하판과 이 하판 상에 수직으로 설치된 입판의 필릿을 다전극 가스 실드 아크 용접하는 방법으로서, 선행극 및 이 선행극에 후속하는 후행극 사이에 필러 와이어를 공급하고, 상기 선행극 및 후행극으로서 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 사용하고, 선행극과 후행극 사이의 극간 거리를 20 내지 35mm로 하며, 상기 선행극이 수평면과 이루는 각도를 선행극 수평각 L, 상기 후행극이 수평면과 이루는 각도를 후행극 수평각 T로 하고, 상기 L과 T 중 큰 쪽을 X, 작은 쪽을 Y로 하고, 상기 필러 와이어가 수평면과 이루는 각도를 필러 와이어 토치각 F로 하고, 평면도상으로, 선행극의 선단이 용접 방향의 후방을 향하는 각도를 선행극 후퇴각 α로 하고, 후행극의 선단이 용접 방향의 전방을 향하는 각도를 후행극 전진각 β로 하고, 필러 와이어의 선단이 용접 방향의 후방 또는 전방을 향하는 각도를 용접 방향에 수직인 방향에 대하여 이루는 각도로서 필러 와이어 토치 전후각 γ(용접 방향 후방으로 후퇴각(-), 용접 방향 전방으로 전진각(＋))로 했을 때, 이들 변수는 하기 수학식을 만족하고, 상기 필러 와이어의 와이어 목표 위치를 상기 입판의 하단부터 (상각장-2mm)까지의 범위로 한다.

40°≤L≤60°,

40°≤T≤60°,

X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5°,

4°≤α≤14°,

5°≤β≤15°, 및

-5°≤γ≤5°

한편, 상기 필러 와이어 토치 전후각 γ는 0°인 것이 바람직하다.

여기서, 상각장(上脚長)이란, 도 1에 나타내는 바와 같이 하판(1)부터 용접지단(溶接止端)까지의 길이를 의미한다. 즉, 윗방향의 각장(leg length)을 의미한다.

본 발명에 있어서, 다전극이라고 하는 경우는, 선행극 및 후행극의 2전극 외에 3전극 이상인 경우도 포함한다. 이 경우는, 예컨대 선행극 및 후행극의 2전극의 후방에 3전극 이후를 배치할 수 있다.

본 발명에 의하면, 아크 간섭을 완화하기 위해 삽입되어 있는 필러 와이어의 와이어 목표 위치를, 입판의 하단부터 (상각장-2mm)까지의 범위로 하여 입판측으로 조정함으로써, 필러 와이어에 의한 용융 풀의 냉각 효과를 적극적으로 이용하여, 용융 풀이 중력에 의해 늘어지는 현상을 억제할 수 있고, 이것에 의해 비드 형상을 현저히 개선할 수 있다.

필러 와이어에 의한 아크 간섭 완화 효과를 얻기 위해 선행극 및 후행극과 동일 면 상(동일 토치 각도)에 필러 와이어를 배치한 경우는, 선행극 및 후행극 사이의 필러 와이어 삽입 스페이스가 작아 설비화가 곤란하다. 이에 반하여, 본 발명에 있어서는, 필러 와이어의 토치 각도 F를 선행극 수평각 L 및 후행극 수평각 T와 상이한 각도로 설정하여, 필러 와이어를 선행극 및 후행극과 동일 면 내에 배치하지 않아도 아크 간섭 저감 효과가 손상되지 않는다. 이 때문에, 본 발명에 의하면 설비화가 현저히 용이하게 된다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 설명하는 모식적 정면도, 도 3은 동(同) 모식적 평면도이다. 또한, 도 4는 비드 형상을 나타내는 모식적 정면도이다. 수평으로 배치된 하판(1) 상에 수직으 로 입판(2)이 배치되고, 하판(1)과 입판(2)의 구석부를 복수의 용접 와이어를 사용하여 다전극 가스 실드 아크 용접한다. 본 실시형태는 선행극 및 후행극을 사용하는 2전극 용접이지만, 본 발명은 이것에 한하지 않고 3전극 이상을 사용하여도 좋다. 이 경우에, 3전극째 이후는 후행극의 후방에 배치할 수 있다. 본 실시형태는 선행극과 후행극 사이의 용융 풀에 필러 와이어를 공급한다. 한편, 선행극 및 후행극으로서 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 사용한다. 필러 와이어는 플럭스 코어드 와이어를 사용할 수 있다.

이 경우에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 평면도상으로, 용접 방향에 대하여 선방의 선행극은 그의 선단이 후방으로 향하는 후퇴각 α를 갖는다. 또한, 후방의 후행극은 그의 선단이 전방으로 향하는 전진각 β를 갖는다. 그리고, 필러 와이어는, 평면도상으로, 그의 선단이 용접 방향의 후방 또는 전방을 향하거나, 또는 용접 방향에 직교한다. 이 필러 와이어의 선단이 용접 방향에 수직인 방향에 대하여 이루는 각도를 필러 와이어 토치 전후각 γ(용접 방향 후방의 후퇴각을 -, 용접 방향 전방의 전진각을 ＋)로 한다. 이 때, α, β, γ는 하기 수학식을 만족하도록 선행극 및 후행극, 및 필러 와이어를 설정한다.

4°≤α≤14°,

5°≤β≤15°,

-5°≤γ≤5°

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 선행극과 후행극 사이의 극간 거리를 20 내지 35mm로 한다.

나아가, 도 2에 나타내는 바와 같이, 선행극이 수평면과 이루는 각도를 선행극 수평각 L, 상기 후행극이 수평면과 이루는 각도를 후행극 수평각 T로 하고, 상기 필러 와이어가 수평면과 이루는 각도를 필러 와이어 토치각 F로 했을 때, 이들 L, T, F는 하기 수학식을 만족하도록 선행극 및 후행극, 및 필러 와이어를 설정한다. 단, 상기 L과 T 중 큰 쪽을 X, 작은 쪽을 Y로 한다.

40°≤L≤60°,

40°≤T≤60°,

X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5°

나아가, 본 실시형태에 있어서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 필러 와이어의 와이어 목표 위치를 입판(2)의 하단부터 (상각장-2mm)까지의 범위로 한다.

이와 같이 용접 조건을 설정하여 다전극의 가스 실드 아크 용접을 행한다. 본 실시형태에 있어서는, 필러 와이어의 목표 위치를, 도 1에 나타내는 바와 같이, 입판측으로 설정하고 있기 때문에, 필러 와이어에 의한 용융 풀의 냉각 효과가 효율적으로 발휘되어, 용융 풀이 중력에 의해 늘어지는 것이 억제되어서, 비드 형상이 양호한 것이 된다. 또한, 이와 같이 필러 와이어를 선행극 및 후행극과 동일 면 상에 배치하지 않아도, 필러 와이어에 의한 아크 간섭 완화 효과가 손상되는 일은 없다. 또한, 필러 와이어를 선행극 및 후행극과 동일 면 상에 배치하지 않고 있기 때문에, 용접 시공의 설비화가 용이해진다.

이하, 본 발명의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다.

「필러 와이어의 와이어 목표 위치가 입판의 하단(루트)부터 상방(상각장- 2mm)의 위치까지」

필러 와이어의 와이어 목표 위치가 (상각장-2mm)보다도 높은 위치가 되면, 아크 간섭 완화 효과가 저하되고, 탕류가 안정되지 않아, 비드 형상 및 비드 외관이 불안정하게 된다. 또한, 내기공성이 열화되고, 스패터가 증가한다. 한편, 필러 와이어의 와이어 목표 위치가 루트(입판(2)의 하단)보다도 더 아래쪽으로 향하고 있으면, 비드 형상이 오버랩(overlap)되어 비드 형상의 개선 효과가 없다. 이것에 의해 비드의 정렬성이 열화된다.

실제의 용접 시공에서는 목표 상각장이 정해져 있다. 이 목표 상각장을 실현할 수 있는 용접 조건(전류, 전압, 속도)을 선택하여 용접을 행함과 동시에, 이 목표 상각장으로부터 와이어 목표 위치를 정한다.

「X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5°」

필러 와이어 토치각 F가 X＋20°보다 큰 경우, 또는 F가 Y-20°보다 작은 경우는, 필러 와이어의 용융 거동이 불안정해지고, 탕류가 안정되지 않아, 양호한 비드 외관 및 비드 형상이 얻어지지 않는다. 또한, 필러 와이어와 선행극 또는 후행극의 아크 발생 위치 사이의 거리가 커지기 때문에, 선행극 및 후행극 사이에 작용하는 아크 간섭을 완화하는 효과가 저감되어, 아크 간섭이 커진다.

한편, Y-5°＜F＜X＋5°인 경우는, 필러 와이어의 삽입 스페이스가 작아 설비화가 곤란하다.

따라서, X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5° 중 어느 하나가 만족되도록 선행극 수평각 L, 후행극 수평각 T 및 필러 와이어 토치각 F를 설정한다.

「극간 거리: 20 내지 35mm」

극간 거리가 20mm 미만이면, 탕류가 안정되지 않아, 비드 형상 및 비드 외관이 불안정하게 된다. 또한, 극간 거리가 20mm 미만이면, 내기공성이 열화됨과 동시에, 선행극 및 후행극의 극간 거리가 작기 때문에, 필러 와이어의 삽입 스페이스가 작아 설비화가 곤란하게 된다. 한편, 극간 거리가 35mm를 초과하면, 비드 형상이 오버랩됨과 동시에, 탕류가 작아지고, 필러 와이어의 용융 거동이 불안정하게 된다. 따라서, 극간 거리는 20 내지 35mm로 한다.

「선행극 후퇴각 α: 4° 내지 14°, 더욱 바람직하게는 7° 내지 13°」

선행극 후퇴각 α가 4° 미만이면 용융 풀의 안정성이 열화된다. 또한, 토치 거리가 가까워지기 때문에, 본 용접 방법의 설비화가 곤란해진다. 한편, 선행극 후퇴각 α가 14°를 초과하면, 비드 형상이 볼록형이 되는 문제점이 있다. 따라서, 선행극 후퇴각 α는 4° 내지 14°, 더욱 바람직하게는 7° 내지 13°이다.

「후행극 전진각 β: 5° 내지 15°, 더욱 바람직하게는 10° 내지 13°」

후행극 전진각 β가 5° 미만이면, 용융 풀의 안정성이 열화됨과 동시에, 비드 형상이 볼록형이 된다. 한편, 후행극 전진각 β가 15°를 초과하면, 언더컷이 발생하기 쉬워지고, 비드 외관이 불량해진다. 따라서, 후행극 전진각 β는 5° 내지 15°, 더욱 바람직하게는 10° 내지 13°이다.

「필러 와이어 토치 전후각 γ: -5° 내지 5°(후퇴 5°～전진 5°)」

필러 와이어 토치 전후각 γ가 후퇴각이고, 이 후퇴각이 5°를 초과하는 경우, 용융 풀 안정성이 열화되고, 스패터량이 증가함과 동시에, 본 용접 방법의 설 비화가 곤란해진다. 한편, 필러 와이어 토치 전후각 γ가 전진각인 경우도, 이 전진각이 5°를 초과하면, 용융 풀 안정성이 열화되고, 스패터량이 증가함과 동시에, 본 용접 방법의 설비화가 곤란해진다. 따라서, 필러 와이어 토치 전후각 γ는 -5° 내지 5°(후퇴 5°～전진 5°)로 한다. 더욱 바람직하게는, 필러 와이어 토치 전후각 γ는 0°, 즉 γ는 용접 방향에 대하여 수직이다. 이와 같이, γ를 0°로 하여 필러 와이어를 선행극 및 후행극으로부터의 거리가 같은 위치에 배치함으로써, 양 전극으로부터 발생하는 자계의 간섭을 완화하는 효과가 높아진다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예와 비교하여 설명한다. 하기 표 1은 용접 시험 조건을 나타낸다. 또한, 하기 표 2는 특성의 평가 기준을 나타낸다.

용접 자세	2전극 수평 필릿 용접
선행극 및 후행극의 와이어 직경	1.6mm (YFW-C50DM)
필러 와이어 직경	1.2mm (YGW17 사용)
와이어 돌출 길이	선행극 및 후행극: 2.5mm 필러 와이어: 20mm
와이어 극성	선행극 및 후행극: DCEP(와이어 플러스) 필러 와이어: DCEN(와이어 마이너스)
토치 각도	선행극 및 후행극: 20～80° 필러 와이어: 0～90°
전진?후퇴 각도	선행극: 후퇴각 0～15° 후행극: 전진각 0～15°
목표 위치	선행극: 0mm, 후행극: 하판측 2.5mm
극간 거리	10～40mm
용접 속도	100, 150, 200(cm/분)
실드 가스	100% CO₂, 25리터/분
공시 강판 및 이음매 형상	12mm 두께, 100mm 폭, 1000mm 길이의 강판을 사용하여 T형 필릿 이음매를 형성하였다. 한편, 프라이머막 두께는 30㎛이다.

주)

?「YFW-C50DM」 및 「YGW17」은 용접용 와이어의 종류를 나타내는 JIS 규격이다. 「YFW-C50DM」은 플럭스 코어드 와이어의 1종, 「YGW17」은 솔리드 와이어의 1종이다.

?DCEP = Direct Current Electrode Positive

DCEN = Direct Current Electrode Negative

?목표 위치의 「선행극: 0mm, 후행극: 2.5mm」란, 도 2에 나타내는 바와 같이, 선행극은 입판과 하판에 의해 형성된 코너부, 후행극은 그곳으로부터 하판의 오른쪽 방향 2.5mm가 목표 위치인 것을 의미한다.

상각장은 각장 게이지를 이용하여 측정하였다.

비드 형상은, 도 4의 비드 형상에 있어서, 하판(1)에서의 비드 외관 위치와 입판(2)에서의 비드 외관 위치를 잇는 선분으로부터 비드가 볼록 형상으로 부풀어오른 높이 H와, 상기 선분의 길이 L의 비, 즉 H/L에 의해 평가하였다. 즉, H/L이 작을수록 비드 형상이 우수하다. 이 경우에, 평가 5～2까지는 비드 형상이 나쁜 경우이더라도 비드 길이 방향의 균일성은 유지되어 있다. 평가 1은 비드 형상의 길이 방향의 균일성도 저해되어 있는 경우이다.

비드 외관은 부정렬 개소수와 언더컷 개소수의 합계(개/1000mm)로 평가하였다. 스패터는 스패터 발생량으로 평가하였다. 또한, 내기공성은 내기공성 시험에 있어서의 한쪽에서의 피트 발생수(개/1000mm)로 평가하였다. 단, 입판의 양쪽에 형성되는 2개의 비드 중, 피트가 많은 쪽의 비드에 있어서의 피트 발생수로 평가하였다. 이들의 경우에 있어서 1000mm는 용접 길이이다.

한편, 평가는 3 이상에서는 양호, 2 이하에서는 불량이라고 판단한다. 또한, 설비화 난이도에 관하여, 필러 와이어를 삽입하는 스페이스를 충분히 확보할 수 있는 경우는 ○, 충분히 스페이스를 확보할 수 없는 경우는 ×라고 판단하였다.

하기 표 3a 내지 3f는 각 실시예 및 비교예의 용접 조건을 나타낸다. 또한, 하기 표 4a 및 4b는 얻어진 특성의 평가 결과를 나타낸다.

이 표 4a 및 4b에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 내지 14에 관해서는 평가 결과가 4 또는 5이며, 설비화도 가능하였다. 이에 반하여, 비교예 1 내지 18은 어느 하나의 특성 평가 결과가 1, 2 또는 3이거나, 또는 설비화가 곤란하였다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 다전극 가스 실드 아크 용접 방법을 설명하는 모식적 정면도이다.

도 2는 동 모식적 정면도이다.

도 3은 동 모식적 평면도이다.

도 4는 비드 형상을 나타내는 모식적 정면도이다.

Claims

수평으로 설치된 하판과 이 하판 상에 수직으로 설치된 입판의 필릿을 다전극 가스 실드 아크 용접하는 방법으로서,

선행극 및 이 선행극에 후속하는 후행극 사이에 필러 와이어를 공급하고,

상기 선행극 및 후행극으로서 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 사용하고,

선행극과 후행극 사이의 극간 거리를 20 내지 35mm로 하며,

상기 선행극이 수평면과 이루는 각도를 선행극 수평각 L, 상기 후행극이 수평면과 이루는 각도를 후행극 수평각 T로 하고, 상기 L과 T 중 큰 쪽을 X, 작은 쪽을 Y로 하고, 상기 필러 와이어가 수평면과 이루는 각도를 필러 와이어 토치각 F로 하고, 평면도상으로, 선행극의 선단이 용접 방향의 후방을 향하는 각도를 선행극 후퇴각 α로 하고, 후행극의 선단이 용접 방향의 전방을 향하는 각도를 후행극 전진각 β로 하고, 필러 와이어의 선단이 용접 방향의 후방 또는 전방을 향하는 각도를 용접 방향에 수직인 방향에 대하여 이루는 각도로서 필러 와이어 토치 전후각 γ(용접 방향 후방으로 -, 용접 방향 전방으로 ＋)로 했을 때, 이들 변수는 하기 수학식을 만족하고,

상기 필러 와이어의 와이어 목표 위치를 상기 입판의 하단부터 (상각장-2mm)까지의 범위로 하는, 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.

40°≤L≤60°,

40°≤T≤60°,

X＋5°≤F≤X＋20° 또는 Y-20°≤F≤Y-5°,

4°≤α≤14°,

5°≤β≤15°, 및

-5°≤γ≤5°
제 1 항에 있어서,

상기 필러 와이어 토치 전후각 γ는 0°인, 다전극 가스 실드 아크 용접 방법.