KR101268827B1

KR101268827B1 - 페라이트계 스레인리스강의 용접속도 향상을 위한 티아이지 용접방법 및 보호가스 혼합장치

Info

Publication number: KR101268827B1
Application number: KR1020090131494A
Authority: KR
Inventors: 이원배; 손원근
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-05-28
Also published as: KR20110075141A

Abstract

본 발명은 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접방법에 관한 것으로, 구체적으로는 기본보호가스인 Ar가스에 H₂ 또는 O₂를 적정량 혼합시킨 보호가스를 사용함으로써, 기존 순수 Ar가스만을 사용한 경우에 비해 용접부의 가공성 저하 현상 없이 용접속도를 향상시킬 수 있는 페라이트계 스레인리스강의 용접속도 향상을 위한 TIG 용접방법에 관한 것이다. 더불어 상기 H₂ 및 O₂의 함유량을 한정하고, 한정된 양만큼 Ar가스와의 혼합이 제어되도록 하는 가스유량제어부가 구비된 가스혼합장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 Ar가스로 이루어진 보호가스를 이용한 페라이트계 스테인리스강의 TIG용접방법에 있어서, 상기 보호가스는 Ar가스 와 더불어 H₂가 0.5 내지 1.5%중량비만큼 혼합되거나 O₂가 0.01 내지 0.1%중량비 만큼 혼합된 상태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

페라이트계 스테인리스, TIG 용접, 용접속도, 보호가스

Description

페라이트계 스레인리스강의 용접속도 향상을 위한 티아이지 용접방법 및 보호가스 혼합장치{TIG welding method for improving welding speed of ferritic stainless steel and protective gas mixing apparatus}

페라이트 스테인리스의 TIG 용접 시 사용되는 보호가스의 성분 및 함유량을 개선함으로써 기존에 비해 용접속도가 향상됨은 물론, 용접속도 향상에 따른 용접가공성 저하 현상도 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

부식환경 등에서 요구되고 있는 구조용 스테인레스강은 크게 마텐자이트(Martensite)계와 오스테나이트(austenite)계 및 페라이트(ferrite)계로 구분되며, 그 중 용접성과 기타 가공성이 전체적으로 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 가장 많이 사용되고 있다.

하지만 오스테나이트계 스테인리스강은 고가인 니켈(Ni)이 주요원소 이므로 제조원가가 높을 뿐만 아니라 응력 부식균열이 발생할 가능성이 상존하는 문제점이 있다.

따라서 최근에는 Ni을 거의 함유하지 않아 상대적으로 저가인 페라이트계 스레인리스의 사용이 증가하고 있는 추세이다.

실제로 자동차 배기계 및 장관식관 용 파이프는 페라이트계 스테인리스강으로 대체되고 있다.

하지만 상기 페라이트계 스테인리스강의 용접방법으로는 TIG(Tungsten Inert Gas)용접이 사용되는데, 페라이트계는 재질특성상 합금원소량이 적고 융점이 높아 오스테나이트계에 비해 용접입열량(Heat Input)을 높여야하는데, 이를 위해서는 용접속도를 낮추고 용접전류를 높여야 한다.

따라서 오스테나이트계에 비해 용접속도가 약 30%느려져, 전체적인 용접생산성 및 용접부 품질이 저하되는 문제점을 갖고 있다.

현재 제안되어 있는 용접속도 향상방법으로 모재의 기본 성분에 원소상태인 황이나 산소 수소를 첨가하여 용접과정에서 용융풀의 대류현상을 유도하여 용입(Penetration)성을 향상시키는 방법이 있는데, 상기 첨가 성분들은 모재 물성에 악영향을 미치므로 소재 품질측면에서 바람직하지 않은 기술이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 용접속도 저하 현상을 해결하기 위해 제안된 것으로, TIG용접에 사용되는 보호가스의 성분을 개선하되, 성분 조성비를 최적 조건으로 한정함으로써, 기존에 비해 용접속도를 향상시킴과 동시에 용접속도 향상에 따른 용접가공성 저하 현상도 방지할 수 있는 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접방법을 제공하고자 한다.

또한 별도의 가스유량제어부를 통해 보호가스에 첨가되는 성분의 첨가량을 상기 조건량에 맞게 미세단위로 조절할 수 있도록 함으로써 첨가성분의 과첨가로 인한 가공품질 불량현상을 방지할 수 있는 가스혼합장치도 함께 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 아르곤가스로 이루어진 보호가스를 이용한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접방법에 있어서, 상기 보호가스는 Ar가스 와 더불어 H₂가 일정량 추가 혼합된 것을 특징으로 한다.

구체적으로는 상기 H₂는 0.5 내지 1.5%중량비로 첨가된 것을 특징으로 한다.

그리고, Ar가스로 이루어진 보호가스를 이용한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접방법에 있어서, 상기 보호가스는 Ar가스에 O₂가 일정량 혼합된 것을 특징으로 하고, 구체적으로는 상기 O₂는 0.01 내지 0.1%중량비 만큼 혼합된 상태로 이루어 진 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 페라이트계 스테인리스강은 주성분으로 C:0.01%중량비 이하, N:0.01%중량비 이하, Cr:12~18%중량비, Mn:0.4%중량비 이하, Si:0.3%중량비 이하, Ti:0.35%중량비 이하, Al:0.15%중량비 이하를 포함하고,

잔류성분은 Fe 및 불가변적으로 함유된 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 보호가스에 H₂ 또는 O₂를 적정량 첨가하기 위한 장치로, 본체와, 상기 본체에 설치되며 Ar가스와 H₂성분이 별도로 저장되며 설정된 배출유량만큼 배출을 제어하는 가스유량제어부와, 상기 가스유량제어부와 연결되어 Ar가스와 H₂가 혼합된 상태로 배출되는 가스 배출관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 Ar가스와 혼합되는 H₂는 0.5 내지 1.5%중량비의 함유량을 갖는 것을 특징으로 한다.

그리고 보호가스 혼합장치는 본체와, 상기 본체에 설치되며 Ar가스와 O₂성분이 별도로 저장되며 설정된 배출유량만큼 배출을 제어하는 가스유량제어부와, 상기 가스유량제어부와 연결되어 Ar가스와 O₂가 혼합된 상태로 배출되는 가스 배출관을 포함하는 것도 특징으로 한다.

이때 Ar가스와 혼합되는 O₂는 0.01 내지 0.1%중량비의 함유량을 갖는 것을 특징으로 한다.

더불어 상기 가스 배출관 상에는 Ar가스와 H₂ 또는 O₂간 혼합을 위한 믹서부가 더 구비된 것도 특징으로 한다.

상기와 같은 특징적 구성으로 이루어진 본 발명은, 기본 보호가스인 Ar에 H₂ 또는 O₂를 첨가함에 따라 페라이트계 스테인리스강의 용접 시 기존에 비해 향상된 용접속도로 용접이 가능하되, H₂와 O₂의 최적 함유량을 찾아 해당 함유량만큼 첨가함에 따라 용접속도 향상에 의한 용접가공불량 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

그리고 Ar과 H₂ 또는 O₂를 혼합하는 과정에서 가스혼합장치의 가스유량제어부를 통해 H₂와 O₂의 함유량을 상기 최적함유량조건에 맞게 미세단위로 제어할 수 있게 됨에 따라, 함유량 제어의 불안정에 의한 용접가공불량 현상을 방지할 수 있는 장점도 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 구성에 대한 실시예를 설명하도록 한다.

<제1실시예>

본 실시예는 TIG 용접을 통해 페라이트계 스테인리스를 용접하는 과정 중 기 본 보호가스인 Ar가스에 용접속도 향상을 위한 H₂가 첨가된 경우로, 상기 Ar가스와 H₂가스의 혼합은 [도 1]에 도시된 가스혼합장치(100)를 통해 이루어진다.

상기 가스혼합장치(100)는 케이스 역할을 하는 프레임형 본체(10) 내에 Ar가스와 H₂의 함유량의 실제 제어역할을 하는 가스유량제어부(20)가 구비되되, 가스유량제어부(20)는 Ar가스가 수용되는 Ar가스 제어부(22)와 H₂가 수용되는 H₂ 제어부(24)로 나뉘어 구성된다. 이때 상기 H₂ 제어부(24)는 H₂의 배출유량을 0.01wt%단위로 제어가능한 구조를 갖는다.

그리고 각 가스유량제어부(20)에는 Ar과 H₂가 혼합된 상태로 외부로 배출되는 가스 배출관(30)이 연결되며, 경우에 따라 도면과 같이 상기 가스 배출관(30) 상에 Ar과 H₂간 믹서효율을 높이기 위한 가스 믹서수단(40)을 더 부가시킬 수도 있다.

이러한 가스혼합장치(100)를 이용한 Ar과 H₂간 혼합방법은, 일단 각 가스유량제어부(20)에 Ar가스와 H₂가 별도로 수용된 상태에서 가스 배출관(30)으로 Ar가스와 H₂가 동시에 배출되는데, 이때 H₂는 H₂제어부를 통해 배출유량이 제어되어 Ar가스의 H₂함유량이 0.5 내지 1.5%중량이 된다. 이러한 조건으로 H₂가 Ar가스에 함유된 상태로 용접을 실시하면, 실험결과 기존에 비해 약 1.3배의 용접속도 향상 효과를 얻게 된다.

상기와 같이 H₂의 함유량을 제한하는 이유 및 제한에 따른 용접속도 향상 결과는 [도 2]의 실험결과표를 통해 알 수 있다.

실험조건

1)스테인레스: Fe-18Cr을 사용하며 기본조성은 주성분으로 C:0.01%중량비 이하, N:0.01%중량비 이하, Cr:12~18%중량비, Mn:0.4%중량비 이하, Si:0.3%중량비 이하, Ti:0.35%중량비 이하, Al:0.15%중량비 이하를 포함하고, 잔류성분은 Fe 및 불가변적으로 함유된 불순물을 포함함.

2)용접방법: TIG 용접(최대 용접전류:350A, 기본 용접전류:100A, 텅스텐 전극경:2.4mm, 전극선단각:60, 이면 보호가스:Ar가스)

3)가공성 평가: 에릭슨 실험 적용(모재대비 용접부의 에릭슨 높이가 0.8 이상을 가공성 검사 시 적용가능한 조건으로 판단)

도 2는 보호가스 중 H₂함량의 변화에 따른 용접속도 및 모재대비 용접부의 에릭슨 높이비를 나타낸 표로, 도면에서 볼 수 있듯이 보호가스 중 H₂의 함량이 높아질 수록 용접부 이면 비드를 형성할 수 있는 용접속도가 증가됨을 알 수 있다.

이때, 위에서 설명한 것처럼 H₂가 0.5%이상 함유되어야 용접속도가 증가됨을 알 수 있으며, 1.5%이상의 함유 시에는 더 이상의 용접속도 향상은 나타나지 않았다. 반면에 용접부 가공성을 나타내는 에릭슨 높이비는 H₂함량이 증가할 수록 낮아지며, H₂의 함유량이 1.5 이상에서는 높이비가 0.7 이하로 낮아짐에 따라 가공성 평 가설정 시 높이비를 0.8 이상으로 설정하였으므로 품질 측면에서는 부적합한 조건이다.

즉, 상기와 같이 H₂의 함유량을 제한하는 이유는, 위 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 일단 H₂는 아크 이온화 전압상승을 통해 아크의 온도를 상승시켜 용입성을 향상시킬 수 있는 성분인 것은 분명하지만, 0.5% 미만으로 첨가한 경우 효과가 거의 없고, 1.5% 이상 함유한 경우는 용접부 미세가공 및 균열발생으로 인해 용접부 가공성이 저하되기 때문이다. 이러한 이유로 가장 안정적인 H₂의 함유량은 1%중량비인 것으로 판단된다.

<제2실시예>

본 실시예는 앞의 실시예와 달리 기본 보호가스인 Ar가스에 H₂가 아닌 O₂가 첨가된 경우로, 상기 Ar가스와 O₂가스의 혼합은 역시 위 실시예와 동일한 구조의 가스혼합장치(100)를 통해 이루어진다.

구체적으로 설명하면 도 3에 도시된 것처럼 본체 내에 가스유량제어부(20)가 구비되며 이때 가스유량제어부(20)는 Ar가스와 O₂가 별도 수용되는 Ar가스 제어부(25)와 O₂ 제어부(27)로 나뉘어 구성된다. 이때, 상기 O₂ 제어부(27)도 앞의 실시예와 마찬가지로 O₂의 배출유량을 0.01wt% 단위로 제어가능한 구조를 갖는다.

본 실시예에서도 경우에 따라 가스 배출관(30) 상에 Ar과 O₂간 믹서효율을 높이기 위한 가스 믹서수단(40)을 더 부가시킬 수도 있다.

이러한 가스혼합장치(100)를 이용한 Ar과 O₂간 혼합방법은, 앞의 제1실시예와 동일하게 이루어지되, O₂의 함유량에 차이가 있다. 즉, 각 가스유량제어부에 Ar가스와 O₂가 별도로 수용된 상태에서 가스 배출관(30)으로 Ar가스와 O₂가 동시에 배출되고, 이때, O₂는 O₂제어부를 통해 배출유량이 제어됨에 따라 Ar가스에 혼합된 O₂함유량이 0.01 내지 0.1%중량이 된다.

이러한 조건으로 O₂가 Ar가스에 함유된 상태로 용접을 실시하면, 실험결과 기존에 비해 용접속도가 향상된 효과를 얻게 된다.

상기와 같이 O₂의 함유량을 제한하는 이유 및 제한에 따른 용접속도 향상 결과는 도 4의 실험결과표를 통해 알 수 있다.

실험조건(제1실시예와 동일조건):

3)가공성 평가: 에릭슨 실험 적용(모재대비 용접부의 에릭슨 높이가 0.8 이상을 가공성 검사시 적용가능한 조건으로 판단)

도 3은 보호가스 중 O₂함량의 변화에 따른 용접속도 및 모재대비 용접부의 에릭슨 높이비를 나타낸 표로, 도면에서 볼 수 있듯이 보호가스 중 O₂의 함량이 높아질수록 역시 용접부 이면 비드를 형성할 수 있는 용접속도가 증가됨을 알 수 있다.

이때, 상기에서 설명한 것처럼 O₂가 0.01% 이상 함유되어야 용접속도가 증가됨을 알 수 있으며, 0.1% 이상의 함유 시에도 용접속도가 향상되기는 하지만 에릭슨 기존 높이비가 기준 값인 0.8 이하로 낮아짐에 따라 용접품질면에서는 부적합하다.

즉, 상기와 같이 O₂의 함유량도 특정값으로 제한하는 이유는, 위 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 일단 O₂는 용접과정에서 용융풀(POOL)에 공급되어 용융금속의 대류현상을 제어하는 표면활성화 성분역할을 하여 용입 특성을 향상시키는 것은 분명하지만, 첨가량이 많아질수록 용접부 산화물 생성량이 많아지고 전극이 산화되어 전극 교체시기를 앞당길 수 있는 문제가 있으므로 H₂의 함유량을 상기 조건으로 한정한 것이다.

이상 설명한 본 발명의 특징은 당업자에 의해 다양하게 변형되고 조합되어 실시될 수 있으나, 상기 변형 및 조합이 기본 Ar보호가스에 0.5~1.5%중량비의 H₂가 혼합되거나 0.01~0.1% 중량비의 O₂가 혼합시킴에 따라, 기존 페라이트계 스테인레스의 TIG 용접방법에 비해 용접속도가 향상됨을 물론, 용접속도 향상으로 인한 용접가공불량을 제어할 수 있도록 한 구성 및 목적과 관련이 있을 경우에는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 판단되어야 한다.

도 1 은 Ar+H₂혼합용 가스혼합장치를 나타낸 개략도.

도 2 는 H₂함량변화에 따른 용접속도 변화 및 모재 대비 용접부의 에릭스 높이비를 나타낸 그래프도.

도 3 은 Ar+O₂혼합용 가스혼합장치를 나타낸 개략도.

도 4 는 O₂함량변화에 따른 용접속도 변화 및 모재 대비 용접부의 에릭스 높이비를 나타낸 그래프도.

Claims

삭제
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본체와,

상기 본체에 설치되며 Ar가스와 H₂성분 또는 O₂성분이 별도로 저장되며 설정된 배출유량만큼 배출을 제어하는 가스유량제어부와,

상기 가스유량제어부와 연결되어 상기 Ar가스와 H₂성분 또는 O₂성분이 혼합된 상태로 배출되는 가스 배출관을 포함하며,

상기 Ar가스에 0.5 내지 1.5%중량비의 함유량으로 H₂성분 또는 0.01 내지 0.1%중량비의 함유량으로 O₂성분이 혼합되는 것을 특징으로 하는 가스혼합장치.
제3항에 있어서,

상기 가스유량제어부는 H₂성분의 배출유량을 0.01wt%단위로 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 가스혼합장치.
제3항에 있어서,

상기 가스유량제어부는 O₂성분의 배출유량을 0.01wt%단위로 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 가스혼합장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가스 배출관 상에는 Ar가스와 첨가성분 간 혼합을 위한 믹서부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 가스혼합장치.