KR101360593B1 - 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재에 관한 것으로서, 본 발명의 일태양은 강판에 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 상기 강재를 용접하는 것을 포함하며, 상기 보호가스로는 10~20질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 상기 이면보호가스로는 1~5질량%의 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재를 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존의 방법에 비하여 강재의 가공성을 크게 저하시키지 않으면서도 상당히 빠른 용접 속도로 용접을 행할 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공할 수 있다.

Description

가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재{GAS TUNGSTEN ARC WELDING METHOD HAVING IMPROVED WELDING SPEED AND STEEL MATERIAL PRODUCED BY USING THE SAME}

본 발명은 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재에 관한 것이다.

스테인리스 강은 우수한 내식성 및 가공성을 가지고 있기 때문에 자동차 배기계, 건자재 등의 배관용 소재로 주로 이용되며, 주로 용접공정을 통해 제조되고 있다.

스테인리스강의 조관용접기술로는 GTA(Gas Tungsten Arc) 용접, 고주파 유도 용접(High Frequency induction) 및 레이저 용접 등이 있다. 저가 프로세스인 GTA 용접 공정은 고주파, 레이저 용접에 비해 느린 용접속도에 기인한 낮은 생산성이 가장 큰 단점으로 지적되고 있다. 따라서, GTA 용접시 용접속도를 높이는 것은 생산성을 높이기 위해 우선적으로 해결해야 할 문제이다.

따라서, 본 발명은 용접속도를 향상시킬 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접방법과 이에 의해 제조된 강재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일태양은 강판에 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 상기 강재를 용접하는 것을 포함하며, 상기 보호가스로는 10~20질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 상기 이면보호가스로는 1~5질량%의 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공한다.

본 발명의 다른 태양은 에릭슨 비(erischen ratio)가 80%이상인 용접부를 갖는 강재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 기존의 방법에 비하여 강재의 가공성을 크게 저하시키지 않으면서도 상당히 빠른 용접 속도로 용접을 행할 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공할 수 있다.

도 1은 가스 텅스텐 아크 용접 방법의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는 용접시 아크의 형상 및 용융 풀의 유동 형태를 보여주는 모식도이다.
도 3은 가스 텅스텐 아크 용접을 이용한 강판 용접시, 각각의 보호가스 및 이면보호가스 조성에서 용접속도 및 용접전류를 변화시킬 때, 완전 용입이 이루어지는 최소 전류 및 최대 속도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 각각의 보호가스 및 이면보호가스 조성으로 용접된 강재를 에릭슨 장치를 이용하여 모재와 용접부 각각을 소성 변형시켜 강재를 컵(cup) 형태로 가공하였을 때, 모재 대비, 균열이 발생할때까지 용접부가 소성 변형된 높이의 비율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

GTA 용접시 용접 속도를 증가시키기 위해서는 용접전류 증가를 통해 용접 입열량을 올려줘야 한다. 하지만, 완전 용입에 필요한 입열량 인자 중 용접속도가 기여하는 부분이 매우 크기 때문에 용접속도를 증가시키기 위해서는 용접전류를 대폭 향상시켜야 하지만 대부분 입열부족으로 용접이 이루어지지 않는 현상(미용입)이 발생하게 된다. 또한, 용접전류를 높이게 되면, 전자기력의 의한 아크력(Arc Force)이 높아 용융 풀에 물리적인 힘이 가해져 용접 비드 형상이 매우 불안정해질 수 있으며, 이에 따라 사행비드가 발생하거나 용접비드가 끊기는 현상이 발생하게 된다. 그 외 품질 및 공정적인 측면에서 용접금속의 결정립 조대화에 의한 가공성 저하 및 전극 마모 현상이 발생할 수 있으므로, 용접 전류를 대폭 향상시키는 것은 효과적인 방법이 아니다.

이와는 달리, 용접속도를 향상시키기 위해서, 용접전극 보호가스로 Ar에 활성 가스인 CO₂, O₂ 등을 섞은 혼합가스를 이용하는 방법과 용접선에 산화물을 도포하여 용입특성을 향상시켜 용접속도를 증가시킨 A-TIG(Active TIG)와 같은 용접방법 등이 개발되었다.

이러한 혼합보호가스를 이용하는 종래기술로는 일본공개특허공보 평2-075471호가 있으며, 상기 기술은 Ar가스 중에 미량의 SO₂를 첨가한 보호가스를 사용하는 방법이다. 그러나, 상기 방법은 전극의 마모가 심하고 이를 방지하기 위해 특수한 Hf 전극을 사용해야 하며, SO₂의 첨가량이 증가함에 따라 용접금속의 S의 함량 증가에 의한 가공성 저하 등의 문제를 가지고 있다.

한편, 일본공개특허공보 평11-141446호 및 평7-310913호에서는 GTA 용접용 용가재를 사용하는 방법을 사용하고 있는데, 이 경우에도 용가재를 공급하기 위한 장치와 용가재가 필요하므로 비용증가가 유발된다. 또한, 용접속도 향상을 위하여 강재에 Zr을 첨가하여 용입성을 향상시키는 기술이 보고 되었는데, Zr은 고가의 합금이므로 제조 비용을 고려할 때, 현실적으로 적용하기 곤란하다는 문제점이 있다.

또한, 기존에는 보호가스로서 산소와 수소를 포함하는 불활성 가스를 이용하여 GTA 용접을 실시하는 기술이 있었으나, 상기 기술은 전극의 수명을 저하시키고 용접부의 가공성 및 내식성에 문제를 일으킬 염려가 있으며, 용접속도 증가의 효과과 크지 않다.

따라서, 본 발명에서는 상기한 방법들과 구별되는 신규한 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공함으로써, 용접속도를 현저히 향상시킬 수 있는 기술을 제공하고자 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시형태는 강재에 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 상기 강재를 용접하는 것을 포함하며, 상기 보호가스로는 10~20질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 상기 이면보호가스로는 1~5질량%의 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법을 제공한다. 한편, 가스 함량은 부피%로 표현하는 것이 일반적이나, 본 발명에서의 가스 함량은 질량%로 표현한다.

본 발명에 적용될 수 있는 강재는 그 종류에 대하여 특별히 한정하지는 않으며, 그 예로는 열연강판, 냉연강판 및 스테인리스 강판 중 어느 하나일 수 있다. 이 중 스테인리스 강판(400계)은 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있다. 이 때, 상기 스테인리스 강판은 중량%로, Cr: 11~18%, C+N: 150ppm이하의 성분을 포함하는 것이 바람직하며, 추가 합금 성분은 통상의 400계 스테인리스 강판 성분을 포함시킬 수 있다. 상기 Cr이 11%미만일 경우에는 내식성 확보가 용이하지 않을 수 있으며, 18%를 초과하는 경우에는 강판 내 탄소 또는 질소의 고용효과가 저감되어 가공성이 저하될 수 있다. 상기 C+N의 함량이 150ppm을 초과할 경우에는 상기 원소가 강판에 고용되지 못하여 가공성이 저하될 수 있다. 한편, 상기 C+N은 가능한 적을수록 바람직하나, 공정상의 어려움으로 그 함량을 120ppm미만으로 제어하기 곤란하다.

또한, 박판 또는 후판 등에 모두 적용이 가능하다. 본 발명의 용접방법을 후판에 적용할 경우에는 완전용입이 이루어질 수 있는 용접 패스(pass)를 줄일 수 있어, 본 발명에서 얻고자 하는 효과를 확보할 수 있다.

일반적으로 당해 기술분야에서 보호가스로 사용되는 불활성 가스는 용접 중 용접부 및 용접전극이 외부 공기와 접촉하여 용접부 결함 및 용접전극이 소모되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 상기 불활성 가스는 비용을 고려할 때, 아르곤(Ar)가스 또는 헬륨(He) 가스 중 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.

도 1은 가스 텅스텐 아크 용접 방법의 일례를 나타낸 사시도이며, 이하, 도 1을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 가스 텅스텐 아크 용접은 용접토치(200)에 포함된 텅스텐 전극(210)과 강재(100) 사이에 발생하는 아크를 이용하여 강재(100)를 용접하는 것으로 이루어진다. 뿐만 아니라, 용접시에는 상기 용접토치(200)에서 보호가스가 분사되어 용접부와 텅스텐 전극(210)을 보호하게 된다. 또한, 상기와 같이 용접 토치(200)가 강재(100)로 향하는 영역과 마찬가지로 그 반대영역(이하, '이면'이라고도 함)에도 보호가스가 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 강재 용접시 보호가스로 10~20질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 이면보호가스로는 1~5질량%의 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 보호가스에 포함되는 수소는 용접시 발생되는 아크의 면적을 좁힘으로써 열밀도를 향상시키는 역할을 하게 된다. 즉, 용접부에 가해지는 용접입열량이 증가되는 효과를 발휘하게 되어, 용접 속도를 증가시킬 수 있다. 다만, 상기 수소의 함량이 10%미만일 경우에는 용접열밀도 향상이 충분하지 않아 용입성 개선효과가 거의 없어 용접속도를 향상시킬 수 없으며, 20%를 초과하는 경우에는 수소가 용접금속의 결정립 내로 과도하게 침투하여 용접금속을 취화시켜 용접부의 가공성을 보증하기가 곤란하다. 따라서, 상기 보호가스에 포함되는 수소의 함량은 10~20질량%인 것이 바람직하다. 용접속도 향상과 제품의 가공성 확보 측면에서 상기 수소의 함량은 13~17질량%인 것이 보다 바람직하다. 한편, 본 발명에서는 상기 보호가스에 산소가 포함되지 않는 것이 바람직하며, 만일 산소가 포함될 경우에는 텅스텐 전극이 산화되어 전극의 사용 수명이 줄어들게 된다.

이면보호가스에 포함되는 산소는 용융 풀의 유동현상을 활발하게 하는 역할을 행하여, 용접이 보다 원활하게 이루지도록 하는 역할을 수행한다. 즉, 용접 속도를 상당히 증가시킬 수 있게 된다. 이러한 효과를 위해서는 상기 산소가 1%이상 포함되는 것이 바람직하나, 과도하게 포함될 경우에는 용접 후, 용접부의 산화개재물 양이 급속하게 많아져 용접부의 가공성 및 내식성에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 산소의 함량은 5%이하로 포함되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 이면보호가스에 포함되는 산소의 함량은 1~5질량%인 것이 바람직하다. 용접속도 향상과 제품의 가공성 확보 측면에서 상기 수소의 함량은 2~4질량%인 것이 보다 바람직하다. 한편, 상기 이면보호가스는 실드박스(300)와 같은 수단을 이용하여 외부로 유출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

도 2는 용접시 아크의 형상 및 용융 풀의 유동 형태를 보여주는 모식도이며, (a)는 종래의 방법에 따른 것이고, (b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 것이다. 도 2 (a)에 나타난 바와 같이, 기존의 방법인 아르곤 가스만을 보호가스로 사용하는 경우에는 아크의 면적이 넓어 열의 집중도 즉, 열밀도가 낮았다. 또한, 용융 풀의 유동현상이 활발하지 못하였기 때문에 용접 효율이 낮았다. 그러나, 도 2 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법을 적용하는 경우에는 아크의 집중도를 향상시킬 수 있고, 용융 풀의 유동현상을 활발하게 할 수 있으므로 용접 효과를 향상시킬 수 있으며, 결국 용접 속도를 보다 증가시킬 수 있다.

한편, 상기 보호가스의 유량은 15~20L/min인 것이 바람직하다. 상기 보호가스의 유량이 15L/min미만일 경우에는 보호가스량이 적어 용접부 및 용접전극의 보호 효과가 저하되며, 20L/min을 초과할 경우에는 비용이 과도하게 상승되고, 용접부 비드 형상이 불량해질 수 있다. 따라서, 상기 보호가스의 유량은 15~20L/min의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하며, 15~17L/min인 것이 보다 바람직하다.

상기 이면보호가스의 유량은 10~15L/min인 것이 바람직하다. 이면보호가스는 유량을 10L/min이상으로 하게 될 경우 용융 풀에 활성가스인 산소의 유입량이 많아져 용융풀의 유동현상을 향상시킬 수 있다. 다만 유량이 과도하게 증가할 경우에는 용접부 냉각이 심해 급냉조직이 생길 수 있다는 단점이 있으므로, 상기 이면보호가스의 유량은 15L/min이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 이면보호가스의 유량은 10~15L/min의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하며, 10~12L/min인 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 용접 방법은 강재의 합금성분 및 조성범위, 강판의 두께 등에 따라 용접 전류를 달리할 수 있고, 이에 따라 용접 속도 또한 달라지기 때문에 상기 용접 전류 또는 용접 속도에 대해서는 구체적으로 한정하지 않는다.

상기와 같이, 본 발명에서 제공하는 용접 방법을 이용할 경우, 강재는 에릭슨 비(erischen ratio)가 80%이상인 용접부를 가질 수 있다. 즉, 기존의 용접방법을 적용하여 용접된 강재가 약 95%정도의 에릭슨 비를 가진다는 점을 감안할 때, 본 발명 용접방법은 상당히 빠른 용접속도를 적용할 수 있을 뿐만 아니라 강재의 가공성을 크게 저하시키지 않을 수 있다는 장점이 있다. 여기서, 에릭슨 비라 에릭슨 장치를 이용하여 모재와 용접부 각각을 소성 변형시켜 강재를 컵(cup) 형태로 가공하였을 때, 모재 대비, 균열이 발생할때까지 용접부가 소성 변형된 높이의 비율을 의미한다. 예를 들면, 모재의 에릭슨 시험시 균열발생 높이가 10mm이고, 용접부의 에릭슨 시험시 용접부 균열 발생 높이가 9mm이면, 에릭슨 비는 90%가 되는 것이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

Fe-18Cr을 기본조성(단위 중량%)으로 하는 판두께 1.5mm인 페라이트계 스테인리스 강판을 도 3에 나타난 바와 같이, 보호가스 및 이면보호가스의 조성과 용접 전류를 달리하여 가스 텅스텐 아크 용접하였다. 도 3은 각각의 보호가스 및 이면보호가스 조성에서 용접전류를 50~200A의 범위로 변화시켜 용접을 행할 때, 완전 용입이 이루어지는 최소 전류 및 최대 속도를 나타낸 그래프이다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 보호가스와 이면 보호가스로서 순수 아르곤 가스를 100% 적용하여 용접을 행한 경우에는 50A의 전류에서는 0.2mpm(m/min)의 용접속도를, 200A의 경우에는 0.9mpm까지 용접속도를 증가시킬 수 있었다. 그러나, 보호가스로 Ar+10%H₂를 적용하고, 이면보호가스로는 Ar+1%O₂를 적용한 경우에는 50A의 전류에서는 0.4mpm의 용접속도를, 200A의 경우에는 1.0mpm의 용접속도를 적용할 수 있어, Ar만을 보호가스로 사용한 경우보다 용접 속도를 향상시킬 수 있었다.

또한, 보호가스로 Ar+20%H₂를 적용하고, 이면보호가스로는 Ar+5%O₂를 적용한 경우에는 50A의 전류에서는 0.6mpm의 용접속도를, 200A의 경우에는 3.0mpm까지 용접속도를 향상시킬 수 있었다. 즉, 본 발명의 용접 방법에 따르면, 아르곤 가스만을 보호가스로 사용한 경우보다 용접속도를 3배 이상 증가시킬 수 있었다.

한편, 용접된 강재의 가공성을 평가하기 위하여, 일면이 반구 형태인 스틸(steel) 펀치를 사용하여 용접부를 소성 변형시켜 강재를 컵(cup) 형태로 가공하였을 때, 모재 대비, 균열이 발생할때까지 용접부가 소성 변형된 높이의 비율(에릭슨 비)을 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 상기 실험시 균열 발생 시점은 가해진 응력이 5% 정도 감소하였을 때로 판단하였으며, 이 때 용접 전류는 100A였다. 또한, 각 조건의 용접 속도 즉, 보호가스와 이면 보호가스로서 Ar만 사용한 경우에는 용접속도가 0.5mpm, 보호가스로 Ar+10%H₂를 적용하고 이면보호가스로는 Ar+1%O₂를 사용한 경우에는 용접속도가 0.7mpm, 보호가스로 Ar+15%H₂를 적용하고 이면보호가스로는 Ar+3%O₂를 사용한 경우에는 용접속도가 0.8mpm, 보호가스로 Ar+20%H₂를 적용하고 이면보호가스로는 Ar+5%O₂를 사용한 경우에는 용접속도가 1.5mpm이었다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 보호가스로 Ar만을 사용했을 경우에는 에릭슨 비가 95%였는데 반하여, 보호가스로 아르곤과 수소의 혼합가스, 이면보호가스로 아르곤과 산소의 혼합가스를 사용한 경우에는 순차적으로 92%, 90%, 85%의 에릭슨 비를 나타내었다. 즉, 본 발명의 용접 방법을 적용하여 강재를 용접한 경우에는 상당히 빠른 용접속도를 적용했음에도 불구하고, 가공성은 크게 저하되지 않는다는 것을 알 수 있다.

100 : 강재 200 : 용접 토치
210 : 텅스텐 전극 300 : 실드 박스

Claims (7)

1. 강재에 보호가스 및 이면보호가스를 제공하면서 상기 강재를 용접하는 것을 포함하며,
   상기 보호가스로는 10~20질량%의 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고,
   상기 이면보호가스로는 1~5질량%의 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용하는 것을 포함하며,
   상기 강재는 스테인리스 강판이고,
   상기 스테인리스 강판은 중량%로, Cr: 11~18%, C+N: 150ppm이하(0은 제외)를 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스 또는 헬륨(He) 가스 중 1종 이상인 것을 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호가스의 유량은 15~20L/min이며, 상기 이면보호가스의 유량은 10~15L/min인 것을 포함하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
   
6. 삭제
7. 삭제

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