KR101431734B1 - Ｔｉｇ 용접용 용가재 및 이를 이용한 ｔｉｇ 용접방법 - Google Patents

Abstract

TIG 용접용 용가재로서, 종횡비는 2 내지 80이고, 횡단면이 직사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재 및 상기 용가재를 이용한 TIG 용접방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 동일한 전류에서 기존 와이어를 사용한 경우에 아크 중심에서 벗어나는 경우 와이어가 용융되지 못하여 비드가 형성되기 어려우나 본 발명에 따른 용가재를 이용하면, 아크 중심에서 벗어난다고 하더라도 아크쪽 면적이 넓어서 큰 영향을 받지 않아 비드가 안정적으로 형성될 수 있다. 또한 기존 원형 와이어의 경우에는 빠른 송급속도와 낮은 투입열량으로 인하여 와이어가 용융되지 못하거나 용융이 안정적이지 못하여 사행비드가 형성되나, 본 발명에 의하면, 낮은 전류에서도 안정적으로 비드를 형성할 수 있다.

Description

ＴＩＧ 용접용 용가재 및 이를 이용한 ＴＩＧ 용접방법{Filler metal shape for TIG welding and method of TIG welding using the filler}

본 발명은 TIG 용접용 용가재 및 이를 이용한 TIG 용접방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반적인 와이어 용가재보다 열유속 투입면적이 넓고, 단위 길이당 입열량이 증가되어 안정적인 용접이 가능한 TIG 용접용 용가재 및 이를 이용한 TIG 용접방법에 관한 것이다.

세계적으로 석유화학 플랜트, 해양 플랜트 및 원자력 플랜트 산업의 성장이 급등하면서 내식성 및 내열성 등을 향상시키기 위해 Ni 등의 특수금속의 수요가 증가하고 있다. 이런 특수 금속소재를 사용하여 제품을 생산할 경우 제품의 원가가 상승하는 문제점이 있다. 따라서 가격을 절감시키는 오버레이 용접 기술의 중요성이 대두된다.

TIG 용접은 용접부의 기계적 성질이 우수하고, 내부식성이 우수하며 작업환경이 청결하다는 장점이 있지만, 생산성이 낮다는 큰 문제점이 있다. 생산성을 높이기 위해서는 전류를 높이고 용접속도를 증가 시켜야 하지만 대전류를 사용하게 되면 아크 압력에 의한 강한 아크력에 의해 용융지 표면에 심한 압입현상이 생기며, 언더컷, 험핑비드, 그리고 분리비드와 같은 용접결함이 발생하게 된다.

또한, 용착속도를 높여 생산성을 향상시키기 위해서는 와이어 송급속도를 높여야 하지만 이는 1.0 또는 1.2 mm의 가는 와이어를 사용할 경우 높은 와이어 송급속도로 인해 아크열을 흡수할 수 있는 시간적 여유가 부족하고 아크중심에서 조금만 어긋나게 송급되어도 와이어가 용융되지 못하고 용융풀 밖으러 빠져나와 미용융 와이어가 형성된다. 이런 미용융와이어가 생길 경우 용접이 중단되어 생산성이 낮아지므로 현장에서는 충분히 높은 전류로 용접하게 된다. 따라서 송급속도를 높일 경우 기본적으로 전류를 높여야 하는데, 이 경우 역시 큰 아크력으로 인해 언더컷 등 용접결함이 발생하고 모재 용입이 커지므로 적용이 어렵다.

따라서, TIG용접의 생산성을 높이면서 원가절감을 하기 위해서는 낮은 전류에서 높은 용착속도를 가질 수 있는 용접 기술개발이 필요하다.

본 발명은 TIG용접에서 원형단면 와이어보다 용착속도를 획기적으로 높이기 위해 두께가 얇으면서도 폭이 넓은 용가재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 원형단면 와이어보다 큰 폭을 가지는 용가재를 아크에 송급함으로서 아크 중심으로부터 용가재의 중심이 편심되는 허용치가 크게 되어 보다 강건한 용접공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

TIG 용접용 자동송급 되는 용가재로서, 일반적으로 쓰는 직경 1.2mm 원형단면 와이어대비 1 내지 8배의 횡단면적을 가지는 종횡비(폭/두께)는 2 내지 40이고, 횡단면이 직사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재를 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

TIG 용접용 자동송급 되는 용가재로서, 일반적으로 쓰는 직경 1.2mm 원형단면 와이어대비 1 내지 8배의 횡단면적을 가지는 종횡비(폭/두께)는 2 내지 40이고, 횡단면이 직사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재를 이용하는 TIG 용접방법을 제공함으로서 아크중심으로 송급되는 용가재의 중심이 어긋나는 편심도가 크게 허용되어 보다 강건한 TIG용접 공정을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 용가재의 횡단면적은 일반적인 직경 1.2mm 원형단면와이어의 횡단면적 대비 1 내지 8배의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 직사각형의 횡단면의 종횡비는 2내지 40이고 그 폭은 2내지 8mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 용가재송급속도는 5 내지 30mm/sec의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 용접전류는 100 내지 400A의 범위에 있고, 아크길이는 3 내지 8mm의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용가재를 사용한 TIG용접에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 동일한 전류에서 기존 와이어를 사용한 경우보다 현저히 높은 용착속도(kg/hr)로 용접할 수 있다.

둘째, 기존의 원형단면 와이어 대비 용착효율(투입되는 열량 대비 용융에 유효 활용된 열량의 비율, %)은 1.4배정도로 높게 얻어지므로 용접에너지가 현저히 절감될 수 있다.

셋째, 아크중심에 자동송급되는 용가재의 편심에 따른 용접성 실험의 경우에도 기존 와이어의 경우보다 작은 입열량의 증가로 안정적인 비드 형성이 가능하여 본 발명에 따른 TIG 용접용 용가재를 쓰면 보다 강건한 용접공정이 얻어지므로 융합불량과 같은 용접결함이 효과적으로 방지될 수 있다.

도 1a는 전류와 자기유도되는 자장 사이의 전자기력을 도시한 것이고, 도 1b는 아크가 방사상의 전류분포를 갖는 것을 도시한다.
도 2는 아크의 반경방향과 축방향 2가지의 정지된 가스압력을 도시한 것이다.
도 3은 아크 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 열유속의 차이를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실험에 사용된 모재의 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 비교 예1, 2, 실시 예 1의 용접조건을 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명의 비교 예에 따른 실험사진을 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 실험사진을 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 비교 예1, 2, 실시 예 1에 따른 비드 외관 및 단면을 도시한 것이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 전류영역에서의 평균 비드폭과 평균 비드높이를 나타낸 것이다.
도 8e는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 비드의 종횡비(aspect ratio)를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 회귀분석을 통하여 각 용가재별 적정 전류대를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 비교 예에 따른 미용융 와이어의 사진을 도시한 것이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

TIG 용접(Tungsten Inert Gas Welding)은 Ar, He 등과 같은 불활성가스를 실드가스로 사용하면서 비소모성 전극인 텅스텐 전극과 모재사이에서 발생시킨 아크열로 모재와 용가재를 용융시켜 접합하는 용접법을 말한다. 실드가스로는 모재와 텅스텐용접봉의 산화를 방지하기 위하여 불활성가스인 Ar이나 He 등을 사용한다.

이 용접법은 실드가스에 산소 또는 탄산가스가 혼합되어있지 않고 용접봉은 플럭스가 없는 순수금속봉만으로 되어있어서 용접금속이 매우 청정한 상태이기 때문에 원자력 압력용기나 화학플랜트의 반응탱크등의 오버레이용접에도 자주 적용된다. 그러나 가스메탈 아크용접에 비하여 용착속도가 느리므로 생산성이 낮은 것이 결정적인 단점이다.

아크압력이란 아크 발생 시 텅스텐 전극팁에서 플라즈마 기류가 모재로 향해 흘러 형성되는 아크의 축방향 압력을 말한다. TIG 용접의 아크 압력분포는 아크의 중심부에서 가장 크게 형성되고, 아크의 변두리에서는 거의 0으로 되지만, 전극팁의 형상과 실드가스, 아크길이 등에 따라 크게 변화한다.

TIG 용접에서 아크 압력은 양극인 용융풀 (molten pool) 위에 플라즈마 젯의 충돌로 인한 운동량

의 전달에 의해 생성되는 현상이며, 용입과 비드가 형성되는 물리적 아크 현상을 이해함에 있어서 가장 중요한 인자 중의 하나이다.

전류가 도체를 통하여 흐를 때, 그것은 주변에 자장(magnetic field)을 형성한다. 전류와 자장의 사이에 상호작용은 Lorentz force라는 전자기력을 생성하며 도 1a에서 나타낸 바와 같이, TIG 용접의 전도체는 이온화된 실드 가스이며, 아크를 수축시키는 전자기력 (Lorentz force)은 반대 방향에서 아크가 작용하는 방사상의 압력구배에 의해 균형을 유지한다.

만약 아크가 도 1b와 같이 방사상의 전류분포를 갖는다면, 텅스텐 전극 근처 (cathode)의 전류밀도 J는 모재(anode) 근처의 전류밀도보다 더 높게 될 것이다. 따라서 음극에서 정지 상태의 가스 압력(static gas pressure)은 양극에서의 가스 압력보다 더 높을 것이다. 양극과 음극 사이의 정지상태의 가스 압력의 차이는 TIG 용접에서 양극으로 향하는 플라즈마 젯(plasma jet)을 형성하게 될 것이다. 아크의 반경방향과 축 방향 2가지의 정지된 가스 압력은 도 2와 같다. 즉 아크 압력은 플라즈마 젯이 양극 표면에 머물 때 생성되는 정체된 압력(stagnation pressure)이다.

사용되는 용접조건에 따라 아크 압력은 용접부에 유리하게 작용하기도 하고, 불리하게 작용하기도 한다. 위보기 용접에서 아크 압력은 용융금속이 아래로 떨어지거나 축 늘어지지 않도록 토치 위에서 액체 금속을 지지해주는 작용을 한다. 매우 낮은 전류에서 아크 압력은 너무 작아서 아크가 불안정하게 될 수도 있다. 고주파 전류 펄스는 아크 압력을 증가시켜 아크를 안정시키는 역할을 한다. 그러나 대전류 영역에서 아크 압력은 험핑비드, 핑거용입, 분리비드와 같은 용접결함을 발생시킨다.

전체 아크 에너지에서 플라즈마 대류, 가스대류, 복사에너지가 차지하는 비율은 각각 80%, 10%, 10% 이다. 따라서 본 발명에서는 가장 많은 비율을 차지하는 플라즈마 대류로 투입되는 열량만을 고려하여 계산하기로 한다.

아크 내의 열유속은 가우시안 분포 특성과 거의 유사하게 작용하고 있으므로, 각 위치에 따른 열유속은 아크 중심에서 가장 높고 반경방향으로 멀어질수록 점점 작아지게 된다. 따라서 이러한 경우 각 용가재 표면으로 투입되는 열량을 계산하기 위해 본 발명에서는 동일한 단면적을 가지는 원형단면 와이어와 사각단면 스트립의 길이 1mm당 아크로부터 받는 열량을 계산한다. 이에 대한 가정은 다음과 같다.

첫째, 아크 플라즈마는 플라즈마 제트로서 에너지를 가지고 있는 평행유체이고 상부의 전극에서 하부의 모재와 용가재로 흐르기 때문에 그 압력분포가 열유속의 형태로 작용한다. 둘째, 열유속 h는 아크중심에서 1000W/mm²이고, 아크 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 직선적으로 감소하며, 5 mm 멀어진 곳에서의 열유속은 0이다. 셋째, 아크 폭은 10 mm이며, 0.05 mm의 단위로 나누었다. 넷째, 열유속 h는 물체표면의 법선방향 성분만이 내부로 투입된다.

본 발명에서는 열유속이 아크의 위치에 관계없이 항상 일정하다는 가정으로 계산한다. 그러나 실제 아크 내의 열유속은 가우시안 분포 특성과 거의 유사하게 작용하고 있으므로, 각 위치에 따른 열유속은 아크 중심에서 가장 높고 반경방향으로 멀어질수록 점점 작아지게 된다. 따라서 이러한 경우 각 용가재 표면으로 투입되는 열량을 계산하기 위해 동일한 단면적을 가지는 형상의 길이 1mm당 아크로부터 받는 열량을 계산한다.

아크의 중심에 용가재가 송급이 될 경우, 원형단면 와이어는 와이어의 직경, 사각단면 스트립은 스트립의 폭의 크기에 따라 용가재 투입열량은 영향을 받게 된다. 따라서 용가재가 아크의 중심에 송급된다는 가정 하에 용가재 투입열량을 계산하였다. 이때, 용가재가 아크 중심부까지 도달하는 과정에서 표면으로 투입되는 열유속의 합을 용가재투입열량이라 정의한다.

<수학식 1>

본 발명에 따르면, 각각의 용가재 투입열량을 계산한 결과 1.2mm 와이어, 2.6mm 와이어, 5.3x1.0mm 사각단면 스트립의 입열량은 1645W, 2618W, 3156W로 사각단면 스트립이 가장 많은 입열량을 나타내었으며, 동일한 단면적을 가지는 2.6 mm원형와이어보다 1.2배, 1.2 mm원형와이어보다 1.9배 입열량이 높았다. 2.6 mm원형와이어와 비교했을 때 단면적이 5.3mm²으로 같으나 입열량이 차이가 난 것은 사각단면스트립의 열유속 투입면적이 더 넓기 때문이다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 같은 용착속도를 얻기 위해서 1.2mm 원형단면 와이어는 360A의 전류가 필요하지만 5.31.0mm 사각단면 스트립은 280A의 전류가 요구된다. 따라서 용착금속 1g당 입열량이 일반적인 직경 1.2mm 원형와이이어는 50,000J/g이상인 것에 비해 사각단면 스트립은 40,000J/g 이하로 1g당 입열량이 적었다. 1g당 입열량이 적다는 것은 에너지 소모량이 적다는 것을 의미한다.

열유속은 아크의 중심에서 가장 높고 반경방향으로 멀어져감에 따라 급격히 감소하는 형태이다. 따라서 용가재가 아크의 중심에서 벗어날수록 용가재투입열량은 감소하게 된다.

아크중심에서 1.0mm 벗어난 경우 1.2mm 원형단면 와이어, 2.6mm 원형단면 와이어, 5.3x1.0mm 사각단면 스트립은 각각 802W, 2053W, 2998W로 51%, 22%, 4%의 열량감소를 나타낸다. 스트립의 경우 넓은 표면으로 인해 아크중심에서 벗어난다 해도 큰 영향을 받지 않지만, 원형단면 와이어는 열유속이 작용하는 표면이 좁기 때문에 아크중심에서 벗어날수록 열량이 크게 감소한 것으로 볼 수 있다.

따라서 편심되었을 때 안정적인 비드를 얻기 위해서는 1.2mm 원형단면 와이어, 2.6mm 원형단면 와이어, 5.3x1.0mm 사각단면 스트립은 각각 51%, 22%, 4%의 입열량 증가가 필요하다고 볼 수 있다.

본 발명에서는 가우시안 함수를 이용하여 용가재투입열량을 계산하면 용가재가 아크의 중심으로 송급될 경우, 본 발명에 따른 동일한 단면적을 가지는 원형단면 와이어에 비해 열유속이 투입되는 단면이 넓기 때문에 더 많은 열을 받을 수 있다. 단면적이 본 발명의 용가재에 비해 작은 경우에는 용가재투입열량 역시 현저히 작다. 따라서 이를 보안하기 위해서는 송급속도의 향상이 필요하다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 일반적인 직경 1.2mm 원형단면와이어를 적용하는 현장의 오버레이용접공정에서는 용착속도가 1 내지 2.5 kg/h의 범위에 있지만 본 발명의 사각단면 스트립을 쓰면 그 용착속도가 3.0 내지 4.0 kg/h인 것으로 나타나 산업현장에서 사용되고 있는 TIG용접공정과 비교하여 최소 1.5 내지 2.5배 높은 용착속도를 가진다. 이러한 용착속도는 생산성과 관련이 있으며, 본 발명의 용가재를 사용함으로써 생산성이 약 1.5 내지 2.5배 증가할 수 있다.

용가재가 아크의 중심에서 떨어지는 경우에도 본 발명의 형상을 갖는 용가재는 동일한 단면적을 갖는 원형단면 와이어와 비교하여 낮은 열량감소를 나타낸다. 따라서 본 발명의 용가재가 편심에 대한 민감성이 상당히 낮다고 볼 수 있다.

송급속도에 따른 입열량을 비교하면 동일한 용착단면적을 가질 경우 본 발명에 따른 용가재는 낮은 송급속도에도 불구하고 높은 입열을 갖는다. 이는 열유속이 작용하는 면적이 본 발명의 용가재가 가장 넓기 때문이다.

본 발명에 따른 종횡비가 2 내지 40로 한정된 것은 용가재의 형상이 직사각형이고, 두께가 0.2 내지 2.0 mm이고, 폭이 2 내지 8 mm가 바람직하기 때문이다. 용가재 형상이 와이어와 같이 단면이 원형인 경우보다 직사각형인 경우가 유리하기 때문이며 이는 상기 설명한 바와 동일하다.

두께가 0.2mm 미만인 경우에는 용접 작업시에 직선 방향으로 용가재를 공급할 때 강성이 부족할 수 있기 때문에 상하로 움직이기 쉬워 바람직하지 못하고, 두께가 2.0 mm를 초과하는 경우에는 너무 두꺼워서 용가재의 용융이 잘 이루어지지 않을 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

또한 폭이 2 mm 미만인 경우에는 기존의 1.2mm원형단면와이어 직경과 그다지 큰 차이가 없어서 길이 1mm당 열유속 투입량이 커지지 않기 때문에 바람직하지 못하다. 폭이 8 mm를 초과하는 경우에는 스트립의 넓은 폭으로 인해 스트립의 양쪽 폭방향 끝이 제대로 용융되지 못하는 경우가 발생하기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 용가재의 용착금속 용융효율은 기존의 1.2mm 원형단면와이어는 20%인 것에 비해 사각단면 스트립은 27%로 35%정도 높았다. 따라서 본 발명의 형상을 갖는 용가재를 사용하게 되면 기존의 원형단형단면 와이어를 사용할 경우보다 작은 에너지로 높은 생산성을 가지게 하는데 더 효과적이다.

실시예

실시예 1

본 연구에서 모재는 도 4와 같이 150504의 SS400 판재를 사용하였으며 5.3x1.0mm 연강 스트립을 제작하여 사용하였으며 모재의 조성은 표 1에 나타내었다.

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
Mild steel	0.155	0.163	0.455	0.0071	0.009	0.019	0.0101	0.0006

(단위 : 중량%)

실시예 2

용가재로서 5.3x1.0mm 연강 스트립 대신 3.3x1.6mm 연강 스트립을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

비교예 1

용가재로서 5.3x1.0mm 연강 스트립 대신 1.2mm 연강 솔리드 와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

비교예 2

용가재로서 5.3x1.0mm 연강 스트립 대신 2.6mm 연강 솔리드 와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

용접조건

실시예 1~2 및 비교예 1~2의 용접조건을 표 2에 나타내었다. 실험에서 전원은 Powwel DC TIG 500EP을 사용하였다. 와이어 송급은 육성용접에 적용할 것을 감안하여 와이어 측면에서 송급하였으며, 용착단면적은 18mm² 으로 동일하게 설계하여 BOP(Bead On Plate) 실험을 진행하였다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 용가재의 모식도를 나타낸 것이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 실험사진을 나타낸 것이다.

Fixed	Base metal	50 X 150 X 4t(mm), Mild steel
	Deposition area	18mm2
	Wire feed rate	실시예 1~2 비교예 2	비교예 1
		130cpm	622cpm
	Weld speed	38cpm
	Arc length	7mm
	Shield gas	Ar50% + He50% 20/min
Varied	Arc current	260~360A
	Filler metal	5.3 X 1.0mm Strip(실시예 1) 3.3 X 1.6mm Strip(실시예 2) 1.2mm Wire(비교예 1) 2.6mm Wire(비교예 2)

실험결과 및 검토

도 7a 내지 도 7d는 각각 1.2mm 원형단면 와이어(비교 예 1), 2.6mm 원형단면와이어(비교 예 2), 5.3x1.0mm 사각단면 스트립(실시 예 1) 및 3.3x1.6mm 사각단면 스트립(실시 예 2)의 비드 외관 및 단면을 나타내었다. 또한 비드 형상을 정량적으로 나타내기 위하여 각각의 비드 폭과 비드높이를 안정적인 비드구간에서 1mm 간격으로 측정하였으며 도 8a 내지 도 8d는 각각의 전류영역에서의 평균 비드 폭과 평균 비드높이를 나타내었으며 도 8e는 본 발명에 따른 비드 종회비(Aspect ratio=비드폭/비드높이)의 정의를 나타내었다. 또한 표 3은 본 발명에 따라 형성된 비드의 종횡비를 정리한 것이다.

Current	260A	280A	300A	320A	340A	360A
비교예 1	-	2.51	3.45	4.18	5.63	5.83
비교예 2	1.94	2.41	2.78	2.89	4.23	5.06
실시예 1	2.39	4.12	4.38	5.31	7.09	7.01
실시예 2	2.59	3.66	4.55	5.33	6.58	7.36

회귀분석을 통하여 종횡비가 4이상 얻어지는 것을 적정 비드로 판단하여 각 용가재별 적정 전류대를 판단한 결과, 비교 예 1은 312A, 비교 예 2는 336A, 실시 예 1은 283A에서 종횡비 4를 만족하였다. 회귀분석 결과는 도 9에 나타내었다.

비교 예 1의 경우 단면적이 작으므로 동일한 용착단면적을 만족하기 위해서는 송급속도가 빨라야 한다. 따라서 비교 예 2와 실시 예 1의 용접속도인 130cpm보다 약 5배 빠른 622cpm으로 용접한 결과 저전류인 260A에서는 와이어를 용융시키지 못하여 비드가 형성되지 못하였다. 종횡비를 비교한 결과 비교 예 1은 320A에서 종횡비를 만족하였으나, 빠른 송급속도로 인해 340A의 전류영역까지 와이어가 용융되지 못하고 용융풀 밖으로 빠져 나와 미용융와이어가 발생하였다.

도 10은 용접 시 발생한 미용융 와이어 사진을 도시한다. 이와 같은 미용융와이어는 와이어가 아크의 중심으로 송급되지 않아 융합불량을 야기하며 이런 미용융 와이어의 길이가 길어지면서 텅스텐 전극에 닿게 되어 텅스텐 전극의 손상을 가져오게 된다. 따라서 비교 예 1의 경우 안정적인 용접을 위해서는 360A가 최적의 용접조건이라 판단된다.

동일한 단면적을 가지는 비교 예 2의 경우 340A에서 종횡비가 만족하였지만, 안정적인 비드가 얻어지지 않았기 때문에 역시 360A를 가장 안정적인 용접조건으로 판단하였고, 실시 예 1의 경우 280A에서 종횡비를 만족하였으며, 비드외관 역시 안정적으로 얻어졌기 때문에 280A를 가장 최적 용접조건으로 판단하였다. 반면, 실시 예 1의 경우 260A부터 안정적인 비드가 얻어졌으며 가장 넓고 낮은 비드가 얻어졌다. 이는 같은 단면적을 가졌지만 용가재의 표면에 작용하는 열유속의 양이 원형와이어에 비해 더 크기 때문에 낮은 전류에서도 안정적인 비드가 얻어진 것으로 보인다.

각 적정전류로 판단된 전류영역에서의 전류, 전압, 용착속도, 용착금속 용융효율, 용착금속 1g당 입열량을 비교한 결과를 표 4에 나타내었다.

Filler metal	Current (A)	Voltage(V)	Heat Input (J/cm)	용착속도 (kg/h)	용착금속 용융효율 (%)	용착금속 1g 당 입열량 (J/g)
비교예 1	360	13.17	7,486	2.1	20.05	52,576
비교예 2	360	13.20	7,503	1.4	20.01	52,696
실시예 1	280	12.54	5,544	3.5	27.08	38,936
실시예 2	260	16.31	6,700		22.42	47,000

각각의 조건에서 용착금속 용융효율을 비교한 결과 스트립의 용착금속 용융효율이 원형와이어에 비해 35% 높았다. 이것은 스트립의 넓은 폭이 원형 단면의 와이어보다 아크열을 더 많이 흡수하여 적은 입열로 와이어를 용융시킬 수 있기 때문이다. 이는 현재 TIG 오버레이 현장조건과 비교했을 때 더 높은 용착금속 용융효율로 생산성을 높이는데 효과적이라 판단된다.

Sun Zheng 등의 연구에서는 TIG 오버레이 용접에서 용착속도를 높이기 위해 Twin wire를 사용하여 TIG 오버레이 용접을 실시하였다. Twin wire를 사용하여 Single wire를 사용할 때보다 용착속도를 50% 이상 향상시켰으나, 이때 용접속도는 4cpm으로 매우 느린 속도로 진행하였다. 또한 Twin wire는 두 와이어의 송급속도를 동일하게 맞추기가 힘들뿐만 아니라 송급속도가 빠를 경우 와이어가 어긋날 위험이 크다. 또한 두 개의 와이어 송급장치가 필요하므로 공간의 제한이 있다.

또한 K. Hori등은 연구에서는 용융온도 근처까지 가열한 Filler Wire를 용융 풀에 공급하여 용융속도를 증가시키는 핫 와이어(Hot-Wire) 를 사용하여 TIG 오버레이 용접을 진행하였다. 하지만 장치가 고가이며 장치 형상으로 인하여 일부 사용처에 적용하기 힘든 부분이 있어 대중적으로 사용되기 힘들다. 또한 와이어에 전류를 흘려주어 발열할 때 아크가 와이어쪽으로 휘면서 아킹(Arcing)현상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 실시 예는 형상에 맞는 와이어 송급장치만 있다면 일반적인 TIG 용접과 같이 큰 어려움 없이 용접을 진행할 수 있어 용접사가 손쉽게 용접을 진행하면서도 일반 와이어보다 더 높은 용착속도를 가지므로 생산성 역시 효과적으로 올릴 수 있다.

결과적으로, 동일한 조건으로 용접하여 얻어진 비드의 종횡비를 회귀분석하여 기준값 4를 만족하는 비드를 적정비드로 판단하였고, 그 결과, 비교 예 1, 비교 예 2, 실시 예 1은 312A, 336A, 283A로 실시 예 1의 전류가 가장 낮았다.

비교 예 1의 경우 종횡비는 320A에서 만족하였지만, 빠른 송급속도로 인하여 와이어가 용융되지 못하고 용융풀 밖으로 빠져나오는 미용융와이어가 형성되었다. 미용융와이어는 융합불량과 같은 용접결함을 야기한다. 따라서 미용융와이어가 형성하지 않은 360A가 가장 적정전류영역으로 판단된다.

적정비드가 얻어진 조건에서의 용착금속 용융효율을 비교한 결과 비교 예 1과 비교 예 2는 20%, 실시 예 1은 27%로 더 높았다. 이는 열유속이 작용하는 용가재의 단면이 원형와이어에 비해 넓어 더 많은 입열을 얻었기 때문이다.

기존 오버레이용접 조건과 사각단면 스트립의 적정 용접조건과 비교한 결과 현장의 용착금속 용융효율은 15%이므로 본 발명에 따른 용착금속 용융효율이 기존 기술 대비 거의 2배 높다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 용가재를 사용함으로써 생산성을 향상시킬 수 있을 것이다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 횡단면적이 1 내지 8mm², 두께 0.2 내지 2mm , 폭 2 내지 8mm이며 종횡비는 2 내지 40이고, 횡단면이 직사각형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 TIG 용접용 용가재를 이용하여, 동일단면적을 갖는 원형단면 용가재 대비 용착금속 1g당 입열량을 11 내지 26 % 감소시키고,
   상기 용가재의 송급속도는 5 내지 30mm/sec의 범위에 있고, 용접전류는 100 내지 400A의 범위, 아크길이는 3 내지 8mm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, TIG 용접방법.
   
3. 삭제

Images