KR101436705B1 - 레이저·아크 복합 용접 방법 및 상기 용접 방법에 의한 용접 부재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용접 속도를 20m/분 정도까지 향상하면서, 비드 형상이 양호하고, 또한 블로홀 등의 용접 결함을 억제할 수 있는 용접 방법 및 상기 용접 방법을 사용한 용접 부재를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명은 스테인리스강, 티타늄, 또는 티타늄 합금의 평판 또는 관상으로 성형된 띠 형상 판의 양단부를 맞댐 용접하는 용접 방법이며, 맞댐부의 용접에서는, 레이저 용접을 선행시키고, TIG 아크 용접을 후행시켜서 레이저광 조사와 아크 방전을 동일 용접선 상에 배치시키면서 용접하는 것을 특징으로 하는 레이저·아크 복합 용접 방법이다.

Description

레이저·아크 복합 용접 방법 및 상기 용접 방법에 의한 용접 부재의 제조 방법{LASER/ARC HYBRID WELDING METHOD AND METHOD OF PRODUCING WELDED MEMBER USING SAME}

본 발명은 스테인리스강, 티타늄, 또는 티타늄 합금을 맞댐 용접하는 용접 방법 및 상기 용접 방법에 의해 용접 부재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이하에서는, 티타늄 또는 티타늄 합금(이하, 양자를 모두 간단히 「티타늄」이라고 부름)을 예로 들어 설명하지만, 이것에 한정하는 취지는 아니다.

티타늄은 내식성이 우수하기 때문에, 석유, 화학 공업, 화력·원자력 발전, 해수의 담수화 등의 플랜트나, 우주·항공기 분야에서 열교환기나, 복수기로서 사용되고 있다. 상기 용도에 있어서, 티타늄은 용접관이나, 용접관과 관판을 용접 접합한 부재 등으로서 사용되고, 특히 용접관은 외경이 12 내지 60㎜ 정도이며, 판 두께가 0.3 내지 2.5㎜ 정도의 것이 사용된다.

일반적으로, 티타늄 관의 용접은 TIG 아크에 의해 행해지고 있다. TIG 아크 용접은, 양호한 비드 형상이 얻어지는 등의 장점을 갖는 반면, 상기한 0.3 내지 2.5㎜의 판 두께에서의 용접 속도는, 판 두께에 따라 상이하지만, 약 9m/분 정도(예를 들어, 판 두께가 0.5㎜인 경우에는 7m/분, 판 두께가 1.2㎜에서는 2m/분) 이하다. 이에 반해, 레이저는 열원의 에너지 밀도가 높기 때문에 용입이 깊어서 고속 용접이 가능하며, 또한 레이저 용접은 모재의 총 입열량이 적어, 용접 열영향부의 폭이 매우 좁아지므로, 용접 금속의 냉각 속도가 커져서, 용접부의 성능(인성 등)도 양호하다. 그러나, 레이저 용접에서는, 판 두께를 관통하는 키홀이 발생해서 불안정하게 변동하면, 그 근방의 용융지에 가스를 끌어들이는 흐름이 발생한다. 이 끌어들인 가스가 기포로 되어서 그대로 응고되면, 용접부에 블로홀 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워지는 경우가 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 내지 4에는, 용접 속도가 빠르다는 레이저 용접의 장점을 살리면서, 또한 용접성을 향상시키거나 블로홀 등의 용접 결함을 억제하는 용접 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 1에는 플라즈마 용접과 레이저 용접을 사용한 용접 방법이 개시되어 있다. 보다 상세하게는, 플라즈마 토치에 의한 선행 예열 후, 레이저 용접을 행하여, 맞댐 용접성(용입 깊이와 비드 폭)과 용접 속도를 향상시키고 있다. 특허문헌 2, 3에서는, 고주파 예열한 후, 레이저 용접함으로써 금속관 내면의 혹 형상 돌기의 발생을 방지하거나, 블로홀 등의 용접 결함의 발생을 억제하거나 하고 있다. 특허문헌 4에서는, 레이저 용접할 시에 2개의 레이저 빔을 용융지에 조사함으로써, 블로홀이나 응고 깨짐의 발생을 방지하고 있다.

일본 특허 공표 제2008-502485호 공보 일본 특허 공개 제2001-18081호 공보 일본 특허 공개 제2001-287061호 공보 일본 특허 공개 평8-90265호 공보

본 발명은 용접 속도가 빠르고, 비드 형상이 양호하며, 또한 블로홀 등의 용접 결함을 억제할 수 있는 용접 방법 및 상기 용접 방법을 사용한 용접 부재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결한 본 발명에 따른 용접 방법은, 스테인리스강, 티타늄, 또는 티타늄 합금의 평판 또는 관상으로 성형된 띠 형상 판의 양단부를 맞댐 용접하는 용접 방법이며, 맞댐부의 용접에서는, 레이저 용접을 선행시키고, TIG 아크 용접을 후행시켜서 레이저광 조사와 아크 방전을 동일 용접선 상에 배치시키면서 용접하는 것을 특징으로 하는 레이저·아크 복합 용접 방법이다.

상기 레이저 용접의 레이저광의 초점은 피용접 부재의 상방에 위치하고, 또한 피용접 부재에 조사되는 레이저 빔 직경이 1㎜ 이상으로 되도록 디포커스되어 있는 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접에서는, 연직 방향과 레이저광이 이루는 각도가 10° 이내로 되는 범위에서 용접 진행 방향으로 기울인 레이저광을 조사, 또는 연직으로 레이저광을 조사하고 있고, 상기 TIG 아크 용접에서는, 연직 방향과 용접 토치가 이루는 각도가 10 내지 45°가 되는 범위에서 용접 토치의 선단을 용접 진행 방향으로 기울이는 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접에 있어서의 레이저광의 조사 위치와, 상기 TIG 아크 용접에 있어서의 아크 방전 목적 위치와의 간격 LA가 3 내지 7㎜인 것이나, 본 발명의 용접을, 아르곤 가스 중에서 행하는 것 또는, 아르곤 가스로 상기 TIG 아크 용접의 토치 실드, 애프터 실드 및 백 실드를 행하는 것 등이 바람직하다. 또한, 본 발명의 용접 방법에서는, 상기 레이저 용접에 앞서, TIG 아크에 의한 예열을 행하는 것도 바람직하다.

본 발명에는, 상기 중 어느 하나의 용접 방법에 의해, 평판 또는 관상의 맞댐 용접 부재를 제조하는 방법도 포함된다.

본 발명에 따르면, 용접 속도를 빠르게 할 수 있는 동시에, 비드 형상이 평활하고 폭이 넓어지며, 또한 블로홀 등의 용접 결함을 억제할 수 있다.

도 1은, 레이저광의 초점이 피용접 부재의 표면에 있을 경우의 키홀 및 블로홀의 생성의 모습을 도시한 개략도다.
도 2는, 본 발명에 따른 용접 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 3의 a는, 디포커스된 레이저광의 조사의 모습을 도시한 도면이며, 도 3의 b는 초점 거리와 디포커스량이 조사 레이저 직경에 끼치는 영향을 나타낸 그래프다.
도 4는 판 두께 0.5㎜ 및 1.2㎜인 경우에 있어서의 레이저 빔 직경과 블로홀 발생과의 관계를 도시한 도면이다.
도 5a는, 용접부의 외관을 관찰한 광학 현미경 사진이다.
도 5b는, 용접부의 단면을 관찰한 광학 현미경 사진이다.

본 발명자들은, 레이저 용접과, 일반적으로 티타늄 관에 사용되고 있는 TIG 아크 용접 각각의 장점을 살린 용접 방법을 얻기 위해 검토를 거듭하였다. 그 결과, 레이저 용접과 TIG 아크 용접의 복합 용접에 있어서, 레이저 용접을 선행시키고, TIG 아크 용접을 후행시켜서 레이저광 조사와 아크 방전을 동일 용접선 상에 배치시키면서 용접하면, 상기 과제를 달성할 수 있는 것이 판명되었다.

즉, 본 발명에서는 TIG 아크 용접을 후행시키는 점에 큰 특징을 갖고 있으며, TIG 토치각도가 전진각, 즉, TIG 토치의 선단이, 연직 하향 방향으로부터 용접 진행 방향을 향해서 기울어진 상태로 됨으로써, 비드의 폭이나 매끄러움이 양호해진다. 또한, 후행하는 TIG 아크 용접은, 레이저 용접에 의해 형성된 용융지 내의 기포를 배출할 수 있다.

본 발명에 있어서의 레이저 용접에서는, 레이저광의 초점은 피용접 부재의 상방에 위치하고, 또한 피용접 부재에 조사되는 레이저 빔 경(직경)은 φ1㎜ 이상으로 되도록 디포커스되어 있는 것이 바람직하다. 피용접 부재의 표면에 레이저 초점이 있는 집중 조사를 행하면, 도 1에 도시한 바와 같이 키홀의 불안정한 변동에 의한 블로홀의 발생이 현저해지지만, 레이저광을 디포커스함으로써 키홀의 발생을 방지할 수 있거나 또는 키홀을 얕게 할 수 있다. 디포커스했을 경우의 피용접 부재에 조사되는 레이저 빔 직경은, 용접이 가능하다면 클수록 좋다. 따라서 보다 바람직하게는 φ1.1㎜ 이상이다. 또한, 피용접 부재에 조사되는 레이저 빔 직경을 크게 해도 용접이 가능해지도록 하기 위해서는, 레이저 출력을 크게 할 필요가 있다.

상기 레이저 용접에서는, 연직 방향과 레이저광이 이루는 각도(이하, 「레이저 조사각」이라고 부름)가 10° 이내로 되는 범위에서 용접 진행 방향으로 기울인 레이저광을 조사, 또는 연직으로 레이저광을 조사하고, 상기 TIG 아크 용접에 있어서의 용접 토치는, 연직 방향과 용접 토치가 이루는 각도(이하, 「TIG 토치각」이라고 부름)가 10 내지 45°로 되는 범위에서 용접 토치의 선단을 용접 진행 방향으로 기울이는 것이 바람직하다. 레이저 조사각이 10°를 초과하면 용접을 위해서 고레이저 출력이 필요해진다. 또한, 레이저 조사각은 0°(즉, 연직으로 레이저광을 조사하는 것)이어도 좋지만, 반사 손상(반사광에 의한 헤드 등의 손상)이 있기 때문에 0° 초과로 하는 편이 바람직하다. 또한 TIG 토치는, 레이저 후방에 인접해서 설치하기 때문에, TIG 토치각은 10° 이상인 것이 바람직하다. 한편 TIG 토치각은 45° 이하인 것이 바람직하다. TIG 토치각이 45°를 초과하면 용입이 적어, 비드 폭이 불규칙하게 넓어지는, 즉 용접 기여나 비드 형상이 나빠진다. 레이저 조사각의 하한은, 보다 바람직하게는 3°, 더욱 바람직하게는 4°이며, 레이저 조사각의 상한은, 보다 바람직하게는 8°, 더욱 바람직하게는 7°이다. TIG 토치각의 하한은, 보다 바람직하게는 15°, 더욱 바람직하게는 20°이며, TIG 토치각의 상한은, 보다 바람직하게는 40°, 더욱 바람직하게는 35°(특히 30°)이다.

상기 레이저 용접에 있어서의 레이저광의 조사 위치와, 상기 TIG 아크 용접에 있어서의 아크 방전 목적 위치와의 간격 LA는 3 내지 7㎜인 것이 바람직하다. LA를 3㎜ 이상으로 함으로써, 레이저 조사와 TIG 아크 방전이 간섭하지 않고, 양자를 병용하는 것에 의한 효과를 유효하게 발휘시킬 수 있다. 한편, LA가 너무 커지면, 후행시키는 TIG 아크 용접에 의한 효과가 충분히 발휘되지 않게 되므로 7㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. LA의 하한은, 보다 바람직하게는 4㎜이며, LA의 상한은 보다 바람직하게는 6㎜, 더욱 바람직하게는 5㎜이다.

또한, 본 발명의 용접 방법은, 아르곤 가스 중에서 용접을 행하거나, 또는 상기 TIG 아크 용접의 토치 실드, 애프터 실드 및 백 실드를 아르곤 가스에 의해 행하는 것이 바람직하다. 이러한 분위기에서 용접을 행하거나, 또는 실드를 행함으로써, 용접부의 산화를 방지할 수 있다.

도 2에 본 발명에 따른 용접 방법의 일례를 도시한다. TIG 아크 용접을 행하는데 있어서는, 전극 거리(전극 길이 방향의 연장선 상에 있어서의, 전극 선단과 피용접 부재의 거리)나 전극 돌출 길이를 적절하게 제어하는 것이 바람직하고, 전극 거리는 2 내지 3㎜ 정도, 전극 돌출 길이는 통상 15 내지 20㎜ 정도다. 또한, 본 발명의 용접 방법에 있어서의 TIG 아크 용접은, 용가재를 사용하지 않는 것이어도 좋다.

본 발명의 용접 방법에서 사용하는 레이저광은, 피용접 부재에 대하여 에너지를 부여할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 CO₂ 레이저 등의 가스 레이저; YAG 레이저, 디스크 레이저, 파이버 레이저 등의 고체 레이저; 열교환 효율이 높은 반도체 레이저(LD) 등을 들 수 있다. 또한 레이저광의 빔 형상은, 특별히 한정되지 않고, 원형, 타원형, 직사각형 등을 들 수 있다. 빔 형상이 직사각형인 경우, 용접 방향의 빔 길이와 동일한 길이의 직경을 갖는 디포커스 원형 빔이며, 빔 밀도(출력/면적)가 동일한 빔과 거의 동등한 양호한 용접이 가능하다. 또한, 직사각형 빔의 폭(용접 방향과 수직한 방향의 길이)이 상기한 디포커스 원형 빔 직경보다도 작은 것이 바람직하고, 이와 같이 하면 조사 빔 면적이 작아지기 때문에, 저출력에서의 용접이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 용접 방법에 있어서, 레이저 용접에 앞서, TIG 아크로 예열을 행해도 좋다. 레이저 용접 전에 TIG 아크로 예열함으로써, 레이저의 흡수성이 향상하기 때문에, 레이저 장치의 출력을 억제해도 양호한 용접을 행할 수 있다. 레이저 용접 전에 행하는 TIG 아크의 용접 조건은, 상기한 후행 TIG 아크 용접과 마찬가지로 할 수 있다.

본 발명의 용접 방법은, 스테인리스강, 티타늄, 또는 티타늄 합금에 적용할 수 있고, 관상의 맞댐 부재나 평판의 맞댐 부재를 제조할 수 있다. 상기한 요건을 만족시킴으로써 빠른 용접 속도, 평활하고 폭넓은 비드 형상 및, 용접 결함(블로홀 등)의 억제를 모두 실현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 용접 방법에 의하면, 용접 속도는 상기한 판 두께 0.3 내지 2.5㎜의 범위에서는 최고속도 20m/분 정도를 확보할 수 있어, 종래(판 두께 0.5㎜인 경우에 최고속도 15m/분, 판 두께 1.2㎜인 경우에는 최고속도 8m/분)와 비교하면 약 2배 이상의 용접 속도를 확보할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 들어서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니고, 상기 및 후기하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

레이저 용접기로서, 최대 출력 10㎾의 파이버 레이저 용접기를 사용하여(용접기: IPG사제), 레이저 조사각 0°(즉, 연직 하향 방향)인 경우에 있어서의, 초점 거리와 디포커스량이 조사 레이저 직경에 끼치는 영향을 조사하였다. 표 1 및 도 3에, 초점 거리가 250㎜ 및 500㎜인 경우에 있어서의 디포커스량과 조사 레이저 직경의 관계를 나타낸다.

실험예 1

실시예 1

이하에 나타내는 조건으로 레이저 용접을 선행시키고, TIG 아크 용접을 후행 시켜, 4 내지 15m/분의 용접 속도로 용접을 행하였다. 레이저 용접에 대해서는, 상기 결과에 기초하여, 초점 거리를 250, 500㎜로 하고, 디포커스량을 -3(판 내) 내지 +60㎜로 하여 조사 레이저 직경을 조정함과 함께(조사 레이저 직경은 φ0.4 내지 3.7㎜), 레이저 출력을 제어하였다. 또한, TIG 토치 실드, 애프터 실드 및 백 실드에는 아르곤 가스를 사용하고, 레이저 용접에 있어서의 레이저광의 조사 위치와, 상기 TIG 아크 용접에 있어서의 아크 방전 목적 위치와의 간격 LA는 5㎜이었다.

레이저 용접 조건(선행)

레이저 용접기 : IPG사제, 최대 출력 10㎾, 파이버 레이저 용접기

레이저 조사각 : 5°

TIG 아크 용접(후행)

TIG 용접기 : 다이헨사제

전류 : 최대 500A(용접 전류는 170A)

실드 가스 : 아르곤

전극 돌출 길이 : 15 내지 17㎜

전극 거리 : 2㎜

TIG 토치각 : 전진각 30°

텅스텐 전극(마이너스): 직경 4㎜, 전극 막대 선단각 60°

피용접 부재

재질 : 순Ti

형상 : 판 두께 0.5㎜ 및 1.2㎜

관 외경 φ19㎜

용접 길이 1m

상기의 조건으로 용접한 관상 부재의 전체 길이를, JIS H0515에 기초하는 와류 탐상 검사하고, 상기 와류 탐상 검사에서의 고신호부 또는 임의의 300㎜ 용접 길이의 영역에서, JIS Z3107에 기초하는 방사선 투과 시험을 행하여, 블로홀의 발생을 확인하였다.

결과를 도 4에 도시한다. 도 4는 판 두께 0.5㎜ 및 1.2㎜인 경우에 있어서의 레이저 빔 직경과 블로홀의 발생에 관한 관계를 도시한 도면이다. 모든 경우에서, 레이저 빔 직경이 φ1㎜ 이상으로 디포커스되었을 경우에, 블로홀의 발생이 억제되었다. 도 4에 있어서, 실선 이상의 레이저 출력에서는 용접부가 절단되게 되고, 한편, 파선 이하의 레이저 출력에서는 미접합부가 남게 된다. 따라서, 도 4의 실선과 파선으로 둘러싸인 범위가 적절한 용접 조건의 범위를 나타내고 있다.

비교예 1

레이저 용접 단독으로 용접한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 블로홀의 발생의 유무를 확인하였다. 그 결과, 레이저 용접 단독의 경우에는, 레이저 빔 직경이 φ1.25㎜ 이상으로 디포커스되었을 경우에 블로홀의 발생이 억제되어 있었다.

실시예 1 및 비교예 1로부터, 레이저 빔 직경을 일정 이상으로 디포커스시킴으로써 블로홀의 발생이 억제될 수 있음과 함께, 레이저 용접에 TIG 아크 용접을 후속시킴으로써, 보다 작은 레이저 빔 직경이어도 블로홀의 발생을 억제할 수 있는 것을 알았다. 이것은, 레이저 빔 직경을 디포커스로 크게 하는 것이나, 레이저 용접에 TIG 아크 용접을 후속시킴으로써, 맞댐 용접 방향의 입열 시간이 길어져, 즉 용접 풀이 길어져, 이것이 블로홀 억제에 크게 영향을 미치고 있다고 생각된다. 따라서, 레이저 빔 직경은, 용접이 가능한 클수록(디포커스되어 있음) 바람직하다.

실험예 2

표 2에 나타내는 조건 및 기타의 조건에 대해서는 실험예 1과 마찬가지로 하여 용접을 행하여, 용접부의 외관 및 단면을 관찰하였다. 외관 사진 및 단면의 광학 현미경(배율: 50배) 사진을 각각 도 5a, 도 5b에 도시하였다.

레이저 용접 후에 TIG 아크 용접을 행한 쪽이, 비드 형상이 폭넓고 평활하며(도 5a), 또한 단면에 대해서는, 상하 비드 단부가 매끄럽게 되어 있는 것을 알 수 있다(도 5b). 또한, TIG 아크 용접 전류를 100 내지 400A의 범위로 변화시켜서 비드 형상을 관찰한 결과, 전류의 증가에 수반해서 비드 폭이 증가하지만, 고출력에서는 전극 소모에 의해 불안정해지기 때문에, 200A 정도를 상한으로 하는 것이 바람직한 것을 알았다.

실험예 3

표 3에 나타내는 조건 및 기타의 조건에 대해서는 실험예 1과 마찬가지로 하여 용접을 행하고, 실험예 2와 마찬가지로 하여 비드 형상을 관찰하였다.

No.5, 6의 어떤 경우든 용접은 가능했지만, TIG 선행인 No.6에서는 TIG 토치가 후퇴각(즉, TIG 토치의 선단이 연직 하향 방향으로부터 용접 진행 방향과 역방향으로 기울어져 있음)이 되기 때문에, 비드 형상이 볼록 형상으로 되었다. 또한, No.6에서는 TIG를 선행시킴으로써 피용접 부재가 예열되기 때문에, No.5보다 낮은 레이저 출력으로도 용접하는 것이 가능했다.

본 발명에 따르면, 비드 형상이 우수하고, 또한 용접 결함이 적은 용접을 빠른 용접 속도로 실현할 수 있기 때문에 유용하다.

Claims (8)

1. 스테인리스강, 티타늄, 또는 티타늄 합금의 평판 또는 관상으로 성형된 띠 형상 판의 양단부를 맞댐 용접하는 용접 방법이며,
   상기 평판 또는 띠형상 판의 두께가 0.3 내지 2.5mm이고,
   맞댐부의 용접에서는, 레이저 용접을 선행시키고, TIG 아크 용접을 후행시켜서 레이저광 조사와 아크 방전을 동일 용접선 상에 배치시키면서 용접하고,
   상기 레이저 용접에 있어서의 레이저광의 조사 위치와, 상기 TIG 아크 용접에 있어서의 아크 방전 목적 위치와의 간격 LA가 3 내지 5㎜이고,
   상기 레이저 용접의 레이저광의 초점은 피용접 부재의 상방에 위치하고, 또한 피용접 부재에 조사되는 레이저 빔 직경이 1㎜ 이상으로 되도록 디포커스된 것을 특징으로 하는, 레이저·아크 복합 용접 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 용접에서는, 연직 방향과 레이저광이 이루는 각도가 10° 이내로 되는 범위에서 용접 진행 방향으로 기울어진 레이저광을 조사, 또는 연직으로 레이저광을 조사하고,
   상기 TIG 아크 용접에서는, 연직 방향과 용접 토치가 이루는 각도가 10° 내지 45°로 되는 범위에서 용접 토치의 선단을 용접 진행 방향으로 기울이는, 레이저·아크 복합 용접 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 아르곤 가스 중에서 용접을 행하는, 레이저·아크 복합 용접 방법.
6. 제1항에 있어서, 아르곤 가스로 상기 TIG 아크 용접의 토치 실드, 애프터 실드 및 백 실드를 행하는, 레이저·아크 복합 용접 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 레이저 용접에 앞서, TIG 아크에 의한 예열을 행하는, 레이저·아크 복합 용접 방법.
8. 제1항에 기재된 용접 방법에 의해, 평판 또는 관상의 맞댐 용접 부재를 제조하는, 방법.

Images