KR101688362B1 - 용접물의 제조 방법, 용접 방법, 용접 장치 - Google Patents

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Abstract

프라이머 도포 강판을 모재로 하고 또한 활성 가스 및 플럭스 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접에 있어서, 프라이머를 발생원으로 한 기공 결함에 기인하는 용접부의 외관 불량의 발생을 억제한다. 프라이머 도포로 이루어지는 제 1 강판과 제 2 강판을 T자형으로 배치하고, 2개소에 형성되는 모서리부를 각각 용접하여 이루어지는 용접물의 제조 방법에 있어서, 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어(100)와, 실드 가스(탄산 가스)를 이용하여, 플럭스 코어드 와이어(100)로부터 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서 모서리부에 용접 전류를 공급하여 모서리부에 용융지(400)를 형성하는 동시에, 용융지에 대해 교번 자계를 인가하고, 용접 전류(A)와 교번 자계의 자속 밀도(mT)가 20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000의 관계를 갖도록 용접 전류 및 교번 자계를 설정한다.

Description

용접물의 제조 방법, 용접 방법, 용접 장치{METHOD FOR MANUFACTURING WELDED ARTICLE, WELDING METHOD, AND WELDING DEVICE}
본 발명은 용접물의 제조 방법, 용접 방법, 용접 장치에 관한 것이다.
선박 및 교량 등을 제조하는 분야에 있어서는, 플럭스 코어드 와이어를 이용한 용접 시공이 제조 공정 상 중요한 지위를 차지하고 있다.
이러한 분야에 있어서는, 용접 토치로부터 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 공급하고, 용접 토치에 플럭스 코어드 와이어를 송급하는 동시에 플럭스 코어드 와이어에 용접 전류의 공급을 실행하며, 실드 가스 중에서 플럭스 코어드 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접을 실행하는 가스 실드 아크 용접(주로 탄산 가스 아크 용접)이 이용되고 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 자동차 등을 제조하는 분야에 있어서는, 용접 토치로부터 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 공급하고, 용접 토치에 플럭스를 포함하지 않는 솔리드 와이어를 송급하는 동시에 솔리드 와이어에 용접 전류의 공급을 실행하고, 실드 가스 중에서 솔리드 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접을 실행하는 가스 실드 아크 용접(주로 혼합 가스 아크 용접)도 알려져 있다(특허문헌 2 참조). 여기에서, 특허문헌 2에는, 자동차 부품 등에 적용되는 아연 도금 강판의 용접에 있어서 발생하는 기공 결함을 저감하기 위해, 용접 토치의 선단에 장착된 코일로부터 자속 밀도 3~8MT, 듀티비 30~70%, 주파수 5~30Hz의 사각형파 교류 자장을, 용융지의 표면에 대하여 수직방향으로 인가함으로써, 용융지를 교반시키면서 아크 용접을 실행하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제 2006-95550 호 공보 일본 특허 공개 제 2007-98450 호 공보
선박 및 교량 등을 제조하는 분야에 있어서는, 용접의 대상이 되는 모재로서, 프라이머 도포 강판이 이용되는 경우가 많다. 여기서, 프라이머 도포 강판은, 절단·용접 등의 가공 및 조립 공정 기간 중의 녹의 발생을 억제하는 것을 목적으로 하여, 적어도 그 표면 및 이면에, 숍 프라이머(shop primer)(프라이머), 즉 1차 방수 도료를 이용한 표면 처리가 실시되어 있는 강판이다.
그렇지만, 상기 분야에 있어서의 용접 이음의 대부분을 차지하는 필릿 용접에 있어서는, 강판의 표면에 도포된 프라이머가 용접 중에 증발하여 용융지 내에 침입하고, 용접 금속(용접 비드)의 표면 및 내부에, 피트 및 블로우홀 등의 기공 결함이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다. 여기서, 피트란 용접 비드 표면에 개구된 기공 결함을 가리키고, 블로우홀이란 용접 금속 내부에 폐쇄된 기공 결함을 가리킨다. 그리고, 용접 비드의 표면에 피트가 발생한 경우에는, 손질이 필요하게 되어 공정수가 증가하게 되어 버린다.
또한, 선박 및 교량 등을 제조하는 분야와, 자동차 등을 제조하는 분야에서는, 용접의 대상이 되는 모재 및 그 판 두께, 사용되는 실드 가스, 사용되는 용접 와이어의 종류별, 그리고, 용접 조건 등이 상이하기 때문에, 선박 및 교량 등을 제조하는 분야에서 적용되는 탄산 가스 아크 용접에 있어서, 단순하게 교류 자계를 인가한 것만으로는, 상술한 문제를 해결할 수 없다.
구체적으로 설명하면, 예를 들어 자동차 등을 제조하는 분야에서는, 박판(판 두께 3.2㎜ 정도 이하)의 중첩 필릿 용접이 대상이 되기 때문에, 용융지의 사이즈가 작으며, 특허문헌 2에 기재되는 바와 같이, 작은 자속 밀도(3~8MT)에서도 용이하게 용융지를 회전시킬 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 실드 가스로서 아르곤 등의 불활성 가스를 주성분으로 하는 혼합 가스를 이용한 솔리드 와이어에 의한 혼합 가스 아크 용접을 대상으로 하고 있기 때문에, 용융지 상에 발생하는 슬래그가 극히 적어서, 후술하는 슬래그에 기인하는 용융지의 구속에 대해 고려할 필요가 없다.
한편, 예를 들어 조선·교량 등의 분야에서는, 판 두께 6㎜ 이상의 중·후판이 이용되는 경우가 많아, 필릿 용접에 있어서의 용융지의 사이즈도 커지기 쉽다. 이 때문에, 프라이머 강판을 모재로 한 용접에 있어서, 용융지 전체를 회전 교반하기 위해서는, 용융지 사이즈에 따라 최적의 로렌츠력을 용융지에 작용시킬 필요가 있고, 최적 조건으로부터 벗어나면 용융지의 회전 유동을 교란시킬 뿐, 만일 특허문헌 2에 기재되는 수법을 그대로 적용해도 기공 결함을 억제할 수 없다
또한, 조선·교량 등의 분야에서는, T 이음의 수평 필릿 용접에 있어서, 매우 미려한 비드 형상이 요구되기 때문에, 슬래그에 의해서 용융지를 지지하여 비드 형상을 정형하기 위해, 플럭스 코어드 와이어에 의한 탄산 가스 아크 용접이 적용된다. 그렇지만, 플럭스 코어드 와이어를 이용한 용접에서는, 솔리드 와이어를 이용한 용접과는 다르게, 용융지 표면이 고점성 슬래그로 덮히게 되기 때문에, 단순하게 자계를 부여해도 용융 금속이 슬래그의 구속을 받아 충분히 교반되지 않고, 기공 억제 효과가 얻어지지 않는 경우가 있었다.
본 발명은 프라이머 도포 강판을 모재로 하고 또한 활성 가스 및 플럭스 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접에 있어서, 프라이머를 발생원으로 한 기공 결함에 기인하는 용접부의 외관 불량의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 프라이머 도포 강판으로 구성된 하판과, 강판으로 구성되고 또한 해당 하판 상에 세워서 설치된 입판(立板)의 모서리부를 용접하여 이루어지는 용접물의 제조 방법이며, 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어와, 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 이용하여, 해당 플럭스 코어드 와이어로부터 해당 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서 상기 모서리부에 용접 전류를 공급함으로써 해당 모서리부에 용융지를 형성하고, 상기 용융지에 대하여 교번 자계를 인가하고, 상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가 20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000의 관계를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 용접물의 제조법에 있어서, 상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 플럭스 코어드 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량에 대하여, 금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 1.5~3.5질량%, 금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6~2.0질량%, 금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2~1.0질량%, 금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6~1.0질량%, 금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2~0.8질량%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은, 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어와, 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 이용하여, 프라이머 강판끼리 혹은 프라이머 강판과 다른 강판의 모서리부를 용접하는 용접 방법이며, 상기 플럭스 코어드 와이어로부터 상기 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서 상기 모서리부에 용접 전류를 공급함으로써 해당 모서리부에 용융지를 형성하고, 상기 용융지에 대해 교번 자계를 인가하고, 상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가 20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000의 관계를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
이러한 용접 방법에 있어서, 상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 플럭스 코어드 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량에 대하여, 금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 1.5~3.5질량%, 금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6~2.0질량%, 금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2~1.0질량%, 금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6~1.0질량%, 금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2~0.8질량%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 용접 장치는, 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어의 주위에, 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급 수단과, 상기 플럭스 코어드 와이어와 상기 실드 가스를 이용하여, 해당 플럭스 코어드 와이어로부터 해당 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서, 프라이머 도포 강판을 포함하는 복수의 모재에 의해서 형성되는 모서리부에 용접 전류를 공급하는 용접 전류 공급 수단과, 상기 용접 전류의 공급에 따라서 상기 모서리부에 형성된 용융지에 교번 자계를 인가하는 교번 자계 인가 수단과, 상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가 20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000의 관계를 만족하도록, 상기 용접 전류 공급 수단 및 상기 교번 자계 인가 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하고 있다.
이러한 용접 장치에 있어서, 상기 교번 자계 인가 수단은 상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 설정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 프라이머 도포 강판을 모재로 하고 또한 활성 가스 및 플럭스 코어드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접에 있어서, 프라이머를 발생원으로 한 기공 결함에 기인하는 용접부의 외관 불량의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 용접 장치의 개략 구성을 도시하는 도면,
도 2는 용접 장치에 마련된 용접 토치의 구성을 설명하기 위한 단면도,
도 3은 용접 장치에 마련된 제어부의 구성을 도시하는 블록도,
도 4는 용접 장치를 이용하여 제조되는 워크(용접물)의 구성의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 실시형태의 제조 방법(용접 방법)에 있어서의, 용접 토치 및 플럭스 코어드 와이어와, 워크에 형성되는 용융지의 관계를 도시하는 모식도,
도 6은 가로축을 용접 전류 및 자속 밀도의 곱으로 하고, 세로축을 비드에 있어서의 3㎜ 이상의 블로우홀의 수로 한 그래프도,
도 7a는 워크에 있어서 제 1 용접부(비드)에 발생하는 기공 결함을 설명하기 위한 도면,
도 7b는 워크에 있어서 제 1 용접부(비드)에 발생하는 기공 결함을 설명하기 위한 도면,
도 7c는 워크에 있어서 제 1 용접부(비드)에 발생하는 기공 결함을 설명하기 위한 도면,
도 8은 가로축을 코일 전류의 주파수로 하고, 세로축을 비드에 있어서의 3㎜ 이상의 블로우홀의 수로 한 그래프도,
도 9는 코일 전류의 주파수를 0.5Hz로 한 경우에 얻어진 제 1 용접부의 파면을 도시하는 도면,
도 10a은 실시예 및 비교예에서 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면,
도 10b는 실시예 및 비교예에서 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면,
도 10c는 실시예 및 비교예에서 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면,
도 10d는 실시예 및 비교예에서 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면,
도 10e는 실시예 및 비교예에서 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 용접 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 이러한 용접 장치(1)는, 소모 전극식(용극식)의 가스 실드 아크 용접법 중, 탄산 가스를 실드 가스로서 이용하는 탄산 가스 아크 용접법에 의해서 워크(200)의 용접을 실행하는 것이다.
도 1에 도시하는 용접 장치(1)는, 플럭스 코어드 와이어(100)(후술하는 도 2 참조)를 이용하여 워크(200)를 용접하는 용접 토치(10)와, 용접 토치(10)에 용접 전류를 공급하는 용접 전원(20)과, 플럭스 코어드 와이어(100)를 용접 토치(10)에 순차 송급하는 와이어 송급 장치(30)와, 용접 토치(10)에 실드 가스로서의 탄산 가스를 공급하는 실드 가스 공급 장치(40)와, 용접 토치(10)에 교류 자계를 발생시키기 위한 코일 전류(상세하게는 후술함)를 공급하는 자계 인가 전원(50)을 구비하고 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 실드 가스 공급 장치(40) 및 용접 토치(10)가 실드 가스 공급 수단으로서, 용접 전원(20) 및 용접 토치(10)가 용접 전류 공급 수단으로서, 자계 인가 전원(50) 및 용접 토치(10)가 교번 자계 인가 수단으로서, 각각 기능하고 있다.
도 2는 도 1에 도시하는 용접 장치(1)에 마련된 용접 토치(10)의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1에 도시하는 용접 토치(10)는, 토치 본체(11)와, 노즐(12)과, 팁 기부(13)와, 콘택트 팁(14)과, 지지부(15)와, 코일(17)과, 코일 보지부(18)를 구비하고 있다.
노즐(12)은 통 형상의 형상을 갖고 있으며, 통 형상으로 형성된 토치 본체(11) 중 도면 중 하측이 되는 개구측에 끼워짐으로써, 토치 본체(11)에 고정되어 있다. 이러한 노즐(12)은 워크(200)(도 1 참조)에 대하여 실드 가스 공급 장치(40)(도 1 참조)로부터 공급된 탄산 가스를 분사하기 위해서 마련된다.
팁 기부(13)는, 도전체로 구성되는 동시에 통 형상의 형상을 갖고 있으며, 토치 본체(11) 및 노즐(12)의 내측에 배치되는 동시에 토치 본체(11)의 내주면에 접촉함으로써, 토치 본체(11)에 고정되어 있다. 또한, 팁 기부(13) 중 공간을 거쳐서 노즐(12)의 내주면과 대향하는 부위에는, 팁 기부(13)의 측면을 관통하는 가스 공급구(13a)가 복수 개 마련되어 있다.
콘택트 팁(14)은, 도전체로 구성되는 동시에 통 형상의 형상을 갖고 있으며, 팁 기부(13) 중 도면 중 하측이 되는 개구측에 끼워짐으로써, 노즐(12)의 내측에 있어서, 팁 기부(13)를 거쳐서 토치 본체(11)에 고정되어 있다. 이러한 콘택트 팁(14)은 팁 기부(13)에 대하여 착탈 가능하게 되어 있으며, 장기간의 사용에 따라서 콘택트 팁(14)이 소모된 경우에는, 콘택트 팁(14)을 교환하는 것이 가능하게 되어 있다.
지지부(15)는, 통 형상의 형상을 갖고 있으며, 토치 본체(11) 중 도면 중 상측의 개구에 있어서 토치 본체(11)보다 상방으로 돌출되는 팁 기부(13)에 끼워짐으로써, 팁 기부(13)를 거쳐서 토치 본체(11)에 고정되어 있다. 이러한 지지부(15)의 도면 중 상방에는, 도시하지 않은 기재가 마련되어 있으며, 지지부(15)는 이 기재에 지지되도록 되어 있다.
코일(17)은 금속제(예를 들면, 구리)의 와이어로 구성되어 있으며, 노즐(12)의 외주면의 외측에 권회되어 있다. 이러한 코일(17)에는 도선이 접속되어 있으며, 자계 인가 전원(50)(도 1 참조)으로부터 급전을 받도록 되어 있다.
코일 보지부(18)는, 절연체 혹은 절연체로 피복된 소재로 구성되는 동시에 링 형상의 형상을 갖고 있으며, 노즐(12)의 외주면의 외측에 있어서, 노즐(12)을 거쳐서 토치 본체(11)에 고정되는 동시에, 그 내부에 코일(17)을 수용하고 있다.
본 실시형태의 용접 토치(10)에서는, 지지부(15), 팁 기부(13) 및 콘택트 팁(14)을 관통하여, 플럭스 코어드 와이어(100)를 도면 중 상방으로부터 하방을 향하여 공급하기 위한 공급로가 형성되어 있다. 여기서, 콘택트 팁(14)의 내측에 형성되는 공급로의 내경은 플럭스 코어드 와이어(100)의 직경보다 약간 크게 되어 있으며, 여기를 통과하는 플럭스 코어드 와이어(100)는 콘택트 팁(14)에 접촉하게 되어 있다. 한편, 지지부(15) 및 팁 기부(13)의 내측에 형성되는 공급로의 내경은 콘택트 팁(14)의 내측에 형성되는 공급로의 내경보다 크게 되어 있으며, 도면 중 상방으로부터, 이 부위와 플럭스 코어드 와이어(100) 사이에 형성되는 간극 및 팁 기부(13)에 형성된 가스 공급구(13a)를 거쳐서, 노즐(12)의 내측에 탄산 가스가 공급되도록 되어 있다.
또한, 본 실시형태의 용접 토치(10)에서는, 용접 전원(20)(도 1 참조)으로부터 팁 기부(13)에 급전을 실행되도록 되어 있으며, 팁 기부(13)로부터 콘택트 팁(14)을 거쳐서 플럭스 코어드 와이어(100)에 급전이 실행된다.
그럼 여기서, 용접 장치(1)에서 이용하는 플럭스 코어드 와이어(100)에 대하여 설명을 행한다.
본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어(100)는 원통 형상으로 형성된 강제의 외피의 내측에 이하에 설명하는 플럭스를 충전하여 구성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 본 실시형태의 플럭스 코어드 와이어(100)는, 와이어 전체 질량에 대하여, 금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값이 1.5~3.5질량%이고, 금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값이 0.6~2.0질량%이고, 금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값이 0.2~1.0질량%이고, 금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값이 0.6~1.0질량%이고, 금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값이 0.2~0.8질량%이며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이다.
여기서, 본 실시형태에 있어서의 플럭스 코어드 와이어(100)의 성분 첨가 이유 및 조성 한정 이유에 대해서 설명한다.
＜Ti 환산값: 1.5~3.5질량%＞
TiO2는 슬래그의 점도를 증가시키는 기능이 있다. 또한 와이어 중의 금속 Ti, Ti 화합물에 대해서도, 아크 바로 아래에서 이온으로 분해되고, 산소와 결합함으로써 TiO2와 동등한 효과가 얻어진다. Ti 환산값이 1.5질량% 이상이면, 용접시의 아크 안정성이 향상되기 쉽고, 슬래그의 포피도 양호해진다. 한편, Ti 환산값이 3.5질량% 이상이 되면, 슬래그의 점성이 높아져, 자기에 의한 용융지의 교반 효과(상세하게는 후술함)가 작아진다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 Ti 환산값으로 1.5~3.5질량%로 하는 것이 바람직하다
＜Si 환산값: 0.6~2.0질량%＞
SiO2는 슬래그의 점도를 증가시켜, 슬래그의 응고 온도를 저하시키는 기능이 있다. 또한 와이어 중의 금속 Si, Si 화합물에 대해서도, 아크 바로 아래에서 이온으로 분해되고, 산소와 결합함으로써 SiO2와 동등한 효과가 얻어진다. Si 환산값이 0.6질량% 이상이면, 슬래그의 포피가 양호해진다. 한편, Si 환산값이 2.0% 이상이 되면, 슬래그의 점성이 높아져, 자기에 의한 용융지의 교반 효과가 작아진다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 Si 환산값으로 0.6~2.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
＜Al 환산값: 0.2~1.0질량%＞
Al2O3는 SiO2와 마찬가지로 슬래그의 점도를 증가시켜, 슬래그의 응고 온도를 저하시키는 기능이 있다. 또한 와이어 중의 금속 Al, Al 화합물에 대해서도, 아크 바로 아래에서 이온으로 분해되고, 산소와 결합함으로써 Al2O3와 동등한 효과가 얻어진다. Al 환산값이 0.2질량% 이상이면, 슬래그의 포피가 양호해진다. 한편, Al 환산값이 1.0질량% 이상이 되면, 슬래그의 점성이 높아져, 자기에 의한 용융지의 교반 효과가 작아진다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 Al 환산값으로 0.2~1.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
＜Zr 환산값: 0.6~1.0질량%＞
ZrO2는 슬래그의 점도를 저하시켜, 슬래그의 응고 온도를 상승시키는 기능이 있다. 또한 와이어 중의 금속 Zr, Zr 화합물에 대해서도, 아크 바로 아래에서 이온으로 분해되고, 산소와 결합함으로써 ZrO2와 동등한 효과가 얻어진다. Zr 환산값이 0.6질량% 이상이면, 슬래그의 점도를 저하시킴으로써 슬래그의 유동성이 높아져, 자기에 의해서 용융지가 교반되기 쉬워진다. 한편, Zr 환산값이 1.0질량% 이상이 되면, 슬래그량이 과다하게 되어, 자기에 의한 용융지의 교반 효과가 작아진다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 Zr 환산값으로 0.6~1.0질량%로 하는 것이 바람직하다.
＜Mg 환산값: 0.2~0.8질량%＞
MgO는 ZrO2와 마찬가지로 슬래그의 점도를 저하시켜, 슬래그의 응고 온도를 상승시키는 기능이 있다. 또한 와이어 중의 금속 Mg, Mg 화합물에 대해서도, 아크 바로 아래에서 이온으로 분해되고, 산소와 결합함으로써 MgO와 동등한 효과가 얻어진다. Mg 환산값이 0.2질량% 이상이면, 슬래그 점도를 저하시킴으로써 슬래그의 유동성이 높아져, 자기에 의해서 용융지가 교반되기 쉬워진다. 한편, Mg 환산값이 0.8질량% 이상이 되면, 슬래그량이 과다하게 되어, 자기에 의한 용융지의 교반 효과가 작아진다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 Mg 환산값으로 0.2~0.8질량%로 하는 것이 바람직하다.
또한, 플럭스 코어드 와이어(100)에 있어서의 플럭스 충전율(와이어 전체 질량에 대한 플럭스의 질량)은 특별히 규정되는 것은 아니지만, 일반적인 수평 필릿 용접용의 플럭스 코어드 와이어와 마찬가지로 10~25질량%인 것이 바람직하다.
＜잔부: Fe 및 불가피적 불순물＞
플럭스 코어드 와이어(100)의 전체로서의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 그리고, 상기한 와이어 성분 이외에, 와이어 성분으로서 플럭스 중에, Ca, Li 등을 탈산 등의 미조정제로서, 또한 Cu, Co, N를 용접 금속의 추가적인 경화제로서 소량 함유시킬 수도 있다. 이러한 원소는 본 발명의 목적에는 영향을 미치지 않는다. 또한, 플럭스 중에는 상기의 원소 이외의 알칼리 금속 화합물을 미량 포함한다. 또한, 불가피적 불순물로서, 예를 들어 C, B, Ni, Mo, Cr, Nb, V 등을 각각, C: 0.1질량% 미만, B: 0.0003질량% 미만, Ni: 0.1질량% 미만, Mo: 0.01질량% 미만, Cr: 0.30질량% 미만, Nb: 0.10질량% 미만, V: 0.10질량% 미만을 함유해도 좋다. 단, 이러한 성분, 수치에 한정되는 것은 아니다.
＜기타＞
플럭스 코어드 와이어(100)의 제조 방법으로서는, 띠강의 길이방향으로 플럭스를 살포하고 나서 감싸도록 원형 단면으로 성형하여 신선(伸線)하는 방법이나, 큰 직경의 강관에 플럭스를 충전하여 신선하는 방법이 있다. 그렇지만, 어느 방법도 본 발명에는 영향을 주지 않기 때문에, 어느 방법으로 제조해도 좋다. 또한, 플럭스 코어드 와이어(100)에는, 시임(seam)이 있는 것과 없는 것이 있지만, 이것도 어느 것이어도 좋다. 외피의 성분에 대해서는 아무런 규정할 필요는 없지만, 비용면 및 신선성의 면에서 연강의 재질을 이용하는 것이 일반적이다. 또한, 플럭스 코어드 와이어(100)의 표면에 구리 도금을 실시하는 경우도 있지만, 도금의 유무는 문제되지 않는다.
다음에, 도 1에 도시하는 용접 장치(1)의 제어계에 대하여 설명을 행한다.
도 3은 도 1에 도시하는 용접 전원(20) 내에 마련되고, 용접 장치(1)를 구성하는 각부의 동작을 제어하는 제어부(70)의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
제어 수단의 일 예로서의 제어부(70)는, 도시하지 않은 설정 장치(컴퓨터 장치 등)로부터 입력되는 각종 설정을 수신하는 설정 수신부(71)와 설정 수신부(71)에서 수신한 설정에 근거하여, 용접 전원(20)으로부터 용접 토치(10)를 거쳐서 플럭스 코어드 와이어(100)에 공급하는 용접 전류의 크기를 설정하는 용접 전류 설정부(72)와, 용접 전류 설정부(72)에 의해서 설정된 용접 전류의 크기에 근거하여, 자계 인가 전원(50)으로부터 용접 토치(10)에 마련된 코일(17)에 공급하는 코일 전류의 크기를 설정하는 코일 전류 설정부(73)를 구비한다. 또한, 제어부(70)는, 설정 수신부(71)에서 수신한 설정에 근거하여, 와이어 송급 장치(30)로부터 용접 토치(10)로 송급하는 플럭스 코어드 와이어(100)의 송급 속도를 설정하는 송급 속도 설정부(74)를 추가로 구비한다
여기서, 용접 전류 설정부(72)는 용접 전류로서 직류 전류값의 설정을 실행하고, 코일 전류 설정부(73)는 코일 전류로서 교류 전류값의 설정을 실행한다. 또한, 용접 전류 및 코일 전류의 구체적인 설정 수법에 대해서는 후술한다.
도 4는 도 1에 도시하는 용접 장치(1)를 이용하여 제조되는 워크(200)(용접물)의 구성의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시하는 워크(200)는, 입판의 일 예로서의 제 1 강판(201)의 단부면을, 하판의 일 예로서의 제 2 강판(202)의 표면에 탑재하는 것에 의해, 용접 대상이 되는 2개의 모재(제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202))가 T자형을 나타내는 T 이음으로 되어 있다. 또한, 이러한 워크(200)는, T자형으로 배치된 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)에 대하여, 거의 직각으로 만나는 2개의 평면의 모서리부(2개소)에, 용접 장치(1)로 각각 수평 필릿 용접을 실행하여, 제 1 용접부(301)와 제 2 용접부(302)를 형성한 필릿 이음으로 되어 있다.
본 실시형태에서는, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)으로서, 모두 프라이머 도포 강판이 이용되고 있다. 단, 프라이머 도포 강판이어도, 그 단부면에 대해서는, 숍 프라이머를 이용한 표면 처리가 실시되지 않은 것이다. 여기서, 프라이머 도포 강판에 이용되는 숍 프라이머로서는, 무기 아연 프라이머, 워시 프라이머(wash primer), 아연 리치 프라이머, 무아연(non-zinc) 프라이머 등을 들 수 있다. 그리고, 이하에 설명하는 용접물의 제조 방법 및 용접 방법은 이들 모든 프라이머 도포 강판에 적용하는 것이 가능하다.
또한, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)은 각각이 6㎜ 이상의 두께를 갖고 있는 것으로 한다. 이러한 6㎜ 이상의 두께를 갖는 강판은 중·후판이라 불리는 것으로서, 조선이나 교량 등을 제조하는 분야에 있어 널리 사용되는 것이다.
그러면, 도 1 내지 도 4를 참조하면서, 본 실시형태의 용접 장치(1)를 이용한 워크(200)의 제조 방법(제 1 강판(201)과 제 2 강판(202)의 용접 방법)에 대하여 설명을 실행한다.
또한, 용접을 개시하기 전에, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 도 4에 도시한 바와 같이 T자형이 되도록 배치해둔다.
우선, 와이어 송급 장치(30)로부터 용접 토치(10)에 대하여 플럭스 코어드 와이어(100)의 송급을 개시하는 동시에, 실드 가스 공급 장치(40)로부터 용접 토치(10)에 대해 탄산 가스의 공급을 개시한다. 또한, 용접 전원(20)으로부터, 용접 토치(10)(플럭스 코어드 와이어(100))에 대해 전압(용접 전압)의 공급을 개시하는 동시에, 자계 인가 전원(50)으로부터 용접 토치(10)(코일(17))에 대해 코일 전류의 공급을 개시한다.
이어서, 플럭스 코어드 와이어(100)와 워크(200) 사이에 아크를 발생시킴으로써, 용접이 개시된다. 이 때, 플럭스 코어드 와이어(100)의 선단은 아크에 의해 용융되어 워크(200)측으로 이행되고, 또한 워크(200)측에 있어서도 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)의 각각에 있어서의 대상 부위가 아크에 의해 용융된다. 그 결과, 워크(200) 중 플럭스 코어드 와이어(100)의 선단과 대향하는 부위에는, 이들이 혼재된 용융지가 형성된다. 이 때, 용융지 상에는, 플럭스에 기인하는 동시에 용융지로부터 부상된 슬래그가 형성된다. 또한, 경계부를 따라서 또한 일단으로부터 타단을 향하여 용접 토치(10)를 이동시켜 나가는 것에 의해, 경계부를 따라서 용융지 및 슬래그가 순차 형성되어 간다.
단, 용접 토치(10)의 이동에 따라서 플럭스 코어드 와이어(100)의 선단이 통과한 후의 용융지는, 아크로부터 멀어짐에 따라서 가열되지 않게 되기 때문에, 그 후 냉각되는 것에 따라 응고된다. 여기서, 본 실시형태에서는, 플럭스 코어드 와이어(100)를 이용하고 있으므로, 용융지는, 냉각에 따라서, 응고된 용접 금속부 상을 응고된 비금속 물질로 이루어지는 슬래그로 덮은 상태로 이행된다. 이러한 용접 금속부가 제 1 용접부(301) 및 제 2 용접부(302)이다.
이와 같이 하여 제 1 용접부(301) 및 제 2 용접부(302)의 형성이 실행된다. 그 후, 제 1 용접부(301) 및 제 2 용접부(302)의 각각을 덮고 있는 슬래그가 제거되는 것에 의해, 도 4에 도시하는 워크(200)가 얻어진다.
도 5는 본 실시형태의 제조 방법(용접 방법)에 있어서의, 용접 토치(10) 및 플럭스 코어드 와이어(100)와 워크(200)(도시하지 않음)에 형성되는 용융지(400)의 관계를 나타내는 모식도이다. 또한, 도 5에 있어서는, 용융지(400) 상에 존재하는 슬래그의 기재를 생략하고 있다.
용접 토치(10)로부터 돌출되는 플럭스 코어드 와이어(100)의 선단측에서는, 상술한 바와 같이, 플럭스 코어드 와이어(100)와 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)(모두 도시하지 않음)이 용접 전류의 공급 및 아크의 발생에 따라서 용융되어, 용융지(400)가 형성된다. 이 때, 용접 토치(10)에 장착된 플럭스 코어드 와이어(100)로부터 용융지(400)로 흐르는 직류의 용접 전류는 용융지(400) 내를 면 방향을 따라서 방사상으로 흐른다(도면 중 파선으로 나타냄).
또한, 본 실시형태에서는, 용접 토치(10)에 마련된 코일(17)에, 교류의 코일 전류를 공급하고 있다. 이에 따라서, 코일(17)은, 용융지(400)의 표면에 대하여 거의 수직이 되는 방향으로 교번 자계를 발생한다(도면 중 일점쇄선 화살표로 나타냄). 그러면, 이러한 교번 자계에 의해, 용융지(400) 내를 방사상으로 퍼지는 용접 전류에 대해 로렌츠력을 작용시킨다. 그 결과, 용융지(400)를 구성하는 용융 금속에는, 도면 중 흰색 화살표로 나타내는 바와 같이 정역 방향에 대한 회전력이 작용하게 되고, 용융 금속은 코일 전류의 주파수에 따른 주기로 정역 회전을 반복하게 된다.
본 실시형태에서는, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)으로서 프라이머 도포 강판을 이용하고 있다. 이 때문에, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)(특히 제 2 강판(202))에 도포된 숍 프라이머가 용접 중에 증발하여 용융지(400) 내로 침입하고, 응고된 후의 용접 금속(제 1 용접부(301) 혹은 제 2 용접부(302))의 표면 및 내부에, 피트 혹은 블로우홀이라 불리는 기공 결함이 발생하기 쉬워진다. 여기서, 피트란 용접 금속으로 이루어지는 비드의 표면에 개구된 기공 결함을 가리키며, 블로우홀이란 용접 금속의 내부에 폐쇄된 기공 결함을 가리킨다. 이들 숍 프라이머에 근거하는 가스(프라이머 가스)를 기원으로 하는 기공 결함은, 실드 가스에 의한 실드 불량 등을 기원으로 하는 일반적인 기공 결함과 비교하여, 기공 결함이 커지기 쉽다.
비드의 내부에, 이러한 큰 블로우홀이 내재하고 있으면, 용접부의 인장 강도 및 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 비드의 표면에, 이러한 큰 피트가 노출되어 있으면, 용접 후에 손질이 필요하게 되어, 공정수가 증가하게 되어 버린다.
여기서, 본 실시형태에서는, 상술한 워크(200)의 제조에 있어서, 용접 전류의 크기(평균값)를 I(A)로 하고, 코일 전류에 의해서 발생하는 자속 밀도의 크기(실효값)를 B(mT)로 했을 때, 이들 용접 전류(I)와 자속 밀도(B)의 곱이 20000≤I×B≤30000, 보다 바람직하게는 20000≤I×B≤27000이 되도록, 제어부(70)(보다 구체적으로는 용접 전류 설정부(72) 및 코일 전류 설정부(73))가 용접 전류(I)와, 자속 밀도(B)의 근원이 되는 코일 전류를 연동시킨 설정을 실행하고 있다. 또한, 자속 밀도(B)는, 용접 토치(10)로부터 돌출되는 플럭스 코어드 와이어(100)의 선단의 위치(플럭스 코어드 와이어(100)의 돌출 길이: 이 예에서는 용접 토치(10)로부터 25㎜가 되는 위치)에 있어서, 가우스미터(테슬라미터)를 이용하여 계측한 값(실효값)으로 정의된다.
플럭스 코어드 와이어(100)의 주위에 코일(17)을 배치하고, 용융지(400)의 표면에 대하여 거의 수직으로 자계를 인가하면, 용융지(400) 내를 방사상으로 퍼지는 용접 전류에 대하여 로렌츠력이 작용하여, 용융지(400)를 구성하는 용융 금속이 회전한다. 이 때, 교류 자계를 이용하는 것에 의해서 자계를 주기적으로 반전시키면, 용융 금속의 대류 방향도 주기적으로 반전하게 되기 때문에, 기공 결함이 일방향을 따라서 성장하기 어려워진다. 이 때문에, 아크의 바로 아래에서 기화된 프라이머 가스는, 바로 가까운 용융지(400)에 침입하기 어려워지는 동시에, 침입한 경우라도 기공 결함으로서 성장하기 어려워지기 때문에, 용융 금속으로 덮이지 않은 용융지(400)의 전방까지 돌아들어가, 외기로 방출된다. 그러므로, 용접 후에 얻어지는 비드의 내부에는, 소경의 블로우홀만이 잔존하고, 비드의 표면에서 피트가 되는 크게 성장한 블로우홀은 발생하기 어려워진다. 이와 같이, 프라이머를 발생원으로 한 기공 결함에 기인하는, 비드의 표면의 외관 불량의 발생을 억제하는 것, 환언하면, 미려한 비드 형상을 얻을 수 있다.
또한, 자계 인가 전원(50)이 공급하는 코일 전류를 직류 전류로 한 경우는, 용융 금속이 항상 동일 방향으로 회전하게 된다. 이러한 경우, 용접 비드의 형성 방향이 편측으로 편향되어 버리는데다가, 용융지(400)에 침수된 프라이머 가스는 그 회전 방향을 따라서 일방향으로 기공을 성장시켜 버리기 때문에, 기공 결함의 성장 억제 효과는 작다. 따라서, 기공 결함을 억제하기 위해서는, 코일 전류를 교류 전류로 하고, 용융 금속의 대류 방향을 주기적으로 반전하는 것이 중요해진다.
또한, 코일(17)에 공급하는 코일 전류(교류 전류)의 파형에 대해서는, 정현파, 사각형파 혹은 삼각파 등의 어느 것을 이용해도 상관없지만, 코일 전류의 주파수(기본 주파수) f는 2~5Hz로 설정하는 것이 바람직하다. 코일 전류의 주파수 f가 너무 낮으면, 용융지(400)의 회전 방향을 따라서 용접 비드가 사행하여, 미려한 비드 외관을 얻을 수 없는 경우가 있다. 한편, 코일 전류의 주파수 f가 너무 높으면, 자계를 반전시켜도 용융지(400)가 대류 방향을 반전시키는 것이 곤란해져, 충분한 교반 효과가 얻어지지 않는 경우가 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 플럭스 코어드 와이어(100)를 이용하여 용접을 실행하고 있기 때문에, 용융지(400) 상에 다량 또한 고점성의 슬래그가 형성된다. 이 때문에, 코일(17)을 이용하여 단순히 교번 자계를 부여한 것만으로는, 용융지(400)를 구성하는 용융 금속이 슬래그에 의한 구속을 받아 충분히 교반되지 않아서, 상기 기공 결함을 억제하는 효과가 얻어지기 어려워지는 경우가 있다. 따라서, 슬래그 및 용융 금속의 고온에서의 점성을 종래보다 저감하는 것이 중요하며, 교번 자계에 의한 용융지(400)의 고온에서의 점성을 저감하기 위해서는, 플럭스 코어드 와이어(100)를 구성하는 플럭스 중, Ti, Si, Al, Zr, Mg에 대해, 와이어 전체 질량에 대하여 상기 각 범위를 만족하도록 배합을 실행하면 된다.
또한, 증발된 프라이머에 기인하는 기공 결함의 발생 경향은, 일반적으로 용접 속도가 상승할수록 커지기 때문에, 생산 현장에서는 용접 속도를 억제하게 되어, 생산 능률 향상을 방해하는 큰 요인으로도 되고 있다. 따라서, 용접 전류 I와 자속 밀도 B를 상술한 범위로 설정함으로써 기공 결함을 저감하고, 그 결과로서 용접 속도의 고속화를 도모하는 것이 가능해진다.
(실시예)
이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 한 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 여기에서는, 기본 용접 조건을 이하에 나타낸 바와 같이 했다.
· 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202): JISG3106 SM490A 무기 아연 프라이머 도포(도포 두께 30㎛), 12㎜t×75㎜W×475㎜L
· 용접 토치(10)의 경사 각도: 45°
· 용접 토치(10)로부터의 플럭스 코어드 와이어(100)의 돌출 길이: 25㎜
· 목적 위치: 루트부
· 플럭스 코어드 와이어(100)의 직경: 1.4㎜φ
[용접 전류와 자속 밀도의 관계에 대해서]
본 발명자는, 우선, 용융지(400)를 형성하기 위해서 플럭스 코어드 와이어(100)에 공급하는 용접 전류(I)(평균값)와 용융지(400)에 공급하는 교번 자계의 자속 밀도(B)(실효값)의 관계에 대하여 검토를 실행했다.
이하에 나타내는 표 1 내지 표 4는 본 검토에 있어서의 각종 설정 조건 및 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
[표 1]
Figure 112015099252850-pct00001
[표 2]
Figure 112015099252850-pct00002
[표 3]
Figure 112015099252850-pct00003
[표 4]
Figure 112015099252850-pct00004
표 1 내지 표 4에는, 샘플의 번호, 코일 전류의 주파수 f(Hz), 코일 전류에 의해 발생하는 자속 밀도 B(mT), 플럭스 코어드 와이어(100)의 송급 속도(m/min), 용접 속도(㎝/min), 플럭스 코어드 와이어(100)에 공급하는 용접 전류 I(A), 그 때의 용접 전압(V), 용접에 의해 얻어진 비드의 각장(㎜), 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱(A·mT), 그리고, 용접에 의해 얻어진 비드에 있어서의 블로우홀(BH라 기재함) 중 길이가 3㎜ 이상이 되는 것의 개수(BH 개수: 개)를 나타내고 있다. 여기서, 표 1 내지 표 3에 있어서, 주파수 f의 란이 「-」로 되어 있는 것은 코일 전류 자체를 공급하지 않고 있는 경우를 나타내고 있다. 또한, 표 1 내지 표 4에 나타내는 블로우홀의 수는, 용접 시공에 의해서 얻어진 용접부(용접 비드) 중 개시부(용접 시공의 개시단측)와 종료부(용접 시공의 종료단측)를 제외한 정상부(중간부) 중, 연속하는 400㎜의 부위에서 측정한 결과이다. 이러한 블로우홀의 수의 측정 수법에 대해서는, 후술하는 표 5 및 표 6에 있어서도 마찬가지이다. 또한, 본 검토에 있어서는, 샘플 1, 7, 13, 19, 25, 31, 37, 43 및 49를 제외한 나머지의 샘플(샘플 번호 2~6, 8~12, 14~18, 20~24, 26~30, 32~36, 38~42, 44~48, 50~120)에 있어서, 코일 전류의 주파수 f를 3Hz(정현파)로 고정하고 있다.
여기서, 표 1(샘플 번호 1~18)은 용접 전류 I를 330A, 용접 속도를 60㎝/min으로 일정하게 유지한 후, 자속 밀도 B를 여러 가지 변화시킨 경우를 나타내고 있다.
또한, 표 2(샘플 번호 19~36)는 용접 전류 I를 390A, 용접 속도를 80㎝/min으로 일정하게 유지한 후, 자속 밀도 B를 여러 가지 변화시킨 경우를 나타내고 있다.
또한, 표 3(샘플 번호 37~80)은 용접 전류 I를 440A, 용접 속도를 95㎝/min으로 일정하게 유지한 후, 자속 밀도 B를 여러 가지 변화시킨 경우를 나타내고 있다.
또한, 표 1 내지 표 3에서는, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱(I×B)이 20000 이상 30000 이하의 범위에 들어가는 것과 들어가지 않는 것이 존재한다.
한편, 표 4(샘플 번호 81~120)는, 용접 전류 I 및 자속 밀도 B를 여러 가지 변화시킨 후, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱(I×B)이 20000 이상 30000 이하의 범위에 들어가도록 한 경우를 나타내고 있다.
또한, 도 6은, 상기 표 1 내지 표 4에 근거하여 작성한, 가로축을 용접 전류 I 및 자속 밀도 B의 곱(A·mT)으로 하고, 세로축을 비드에 있어서의 3㎜ 이상의 블로우홀의 수(개)로 한 그래프도이다. 여기서, 도 6에 있어서는, 표 1에 기재되는 각 샘플을 「◇」로, 표 2에 기재되는 각 샘플을 「△」로, 표 3에 기재되는 각 샘플을 「×」로, 표 4에 기재되는 각 샘플을 「○」로, 각각 도시하고 있다.
표 1 내지 표 4 및 도 6에서 명확한 바와 같이, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱이 20000 이상 30000 이하가 되는 범위에 있어서는, 이 곱이 20000 미만 혹은 30000 초과가 되는 경우에 비해, 3㎜ 이상으로 성장한 블로우홀의 수를 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 4에 도시하는 워크(200)에 있어서 제 1 용접부(301)(비드)에 발생하는 기공 결함을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 7a는 제 1 강판(201), 제 2 강판(202) 및 제 1 용접부(301)의 종단면도를 도시하고 있다. 또한, 도 7b는 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱을 20000 이상 또한 30000 이하로 한 경우의 제 1 용접부(301)의 파면을, 도 7c는 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱을 20000 미만 혹은 30000 이상으로 한 경우의 제 1 용접부(301)의 파면을, 각각 나타내고 있다.
제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 T 이음 또한 필릿 이음으로 하는 경우, 도 7a에 도시한 바와 같이, 제 2 강판(202)의 표면 중 제 1 강판(201)의 단부면이 접촉하는 판 중첩부에 있어서, 제 2 강판(202)으로부터 증발된 숍 프라이머는, 빠져나갈 곳을 잃게 됨에 따라 제 1 용접부(301)에 침입하여, 제 1 용접부(301)의 비드 표면을 향하여 연장되는 기공이 된다.
여기서, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱이 20000 이상 또한 30000 이하의 범위가 되도록 설정하여 용접을 실행하면, 도 7b에 도시하는 바와 같이, 기공 결함이 성장하기 어려워져, 블로우홀의 거대화가 억제되는 동시에, 피트의 발생도 억제된다.
이것에 대해, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱이 20000 미만 혹은 30000 이상이 되도록 설정하여 용접을 실행하면, 도 7c에 도시하는 바와 같이, 기공 결함이 성장하기 쉬워져, 블로우홀이 거대화되는 동시에, 블로우홀의 일부가 비드 표면에 도달하여 피트가 되어 버린다.
[코일 전류의 주파수에 대해서]
본 발명자는, 이어서, 용융지(400)에 공급하는 교번 자계의 주파수, 즉 코일 전류의 주파수 f에 대해 검토를 실행했다.
이하에 나타내는 표 5는, 본 검토에 있어서의 각종 설정 조건 및 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
[표 5]
Figure 112015099252850-pct00005
표 5에는, 샘플의 번호(샘플 번호 121~149), 코일 전류의 주파수 f(Hz), 코일 전류에 의해 발생하는 자속 밀도 B(mT), 용접 속도(㎝/min), 플럭스 코어드 와이어(100)에 공급하는 용접 전류 I(A), 그 때의 용접 전압(V), 용접에 의해 얻어진 비드의 각장(㎜), 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱(A·mT), 그리고, 용접에 의해 얻어진 비드에 있어서의 블로우홀(BH라 기재함) 중 길이가 3㎜ 이상이 되는 것의 개수(BH개수: 개)를 나타내고 있다. 또한, 이 예에 있어서는, 코일 전류의 주파수 f를 0Hz(코일 전류를 공급하지 않음)~20Hz의 범위에서 변화시켰다. 또한, 표 5에 있어서, 주파수 f의 란이 「0」, 또한 자속 밀도 B의 란이 「0」으로 되어 있는 것은, 코일 전류 자체를 공급하지 않고 있는 경우를 나타내고 있으며, 주파수 f의 란이 「0」, 또한 자속 밀도 B의 란이 「0」으로 되지 않은 것은, 코일 전류로서 직류 전류를 공급하는 것에 의해, 직류의 자계를 발생시킨 경우를 나타내고 있다.
또한, 도 8은, 상기 표 5에 근거하여 작성한, 가로축을 코일 전류의 주파수로 하고, 세로축을 비드에 있어서의 3㎜ 이상의 블로우홀의 수(개)로 한 그래프도이다. 여기서, 도 8에 있어서는, 표 5에 기재되는 각 샘플을 「◆」로 도시하고 있다.
표 5 및 도 8에서 명확한 바와 같이, 코일 전류의 주파수 f가 2Hz~5Hz가 되는 범위에 있어서는, 코일 전류의 주파수 f가 2Hz 미만 혹은 5Hz 초과가 되는 경우에 비해, 3㎜ 이상으로 성장한 블로우홀의 수를 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 9는 코일 전류의 주파수 f를 0.5Hz로 한 경우에 얻어진 제 1 용접부(301)의 파면을 도시하는 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 코일 전류의 주파수 f가 너무 낮은 경우에는, 제 1 용접부(301)(비드)에 있어서의 용입이 주파수 f에 따라 주기적으로 변동하고, 그러한 변동에 따라서, 주기적으로 큰 기공(도면 중에 있어서 화살표를 붙임)이 성장한다고 하는 사태가 생긴다.
[플럭스 코어드 와이어의 조성에 대해서]
본 발명자는 또한 플럭스 코어드 와이어(100)의 조성에 대해서 검토를 실행했다.
이하에 나타내는 표 6은, 실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 10의 각각에 있어서의 플럭스 코어드 와이어(100)의 주요 첨가 성분 및 얻어진 결과를 나타내는 것이다.
[표 6]
Figure 112015099252850-pct00006
표 6에는, 실시예 혹은 비교예의 번호, 플럭스 코어드 와이어(100)에 있어서의 Ti, Si, Al, Zr, Mg의 각 조성(전체 와이어 질량에 차지하는 환산 질량%), 용접에 의해 얻어진 비드의 형상, 그리고, 용접에 의해 얻어진 비드에 있어서의 블로우홀(BH라고 기재함) 중 길이가 3㎜ 이상이 되는 것의 개수(BH개수: 개)를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는, 용접 전류 I를 380(A) 또한 자속 밀도 B를 68(mT)로 함으로써, 용접 전류 I와 자속 밀도 B의 곱을 25480(A·mT)으로 고정하고, 코일 전류의 주파수 f를 3Hz로 고정했다.
우선, 실시예 1 내지 10의 각각에 있어서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상이 양호(○)이며, 또한, 블로우홀의 수도 10개 미만이 되었다.
이것에 대해, Ti 환산값을 1.4로 한 비교예 1에서는, 블로우홀의 수는 10개 미만이었지만, 용접에 의해서 얻어지는 비드에 늘어짐이 생겨, 비드 형상이 불량(×)이 되었다. 한편, Ti 환산값을 3.6으로 한 비교예 2에서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상은 양호(○)이지만, 블로우홀의 수가 10개를 초과하였다.
또한, Si 환산값을 0.5로 한 비교예 3에서는, 블로우홀의 수는 10개 미만이었지만, 용접에 의해서 얻어지는 비드에 오버랩이 생겨, 비드 형상이 불량(×)이 되었다. 한편, Si 환산값을 2.2로 한 비교예 4에서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상은 양호(○)이지만, 블로우홀의 수가 10개를 초과하였다.
또한, Al 환산값을 0.1로 한 비교예 5에서는, 블로우홀의 수는 10개 미만이었지만, 용접에 의해서 얻어진 비드에 오버랩이 생겨, 비드 형상이 불량(×)이 되었다. 한편, Al 환산값을 1.1로 한 비교예 6에서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상은 양호(○)이지만, 블로우홀의 수가 10개를 초과하였다.
더구나, Zr 환산값을 0.5로 한 비교예 7에서는, 블로우홀의 수는 10개 미만이었지만, 용접에 의해서 얻어진 비드에 늘어짐이 생겨, 비드 형상이 불량(×)이 되었다. 한편, Zr 환산값을 1.1로 한 비교예 8에서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상은 양호(○)이지만, 블로우홀의 수가 10개를 초과하였다.
그리고, Mg 환산값을 0.1로 한 비교예 9에서는, 블로우홀의 수는 10개 미만이었지만, 용접에 의해서 얻어지는 비드에 늘어짐이 생겨, 비드 형상이 불량(×)이 되었다. 한편, Mg 환산값을 0.9로 한 비교예(10)에서는, 용접에 의해서 얻어지는 비드 형상은 양호(○)이지만, 블로우홀의 수가 10개를 초과하였다.
이상에 의해, 와이어 전체 질량에 대해, 금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값이 1.5~3.5질량%이고, 금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값이 0.6~2.0질량%이고, 금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값이 0.2~1.0질량%이고, 금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값이 0.6~1.0질량%이고, 금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값이 0.2~0.8질량%이며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 플럭스 코어드 와이어(100)를 이용하면 좋다는 것을 알 수 있다.
도 10a 내지 도 10e는 실시예 및 비교예에 대해 얻어진 비드의 파면을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 10a는 상기 실시예 1에 대해 얻어진 비드의 파면을, 도 10b는 상기 실시예 7에 대해 얻어진 비드의 파면을, 도 10c는 상기 실시예 9에 대해 얻어진 비드의 파면을, 도 10d는 상기 비교예 4에 대해 얻어진 비드의 파면을, 도 10e는 상기 비교예 6에 대해 얻어진 비드의 파면을, 각각 나타내고 있다.
이상과 같이, 블로우홀의 거대화 혹은 피트의 발생을 억제하기 위해서는, 플럭스 코어드 와이어(100)에 의해서 발생하는 슬래그의 점도를 낮게 억제하는 것이 중요하며, 플럭스 코어드 와이어(100)의 조성을 상술한 범위로 하면, 양호한 비드 형상을 유지하면서, 기공 결함을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 실드 가스로서 탄산 가스를 이용하는 탄산 가스 실드 아크 용접법을 예로 들어 설명을 실행했지만, 사용 가능한 실드 가스는 탄산 가스에만 한정되지 않는다. 예를 들면, 탄산 가스를 주성분(50% 이상)으로 하고, 추가로 불활성 가스(예를 들면 아르곤 가스)를 첨가한 혼합 가스를 실드 가스로서 이용한 경우에 있어서도, 마찬가지의 결과가 얻어진다.
또한, 본 실시형태에서는, 프라이머 도포 강판으로 이루어지는 제 1 강판(201)과 프라이머 도포 강판으로 이루어지는 제 2 강판(202)을 이용하여 워크(200)(용접물)를 제조하는 경우를 예로 들어 설명을 행했지만, 적어도 제 2 강판(202)이 프라이머 도포 강판이면, 제 1 강판(201)에 대해서는 프라이머 도포 강판이 아니어도 상관없다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 이용하여 T 이음을 구성하는 경우를 예로 들어 설명을 행했지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 이들을 이용하여 중첩 이음을 구성하거나 모서리 이음을 구성하는 경우에도 유용하다.
1 : 용접 장치 10 : 용접 토치
11 : 토치 본체 12 : 노즐
13 : 팁 기부 13a : 가스 공급구
14 : 콘택트 팁 15 : 지지부
17 : 코일 18 : 코일 보지부
20 : 용접 전원 30 : 와이어 송급 장치
40 : 실드 가스 공급 장치 50 : 자계 인가 전원
70 : 제어부 71 : 설정 수신부
72 : 용접 전류 설정부 73 : 코일 전류 설정부
74 : 송급 속도 설정부 100 : 플럭스 코어드 와이어
200 : 워크 201 : 제 1 강판
202 : 제 2 강판 301 : 제 1 용접부
302 : 제 2 용접부 400 : 용융지
I : 용접 전류 B : 자속 밀도
f : 주파수

Claims (8)

  1. 프라이머 도포 강판으로 구성된 하판과, 강판으로 구성되고 또한 상기 하판 상에 세워서 설치된 입판의 모서리부를 용접하여 이루어지는 용접물의 제조 방법에 있어서,
    강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어와, 탄산 가스를 50% 이상 함유하는 실드 가스를 이용하여, 상기 플럭스 코어드 와이어로부터 상기 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서 상기 모서리부에 용접 전류를 공급함으로써 상기 모서리부에 용융지를 형성하고,
    상기 용융지에 대해 교번 자계를 인가하고,
    상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가,
    20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000
    의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    용접물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 하는 것을 특징으로 하는
    용접물의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량에 대하여,
    금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 1.5~3.5질량%,
    금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6~2.0질량%,
    금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2~1.0질량%,
    금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6~1.0질량%,
    금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2~0.8질량%
    인 것을 특징으로 하는
    용접물의 제조 방법.
  4. 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어와, 탄산 가스를 50% 이상 함유하는 실드 가스를 이용하여, 프라이머 강판끼리 혹은 프라이머 강판과 다른 강판의 모서리부를 용접하는 용접 방법에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어로부터 상기 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서 상기 모서리부에 용접 전류를 공급함으로써 상기 모서리부에 용융지를 형성하고,
    상기 용융지에 대해 교번 자계를 인가하고,
    상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가,
    20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000
    의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 하는 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량에 대하여,
    금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 1.5~3.5질량%,
    금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6~2.0질량%,
    금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2~1.0질량%,
    금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6~1.0질량%,
    금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2~0.8질량%
    인 것을 특징으로 하는
    용접 방법.
  7. 강제의 외피의 내측에 플럭스를 충전하여 이루어지는 플럭스 코어드 와이어의 주위에, 탄산 가스를 50% 이상 함유하는 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급 수단과,
    상기 플럭스 코어드 와이어와 상기 실드 가스를 이용하여, 상기 플럭스 코어드 와이어로부터 상기 실드 가스에 의한 아크를 거쳐서, 프라이머 도포 강판을 포함하는 복수의 모재에 의해서 형성되는 모서리부에 용접 전류를 공급하는 용접 전류 공급 수단과,
    상기 용접 전류의 공급에 따라서 상기 모서리부에 형성된 용융지에 교번 자계를 인가하는 교번 자계 인가 수단과,
    상기 용접 전류(A)와 상기 교번 자계의 자속 밀도(mT)가,
    20000≤용접 전류×자속 밀도≤30000
    의 관계를 만족하도록, 상기 용접 전류 공급 수단 및 상기 교번 자계 인가 수단을 제어하는 제어 수단을 포함하는
    용접 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 교번 자계 인가 수단은 상기 교번 자계의 기본 주파수를 2Hz~5Hz로 설정하는 것을 특징으로 하는
    용접 장치.
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