KR101713225B1 - 스패터 부착 방지형 용접팁의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CO₂ 용접기의 선단에 결합되는 용접토치를 구성하는 용접팁에 있어서의 스패터 부착에 의한 용접불량 문제를 개선한 개량된 용접팁과 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 용접팁의 외부 표면에 스패터의 부착 방지와 이형을 위한 스패터 부착 방지 코팅층이 형성된 것으로, 상기 코팅층은 PTFE계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스패터 부착 방지형 용접팁이 제공된다.

Description

스패터 부착 방지형 용접팁의 제조방법{Manufacturing method of gas welding torch's welding tip}

본 발명은 CO₂ 용접 토치용 용접팁과 그 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 CO₂ 용접기의 선단에 결합되는 용접토치를 구성하는 용접팁에 있어서의 스패터 부착에 의한 용접불량 문제를 개선한 개량된 용접팁과 그 제조방법에 관한 것이다.

용접은 서로 구분되는 금속재료에 열이나 압력, 또는 열과 압력을 동시에 가하여 서로 접합하는 것을 의미하며, 크게 융접(Fusion welding)과 압접(Pressure welding)으로 구분되는데, 일반적으로 좁은 뜻의 용접은 열로써 용접하는 상기 융접을 의미하는 것으로 여겨진다.

상기 용접은 소모성 용접 와이어를 일정한 속도로 용융지(molten weld pool)로 공급하면서 소정의 전류를 인가하여 용접 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 수행하게 된다.

상기 용접은 이산화탄소, 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 등의 용접용 보호 가스 속에서 용접이 이루어지기도 하는데, 이와 같이 보호가스 속에서 용접이 이루어지면, 용융금속이 대기와 접촉하지 않아 산화나 질화를 방지할 수 있어, 철은 물론이고 알루미늄이나, 동, 스테인레스강, 특수강을 용접하는데 널리 사용되고 있다.

상기 용접에 사용하는 토치는, 일반적으로 작업자가 손으로 직접 파지하는 토치바디, 가스디퓨저, 용접팁과 용접노즐을 포함하여 구성되는데, 장시간 용접을 수행하게 되면 용접팁의 내/외주면과 용접노즐의 내주면에는 용접중에 발생하는 다량의 스패터(spatter)가 부착된다.

스패터는 용접 중에 비산하는 슬래그나 금속 알갱이를 의미하는 것으로서, 주변의 용접팁과 용접노즐로 비산하여 달라붙으면서 이들을 녹이거나 마모시켜 사용 수명을 크게 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 용접 작업을 어렵게 하고, 또한 용접부를 더럽게 하며, 용착 금속의 무게를 줄이기도 한다.

또한, 용접팁과 용접노즐에 다량의 스패터가 부착되면 용접불량이 발생하므로, 새것으로 교체하거나 도구를 사용하여 스패터를 긁어내거나, 압축공기로 불어 청소하는 등의 방법으로 제거하여야 하므로, 교체비용이 증가할 뿐만 아니라, 용접 불량율이 높고 용접 작업 능률도 함께 저하하는 등의 여러 문제점이 있었다.

또한, 상기 용접 토치의 용접팁은 또한 고온에서 용접모재와 접촉하면서 사용하므로 마모 등에 의한 소모성이 강한 부품이었다. 대략적인 수명은, 작업조건에 따라 다소 차이는 있겠지만, 고온에 의해 용융되는 동으로 제작된 용접팁은 약 8시간 작업을 기준으로 할 때 자동용접은 약 10개, 수동용접은 약 5개 정도의 용접팁이 소모되는 것으로 알려져 있다.

따라서, 상기 용접팁을 구입하기 위한 비용과 작업도중 수시로 용접팁을 교체하기 위한 시간이 소요됨에 따라 비경제적이고, 또 비효율적이었다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2012-0049610호 공보에는 용접팁의 선단부에 우수한 내열성의 세라믹 용접팁을 소정 형상으로 성형하여 체결한 세라믹이 적용된 용접팁을 개시하고 있으나, 세라믹 원료인 석재를 성형한 것이어서 약한 충격에도 쉽게 파손될 뿐만 아니라, 표면을 포함한 전체에 미세 기공이 많아 여전히 스패터가 많이 달라붙는 문제가 있었다.

이러한 문제를 개선하기 위한 방안으로, 대한민국 등록특허 제10-1400221호 공보에는 세라믹 바인더와 그라파이터 파우더를 포함하는 세라믹 코팅액을 이용하여 가스용접 토치를 세라믹 코팅하는 방법이 제안되어 있다.

그러나, 이와 같이 세라믹 코팅을 할 경우, 작업시의 충격으로 인해 세라믹 코팅막이 파손되는 단점이 있다. 또한, 실제로 스패터의 부착의 현저한 개선이 이루어지지 않을 뿐만 아니라, 부착된 스패터의 제거가 용이하지도 않고, 스패터의 제거시에 세라믹 코팅막의 손상이나 용접팁 등의 손상이 이루어지는 문제점이 있다.

한편, 한국 공개특허 제10-2014-0061324호 공보에는, 용접팁을 구성하는 금속재질보다 용융점이 더 높은 금속재질의 비용착코팅물을 형성하여, 용접열에 의하여 홀딩부가 가열되는 것을 줄여주어 용접팁의 확장으로 인한 중공확장을 방지하고, 용접팁의 표면 경도를 향상시켜 용접팁으로 튀는 스패터가 용접팁의 표면에 용착되는 것을 방지하는 효과를 얻음으로써, 용접팁에 대한 스패터의 용착으로 인하여 유발되는 전류 세기 또는 전압 변화에 따른 용접 품질저하 문제를 해결하는 방법에 관한 발명이 기재되어 있다.

그러나, 상기 방법에 의하더라도 스패터의 용착을 방지할 수는 없으며, 용착된 스패터는 금속재질의 코팅층에 부착되어 잘 떨어지지 않기 때문에, 스패터를 제거하는 것이 어려우며 제거된다고 하더라도 스패터를 제거하는 데에 많은 시간과 노력이 필요하다.

본 발명은 이산화탄소 가스를 이용한 CO₂ 용접 토치용 용접팁에 관한 종래기술에 있어서의 상술한 문제점들을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 특히 스패터의 부착이 방지되고 일단 부착되더라도 용이하게 제거가 가능하여, 스패터의 부착에 의한 용접팁의 잦은 교체와 스패터 제거에 필요한 시간을 줄여 주어 작업의 효율을 향상시킬 수 있는 CO₂ 용접 토치용 용접팁과 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스패터 부착 방지형 용접팁은,

용접팁의 표면에 스패터의 부착 방지와 이형을 위한 코팅층이 형성된 것으로,

상기 코팅층은 PTFE계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본 발명에 따른 스패터 부착 방지형 용접팁의 제조방법은,

코팅층을 형성할 용접팁에 PTFE계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하는 코팅액을 분사하는 단계;

상기 코팅액이 분사된 용접팁을 가열하여 코팅액을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계; 및

상기 코팅층이 형성된 용접팁의 내경을 절삭하여 내경에 형성된 코팅층을 제거하는 홀가공 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 따른 본 발명에 따른 CO₂ 용접 토치용 용접팁을 사용할 경우, 용접중에 용접팁에 스패터의 부착이 줄어들 뿐만 아니라, 부착된 스패터도 용접팁을 별도로 분리하여 기구를 사용하여 부착된 스패터를 긁어 내거나 하지 않더라도 용접팁으로부터 쉽게 이탈되므로 제거가 용이하다.

이와 같이 본 발명의 스패터 부착 방지형 용접팁은, 용접 중 스패터의 부착이 감소하고 부착된 스패터도 용이하게 제거가 가능하기 때문에, 스패터 부착에 의한 용접불량이 감소할 뿐만 아니라, 스패터의 제거나 용접팁의 교체 주기와 교체에 필요한 시간이 줄어들어 작업효율이 향상되고 비용의 절감이 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 스패터 부착 방지용 용접팁을 저렴한 비용으로 효율적으로 제조할 수 있다.

도 1은 통상의 CO₂ 용접 토치의 전체 구성을 보여주는 전체 구성도;
도 2는 통상의 CO₂ 용접 토치의 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 용접팁의 사시도;
도 4는 본 발명에 따른 용접팁의 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 용접노즐의 사시도;
도 6은 본 발명에 따른 용접노즐의 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.

도 1은 통상의 CO₂ 용접 토치의 전체 구성을 보여주는 전체 구성도이고, 도 2는 통상의 CO₂ 용접 토치의 단면도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 스패터 부착 방지형 용접팁(1)이 사용되는 CO₂ 용접 토치(100)는, 토치바디(2)의 선단부에 가스디퓨저(4)가 설치되고, 가스디퓨저(4)의 선단부에는 용접팁(1)이 설치되며, 상기 가스디퓨저(4)와 용접팁(1)을 둘러싸서 보호하는 용접노즐(3)이 토치바디(2)의 선단부에 체결되어 이루어진다.

여기서, 본 발명에 따른 용접팁(1)은, 도 3 내지 도 4에서 보는 것과 같이 내부에는 길이방향으로 용접 와이어의 송급공(6)이 형성되고, 후단부에는 상기 가스디퓨저(4)와 체결되는 나사 체결부(1a)가 형성되어, 나사 체결에 의해 상기 가스디퓨저(4)와 결합 또는 분리하여 쉽게 교환이 가능하도록 구성된다. 또한, 용접팁(1)의 외부 표면에는 스패터의 부착 방지와 이형을 위한 코팅층(1A)이 형성되어 있다.

한편, 상기 용접팁(1)과 용접노즐(3) 사이에 형성되는 공간으로 CO₂ 등의 가스가 방출되어 용접부분과 대기가 격리된 상태에서, 용접팁(1)의 내부에 형성된 용접 와이어의 송급공(6)을 통해 용접 와이어(5)가 이송되면서 전류에 의해 고열의 아크를 발생시켜 용접하게 된다.

도면부호 7은 인슐레이터이며, 용접노즐(3)의 후단부 내경에는 나사 체결부(3a)가 형성되어, 인슐레이터(7)와 체결에 의해 연결되어 있다.

상기 용접팁(1)과 용접노즐(3)은 아크 발생을 위한 전류가 통전될 수 있도록 도전성이 우수한 금속인 구리 또는 구리의 합금으로 이루어지는데, 600~700℃에 이르는 높은 용접열에 견디도록 하기 위하여 주로 내열성이 우수하고 통전성이 높은 인청동으로 이루어져 왔다.

그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 용접팁(1)은 황동재질로 형성된다.

황동 특히 구리 60%, 아연이 40%인 6-4 황동(이하, 본 명세서에서 황동은 "6-4 황동"을 의미함)은, 인청동에 비해 가격이 저렴한 한편, 강도와 경도가 높아, 용접팁을 황동으로 형성하고, 후술하는 것과 같이 본 발명에 따른 스패터 부착 방지 코팅층(1A)을 형성하면 4시간 이상 연속하여 사용할 수 있어, 경제성이 매우 높다.

상기 황동은 순수한 구리나 인청동에 비해서 전기전도성은 낮은 편이지만, 외부에 본 발명에 따른 절연성의 스패터 부착 방지 코팅층(1A)을 형성하면 용접 와이어의 송급공(6) 내부에서의 통전성은 향상되므로, 아크 발생에는 문제가 없다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 용접노즐(3)은 종래의 동 재질이 아니라 알루미늄 재질로 형성된다. 알루미늄은 매우 경량이므로 무거운 CO₂용접 토치(100)를 들고 작업해야 하는 용접공의 부담을 들어줄 수 있어 바람직하다. 다만, 알루미늄은 용융점이 600℃대로 내열성이 동에 비해 매우 낮기 때문에 용접열에 의해 표면이 용융되어 스패터의 부착에 의한 오염이 문제가 될 수 있다.

이를 해소하기 위해, 본 발명에서는 압출 인발한 파이프를 절삭가공하여 알루미늄 재질로 용접노즐을 형성한 이후에 아노다이징 처리하여 표면에 산화 피막을 형성하고, 도 5에 나타낸 것과 같이 상기 용접팁(1)에서와 마찬가지로 표면에 절연성의 스패터 부착 방지 코팅층(3A)을 형성하여, 표면의 용융과 스패터의 부착을 방지하도록 구성한다.

다만, 용접노즐(3)은 용접팁(1)에서와 달리 내경면을 포함한 표면 전체에 걸쳐 스패터 부착 방지 코팅층(3A)을 형성하는 것을 원칙으로 한다.

이하, 스패터 부착 방지 코팅층과 이를 형성하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 상기 용접팁(1)에 형성된 스패터 부착 방지 코팅층(1A)의 형성에 대해 설명한다.

상기 스패터 부착 방지 코팅층(1A)은 용접팁(1)의 외부 표면에 형성되며, 용접 와이어의 송급공(6) 내부에는 형성되지 않도록 하여 용접 와이어(5)와의 통전성을 유지하게 한다.

상기 스패터 부착 방지 코팅층(1A)은, PTFE(polytetrafluoroethylene)계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하여 구성되며, 코팅재의 부착력을 향상하기 위한 표면 전처리 단계와, 코팅액의 분사단계 및 코팅액의 경화단계 및 홀가공 단계를 포함하는 일련의 공정을 통해 형성된다.

각 단계별로 상술하면, 표면 전처리 단계에서는, 코팅처리할 용접팁을 고온에서 소각처리하는 소둔처리와 연마사를 이용하여 샌딩하는 공정을 포함하여, 용접팁의 표면에 묻은 이물질을 제거하고 표면적을 넓혀 부착력을 향상시킨다.

먼저, 본 발명에서는 소둔처리를 통해 유기성 이물질을 제거한다. 상기 소둔처리에서는 용접팁을 형성하기 위한 금속가공 과정 등에서 표면에 묻은 가공유 등의 유기성 이물질을 400℃ 이상의 건조로에 넣어 고온에서 소각하여 제거한다.

상기 소둔처리 이전에 세척을 할 수도 있지만, 세척공정을 생략하여도 후속의 공정에서 우수한 코팅층을 형성하는 데에 문제가 없기 때문에 시간과 비용의 측면에서 세척공정은 생략하는 것이 바람직하다.

상기 소둔처리를 완료한 이후에는, 연마사를 사용하여, 용접팁의 표면에 미세 흠집을 만들어 표면적을 넓히는 샌딩공정을 실시한다. 이때, 상기 소둔처리시에 탄화된 채 붙어있는 표면의 이물질도 동시에 제거되는 효과가 있다.

상기 샌딩은, 예컨대 Al₂O₃, SiC를 주원료로 한 입도 Mesh#100의 연마사를 사용하여 5~6㎏f의 압력으로 투사하는 방법으로 이루어진다.

상기 표면 전처리가 완료된 용접팁은 PTFE계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하는 코팅액을 분사하여 코팅한다.

상기 PTFE 수지는 거의 모든 화학약품에 대해 내화학성이 있으며, 매끄러운 표면을 갖게 하는 고분자 수지로 내열성이 우수해서, 넓은 온도범위(－270~250℃)에서 물리적 성질을 유지한다.

상기 칼슘카보네이트(calcium carbonate)는 이형성을 향상시키기 위해 첨가하며, 이황화몰리브덴(MoS₂ molibdenum disulfide)는 윤활성을 향상시키기 위해, 그리고 이황화텅스텐(WS₂ tunsten disulfide)는 윤활성과 이형성을 향상시키기 위해 첨가된다.

이들 무기 첨가물은 분말상의 나노입자 형태의 것을 사용하되, 상기 PTFE 수지의 5~20중량% 범위에서 첨가하며, 첨가후 약 1시간 정도 교반하여 충분히 분산시켜 사용한다.

이들 PTFE계 불소수지와 무기 첨가물들이 비록 높은 내열성을 가지기는 하지만, 이들은 황동 등의 금속재질로 이루어진 용접팁의 표면의 내열성을 향상시킴으로써 스패터의 부착을 방지하는 것이 아니라, 용접팁 표면의 윤활성과 이형성을 향상시켜 스패터의 부착을 방지한다. 즉, 용접과정에서는 스패터의 부착 자체가 줄어들고, 일부 부착된 스패터도 표면에 눌러 붙지 않고 단순 부착되어 있다가 가볍게 문지르기만 하더라도 쉽게 떨어지기 때문에, 용접팁을 분리하여 도구를 사용하여 긁어내지 않더라도 스패터를 쉽게 제거할 수 있게 한다.

한편, 상기 코팅액을 분사하여 코팅하는 과정을 설명하면, 먼저 용접팁을 고정 지그에 고정한다. 상기 고정 지그는 용접팁(1)의 나사 체결부(1a)가 삽입되는 고정공이 형성된 판상으로 이루어져 있다. 용접팁(1)의 나사 체결부(1a)에는 코팅층(1A)을 형성하지 않는 것이 바람직하기 때문에, 나사 체결부(1a)는 고정 지그의 고정공에 삽입되어 차폐가 이루어져 코팅액의 분사시에 코팅액이 부착되지 않게 한다.

고정 지그에 고정된 채로 공급된 용접팁은 먼저 30~40℃로 예열이 이루어진다. 이 예열과정을 통해 분사된 코팅액의 유동성과 부착성이 향상되어 균일한 코팅층의 형성이 가능하게 된다.

예열이 완료된 이후에는 스프레이건을 통해 코팅액을 비스듬한 측방향에서 4방으로 분사하여, 용접팁의 외표면에 코팅액이 골고루 부착되도록 한다.

코팅액의 분사가 완료되면, 상기 코팅된 용접팁을 가열하여 코팅액을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계를 거치게 된다.

코팅액의 경화는 380~400℃로 예열된 박스형 건조로 내에 투입하여 이루어지며, 가열시간은 약 5~15분간 실시하고 냉각한다.

코팅층이 형성된 용접팁은 홀가공 단계를 거친다.

즉, 다축드릴로 용접팁의 내경을 절삭하여 코팅과정에서 의도치 않게 내경 일부에 형성된 코팅층을 제거하여, 용접 와이어 송급공(6)의 도전성을 회복하여 용접 와이어에의 원활한 통전이 이루어지도록 한다.

한편, 용접노즐(3)의 표면에 형성된 스패터 부착 방지형 코팅층(3A)은 용접노즐의 내경면을 포함하여 표면 전체에 형성된다는 점을 제외하면 상기 용접팁(1)에 형성된 스패터 부착 방지형 코팅층(1A)과 별 차이가 없다.

즉, 동일한 코팅액을 사용하며, 동일한 표면 전처리 단계와 코팅액 분사, 경화 및 냉각단계를 거친다.

다만, 코팅액 분사 단계에 있어서, 용접노즐 전체에 걸쳐 골고루 코팅액이 부착되도록 스핀들 지그를 사용하는 것이 바람직하다. 이때에도, 코팅층(3A)은 나사 체결부(3a)에는 형성될 필요가 없으므로, 이 부분을 이용하여 지그에 고정한다. 스핀들 지그에 장착된 이후에는, 100~150RPM으로 피도물인 용접노즐(3)을 회전시키면서 이동시켜 스프레이건 측으로 이송하며, 코팅액을 분사할 위치에서 5~10초간 이동을 중지하고 스프레이건을 이용하여 자동으로 코팅액을 분사한 후, 건조 및 열처리하게 된다.

스프레이건은 노즐경 Φ1.0의 자동 스프레이건을 2~3개 사용하고, 분사압은 0.2~0.3Mpa로 한다.

한편, 용접팁(1)에서와는 달리 홀가공 단계는 필요하지 않다.

1: 용접팁 1A: 코팅층
2: 토치바디
3: 용접노즐 3A: 코팅층
4: 가스디퓨저
5: 용접 와이어
6: 용접 와이어 송급공
100: CO₂ 용접 토치

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 금속가공을 통해 형성된 용접팁을 고온에서 소각처리하는 소둔처리와 연마사를 이용하여 샌딩하는 공정을 포함하는 표면 전처리단계와;
   코팅할 용접팁을 30~40℃로 예열하는 단계;
   코팅층을 형성할 용접팁에 PTFE계의 불소수지 바인더와, 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하는 코팅액을 분사하는 단계; 및
   상기 코팅액이 분사된 용접팁을 가열하여 코팅액을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
   상기 코팅층이 형성된 용접팁의 내경을 절삭하여 내경에 형성된 코팅층을 제거하는 홀가공 단계를 포함하여 구성되고,
   상기 칼슘카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐은 상기 PTFE계의 불소수지 바인더의 5~20중량% 범위에서 첨가되는 것을 특징으로 하는 패터 부착 방지형 용접팁의 제조방법.
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