KR101729428B1 - 협개선 가스 실드 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

저부 개선 각도를 10°이하, 저부 개선 갭을 7㎜이상 15㎜이하로 하고, 판 두께가 22㎜이상인 두꺼운 강재를, 협개선의 다층 용접에 의해 접합하는 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 초층 용접을 2패스 이상으로 해서 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분하고, 또한 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를 수선에 대해 5°이상 15°이하의 범위로 제어하는 것에 의해, 상기 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 한다.

Description

협개선 가스 실드 아크 용접 방법{METHOD FOR NARROW-GROOVE GAS-SHIELDED ARC WELDING}

본 발명은 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것으로서, 특히 두꺼운 강재의 협개선 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 「협개선」은 개선 각도가 20°이하이고, 또한 피용접재로 되는 강재간의 최소 개선(開先) 폭이 해당 강재의 판 두께의 50%이하인 것을 의미한다.

강의 용접 시공에 이용되는 가스 실드 아크 용접은 CO₂ 단독의 가스, 혹은 Ar과 CO₂의 혼합 가스를 용융부의 실드에 이용하는 소모 전극식이 일반적이며, 자동차, 건축, 교량 및 전기기기 등의 제조 분야에 있어서 폭넓게 이용되고 있다.

그런데, 근래, 강 구조물의 대형화·후육화에 수반하여, 제작 과정에서의 용접, 특히 강재의 맞댐 용접에 있어서의 용착량이 증대하고, 더 나아가서는 용접 시공에 많은 시간이 필요하게 되며, 시공 코스트의 증대를 초래하고 있다.

이를 개선하는 방법으로서, 판 두께에 대해 작은 간극의 개선을 아크 용접법에 의해 다층 용접하는 협개선 가스 실드 아크 용접의 적용이 고려된다. 이 협개선 가스 실드 아크 용접은 통상의 가스 실드 아크 용접에 비해 용착량이 적어지므로, 용접의 고능률화·에너지 절약을 달성할 수 있으며, 더 나아가서는 시공 코스트의 저감을 초래하는 것으로 기대된다.

이러한 협개선 가스 실드 아크 용접에 관한 기술로서, 특허문헌 1에는 용접용 실드 가스 분출구의 구멍을 비스듬히 긴 원형(타원형)으로 하여, 실드 가스의 확산성을 좋게 하고, 또한 토치의 컨택트 칩의 구멍을 긴 원형으로 하여, 용접 와이어의 위빙 방향이 항상 일정한 방향으로 되도록 설정한 협개선 MIG 용접용 토치 및 이것을 이용한 용접 방법이 개시되어 있다.

이 용접 방법에서는 불활성 가스를 이용한 1층당 1패스의 적층 용접을 실행하고 있다. 그러나, 이러한 1층당 1패스의 용접에서는 열이 개선의 중앙부에 집중하므로, 강재의 개선면은 용융이 부족하여 용융 깊이가 작아진다. 이것을 보충하기 위해, 용접 와이어의 위빙 방향을 항상 일정한 방향으로 하는 것에 의해, 개선면에 있어서의 용융 깊이를 확보하고, 용입 불량 등에 의한 용접 결함을 적게 하고 있다.

또, 특허문헌 2에는 용접 토치 선단의 칩 선단부의 1측면을 돌출시키고, 그 돌출부분을 관통구멍을 따라 오목하게 되도록 만곡시킨 서브머지 용접용 칩이 개시되어 있다.

이 서브머지 용접용 칩은 용접 와이어의 감기(curl) 습관을 이용하고, 칩으로부터 용접 와이어를 굴곡한 상태에서 송급하는 것에 의해, 개선면에 가까운 위치에서 아크를 발생시키고, 개선면에 있어서의 용융 깊이를 확보하여, 용입 불량 등에 의한 용접 결함을 적게 하고 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개공보 평성7-116852호 특허문헌 2 : 일본국 특허공개공보 소화50-67758호

그러나, 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서는 강재의 개선면의 용융은 반드시 충분하다고는 할 수 없다. 그 때문에, 특허문헌 1 및 2의 기술에 있어서, 용입 불량 등에 의한 용접 결함을 유효하게 억제하기 위해서는 강재의 개선 가공으로서 극히 고정밀도이고 또한 청정한 기계 가공을 실시하는 것이 필요하게 된다.

한편, 고부가 가치의 강 구조물을 제외한 건축, 교량 및 조선 등의 일반 구조물에서는 코스트 등의 면에서, 가스 절단이나 플라즈마 절단 등에 의한 개선 가공을 실행하고, 그것을 그대로 용접에 제공하는 것이 통상이다. 가스 절단이나 플라즈마 절단 등에 의한 개선 가공은 저비용이며 시공도 용이하다. 그러나, 가스 절단이나 플라즈마 절단 등에 의한 개선 가공은 개선면의 표면이 거칠어지는 즉. 표면의 요철이 커지는 경향에 있으며, 기계 가공과 같은 고정밀도의 가공을 실행하는 것은 곤란하다.

이 때문에, 건축, 교량 및 조선 등의 일반 구조물에 대해서는 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술을 적용하는 것이 곤란하였다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로써, 가스 절단이나 플라즈마 절단 등에 의한 저비용의 개선 가공을 사용하는 경우에도, 개선면의 처리 등을 실행하는 일 없이, 고온 깨짐이나 융합 불량 등에 의한 결함을 유효하게 방지할 수 있는 두꺼운 강재의 협개선 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기의 과제를 해결하기 위해, 두꺼운 강재의 협개선 가스 실드 아크 용접 방법, 특히, 판 두께가 22㎜이상인 두꺼운 강재에 대해, 개선 폭이 좁은 협개선 가스 실드 아크 용접 방법을 이용한 경우에 있어서의 용입 형상을 포함하는 비드 형상과 용접 결함 방지의 관련성에 대해 연구를 거듭하였다.

그 결과, 상기한 바와 같은 두꺼운 강재의 협개선 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서는 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 개선면으로부터의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 하는 것에 의해, 가스 절단이나 플라즈마 절단 등에 의한 개선 가공을 실시한 두꺼운 강재를 사용하여 고능률의 협개선 가스 실드 아크 용접을 실행하는 경우에도, 고온 깨짐이나 융합 불량 등에 의한 결함을 유효하게 방지할 수 있는 것을 발견하였다.

그리고, 더욱 연구를 진행한 결과, 이 협개선 가스 실드 아크 용접에 있어서의 개선 조건에 대해서는

(a) 저부 개선 각도：10°이하

(b) 저부 개선 갭：7㎜이상 15㎜이하

로 하는 것,

이에 부가해서 용접 조건, 특히 초층(初層)의 용접 조건에 대해서는

(c) 2패스 이상으로 해서 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분하고,

(d) 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를 수선에 대해 5°이상 15°이하로 하는 것이, 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이：1.5㎜이상을 안정하게 달성함에 있어서 극히 중요하다는 지견을 얻었다.

본 발명은 상기의 지견에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1．저부 개선 각도를 10°이하, 저부 개선 갭을 7㎜이상 15㎜이하로 하고, 판 두께가 22㎜이상인 두꺼운 강재를 협개선의 다층 용접에 의해 접합하는 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 초층 용접을 2패스 이상으로 해서 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분하고, 또한 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를 급전 칩 선단의 기울기에 의해서, 수선에 대해 5°이상 15°이하의 범위로 제어하는 것에 의해, 상기 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

2．상기 초층 용접에 있어서, 저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 상기 두꺼운 강재의 개선면의 거리를 0.5㎜이상 2.0㎜이하로 하는 상기 1에 기재된 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

３．상기 초층 용접에 있어서, 급전 칩에 송급하는 용접 와이어로서, 곡률 반경이 150㎜이상 300㎜이하로 되는 범위에서 만곡시킨 와이어를 이용하는 상기 1 또는 2에 기재된 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

４．상기 초층 용접에 있어서, 용접물 높이를 상기 저부 개선 갭의 0.4배 이상 1.0배 이하로 하는 상기 1 내지 3 중의 어느 하나에 기재된 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

５．상기 협개선 가스 실드 아크 용접에 있어서의 실드 가스로서 60체적%이상의 CO₂ 가스를 함유한 혼합 가스를 이용하는 상기 1 내지 4 중의 어느 하나에 기재된 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

본 발명에 따르면, 개선 가공으로서 가스 절단이나 플라즈마 절단 등의 저비용의 개선 가공을 실시한 경우에도, 고온 깨짐이나 융합 불량 등에 의한 결함의 발생이 없고, 또한 용착량도 적은 고능률의 협개선 가스 실드 아크 용접을 실시할 수 있다.

그리고, 이와 같이 해서 얻어진 협개선 가스 실드 아크 용접 이음매는 종래의 용접 이음매에 비해 제조 코스트가 대폭 저감하므로, 특히, 건축, 교량 및 조선 등의 일반 구조물에 적용해서 극히 유용하다.

도 1은 본 발명의 용접 방법에 있어서의 각종 개선 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 V형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 용접을 시공할 때의 시공 요령을 나타내는 도면이다.
도 3은 V형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 용접 방법에 의해 초층 용접을 실시한 후의 개선을 나타내는 도면이다.
도 4는 개선면의 최대 오목부 깊이를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 발명예(No. 7)에 있어서, 본 발명의 용접 방법에 의해 초층 용접을 실시한 후의 개선 단면 사진을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1의 (a)∼(c)는 본 발명의 용접 방법에서 대상으로 하는 각종 개선 형상을 나타내는 것이다. 도면 중, '1'이 두꺼운 강재, '2'가 두꺼운 강재의 개선면, '3'이 저부 개선이며, θ로 저부 개선 각도를, G로 저부 개선 갭을, h로 저부 개선 높이를, t로 판 두께를 나타낸다.

동일 도면에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 용접 방법에 있어서의 개선 형상은 V형 개선(I형 개선 포함) 및 Y형 개선의 어느 것으로 하는 것도 가능하며, 또, 도 1의 (c)에 나타내는 바와 같이 다수단의 Y형 개선으로 하는 것도 가능하다.

여기서, 저부 개선은 강재 하단부의 개선으로 정의한다. 또, 강재 하단부의 개선은 강재의 저면에서 판 두께의 20∼40%정도까지의 영역을 의미한다.

저부 개선을 상기와 같이 정의한 것에 관련해서, 저부 개선 각도를 θ로, 저부 개선 갭을 G로, 저부 개선 높이를 h로 나타내는 것으로 한 것이다. 또한, V형 개선의 경우에는 저부 개선 높이 h를 판 두께 t의 20%로 해서 정의한다.

또, 도 2는 V형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 용접을 시공할 때의 시공 요령을 나타내는 것이다. 도면 중, '4', '5'가 각각 용접 토치의 급전 칩 및 용접 와이어, '6'이 받침재이며, φ로 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를, d로 저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 두꺼운 강재의 개선면의 거리를 나타낸다.

여기서는 V형의 개선 형상을 예로 들어 나타냈지만, 다른 개선 형상이라도 φ 및 d는 마찬가지이다.

또한, 도 3은 V형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 용접 방법에 의해 초층 용접을 실시한 후의 개선을 나타내는 것이다. 도면 중, '7'이 용접 비드이며, P로 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를, H로 용접물 높이(용접 비드 높이의 평균)를 나타낸다.

여기서는 V형의 개선 형상을 예로 들어 나타냈지만, 다른 개선 형상이라도 P 및 H는 마찬가지이다.

다음에, 본 발명의 용접 방법에 있어서, 저부 개선 각도, 저부 개선 갭 및 강재의 판 두께를 상기의 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다.

저부 개선 각도θ：10°이하

강재의 개선부는 작을수록 더욱 빨리 고능률의 용접을 가능하게 하는 반면, 융합 불량 등의 결함이 생기기 쉽다. 또, 저부 개선 각도가 10°를 넘는 경우의 용접은 종래의 시공 방법에서도 실시 가능하다. 이 때문에, 본 발명에서는 종래의 시공 방법에서는 시공이 곤란하고, 또한 한층의 고능률화가 예상되는 저부 개선 각도：10°이하를 대상으로 한다.

또한, V형 개선에 있어서, 저부 개선 각도가 0°인 경우에는 소위 I형 개선으로 불리며, 용착량의 면에서는 이 0°의 경우가 가장 효율적이지만, 용접 열 왜곡에 의해 용접 중에 개선이 폐쇄되어 오기 때문에, 이것을 예상하여 판 두께 t(단, Y형 개선의 경우에는 저부 개선 높이 h)에 따른 저부 개선 각도를 설정하는 것이 바람직하다.

구체적으로는 저부 개선 각도는 (0.5×t/20)∼(2.0×t/20)°의 범위로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 (0.8×t/20)∼(1.2×t/20)°의 범위이다. 예를 들면, 판 두께 t가 100m인 경우, 저부 개선 각도는 2.5∼10°의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4∼6°의 범위이다.

단, 판 두께 t가 100㎜를 넘으면, 바람직한 범위의 상한은 10°를 넘게 되지만, 이 경우의 바람직한 범위의 상한은 10°로 한다.

저부 개선 갭 G：7㎜이상 15㎜이하

강재의 개선부는 작을수록 더욱 빨리 고능률의 용접을 가능하게 하는 반면, 융합 불량 등의 결함이 생기기 쉽다. 또, 저부 개선 갭이 15㎜를 넘는 용접은 종래의 시공 방법에서도 실시 가능하다. 이 때문에, 본 발명에서는 종래의 시공 방법에서는 시공이 곤란하고, 또한 한층의 고능률화가 예상되는 저부 개선 갭：15㎜이하를 대상으로 한다. 한편, 저부 개선 갭이 7㎜미만에서는 후술하는 1층당 2패스 이상의 용접 시공이 곤란하게 된다. 이 때문에, 저부 개선 갭은 7㎜이상 15㎜이하의 범위로 한다. 바람직하게는 8㎜이상 12㎜이하의 범위이다.

판 두께 t：22㎜이상

강재의 판 두께는 22㎜이상으로 한다. 이것은 강재의 판 두께가 22㎜미만이면, 종래의 レ형 개선에 있어서 개선 각도를 크게 하는 한편, 개선 갭을 작게 함으로써, 경우에 따라서는 본 발명에서 대상으로 하는 개선보다 개선 단면적이 작아지기 때문이다.

예를 들면, 판 두께 t가 20㎜의 경우, 본 발명에서 대상으로 하는 저부 개선 각도：0°, 저부 개선 갭：7㎜의 I형 개선에서는 개선 단면적이 140㎟인데 반해, 개선 각도：25°, 개선 갭：2㎜의 レ형 개선에서는 개선 단면적이 133㎟이며, レ형 개선쪽이 용착량이 작은 고능률의 용접으로 된다.

또한, 일반적인 압연 강재를 대상으로 하는 경우, 판 두께는 일반적으로 100㎜가 상한이다. 따라서, 본 발명에서 대상으로 하는 강재의 판 두께의 상한은 100㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명에서 대상으로 하는 강종으로서는 고장력 강이 특히 바람직하다. 이것은 고장력 강은 용접 입열 제한이 엄격하고, 용접 금속에 깨짐이 생기기 쉽다. 이에 대해 본 발명에서는 입열：20kJ/㎝이하에서 효율적으로 초층부터 최종층까지의 용접이 가능하고, 또 각 패스의 용접 형상이 대략 필렛 용접의 90°에 가깝고, 깨지기 어려운 형상으로 되기 때문이다. 또한, 780MPa급 강의 용접도 예열없이 가능하며, 고합금계로 되는 590MPa급 내식강의 용접도 가능하다. 당연히 연강에도 문제없이 대응할 수 있는 것은 물론이다.

이상, 본 발명의 용접 방법에 있어서, 저부 개선 각도, 저부 개선 갭 및 강재의 판 두께를 한정한 이유에 대해 설명했지만, 본 발명에서는 이들을 만족시키는 경우에 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 하는 것이 중요하다.

두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이：1.5㎜이상

본 발명에 있어서의 강재의 개선 가공에서는 가스 절단이나 플라즈마 절단, 레이저 절단 등에 의한 가공을 실행한다. 단, 기계 가공을 거부하는 것은 아니다.한편, 협개선 가스 실드 아크 용접에 있어서의 개선면에 필요한 용융 깊이는 개선면의 표면 성상(특히, 오목부 깊이나 청정도)에 의해서 주로 결정된다.

가장 일반적인 가스 절단에 의한 개선 가공에서는 특수 강이나 스테인리스강 등을 제외하고, 가스 절단시의 가스 유량이나 화구의 선택에 의해, 절단면의 마무리에 큰 차가 생긴다. 예를 들면, 가스 유량이나 화구의 조정이 양호한 경우에 있어서의 개선면 표면의 오목부 깊이는 0.2㎜정도 이하로 되지만, 특수한 경우, 예를 들면, 화구의 마모 등에 의해 화염 유속이 통상보다 떨어진 경우 등에는 1㎜를 넘는 오목부 깊이가 생길 우려가 있다. 그러나, 이러한 오목부가 생겨도, 일반 구조물 등에서는 처리없이 그대로 용접에 제공되게 된다. 따라서, 고온 깨짐이나 융합 불량 등에 의한 결함을 유효하게 방지하기 위해서는 용접 시공시에 개선면, 특히 용접시의 온도가 낮고, 용융 깊이가 작아지는 경향에 있는 두꺼운 강재의 저부를 더욱 깊게 용융할 필요가 있다. 또, 절단면은 가공 열에 의해 생긴 두꺼운 산화막으로 덮여 있기 때문에, 용접 시공시에는 역시 개선면을 더욱 깊게 용융할 필요가 있다.

이상으로부터, 본 발명에서는 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이는 1.5㎜이상으로 한 것이다. 바람직하게는 2.0㎜이상이다. 단, 용융 깊이가 4㎜를 넘으면, 개선면의 용접 비드 상부에 언더 컷이 생기고, 용접 결함의 요인으로 되므로, 용융 깊이는 4㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 하는 것이 중요하다. 그리고, 이것을 달성하기 위해서는 가스 실드 아크 용접에 있어서의 용접 조건, 특히 초층의 용접 조건을 본 발명의 범위로 제어하는 것이 극히 중요하다.

이하, 이 초층의 용접 조건에 대해 상세하게 설명한다.

초층 용접：2패스 이상으로 해서 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분

협개선의 다층 용접에서는 1층당 1패스로 하는 것이 일반적이다. 그러나, 1층당 1패스로 하는 경우, 열이 개선 중앙에 집중하기 때문에, 강재의 개선면의 용융이 부족하고, 융합 불량(콜드 랩(cold wrap)), 개선면에 부착된 스퍼터 및 슬래그 내포에 의한 결함이 생기기 쉽다. 특히, 초층 용접은 강재의 온도가 낮고, 용융 깊이가 작아지기 때문에, 융합 불량에 의한 결함이 생기기 쉽다.

따라서, 초층 용접에서 필요한 용융 깊이 및 용착량을 확보하고, 융합 불량 등에 의한 결함을 억제하기 위해서는 초층 용접을 2패스 이상으로 하고, 또한 양측의 개선면을 용융하기 쉬워지도록, 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분할 필요가 있다.

한편, 초층 용접이 4패스 이상이 되면, 1패스당 입열이 저하하고, 용융량 그 자체가 감소하기 때문에, 초층 용접은 2패스 또는 3패스로 하는 것이 바람직하다. 고입열화에 의한 용융량의 확보와 고능률화를 위해서는 초층 용접은 2패스로 하는 것이 최적이다.

또한, 아크 및 용입 형상의 안정화에는 위빙이나 회전 등의 용접 토치 및 전극(용접 와이어)의 움직임을 억제하는 것이 바람직하다.

용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도：수선에 대해 5°이상 15°이하

아크에는 지향성이 있으며, 전극(용접 와이어) 선단이 가리키는 방향을 향하기 쉬운 성질이 있다. 이 아크의 지향성을 개선면의 용융에 유효하게 활용하기 위해서는 전극 선단이 가리키는 방향을 개선면을 향하게 할 필요가 있으며, 이 전극 선단이 가리키는 방향은 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도에 의해 크게 변화한다.

여기에, 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도가 수선에 대해 5°미만에서는 전류가 더욱 저항이 작은 경로에 흘러 버린다. 그 결과, 아크가 전극인 와이어를 기어 오르고(아크의 기어 오름(crawl)), 목표로 하는 개선면, 특히 저부에서의 용융을 유지하는 것이 곤란하게 된다. 한편, 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도가 수선에 대해 15°를 넘으면, 아크가 개선면을 너무 향하기 때문에 용접 비드 형상이 볼록하게 되고, 다음 패스의 아크에서의 용융이 불충분하게 되어 용접 결함을 발생시킨다. 따라서, 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도는 수선에 대해 5°이상 15°이하의 범위로 제한한 것이다. 바람직하게는 6°이상 12°이하이다.

또한, 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도는 급전 칩, 특히 급전 칩 선단의 기울기와 동일하게 되기 때문에, 이 급전 칩 선단의 기울기에 의해 이 용접 와이어의 공급 각도를 제어할 수 있다.

이상, 기본 조건에 대해 설명했지만, 본 발명의 용접 방법에서는 이하의 조건을 더욱 만족시키는 것에 의해, 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 개선면으로부터의 용융 깊이를 더욱 깊게 안정하게 얻는 것이 가능하게 된다.

저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 두꺼운 강재의 개선면의 거리：0.5㎜이상 2.0㎜이하

두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 더욱 깊게 안정하게 얻기 위해서는 저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 두꺼운 강재의 개선면의 거리를 0.5㎜이상 2.0㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

이것은 저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 두꺼운 강재의 개선면의 거리가 0.5㎜미만에서는 아크가 와이어 상부와 개선면의 사이에서 발생하고, 두꺼운 강재 저부의 개선면을 효율적으로 용융할 수 없다. 한편, 2.0㎜를 넘으면 아크가 개선면으로부터 멀어져 버려, 개선면을 효율적으로 용융할 수 없기 때문이다. 더욱 바람직하게는 0.5∼1.0㎜의 범위이다.

또한, 여기서 말하는 용접 와이어의 선단의 측단부는 각 패스에서 용융시키고자 하는 두꺼운 강재의 개선면에 가까운 측의 측단부를 가리키는 것으로 한다.

급전 칩에 송급하는 용접 와이어의 곡률 반경：150㎜이상 300㎜이하

본 발명에서는 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를 제어하기 위해, 선단을 구부린 급전 칩을 사용한다. 이 때, 용접 와이어가 선단을 구부린 급전 칩을 통과하게 되지만, 더욱 원활하게 통과시키기 위해서는 소위 3점 롤러 등을 이용해서 용접 와이어를 미리 만곡시켜 두는 것이 바람직하다.

여기에, 용접 와이어의 곡률 반경이 150㎜미만에서는 와이어의 송급 저항이 크게 되어, 안정하게 용접 와이어를 송급할 수 없고, 아크를 유지하는 것이 곤란하게 된다. 한편, 용접 와이어의 곡률 반경이 300㎜를 넘으면, 급전 칩 선단이 구부린 상태에서의 와이어의 송급 저항 경감에 효과가 없기 때문에, 역시 안정하게 용접 와이어를 송급할 수 없어, 아크를 유지하는 것이 곤란하게 된다.

따라서, 급전 칩에 송급하는 용접 와이어의 곡률 반경은 150㎜이상 300㎜이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 175㎜이상 275㎜이하이다.

용접물 높이 H：저부 개선 갭 G의 0.4배 이상 1.0배 이하

개선 갭에 대한 1층당 용접물 높이를 적정하게 관리하는 것에 의해, 각 패스에서의 용입을 포함시킨 용접 비드 형상이 일정하게 되고, 또 개선면의 안정된 용입을 확보하는 것이 가능하게 된다. 또한, 더욱 깊은 용입을 얻기 위해서는 더욱 높은 입열이 유효하지만, 입열이 너무 높아지면, 용접물 높이가 커져, 양측의 개선면을 균등하게 용융하는 것이 곤란하게 된다.

여기서, 1층당 용접물 높이가 저부 개선 갭 G의 0.4배 미만에서는 입열이 부족하고, 개선면의 깊은 용융이 곤란하게 될 뿐만 아니라, 1패스당 용착량이 부족하여 각 층에서의 용접 비드 형상이 변화해 버린다. 한편, 1층당 용접물 높이가 저부 개선 갭 G의 1.0배를 넘으면, 1패스당 용착량이 너무 많아져, 양측의 개선면을 균등하게 용융할 수 없다.

따라서, 용접물 높이는 저부 개선 갭 G의 0.4배 이상 1.0배 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 저부 개선 갭 G의 0.5배 이상 0.8배 이하이다.

또한, 초층 이외의 층에 있어서의 용접 조건에 대해서는 특히 규정하는 것은 아니지만, 기본적으로는 상기한 초층의 용접 조건과 마찬가지로 하면 좋다.

실드 가스 조성：CO₂ 가스를 60체적%이상

용접부의 용입은 아크 그 자체에 의한 가우징 효과와 고온 상태에 있는 용접 금속의 대류에 의해서 지배되고 있다. 용접 금속의 대류가 내향으로 되는 경우, 고온의 용접 금속이 위에서 아래 방향으로 대류하므로 아크 바로 아래의 용입이 증가한다. 한편, 용접 금속의 대류가 외향으로 되는 경우, 고온의 용접 금속이 중앙에서 좌우 방향으로 대류하고, 용접 비드가 확산을 갖는 동시에 개선면의 용입이 증가한다. 따라서, 본 발명에서 목표로 하는 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이：1.5㎜이상을 달성하기 위해서는 용접 금속의 대류를 외향으로 하는 것이 바람직하다.

그를 위해서는 용접 금속의 탕 흐름을 지배하는 산소(O)와 유황(S)의 농도의 합을 바람직하게는 400질량ppm이상(단, 1000질량ppm을 넘으면 용접 금속의 인성 확보가 곤란하게 되기 때문에, 1000질량ppm이하)으로 할 필요가 있다.

여기에, 용접 금속 중의 산소량은 실드 가스 조성에도 크게 영향을 받기 때문에, 실드 가스 조성으로서는 CO₂ 가스를 60체적%이상, 나머지를 Ar 등의 불활성 가스로서 함유하는 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 바람직하게는 CO₂ 가스：100체적%이다.

또, 용접부의 용입은 아크의 지향성 및 가우징 효과에도 영향을 받는다. 따라서, 용접의 극성은 아크의 지향성 및 가우징 효과가 더욱 큰 와이어 마이너스(정극성)로 하는 것이 바람직하다.

상기 이외의 조건에 대해서는 특히 규정할 필요는 없으며, 정법(定法)에 따르면 좋다. 예를 들면, 용접 전류：280∼360A, 용접 전압：32∼37V(전류와 함께 상승), 용접 속도：30∼80㎝/분, 와이어 돌출 길이：15∼30㎜, 와이어 직경：1.2∼1.6㎜, 1패스당 용접 입열：10∼25kJ/㎝로 하면 좋다.

<실시예>

표 1에 나타내는 개선 형상의 강재에 대해, 표 2에 나타내는 용접 조건으로 협개선 가스 실드 아크 용접을 실시하였다.

또한, 강재의 개선 가공에는 가스 절단을 이용하며, 개선면에는 연삭 등의 처리는 실행하지 않았다. 또, 개선면의 최대 오목부 깊이는 레이저 변위계를 이용해서 측정하였다.

즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 측정점이 가장 높은 볼록부와 가장 낮은 오목부를 각각 통과하고, 모든 측정점을 그 사이에 포함하는 2개의 평행선과 그 중간 선을 긋는다. 여기서, 오목부는 이 중간선보다 낮은 부분이며, 개선면의 오목부 깊이는 오목부와 중간선의 거리로 하였다. 개선면의 최대 오목부 깊이는 이 오목부 깊이의 최대값이다.

측정 결과를 표 1에 아울러 나타낸다.

이와 같이 해서 얻어진 용접 이음매를 5단면에서 잘라내고, 각 단면에서 저부의 용융 폭을 측정하였다. 그리고, 각 단면에 대해, 측정한 용융 폭에서 저부 개선 갭분의 길이를 빼고, 이 값을 2로 나누는 것에 의해, 용융 깊이를 측정하고, 그 평균값을 구하였다. 이 값을 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이로 하였다.

또, 얻어진 용접 이음매에 대해, 초음파 탐상 검사를 실시하고, 다음과 같이 평가하였다.

◎：검출 결함 없음

○：결함 길이가 3㎜이하의 합격 결함만을 검출

×：결함 길이가 3㎜를 넘는 결함을 검출

이들 결과도 아울러 표 2에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

표 2에 나타낸 바와 같이, 발명예인 No. 1∼12에서는 모두, 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이가 1.5㎜이상이고, 또 초음파 탐상 검사에서는 검출 결함이 없거나, 있더라도 결함 길이가 3㎜이하였다.

한편, 비교예인 No. 13∼17은 모두, 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이가 1.5㎜에 달하지 못하고, 또 초음파 탐상 검사에 있어서는 결함 길이가 3㎜초과의 결함이 검출되었다.

또, 도 5에, 발명예인 No.7의 초층 용접 후의 개선 단면 사진을 나타낸다. 도면 중, (1), (2)는 각각 1 및 2 패스째의 용접 비드를 나타낸다. 동일 도면으로부터, 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이는 1패스째의 용접에서 3.2㎜정도, 2패스째의 용접에서는 2.4㎜정도이며, 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 개선면의 양측에서 양호한 용융 깊이가 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

1：두꺼운 강재
2：두꺼운 강재의 개선면
3：저부 개선
4：용접 토치의 급전 칩
5：용접 와이어
6：받침재
7：용접 비드
θ：저부 개선 각도
G：저부 개선 갭
h：저부 개선 높이
t：판 두께
φ：용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도
d：저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 두꺼운 강재의 개선면의 거리
P：두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이
H：평균 용접물 높이

Claims (9)

1. 저부 개선 각도를 10°이하, 저부 개선 갭을 7㎜이상 15㎜이하로 하고, 판 두께가 22㎜이상인 두꺼운 강재를 협개선의 다층 용접에 의해 접합하는 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,
   초층 용접을 2패스 이상으로 해서 각 패스를 저부 개선 갭의 양측에 배분하고, 또한 용접 토치 선단의 급전 칩으로부터 공급하는 용접 와이어의 공급 각도를 상기 급전 칩 선단의 기울기에 의해서, 수선에 대해 5°이상 15°이하의 범위로 제어하는 동시에, 상기 용접 와이어로서, 곡률 반경이 150mm이상 300mm이하로 되는 범위에서 만곡시킨 와이어를 이용하는 것에 의해, 상기 두꺼운 강재의 저부에 있어서의 용융 깊이를 1.5㎜이상으로 하는 것을 특징으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초층 용접에 있어서, 저부 개선에 있어서의 용접 와이어의 선단의 측단부와 상기 두꺼운 강재의 개선면의 거리를 0.5㎜이상 2.0㎜이하로 하는 것을 특징으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 초층 용접에 있어서, 용접물 높이를 상기 저부 개선 갭의 0.4배 이상 1.0배 이하로 하는 것을 특징으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 협개선 가스 실드 아크 용접에 있어서의 실드 가스로서 60체적%이상의 CO₂ 가스를 함유한 혼합 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 협개선 가스 실드 아크 용접에 있어서의 실드 가스로서 60체적%이상의 CO₂ 가스를 함유한 혼합 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
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