KR101852256B1 - 일렉트로슬래그 용접 방법 및 일렉트로슬래그 용접 장치 - Google Patents

일렉트로슬래그 용접 방법 및 일렉트로슬래그 용접 장치 Download PDF

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Abstract

슬라이드식 백킹 플레이트를 이용한 일렉트로슬래그 용접에 있어서, 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행하고, 건전한 용입을 확보하여 용접 금속의 기계적 성질의 열화를 방지할 수 있다. 일렉트로슬래그 용접 장치(100)는, 용접 와이어(6)에 급전하는 콘택트 팁(5)을 갖는 용접 토치(4)와, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)와, 용접 토치(4) 및 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)를 구비한 주행 대차(16)와, 용융 슬래그욕 검출기(13)와, 플럭스 공급 장치(14)와, 플럭스 공급 제어 장치(15)와, 주행 대차 제어 장치(17)를 구비한다. 플럭스 공급 제어 장치(15)는, 콘택트 팁(5)의 선단으로부터 용융 슬래그욕(7)까지의 용접 와이어(6)의 길이(Ld)가 사전결정된 길이가 되도록, 플럭스의 공급을 제어한다. 주행 대차 제어 장치(17)는 기준 전류값과 용접 전류(8) 사이의 사전결정된 관계가 만족되도록 주행 대차(16)의 주행 속도를 제어한다. 슬래그욕 깊이(Ls)를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접이 실행된다.

Description

일렉트로슬래그 용접 방법 및 일렉트로슬래그 용접 장치{ELECTROSLAG WELDING METHOD AND ELECTROSLAG WELDING APPARATUS}
본 발명의 일 태양은 일렉트로슬래그 용접 방법 및 일렉트로슬래그 용접 장치에 관한 것이다.
최근, 조선이나 산업기계 분야에 있어서, 각 구조물의 크기가 커짐에 따라 판 두께가 증대하는 경향에 있다. 이들 구조물의 입향(立向) 용접은 고능률의 일렉트로가스 아크 용접에 의해 실행되어 왔다. 그렇지만, 용접 작업자에게는 아크 방사열, 흄(Hume), 스퍼터(sputter) 등의 작업 환경상의 문제가 있다. 또한, 판 두께가 증가함에 따라 실드 성능이 열화하여, 용접부의 기계적 성능이 열화하는 것 등의 다른 문제가 드러나고 있다.
이들 문제에 대한 해결책으로서, 용융 슬래그의 줄 열(Joule heat)을 열원으로 사용하는 일렉트로슬래그 용접이 있다. 일렉트로슬래그 용접에서는, 노출된 아크가 와이어 및 모재를 용융하는데 사용되지 않고, 용융 슬래그 내에서 열이 발생되어 와이어 및 모재를 용융한다. 따라서, 아크 방사열이 발생되지 않고, 또한 흄 또는 스퍼터의 발생도 적다. 그에 따라, 작업 환경이 개선된다. 또한, 용융 슬래그에 의해 용접 금속이 대기로부터 차폐된다. 그러므로, 실드 가스가 필요하지 않다. 판 두께가 커져도 실드 효과가 열화되지 않는다. 대기에 존재하는 질소 등이 용융 금속 내로 침입하는 것을 판 두께에 관계없이 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 용접 금속의 기계적인 열화도 발생하지 않는다.
한편, 일렉트로가스 아크 용접에서는, 용융 풀(molten pool)과 모재의 용입 상태를 감시할 수 있다. 일렉트로슬래그 용접에서는, 용융 풀과 모재의 용융부가 용융 슬래그로 덮여 있어, 모재의 용입 상태를 확인할 수 없다. 비드를 덮고 있는 고화된 슬래그를 해머 등으로 파괴한 후에 비드를 목시하지 않으면, 건전한 용입이 얻어지고 있는지 아닌지를 확인할 수 없다.
또한, 건전한 용입은, 용입 불량이 발생할 것인지 아닌지 뿐만 아니라, 용입의 정도에 따라 용접 금속의 기계적 성질이 좌우되기 때문에 중요하다. 즉, 용접 금속의 화학 성분은 용접 와이어의 화학 성분, 모재의 화학 성분 및 용입 비율에 의해 결정된다. 용접 와이어의 화학 성분과 모재의 화학 성분이 상이하기 때문에, 용입 비율이 변화되면 용접 금속의 화학 성분이 변화된다. 이것은 용접 금속의 기계적 성질에 영향을 미친다. 그러므로, 용입 비율을 가능한 한 일정하게 하면서 용접을 실행하는 것이 중요하다.
용입에 영향을 미칠 수 있는 요인으로서는, 그 예로서, 용접 전류, 용접 전압, 와이어 돌출 길이 등을 들 수 있다. 그에 부가하여, 요인의 예로서 일렉트로슬래그 용접의 경우에서는 슬래그욕(slag bath) 깊이를 들 수 있다. 용접 전류, 용접 전압, 와이어 돌출 길이 등은 용이하게 관리할 수 있는 파라미터이다. 그렇지만, 슬래그욕 깊이를 측정하는 것은 어렵고, 그에 따라 슬래그욕 깊이를 제어하는 것이 어렵다.
여기에서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 종래의 일렉트로가스 아크 용접으로서, 입향 일렉트로가스 용접 장치가 개시되어 있다. 입향 일렉트로가스 용접 장치는 실질적으로 수직으로 세워진 강판의 상하 방향(z)으로 연장되는 개선(開先)에 플럭스 인입 와이어를 공급하면서 상방으로 용접을 실행한다. 입향 일렉트로가스 용접 장치는 대차 및 진동 수단(weaving means)을 포함한다. 대차는 제 1 전극, 제 2 전극 및 주행 구동용 모터를 포함한다. 제 1 전극의 선단은 개선에 진입한다. 제 2 전극은 제 1 전극의 선단보다 강판의 판 두께 방향(x)에서 개선의 개구측에 근접한 위치에서 개선에 진입한다. 대차는 개선을 따라 상승할 수 있다. 진동 수단은 대차에 지지된다. 진동 수단은 제 1 및 제 2 전극을 판 두께 방향(x)으로 요동 구동한다.
또한, 특허문헌 1에는, 하기 내용이 개시되어 있다. 즉, 용융 금속이 용접의 진행에 따라 개선 내에 형성된다. 또한, 용융 슬래그가 용융 금속 상에 축적된다. 용융 슬래그의 표면은 상승하여 용접 토치로부터 돌출되는 와이어의 돌출 길이를 감소시킨다. 전원 회로와 수직판 사이의 전류값이 소정값보다 상승하면, 대차에 상승 지시를 낸다. 더욱이, 개선의 개구를 덮는 슬라이드식 구리 백킹 플레이트가 용접의 진행에 따라 상승한다. 이것에 따라서, 용융 풀 상의 용융 슬래그는 순차적으로 슬라이드식 구리 백킹 플레이트와 용접 비드 사이로 유입되어, 용접 비드 상에서 고화된다. 이러한 방식으로, 용융 슬래그가 소비되어 간다.
예를 들면, 특허문헌 2에는, 종래의 일렉트로슬래그 용접으로서, 비소모 노즐식 2 전극 일렉트로슬래그 용접 방법이 개시되어 있다. 비소모 노즐식 2 전극 일렉트로슬래그 용접 방법에 있어서, 백킹 플레이트(backing plate) 및 모재에 의해 둘러싸여 형성된 개선에서, 2 전극에 의해 동시에 용접이 실행된다. 비소모 노즐식 2 전극 일렉트로슬래그 용접 방법은, 2 전극의 급전 노즐(electric power feeding nozzle)을 2 전극의 배열 방향과 동일한 방향으로 동시에 요동시키는 단계와, 개선 단부 및 개선 중앙부 근방에서 급전 노즐을 정지시켜, 급전 노즐 요동시의 전류 에너지(Wm)와, 개선 단부에서 정지시의 전류 에너지(Wh)와, 개선 중앙부 근방에서 정지시의 전류 에너지(Wc) 사이에, Wc < Wm < Wh의 관계를 설정하는 단계와, 또한 용접 전류를 목표 전류값으로 설정하기에 충분하게 용접 와이어의 돌출 길이를 유지할 수 있도록 급전 노즐을 끌어올려 구동하는 단계를 포함한다.
또한, 특허문헌 2에는, 하기 내용이 개시되어 있다. 즉, 백킹 플레이트 및 모재에 의해 사방이 둘러싸여진 개선에 대하여 용접이 실행된다. 용접중의 슬래그욕 깊이가 15㎜가 될 수 있도록 용접 시작시에 이산화망간을 함유하는 플럭스가 투입된다.
일본 공개 특허 제 1998-118771 호 공보 일본 공개 특허 제 1993-42377 호 공보
일렉트로슬래그 용접은, 일렉트로가스 아크 용접과 비교하여, 아크 방사열이 발생하지 않고, 또한 흄이나 스퍼터의 발생도 적은 등의 특징을 갖고 있다. 그러나, 종래의 일렉트로슬래그 용접에서는, 강판에 의해 사방이 둘러싸여진 개선에 대하여 상방으로부터 전극을 현수하여 용접이 실행된다. 그러므로, 슬래그가 소모되지 않아 적정한 슬래그욕 깊이가 유지될 수 있다. 그렇지만, 각 모재의 크기가 커짐에 따라, 작업성이 나빠지고, 각 노즐의 크기에 따라서 용접 가능한 모재의 크기가 제한된다. 그러므로, 일렉트로슬래그 용접은, 예를 들어 몇 미터의 길이를 갖는 건축용 강재의 용접에 일반적으로 적용된다. 한편, 일렉트로가스 아크 용접과 같이 대차를 이용하여 백킹 플레이트를 슬라이딩시키면, 보다 큰 모재에 대하여 용접이 실행될 수 있다. 이러한 경우에는, 강판에 의해 사방이 둘러싸여진 개선에 용접이 실행되지 않는다. 그 때문에, 슬래그가 슬라이드식 백킹 플레이트와 용접 비드 사이로 유입될 수 있고, 소비되어버릴 수 있다.
그러므로, 슬라이드식 백킹 플레이트를 일렉트로슬래그 용접에 이용하는 경우에는, 건전한 용입을 확보하기 위해서, 슬래그의 소비분을 보충하기 위한 플럭스를 상부로부터 투입하여, 슬래그욕 깊이를 가능한 한 일정하게 유지해야만 한다. 기본적으로는, 소모분에 상당한 플럭스를 투입하면 슬래그욕을 일정하게 할 수 있다. 그렇지만, 개선 폭이 넓어지면, 비드 폭이 넓어져서 슬래그의 소모량이 증가하게 된다. 또한, 백킹 플레이트의 온도로 인해 슬래그의 유동이 변화되는 경우, 슬래그의 소모량도 변화된다. 더욱이, 백킹 플레이트와 모재 사이의 간극이 변화되거나, 용접 속도가 변화되는 경우에도, 소모량은 변화된다.
이러한 방식으로, 슬라이드식 백킹 플레이트를 이용한 일렉트로슬래그 용접에 있어서는, 다양한 요인으로 인해 슬래그의 소비량이 변화되기 때문에, 플럭스의 투입량을 변경할 필요가 있다. 그렇지만, 슬래그욕 깊이를 측정하는 것은 어렵다. 그러므로, 용접 작업자는 관찰과 추정에 의해 투입량을 변경할 수밖에 없다. 그 때문에, 용접 작업자의 기량과 통찰력에 의존하게 되어, 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하여 용입을 건전하게 하는 것이 지극히 어렵다. 또한, 용입의 변화는 용접 결함의 원인이 될 뿐만 아니라, 용접 금속의 기계적 성질에도 악영향을 마친다.
특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 전술한 방법에 따르면, 슬라이드식 백킹 플레이트를 이용한 일렉트로슬래그 용접을 실행하면, 슬래그욕 깊이가 변화되어, 용입이나 용접 금속의 기계적 성질에 영향을 미친다. 따라서, 일렉트로슬래그 용접은 용접 작업성이 우수하지만, 유감스럽게도 긴 용접선을 갖는 구조물의 용접에 적용 불가능하다.
본 발명의 일 태양의 목적은, 슬라이드식 백킹 플레이트를 이용한 일렉트로슬래그 용접에 있어서, 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행하고, 건전한 용입을 확보하여 용접 금속의 기계적 성질의 열화를 방지하는 것을 가능하게 하는 것이다.
이러한 상황하에서, 본 발명의 일 태양은, 일렉트로슬래그 용접 방법으로서, 일렉트로슬래그 용접에 있어서, 콘택트 팁(contact tip)의 선단으로부터 슬래그욕까지의 용접 와이어의 길이가 사전결정된 길이가 되도록 플럭스를 슬래그욕에 공급하는 단계와, 용접 전류와 기준 전류값 사이의 사전설정된 관계가 만족되도록 용접 토치 및 슬라이드식 백킹 플레이트를 구비한 주행 대차의 주행 속도를 조정하는 단계와, 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행하는 단계를 포함하는, 일렉트로슬래그 용접 방법을 제공한다.
다른 관점에서 보면, 본 발명의 일 태양은, 일렉트로슬래그 용접 장치로서, 용접 와이어에 급전하는 콘택트 팁을 갖는 용접 토치와, 슬라이드식 백킹 플레이트와, 용접 토치 및 슬라이드식 백킹 플레이트를 구비한 주행 대차와, 주행 대차 제어 장치와, 슬래그욕 검출기와, 플럭스 공급 장치와, 플럭스 공급 제어 장치와 포함하며,
슬래그욕 검출기는, 콘택트 팁의 선단으로부터 사전결정된 길이의 위치로 슬래그욕이 상승했을 경우에 슬래그욕을 검출하도록 구성되고, 플럭스 공급 제어 장치는, 콘택트 팁의 선단으로부터 슬래그욕까지의 용접 와이어의 길이가 사전결정된 길이가 되도록 하기 위해, 슬래그욕 검출기가 슬래그욕을 검출했을 경우에는 플럭스의 공급을 정지하고, 슬래그욕 검출기가 슬래그욕을 검출하고 있지 않을 경우에는 플럭스의 공급을 실행하도록 플럭스 공급 장치를 제어하도록 구성되고, 주행 대차 제어 장치는, 와이어 송급 속도에 따라서 결정된 기준 전류값과 용접 전류 사이의 사전결정된 관계가 만족되도록, 주행 대차의 주행 속도를 제어하도록 구성되고, 일렉트로슬래그 용접 장치는 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행할 수 있는, 일렉트로슬래그 용접 장치를 제공한다.
또한, 주행 대차 제어 장치는, 사전결정된 관계로서의 기준 전류값보다 용접 전류가 커지면 주행 대차의 주행 속도를 증대시키고, 사전결정된 관계로서의 기준 전류값보다 용접 전류가 작아지면 주행 대차의 주행 속도를 감소시키도록 제어하도록 구성될 수도 있다.
또한, 슬래그욕 검출기는, 슬래그욕 검출기의 검출 단자가 슬래그욕과 접촉했을 때에 용접 전압을 검지하여, 슬래그욕을 검출하도록 구성될 수도 있다.
또한, 슬래그욕 검출기는, 검지한 용접 전압을, 위빙 주기의 1/2 내지 2배의 시정수(time constant)를 갖는 필터로 처리하여, 슬래그욕을 검출한 것이지 아닌지를 판정하도록 구성될 수 있다.
또한, 검출 단자는 용접 토치와 연결되어 있을 수 있다.
또한, 슬래그욕 검출기는, 슬래그욕 검출기의 검출 단자에 직류 전원으로부터 저항을 통해서 전압을 인가하여, 검출 단자가 슬래그욕과 접촉했을 때, 검출 단자의 전압이 저하하는 것에 기초하여 슬래그욕을 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 슬래그욕 검출기는 포토센서(photosensor)를 가질 수 있으며, 슬래그욕으로부터의 광을 검출하여, 슬래그욕을 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 플럭스 공급 장치는 솔레노이드에 의해 구동되는 밸브에 의해 플럭스를 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 플럭스 공급 장치는 모터에 의해 구동되는 스크루에 의해 플럭스를 공급하도록 구성될 수 있다.
또한, 기준 전류값은, 와이어 송급 속도를 변경했을 경우, 와이어 송급 속도와 기준 전류값 사이의 관계를 나타내는 사전결정된 함수에 기초하여 자동적으로 변경될 수 있다.
또한, 기준 전류값은 용접 와이어의 종별에 따라서 사전결정되는 함수에 기초하여 용접 와이어의 종별에 의존하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 슬라이드식 백킹 플레이트를 이용한 일렉트로슬래그 용접에 있어서, 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행하고, 건전한 용입을 확보하여 용접 금속의 기계적 성질의 열화를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 일렉트로슬래그 용접 장치의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면,
도 2는 도 1에 도시하는 일렉트로슬래그 용접 장치를 화살표(T) 방향에서 본 도면,
도 3a는 용융 슬래그욕의 깊이, 용접 와이어의 길이, 용접 전류 및 용입 폭 사이의 상관 관계를 도시하는 도면,
도 3b는 용융 슬래그욕의 깊이, 용접 와이어의 길이, 용접 전류 및 용입 폭의 상관 관계를 도시하는 도면,
도 3c는 용융 슬래그욕의 깊이, 용접 와이어의 길이, 용접 전류 및 용입 폭의 상관 관계를 도시하는 도면,
도 4는 용융 슬래그욕 검출기의 구성 예를 도시하는 도면,
도 5는 용융 슬래그욕 표면의 용접 전압 분포의 일례를 도시하는 도면,
도 6a는 용접 토치를 판 두께 방향으로 요동시켰을 경우의 용융 슬래그욕 표면의 용접 전압 분포의 일례를 도시하는 도면,
도 6b는 용접 토치를 판 두께 방향으로 요동시켰을 경우의 용융 슬래그욕 표면의 용접 전압 분포의 일례를 도시하는 도면,
도 6c는 용접 토치를 판 두께 방향으로 요동시켰을 경우의 용융 슬래그욕 표면의 용접 전압 분포의 일례를 도시하는 도면,
도 7은 도 4에 도시하는 용융 슬래그욕 검출 장치에 필터 회로를 마련한 구성 예를 도시하는 도면,
도 8은 필터 회로가 없을 경우의 용접 전압 파형의 일례를 도시하는 도면,
도 9는 필터 회로를 이용한 경우의 용접 전압 파형의 일례를 도시하는 도면,
도 10은 검출 단자를 용접 토치에 연결시킨 구성의 일례를 설명하기 위한 도면,
도 11은 용융 슬래그욕 검출기의 다른 구성 예를 도시하는 도면,
도 12는 용융 슬래그욕 검출기의 다른 구성 예를 도시하는 도면,
도 13a는 플럭스 공급 장치의 구성 예를 도시하는 도면,
도 13b는 플럭스 공급 장치의 구성 예를 도시하는 도면,
도 14는 플럭스 공급 장치의 다른 구성 예를 도시하는 도면,
도 15는 슬래그욕을 제어하지 않는 경우와 본 실시형태에서 슬래그욕을 제어하는 경우의 비교 결과를 도시하는 도면,
도 16은 슬래그욕 깊이가 용접에 미치는 영향을 설명하기 위한 표.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<용접 장치의 구성>
우선, 본 실시형태에 있어서의 일렉트로슬래그 용접 장치(100)에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에서의 일렉트로슬래그 용접 장치(100)의 개략 구성의 일례를 도시한다. 도 1에 있어서, 화살표(Z)에 의해 지시되는 방향을 수직 방향(상하 방향) 상측 방향이라고 하고, 화살표(X)에 의해 지시되는 방향을 판 두께 방향(좌우 방향)의 우측 방향이라고 하며, 지면에 대하여 수직하게 이면으로부터 표면으로 향하는 방향을 수평 횡방향(Y)의 앞쪽 방향이라고 한다. 또한, 도 2는 도 1에 도시하는 일렉트로슬래그 용접 장치(100)를 화살표(T)로부터 본 도면이다. 즉, 도 2는 일렉트로슬래그 용접 장치(100)를 상방으로부터 내려다본 도면이다. 그러나, 도 2에서는, 후술하는 용접 토치(4), 플럭스 공급 장치(14), 플럭스 공급 제어 장치(15), 주행 대차(16), 주행 대차 제어 장치(17) 등을 생략하고 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 일렉트로슬래그 용접 장치(100)는 고정의 구리 백킹 플레이트(1) 및 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)와, 용접 토치(4)와, 용융 슬래그욕 검출기(13)와, 플럭스 공급 장치(14)와, 플럭스 공급 제어 장치(15)와, 주행 대차(16)와, 주행 대차 제어 장치(17)를 구비한다.
일렉트로슬래그 용접 장치(100)에 있어서, 개선의 이면측에는 고정의 구리 백킹 플레이트(1)가 배치되고, 개선의 표면측에는 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)가 배치된다. 여기에서, 이면측의 구리 백킹 플레이트(1) 대신에, 내열성 세라믹스로 구성되는 백킹 재료가 사용될 수도 있다. 또한, 표면측의 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)는 상하 방향으로 슬라이딩하는 구리 백킹 플레이트이다. 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)는 수냉된다. 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)로서, 구리의 임의의 대체물이 이용될 수도 있다.
용접 토치(4)는 용접 전원(도시되지 않음)으로부터 공급되는 용접 전류(8)에 의해 용접 와이어(6)를 급전하여 용접 모재(3)를 용접한다. 또한, 용접 토치(4)는 콘택트 팁(5)을 갖는다. 콘택트 팁(5)은 용접 와이어(6)를 안내하고, 용접 와이어(6)에 용접 전류(8)를 공급한다.
용융 슬래그욕 검출기(13)는 용융 슬래그욕(7)의 위치를 검출한다.
플럭스 공급 장치(14)는 용융 슬래그욕(7)에 플럭스(12)를 투입한다. 플럭스(12)는 용융되어 용융 슬래그가 된다. 그러므로, 플럭스(12)를 투입하면, 용융 슬래그욕(7)의 양이 증가하게 된다.
플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스 공급 장치(14)의 동작을 제어하여, 용융 슬래그욕(7)에 투입되는 플럭스(12)의 양을 조정한다.
주행 대차(16)는, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2), 용접 토치(4), 용융 슬래그욕 검출기(13), 플럭스 공급 장치(14), 플럭스 공급 제어 장치(15) 및 주행 대차 제어 장치(17)를 포함하고, 상방(화살표(Z)에 의해 지시되는 방향)으로 이동한다. 즉, 주행 대차(16)는, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2), 용접 토치(4), 용융 슬래그욕 검출기(13), 플럭스 공급 장치(14), 플럭스 공급 제어 장치(15) 및 주행 대차 제어 장치(17)와 일체로 이동한다. 따라서, 그들의 상대적인 위치 관계가 바뀌지 않는다. 주행 대차(16)가 상승하므로, 상측 방향으로 용접이 실행될 수 있다.
주행 대차 제어 장치(17)는 주행 대차(16)의 주행 속도를 증대시키거나 감소시켜서, 주행 대차(16)의 동작을 제어한다.
용접 모재(3), 구리 백킹 플레이트(1) 및 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)에 의해 둘러싸여진 개선 내에, 용접 토치(4)의 콘택트 팁(5)으로부터 용접 와이어(6)가 송급되고, 그 후에 개선 내에 형성된 용융 슬래그욕(7) 내로 이송된다. 용접 전류(8)는 용접 와이어(6)로부터 용융 슬래그욕(7)을 통해서 용융 금속(9) 내로 유동한다. 이 때, 용융 슬래그욕(7) 내로 유동하는 용접 전류(8) 및 용융 슬래그욕(7)의 저항에 의해, 줄 열이 발생하고, 용접 와이어(6) 및 용접 모재(3)를 용융하면서 용접이 진행할 수 있다.
용접이 진행함에 따라서, 용융 금속(9)은 냉각되어 용접 금속(10)이 된다. 용융 슬래그욕(7)의 일부는 구리 백킹 플레이트(1)와 용접 금속(10) 사이에 형성된 용융 슬래그층, 및 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)와 용접 금속(10) 사이에 형성된 용융 슬래그층이 된다. 이러한 용융 슬래그층이 냉각되어 고화 슬래그(11)가 된다. 이러한 방식으로, 용융 슬래그욕(7)의 일부는 비드 표면을 덮는 고화 슬래그(11)가 된다. 따라서, 용융 슬래그욕(7)은 용접이 진행함에 따라서 소비된다. 그러므로, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 감소한다. 이러한 용융 슬래그욕(7)의 감소분을 보충하기 위해서는, 용융되어 용융 슬래그욕(7)이 되는 플럭스(12)가 추가 투입될 필요가 있다.
비드 표면을 덮는 고화 슬래그(11)의 양은 각 비드의 폭이나 용접 개선의 폭에 따라서 변동한다. 또한, 고화 슬래그(11)의 양은, 구리 백킹 플레이트(1) 및 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 밀착 정도나 냉각 상태에 따라서도 변동한다. 그러므로, 고화 슬래그(11)의 양은 일정하지 않다. 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 유지하기 위해서는 투입하는 플럭스(12)의 양도 변화시킬 필요가 있다. 그렇지만, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 알지 못하기 때문에, 플럭스(12)의 투입량이 적절하지 않을 경우에는, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 변동하게 된다.
그러므로, 본 실시형태에서는, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 하기 위한 제어를 실행한다. 여기에서, 용어 "일정"이란, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 항상 1개의 값이 되는 경우에 한정되지 않고, 오차를 고려하여 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 일정한 범위 내의 값을 나타내는 경우도 포함할 수 있다. 즉, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)는 사전결정된 깊이에 유지하도록 제어된다.
용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 하기 위한 제 1 요건은 하기와 같다. 즉, 콘택트 팁(5)의 선단과 용융 슬래그욕(7)의 상면 사이의 용접 와이어 길이(Ld)(이하, 드라이 익스텐션(dry extension)(Ld)이라고 칭함)가 사전결정된 길이가 되도록 제어를 하는 것이다. 또한, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 하기 위한 제 2 요건은 하기와 같다. 즉, 와이어 송급 속도에 따라서 사전결정된 기준 전류값과 용접 전류(8) 사이의 사전결정된 관계가 만족되도록, 즉 기준 전류값과 용접 전류(8)가 동일해지도록, 주행 대차 제어 장치(17)가 주행 대차(16)의 주행 속도를 제어하는 것이다.
<용융 슬래그욕의 깊이를 일정하게 하는 요건>
우선, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 하기 위한 제 1 요건에 대해서 설명한다.
용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)을 검출하고 있지 않을 경우, 즉 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 상부 상에/위에 배치된 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)의 상면에 접촉하고 있지 않을 경우에는, 플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스(12)를 투입하도록 플럭스 공급 장치(14)를 제어한다. 한편, 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)을 검출하고 있을 경우, 즉 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 상부 상에/위에 배치된 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)의 상면에 접촉하고 있을 경우에는, 플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스(12)의 투입을 정지하도록 플럭스 공급 장치(14)를 제어한다. 이러한 방식으로, 플럭스 공급 장치(14)는 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)을 검출하도록 플럭스(12)를 투입하여, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 조정한다.
여기에서, 용접 토치(4), 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2) 및 용융 슬래그욕 검출기(13)는 모두 주행 대차(16) 상에 탑재되어 있다. 주행 대차(16)가 이동하는 경우에도, 그들의 상대적인 위치 관계가 바뀌지 않는다. 그러므로, 콘택트 팁(5)의 선단과 용융 슬래그욕 검출기(13) 사이의 거리도 변하지 않는다. 콘택트 팁(5)의 선단으로부터 사전결정된 길이의 위치(즉, 용융 슬래그욕 검출기(13)의 위치)로 용융 슬래그욕(7)이 상승했을 경우에, 용융 슬래그욕 검출기(13)는 용융 슬래그욕(7)을 검출한다. 플럭스 공급 제어 장치(15)는 용융 슬래그욕(7)이 용융 슬래그욕 검출기(13)에 의해 검출되도록 플럭스(12)의 투입량을 제어한다. 따라서, 콘택트 팁(5)의 선단과 용융 슬래그욕(7)의 상면 사이의 거리, 즉 드라이 익스텐션(Ld)은 사전결정된 길이가 되도록 제어될 수 있다.
다음에, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)를 일정하게 하기 위한 제 2 요건에 대해서 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 용융 슬래그욕(7)의 깊이, 용접 와이어(6)의 길이, 용접 전류(8) 및 용입 폭 사이의 상관 관계를 각각 도시하고 있다. 여기에서, 도 3a 내지 도 3c에 도시하는 바와 같이, 드라이 익스텐션(Ld)이 사전결정된 길이가 되도록 제어된 상태에 있어서, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 Ls1 > Ls2 > Ls3의 관계를 유지하도록 변화되는 것을 가정하면, 용접 와이어(6)가 용융 슬래그욕(7)에 침지되어 있는 길이(이하, 웨트 익스텐션(wet extension)(Lw)이라고 칭함)는 Lw1 > Lw2 > Lw3의 관계를 유지하도록 실질적으로 비례해서 변화되고, 용입 폭(Lm)은 Lm1 < Lm2 < Lm3의 관계를 유지하도록 변화된다. 한편, 용접 전류(8)의 값을 Iw라고 하면, 용접 전류(Iw)와 와이어 송급 속도(Vw)의 관계는 하기의 수학식 1과 같이 나타내진다.
[수학식 1]
Figure 112016045522942-pat00001
수학식 1에 있어서, K1 내지 K4는 용접 와이어(6)의 직경, 구조 및 재질에 기초하여 결정되는 정수이다.
다음에, 와이어 송급 속도(Vw)를 일정하게 해서 용접이 실행되고 있는 상태에서, 전술한 제 1 요건에 나타낸 바와 같이 플럭스 공급 제어 장치(15)에 의해 드라이 익스텐션(Ld)이 사전결정된 길이가 되도록 제어되는 조건하에서는, 수학식 1은 하기의 수학식 2와 같이 나타내진다.
[수학식 2]
Figure 112016045522942-pat00002
즉, 수학식 2에 기초하여, 용접 전류(Iw)는 웨트 익스텐션(Lw)에 역비례해서 변화된다. 웨트 익스텐션(Lw)이 커지면, 용접 전류(Iw)는 작아진다. 또한, 상술한 바와 같이, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 웨트 익스텐션(Lw)에 비례하므로, 용융 슬래그욕(7)이 적절한 깊이(Ls2)를 가질 때의 용접 전류(Iw)를 사전에 기준 전류값(Iw2)으로서 설정하여 둔다. 그리고, 용접의 진행에 따라, 용접 전류(Iw)가 기준 전류값(Iw2)보다 커졌을 경우는, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 Ls2보다 작아지고, 용입 폭(Lm)이 Lm2보다 커졌다고 판단한다. 그러므로, 주행 대차 제어 장치(17)는 주행 대차(16)의 주행 속도를 증대시킨다. 주행 대차(16)의 주행 속도가 증대되면, 와이어 돌출 길이(Ld+Lw)가 커지도록 제어가 이루어져서, 용접 전류(Iw)가 작아져서 기준 전류값(Iw2)이 될 수 있다. 한편, 용접 전류(Iw)가 기준 전류값(Iw2)보다 작아졌을 경우는, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 Ls2보다 커지고, 용입 폭(Lm)이 Lm2보다 작아졌다고 판단한다. 그러므로, 주행 대차 제어 장치(17)는 주행 대차(16)의 주행 속도를 감소시킨다.
부언하면, 처음에, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)는 사전결정된 깊이로서 Ls2가 되도록 조정되고, 그 후에 용접이 개시된다. 또한, 주행 대차(16)의 주행 속도는 용접 전류(Iw)의 값에 따라서 결정된다. 그리고, 용접의 진행에 따라서, 용융 슬래그욕(7)의 일부는 고화 슬래그(11)가 되어 소비된다. 그러므로, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)는 감소한다. 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 상부 상에/위에 배치된 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)의 상면에 접촉하지 않는 정도까지 감소하면, 플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스(12)를 투입하도록 플럭스 공급 장치(14)를 제어한다. 플럭스(14)는 잠시동안 투입된다. 그 후에, 플럭스 공급 제어 장치(15)는, 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)을 검출할 경우, 즉 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 상부 상에/위에 배치된 용융 슬래그욕 검출기(13)가 용융 슬래그욕(7)의 상면에 접촉하는 경우, 플럭스(12)의 투입을 정지하도록 플럭스 공급 장치(14)를 제어한다. 이와 같이, 콘택트 팁(5)의 선단과 용융 슬래그욕(7)의 상면 사이의 거리, 즉 드라이 익스텐션(Ld)이 사전결정된 길이가 되도록 제어된다. 한편, 용융 슬래그욕 깊이가 적절한 경우의 용접 전류(Iw)가 기준 전류값(Iw2)으로서 설정된다. 그러므로, 드라이 익스텐션(Ld)이 상기의 제어로 일정하게 되면, 웨트 익스텐션(Lw)도 일정하게 될 수 있고, 슬래그욕 깊이도 일정하게 될 수 있다.
이러한 방식으로, 주행 대차 제어 장치(17)는 용접 전류(Iw)가 기준 전류값(Iw2)과 동일해지도록 주행 대차(16)의 주행 속도를 제어한다. 그에 따라, 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls)가 적절한 깊이(Ls2)가 되게 일정해지도록 제어가 이루어진다. 따라서, 적절한 용입 폭(Lm2)을 얻을 수 있다. 또한, 안정한 기계적 성질을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있다.
또한, 기준 전류값(Iw2)은 하기와 같이 결정된다. 우선, 일렉트로슬래그 용접 장치(100)에 있어서, 어떤 용접 와이어(6)를 사용하여 와이어 송급 속도(Vw)를 일정하게 하여 용접이 실행되면, 드라이 익스텐션(Ld)은 사전결정된 길이가 되도록 제어된다. 어떤 종류의 용접 전류(Iw)를 이용하여 용접이 실행되면, 상이한 웨트 익스텐션(Lw) 및 상이한 용입 폭(Lm)으로 용접이 실행된다. 이 때 최적의 용입 폭(Lm2)이 얻어지는 용접 전류(Iw)가 와이어 송급 속도(Vw)의 기준 전류값(Iw2)으로서 결정된다.
다음에, 와이어 송급 속도(Vw)를 변경하고, 마찬가지로 최적의 기준 전류값(Iw2)을 구한다. 이것을 반복하면, 기준 전류값(Iw2)을 와이어 송급 속도(Vw)의 함수로서 얻을 수 있다. 이러한 함수(기준 전류값(Iw2)과 와이어 송급 속도(Vw) 사이의 관계를 나타내는 함수)를 주행 대차 제어 장치(17)에 미리 기억시켜 둔다. 와이어 송급 속도 설정기의 출력, 또는 와이어 송급 속도의 검출값을 이용하여, 기준 전류값(Iw2)을 설정하도록 제어하면, 와이어 송급 속도(Vw)에 맞춰서 기준 전류값(Iw2)이 설정될 수 있다. 와이어 송급 속도(Vw)를 변경했을 경우에는, 변경후의 와이어 송급 속도(Vw)에 따라서 자동적으로 기준 전류값(Iw2)도 변경된다. 자동적으로 최적의 용입을 얻을 수 있는 웨트 익스텐션(Lw)(또는 용융 슬래그욕(7)의 깊이(Ls))으로 용접이 실행될 수 있다.
또한, 용접 와이어(6)를 변경하고, 상기 수순을 실행한다. 이러한 방식으로, 각종의 용접 와이어(6)에 대해서도, 와이어 송급 속도(Vw)에 상응한 기준 전류값(Iw2)을 구할 수 있다. 여기에서, 기준 전류값(Iw2)은, 예를 들어 용접 와이어(6)의 직경, 구조 및 재질 등의 용접 와이어(6)의 종별에 따라서, 와이어 송급 속도(Vw)의 함수에 기초하여 구해질 수 있다. 부언하면, 와이어 송급 속도(Vw)의 함수는 용접 와이어(6)의 종별에 따라서 결정될 수 있고, 기준 전류값(Iw2)은 용접 와이어(6)의 종별마다의 함수에 기초하여 구해질 수 있다.
<용융 슬래그욕 검출기의 구성>
다음에, 용융 슬래그욕 검출기(13)의 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 도 4는 용융 슬래그욕 검출기(13)의 구성 예를 도시한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서의 용융 슬래그욕 검출기(13)는 검출 단자(18), 차동 증폭기(19), 접촉 판정 기준 신호 설정기(20) 및 비교기(21)를 포함한다. 검출 단자(18)는 도전성 금속인 구리로 이루어진다. 검출 단자(18)는 일반적으로 수냉된다. 검출 단자(18)는 용융 슬래그욕(7)에 접촉하면 용접 전압의 일부의 전압을 검출한다.
차동 증폭기(19)는, 검출 단자(18)의 전압과, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 전압을 입력으로서 수신시에, 양쪽 전압의 차이를 출력한다. 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)가 용접 모재(3)와 접촉하고 있으므로, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 전압은 모재(3)의 전압이다.
접촉 판정 기준 신호 설정기(20)는 기준 신호로서 전압을 출력한다. 이 전압은 검출 단자(18)가 용융 슬래그욕(7)에 접촉했을 때에 검출되는 전압의 실질적으로 절반정도의 전압이다. 예를 들면, 도 5에는 용융 슬래그욕(7) 표면의 용접 전압 분포의 일례가 도시되어 있다. 검출 단자(18)는 보통 약 6볼트(전압의 단위: V)의 용접 전압을 검출한다. 따라서, 기준 신호로서 출력되는 전압은 검출된 용접 전압의 절반인 약 3V로 설정된다. 검출 단자(18)가 용융 슬래그욕(7)에 접촉하고 있지 않을 때는, 용접 전압이 검출 단자(18)에 가해지지 않는다. 따라서, 검출 단자(18)의 전압은 0V이다.
비교기(21)는 차동 증폭기(19)의 출력 신호와 접촉 판정 기준 신호 설정기(20)의 기준 신호를 입력으로서 수신한다. 차동 증폭기(19)의 출력 신호가 접촉 판정 기준 신호 설정기(20)의 기준 신호보다 커졌을 때, 비교기(21)는 검출 단자(18)와 용융 슬래그욕(7)이 접촉했다고 판단한 신호를 생성한다. 생성된 신호는 플럭스 공급 제어 장치(15)에 보내지고, 플럭스 공급 장치(14)에 의해 플럭스(12)가 공급 및 정지되며, 용융 슬래그욕(7)의 상면이 콘택트 팁(5)의 선단으로부터 사전설정된 길이에 위치하도록 제어가 이루어진다. 그에 따라, 드라이 익스텐션(Ld)이 사전결정된 길이에 유지된다.
또한, 도 6a 내지 도 6c는 용접 토치(4)를 판 두께 방향으로 요동시켰을 경우의 용융 슬래그욕(7) 표면의 용접 전압 분포의 일례를 각각 도시한다. 우선, 도 6b에 도시하는 용접 전압 분포는, 용접 와이어(6)가 판 두께 중앙에 있을 때의 것이다. 검출 단자(18)에 의해 검출되는 용접 전압은 약 6V이다. 이 때, 판 두께 방향의 용입을 균일화하기 위해서 용접 토치(4)를 요동시킨다. 용접 토치(4)가 구리 백킹 플레이트(1)의 근방에 있을 때는, 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 근방에 배치되는 검출 단자(18)에 의해 검출되는 전압은, 도 6a에 도시하는 바와 같이, 6V의 절반인 약 3V로 저하한다. 반대로, 도 6c에 도시하는 바와 같이, 용접 토치(4)가 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 근방에 이르렀을 때에는, 검출 단자(18)에 의해 검출되는 용접 전압은 약 12V 정도로 높아진다.
여기에서, 접촉 판정 기준 신호 설정기(20)의 기준 신호의 전압을 약 1.5V로 설정하면, 비교기(21)는 용융 슬래그욕(7)과 검출 단자(18)가 접촉하고 있다고 올바르게 판단할 수 있다. 그렇지만, 기준 신호의 값이 작기 때문에, 용접 상태 또는 외부 노이즈 등으로 인해 올바른 판단에 장애가 될 수 있을 가능성도 있다.
이러한 오검지를 방지하기 위해서, 용융 슬래그욕 검출기(13)는 차동 증폭기(19)의 후방에 배치된 필터 회로(22)를 포함할 수도 있으며, 그에 따라 용융 슬래그욕 검출기(13)는 필터 회로(22)에 의해 처리된 용접 전압에 기초하여 용융 슬래그욕(7)을 검출한 것인지 아닌지를 판정할 수 있다. 도 7은 도 4에 도시하는 용융 슬래그욕 검출기(13)에 필터 회로(22)를 마련한 구성 예를 도시한다. 필터 회로(22)는 용접 토치(4)의 요동 주기 정도, 즉 주기의 1/2 내지 2배 정도의 시정수를 갖는 필터 회로(22)로서 설정되는 것이 바람직하다.
도 8은 필터 회로(22)가 없는 경우에 얻어진 용접 전압 파형의 일례를 도시한다. 도 9는 필터 회로(22)를 사용하는 경우에 얻어진 용접 전압 파형의 일례를 도시한다. 구체적으로는, 도 8에 도시하는 파형은 250ms의 샘플링 주기를 갖는 필터가 없는 경우에 검출된 용접 전압 파형이다. 또한, 도 9에 도시하는 파형은 27 데이터의 이동 평균, 즉 6.75초(6750ms)의 구간의 이동 평균의 용접 전압 파형이다. 여기에서, 세로축의 1 눈금은 3.000V를 나타내고, 가로축의 1 눈금은 1초(sec)를 나타낸다. 또한, 도 8 및 도 9에 도시하는 예에서는 용접 토치(4)의 요동 주기가 8초이다. 따라서, 용접 전압 파형은 용접 토치(4)의 요동 주기와 동등하다.
이들의 용접 전압 파형으로부터 명확한 바와 같이, 필터가 없는 경우에는, 용접 토치(4)가 구리 백킹 플레이트(1)의 근방에 있을 때는, 검출 단자(18)에 의해 검출된 전압은 약 3V까지 저하하지만, 용접 토치(4)가 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)의 근방에 있을 때는, 검출된 전압은 약 12V가 된다. 또한, 검출된 용접 전압은 큰 변동을 가지고 있다. 한편, 필터를 통해서 얻어진 용접 전압 파형은 9V 내지 12V의 범위로 평균화되어 있다. 그러므로, 필터 회로(22)를 이용했을 경우에는, 접촉 판정의 기준 신호를 3V 내지 6V로 설정할 수 있고, 그에 따라 오판정의 위험이 크게 감소될 수 있다. 여기에서는, 요동 주기와 실질적으로 동등한 시정수를 이용한 예가 도시되어 있지만, 요동 주기의 약 1/2 내지 2배 정도의 시정수를 갖는 필터에서도 효과가 확인되었다.
또한, 검출 단자(18)는 용접 토치(4)와 연결될 수도 있다. 도 10은, 검출 단자(18)를 용접 토치(4)에 연결시킨 구성의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 도시하는 예에서는, 차동 증폭기(19), 접촉 판정 기준 신호 설정기(20), 비교기(21) 및 필터 회로(22)의 구성은 도 7에 도시하는 구성과 동일하지만, 검출 단자(18)는 용접 토치(4)와 연결되어 있다. 용접 토치(4)가 요동했을 때는, 검출 단자(18)도 용접 토치(4)와 함께 요동한다. 따라서, 검출 단자(18)는 항상 용접 와이어(6)의 근방에 위치된다. 그러므로, 도 6a 내지 도 6c에 도시하는 용접 전압 분포를 참조하면, 검출 단자(18)가 용융 슬래그욕(7)과 접촉했을 때에는, 약 24V의 용접 전압을 검출할 수 있다. 또한, 용접 토치(4)의 요동에 관계없이, 실질적으로 일정한 전압을 검출할 수 있다. 따라서, 노이즈 등에 의해 영향을 받을 위험이 감소된다.
<용융 슬래그욕 검출기의 다른 구성 예>
다음에, 용융 슬래그욕 검출기(13)의 다른 구성 예에 대해서 설명한다. 도 11 및 도 12는 용융 슬래그욕 검출기(13)의 다른 구성 예를 각각 도시한다.
도 11에 도시하는 예에서는, 용융 슬래그욕 검출기(13)는 검출 단자(18), 직류 전원(23), 저항(24), 차동 증폭기(19), 필터 회로(22), 접촉 판정 기준 신호 설정기(20) 및 비교기(21)를 포함한다. 예를 들면, 직류 전원(23)은 약 100V 내지 200V의 전원이다. 이러한 직류 전원(23)의 출력은 저항(24)을 통해서 검출 단자(18)에 접속된다. 여기서, 저항(24)의 값은 예를 들어 20㏀ 내지 500㏀이다.
검출 단자(18)가 용융 슬래그욕(7)에 접촉하고 있지 않을 경우에는, 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 직류 전원(23)의 전압은 검출 단자(18)에 실질적으로 인가된다. 한편, 검출 단자(18)가 용융 슬래그욕(7)과 접촉하면, 검출 단자(18)로부터 용융 슬래그욕(7)을 통해서 슬라이드식 구리 백킹 플레이트(2)로 전류가 흐른다. 따라서, 직류 전원(23)의 전압은 저항(24)에 의해 강하된다. 검출 단자(18)의 전압은 용접 전압의 일부, 즉 약 3V 내지 12V까지 저하한다. 이러한 변화를 차동 증폭기(19), 필터 회로(22), 접촉 판정 기준 신호 설정기(20) 및 비교기(21)에 의해 판정하고, 그 후에 용융 슬래그욕(7)을 검출한다. 이들의 동작에 대해서는, 전술한 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이러한 방법에 따르면, 검출 단자(18)와 용융 슬래그욕(7)이 접촉하고 있지 않을 때의 검출 단자(18)의 전압은 100V 내지 200V이다. 한편, 검출 단자(18)와 용융 슬래그욕(7)이 접촉하고 있을 때의 검출 단자(18)의 전압은 3V 내지 12V가 된다. 양쪽 전압의 차이가 크므로, 신뢰성있는 동작이 기대될 수 있다.
또한, 도 12에 도시하는 예에서는, 용융 슬래그욕 검출기(13)는 포토센서로서 수광기(25) 및 수광 판정기(26)를 포함한다. 수광기(25)는 용융 슬래그욕(7)의 표면으로부터 방출된 광을 수광한다. 수광 판정기(26)는 수광기(25)의 광량이 어떤 레벨이 되었을 때를 판정한다. 광량의 판정 레벨은 미리 결정될 수 있던 것이라는 가정하에, 수광기(25)의 각도 등을 조정하여, 드라이 익스텐션(Ld)이 목표로 하는 사전결정된 길이가 되도록 조정할 수 있다. 또한, 이러한 판정 결과는 플럭스 공급 제어 장치(15)에 보내지고, 드라이 익스텐션(Ld)이 일정하게 유지되도록 플럭스(12)가 공급된다.
부언하면, 수광 판정기(26)가 수광기(25)의 광량이 어떤 레벨에 도달하고 있다고 판정했을 경우, 용융 슬래그욕(7)은 콘택트 팁(5)의 선단으로부터 사전결정된 길이의 위치까지 상승한다. 이러한 경우, 드라이 익스텐션(Ld)은 사전결정된 길이 이하가 된다. 따라서, 플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스(12)의 투입을 정지하도록 제어한다. 한편, 수광 판정기(26)가 수광기(25)의 광량이 어떤 레벨에 도달하고 있지 않다고 판정했을 경우, 용융 슬래그욕(7)은 콘택트 팁(5)의 선단으로부터 사전결정된 길이의 위치까지 상승하지 않고 있다. 이러한 경우, 드라이 익스텐션(Ld)은 사전결정된 길이보다 크다. 따라서, 플럭스 공급 제어 장치(15)는 플럭스(12)를 투입하도록 제어한다.
<플럭스 공급 장치의 구성>
다음에, 플럭스 공급 장치(14)의 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 도 13a 및 도 13b는 플럭스 공급 장치(14)의 구성 예를 각각 도시한다.
도 13a에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 플럭스 공급 장치(14)에서의 솔레노이드(27)가 화살표(28)로 지시된 바와 같이 왕복 이동하면, 회전축(29)을 중심으로 밸브(30)가 화살표(31)로 지시된 바와 같이 회전한다. 따라서, 플럭스 공급 노즐(32)이 개폐된다. 이러한 동작에 의해, 플럭스 호퍼(33)의 플럭스(12)가 용융 슬래그욕(7)에 공급된다.
여기에서, 도 13a는 플럭스 공급 노즐(32)이 폐쇄되어 있는 상태를 도시하고 있다. 한편, 도 13b는 플럭스 공급 노즐(32)이 개방되어 있는 상태를 도시하고 있다. 플럭스 공급 노즐(32)이 개방되면, 플럭스 호퍼(33)의 플럭스(12)는 플럭스 공급 노즐(32)을 거쳐서 용융 슬래그욕(7)에 공급된다.
<플럭스 공급 장치의 다른 구성 예>
다음에, 플럭스 공급 장치(14)의 다른 구성 예에 대해서 설명한다. 도 14는 플럭스 공급 장치(14)의 다른 구성 예를 도시한다.
도 14에 도시하는 예에서의 플럭스 공급 장치(14)에 있어서, 모터(34)에 의해 구동되는 스크루(35)의 회전에 의해, 플럭스 호퍼(33)로부터 플럭스(12)가 압출되고, 도시하지 않은 경로를 경유하여 용융 슬래그욕(7)에 공급된다.
<실시예>
다음에, 실험 결과를 나타내고, 본 실시형태에 있어서의 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시형태는 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시하는 일렉트로슬래그 용접 장치(100)에 있어서, 1.6㎜의 직경을 갖는 용접 와이어(6)를 이용하고, 와이어 송급 속도 15.4m/min, 용접 전압 42V 및 기준 전류값 380A의 조건으로, 판 두께 60㎜의 20° V-개선에 용접을 실행했다. 또한, 팁과 모재간 거리를 45㎜로 설정했다. 또한, 슬래그욕 깊이 25㎜에서 용접을 개시했다. 일렉트로슬래그 용접이 안정된 후에, 슬래그욕을 제어하지 않은 경우(종래법)와 본 실시형태에서 슬래그욕을 제어한 경우의 비교 결과를 도 15에 나타내고 있다. 여기에서, 본 실시형태에서의 결과를 실시예로서 나타내고, 종래법에서의 결과를 비교예로서 나타낸다.
도 15에는, 일렉트로슬래그 용접이 안정된 후의 거리로서, 주행 대차(16)가 상승한 거리를 나타내고, 각 거리에 있어서, "아크 발생", "표면 비드 폭" 및 "용입"의 평가 결과를 나타내고 있다. "아크 발생"에서는, 아크 발생 있음의 경우에 "B"라고 하고, 아크 발생 없음의 경우에 "A"라고 했다. 또한, "용입"에서는, 용입 불량 있음의 경우에 "B"라고 하고, 용입 불량 없음의 경우에 "A"라고 했다. 도 15에 나타내는 결과에 의하면, 용융 슬래그욕(7)을 제어하는 경우에, 용입 깊이가 실질적으로 일정하게 되고, 표면 비드 폭이 크게 변화되지 않는다는 것을 알 수 있다.
또, 본 실시형태에서의 일렉트로슬래그 용접 장치(100)를 이용하여 상기 와이어 송급 속도로 용접을 실행하고, 슬래그욕 깊이를 변화시켰을 경우의 용접 결과에 대해서 설명한다. 도 16은 슬래그욕 깊이가 용접에 미치는 영향을 설명하기 위한 표이다. 도 16에는, 각각의 슬래그욕 깊이에 있어서, "아크 발생", "표면 비드 폭", "용입" 및 "인성(靭性)"의 평가 결과를 나타내고 있다. "인성"에서는, 온도 -20℃의 조건으로, "인성"이 39J(Joule)) 이상인 경우에 "A"라고 하고, "인성"이 39J보다 작은 경우에 "B"라고 했다. 도 16에 나타내는 결과에 의하면, 이러한 경우의 적정 슬래그욕 깊이가 20㎜ 내지 60mm라는 것을 알 수 있다. 여기에서는 하나의 예만을 나타내고 있다. 그렇지만, 실제로 용접에서 사용되는 플럭스 종류, 와이어 종류 및 용접 전압에 따라 작업성이 변화되고, 적정한 슬래그욕 깊이도 변화된다.
또한, 본 실시형태에서는, 일렉트로슬래그 용접 장치(100)가 하나의 전극을 이용하여 용접을 실행하고 있지만, 일렉트로슬래그 용접 장치(100)는 이러한 구성에 한정되는 것이 아니라, 다전극을 이용하여 용접을 실행할 수도 있다.
이상, 본 발명의 일 태양을 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기의 실시형태에 한정되지는 않는다. 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈하는 일없이 본 발명을 다양하게 변경하거나 임의의 다른 모드로 대체할 수 있다는 것은 당업자에게 명확하다.
1 : 구리 백킹 플레이트, 2 : 슬라이드식 구리 백킹 플레이트, 3 : 용접 모재, 4 : 용접 토치, 5 : 콘택트 팁, 6 : 용접 와이어, 7 : 용융 슬래그욕, 8 : 용접 전류, 9 : 용융 금속, 10 : 용접 금속, 11 : 고화 슬래그, 12 : 플럭스, 13 : 용융 슬래그욕 검출기, 14 : 플럭스 공급 장치, 15 : 플럭스 공급 제어 장치, 16 : 주행 대차, 17 : 주행 대차 제어 장치, 18 : 검출 단자, 19 : 차동 증폭기, 20 : 접촉 판정 기준 신호 설정기, 21 : 비교기, 22 : 필터 회로, 23 : 직류 전원, 24 : 저항, 25 : 수광기, 26 : 수광 판정기, 27 : 솔레노이드, 28 : 화살표, 29 : 회전축, 30 : 밸브, 31 : 화살표, 32 : 플럭스 공급 노즐, 33 : 플럭스 호퍼, 34 : 모터, 35 : 스크루, 100 : 일렉트로슬래그 용접 장치

Claims (12)

  1. 일렉트로슬래그 용접 방법에 있어서,
    일렉트로슬래그 용접에서, 콘택트 팁의 선단으로부터 슬래그욕까지의 용접 와이어의 길이가 사전결정된 길이가 되도록 플럭스를 슬래그욕에 공급하는 단계와,
    용접 중의 와이어 송급 속도는 일정한 용접 조건으로, 기준 전류값과 용접 전류 사이의 사전결정된 관계가 만족되도록 용접 토치와 슬라이드식 백킹 플레이트를 구비한 주행 대차의 주행 속도를 조정하는 단계와,
    슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행하는 단계를 포함하는
    일렉트로슬래그 용접 방법.
  2. 일렉트로슬래그 용접 장치에 있어서,
    용접 와이어에 급전하는 콘택트 팁을 갖는 용접 토치와,
    슬라이드식 백킹 플레이트와,
    상기 용접 토치 및 상기 슬라이드식 백킹 플레이트를 구비한 주행 대차와,
    주행 대차 제어 장치와,
    슬래그욕 검출기와,
    플럭스 공급 장치와,
    플럭스 공급 제어 장치를 포함하며,
    상기 슬래그욕 검출기는 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 사전결정된 길이의 위치로 슬래그욕이 상승했을 경우에 슬래그욕을 검출하도록 구성되고,
    상기 플럭스 공급 제어 장치는, 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 슬래그욕까지의 용접 와이어의 길이가 상기 사전결정된 길이가 되도록 하기 위해, 상기 슬래그욕 검출기가 슬래그욕을 검출했을 경우에는 플럭스의 공급을 정지하고, 상기 슬래그욕 검출기가 슬래그욕을 검출하고 있지 않을 경우에는 플럭스의 공급을 실행하도록 상기 플럭스 공급 장치를 제어하도록 구성되고,
    상기 주행 대차 제어 장치는, 용접 중의 와이어 송급 속도는 일정한 용접 조건으로, 와이어 송급 속도에 따라서 결정된 기준 전류값과 용접 전류 사이의 사전결정된 관계가 만족되도록 상기 주행 대차의 주행 속도를 제어하도록 구성되고,
    상기 일렉트로슬래그 용접 장치는 슬래그욕 깊이를 사전결정된 깊이에 유지하면서 용접을 실행할 수 있는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주행 대차 제어 장치는, 상기 사전결정된 관계로서의 상기 기준 전류값보다 상기 용접 전류가 커지면 상기 주행 대차의 주행 속도를 증대시키고, 상기 사전결정된 관계로서의 상기 기준 전류값보다 상기 용접 전류가 작아지면 상기 주행 대차의 주행 속도를 감소시키도록 제어하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬래그욕 검출기는 상기 슬래그욕 검출기의 검출 단자가 슬래그욕과 접촉했을 때에 용접 전압을 검지하여, 슬래그욕을 검출하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬래그욕 검출기는, 검지한 상기 용접 전압을 위빙 주기의 1/2 내지 2배의 시정수를 갖는 필터에 의해 처리하여, 슬래그욕을 검출한 것인지 아닌지를 판정하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 검출 단자는 상기 용접 토치와 연결되어 있는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬래그욕 검출기는, 상기 슬래그욕 검출기의 검출 단자에 직류 전원으로부터 저항을 통해서 전압을 인가하여, 상기 검출 단자가 슬래그욕과 접촉했을 때, 상기 검출 단자의 전압이 저하하는 것에 기초하여 슬래그욕을 검출하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬래그욕 검출기는 포토센서를 갖고, 슬래그욕으로부터의 광을 검출하여 슬래그욕을 검출하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 플럭스 공급 장치는 솔레노이드에 의해 구동되는 밸브에 의해 플럭스를 공급하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 플럭스 공급 장치는 모터에 의해 구동되는 스크루에 의해 플럭스를 공급하도록 구성되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은, 와이어 송급 속도를 변경했을 경우, 상기 와이어 송급 속도와 상기 기준 전류값 사이의 관계를 나타내는 사전결정된 함수에 기초하여 자동적으로 변경되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기준 전류값은 상기 용접 와이어의 종별에 따라서 사전결정되는 상기 함수에 기초하여 상기 용접 와이어의 종별에 의존하여 결정되는
    일렉트로슬래그 용접 장치.
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