KR101906370B1

KR101906370B1 - 와이드 갭 맞대기 용접 방법

Info

Publication number: KR101906370B1
Application number: KR1020170022888A
Authority: KR
Inventors: 김종도; 이창제; 김유찬
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단; 베스트에프에이 주식회사
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-10-10
Also published as: KR20180096322A

Abstract

본 발명은 와이드 갭 맞대기 용접 방법에 관한 것으로서, 일측에 소정 각도로 상향 경사를 이루는 그루브면을 갖는 두 개의 모재를 준비하는 단계와, 상기 두 개의 모재 각각의 그루브면이 서로 마주보는 상태에서 3mm 내지 5mm 범위의 루트 갭을 갖도록 배치하는 단계와, 용접기의 선단에 장착된 용접토치를 상기 두 개의 모재 각각의 그루브면 사이에서 좌우로 위빙하여 용접 와이어를 연속적으로 송급하면서 상기 두 개의 모재를 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 맞대기 용접에서 두 모재 사이의 갭을 연결하는 용접 수행 시 발생하는 아크 길이 변화구간에서도 항상 일정한 용입 깊이를 형성할 수 있어 용접부의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

와이드 갭 맞대기 용접 방법{WIDE GAP BUTT WELDING METHOD}

본 발명은 용접하고자 하는 두 모재 사이의 루트 갭이 종래보다 넓은 경우에도 용입 깊이의 편차를 일정하게 유지하는 와이드 갭 맞대기 용접 방법에 관한 것이다.

파이프 구조물은 해양구조물, 배관, 철탑, 의장 등에 수요가 증대되고 있고, 이를 제작하기 위한 생산성과 정밀성이 함께 요구되고 있다. 이러한 파이프 간의 결합 제작 공정은 주로 루트패스(root pass, 초층)와 필패스(fill pass, 두번째 이상층) 용접으로 구성되며, 루트패스는 결함발생 가능성 등으로 인해 숙련된 작업자의 경험에 크게 의존하여 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW; gas tungsten arcwelding)을 이용하고, 필패스는 주로 반자동 형태의 가스 메탈 아크 용접(GMAW; gas metal arc welding) 방법을 적용하고 있다.

용접 공정 중 맞대기 이음은 강재끼리 맞대어진 상태, 즉 일직선으로 나란히 된 상태로 접합하는 이음으로써, 용접부를 따라 용착 금속이 메워지도록 개선(groove)을 형성하여야 하며, 강재의 V자형, U자형 개선 사이에 루트 갭(root gap)을 두고 용접한다.

맞대기 이음으로 배관 용접 시 배관을 용접하기 위하여 어느 정도의 개선 각도를 가지도록 개선면을 만들고, 상기 개선면 사이에 용접 비드를 채워 넣으면서 용접을 하게 된다. 이 경우 가장 먼저 상기 용접 비드를 채우기 위하여 루트갭 사이에 초층 용접을 하게 되는데, 맞대기 이음에서 초층 용접이란 한번 또는 그 이상의 패스(pass)로 형성된 용착 금속의 최초층의 용접을 말한다.

종래 맞대기 이음으로 배관 용접시 루트면 없이 3mm 이하의 루트갭을 가진 개선면을 만들고, 불활성 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 방법을 병행하였다. 그러나 이러한 종래 방법의 경우 생산성을 높이기 위해 대전류 고속 용접을 하면 언더컷이나 험핑 비드와 같은 불안정 비드가 나타나게 되고, 이와는 반대로 용접 속도를 낮추게 되면 입열량이 증가하게 되어 용락의 발생 및 용접부의 변형, 잔류 응력이 커지게 되는 문제점이 나타나게 되었다.

이에 따라, 가스 금속 아크 용접(GMAW; Gas Metal Arc Welding)이 새로운 방안으로 사용되어 왔다. 가스 금속 아크 용접(GMAW)은 용가재로서 작용하는 소모전극 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재 사이에서 아크가 발생되도록 하는 용접법으로서, 연속적으로 송급되는 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하게 되며, 용융 부위는 가스 노즐을 통하여 공급되는 보호 가스에 의해 주위의 대기로부터 보호받게 된다. GMAW는 비교적 세경(0.8 내지 1.6mm)의 전극 와이어를 사용하므로 전류 밀도가 높아져 용착 속도가 높기 때문에 다른 용접법에 비하여 능률적이다. 또한, 용접 로봇이나 자동화기기 등을 사용하여 용접 자동화가 비교적 용이하다는 장점이 있다.

현재 상용화되어 있는 GMA 용접 방식은 정전압 특성에 따라 용접토치와 모재 간의 거리(CTWD; Contact Tip to Workpiece Distance)가 변화하면 용접전류가 변화되면서 아크길이를 유지한다. 그러나 급격한 CTWD의 변화에는 정전압 특성에 따른 아크전압의 변화가 따라가지 못해 일정한 시임이 얻어지지 않으며, 더불어 CTWD가 변화하면 정전압을 유지하기 위해 용접전류가 변화하여 용접 입열량이 증가 또는 감소하게 된다. 이는 시임 외관의 변화뿐만 아니라 입열량 감소나 증가에 따른 용입깊이의 변화까지도 수반하게 된다. 특히 CTWD가 길어지면 용접전류가 낮아져 용입깊이가 감소하고 CTWD가 짧아지면 용접전류가 높아져 용입깊이가 깊어지게 된다.

따라서 CTWD의 변화가 크게 일어날 수 있는 형상을 가진 제품의 용접이나 숙련도가 낮은 용접사 등의 경우 토치와 제품 간의 거리(CTWD)를 일정하게 유지하지 못해 용입 깊이 등의 편차가 발생하고 있다. 이는 용접 신뢰성과 연관되어 용접 보수비용이나 검사비용 등이 증가하게 되는 원인이 되고 있다.

KR

10-0649053

B1

KR

10-0666788

B1

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접하고자 하는 두 모재 사이의 루트 갭이 종래보다 넓은 경우에 용접 토치와 모재 간의 거리(CTWD)가 급격히 변화하더라도 용입 깊이의 편차를 일정하게 유지할 수 있는 와이드 갭 맞대기 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 방법은, 일측에 소정 각도로 상향 경사를 이루는 그루브면을 갖는 두 개의 모재를 준비하는 단계와, 상기 두 개의 모재 각각의 그루브면이 서로 마주보는 상태에서 3mm 내지 5mm 범위의 루트 갭을 갖도록 배치하는 단계와, 용접기에 장착된 용접토치를 상기 두 개의 모재 각각의 그루브면 사이에서 좌우로 위빙하여 용접 와이어를 연속적으로 송급하면서 상기 두 개의 모재를 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 맞대기 용접에서 두 모재 사이의 갭을 연결하는 용접 수행 시 발생하는 아크 길이 변화구간에서도 항상 일정한 용입 깊이를 형성할 수 있어 용접부의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 두 모재 간의 갭이 큰 경우에도 자동화 설비를 이용해 초층 용접을 수행할 수 있어 작업자의 인건비를 절감할 수 있고, 백플레이트 없이도 용접이 가능하여 높은 응력집중의 발생으로 인한 피로수명이 저하되는 현상을 방지할 수 있어 용접된 제품의 내구성이 확보되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 시 단면도를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 방법을 나타내는 순서도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접의 보호가스가 100% CO₂인 경우와 Ar-CO₂ 혼합가스인 경우 각각의 위빙 주파수에 따른 전면 및 이면 비드 형상을 나타내는 사진이고,
도 4는 본 발명에서 이용되는 용입 스테빌라이저 기능을 종래의 맞대기 용접 및 필릿 용접에 적용한 경우와 그렇지 않은 경우에서의 용입깊이에 따른 용접 전류 및 전압과 CTWD를 나타내는 도면이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 시 단면도를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 일측에 소정 각도로 상향 경사를 이루는 그루브면(11)을 갖는 두 개의 모재(10)를 준비한다(S100).

여기서, 모재(10)는 두께 8mm^t의 선체구조용 고장력강인 AH36강일 수 있으며, 인장강도 400~490MPa(41~50kgf/mm²)급인 연강과 인장강도 490MPa(50kgf/mm²)급 이상인 고장력강으로 구별되고, 이중 고장력강은 항복강도에 따라 314MPa(32kgf/mm²)급, 353MPa(36kgf/mm²)급, 392MPa(40kgf/mm²)급 및 461MPa(47kgf/mm²)급으로 세분될 수 있다.

예컨대, 본 발명에 따른 모재(10)인 AH36강은 화학적 조성으로서 탄소(C) 0.15 중량부, 규소(Si) 0.39 중량부, 망간(Mn) 1.5 중량부, 인(P) 0.02 중량부, 황(S) 0.003 중량부, 몰리브덴(Mo) 0.08 중량부, 크롬(Cr) 0.03 중량부, 니켈(Ni) 0.01 중량부 및 구리(Cu) 0.008 중량부를 포함하여 구성되되, 모재(10)의 항복점(Yield point)은 376 [N/mm²]이고, 모재(10)의 인장강도(Tensile strengh)는 543 [N/mm²]이며, 모재(10)의 연신율(Elongation)은 24[%]일 수 있다.

다음으로, 두 개의 모재(10) 각각의 그루브면(11)이 서로 마주보는 상태에서 3mm 내지 5mm의 루트갭(g)을 갖도록 배치한다(S200).

이때, 모재(10)의 그루브면(11)은 18° 내지 22°의 상향 경사를 이루도록 가공된 형태일 수 있으며, 예컨대, 도 1을 참조하면, 각각의 그루브면이 서로 마주보는 두 개의 모재(10) 사이에 이루는 각(A)은 36° 내지 44°인 것이 바람직하다.

다음으로, 용접기의 선단에 장착된 용접토치를 두 개의 모재(10) 각각의 그루브면(11) 사이에서 좌우로 위빙하여 용접 와이어를 연속적으로 송급하면서 상기 두 개의 모재(10)를 용접한다(S300).

여기서, 상기 용접하는 단계(S300)는, 용접토치를 좌우로 위빙하여 두 개의 모재(10)의 그루브면(11) 사이를 지그재그 방식으로 교차 이동하도록 하되, 상기 용접토치가 이동하여 상기 그루브면(11)의 단부에 도달하게 되면 기설정된 체류시간 동안 상기 용접토치의 이동을 정지시킨 후 상기 용접토치의 이동이 재개되도록 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 용접 와이어가 상기 모재(10)의 그루브면(11)의 단부에 체류하는 시간은 0.5초 내지 1.5초일 수 있다.

이때, 상기 용접토치를 두 개의 모재(10)의 그루브면(11) 사이에서 좌우로 위빙할 때의 위빙폭(W)은 6mm 내지 10mm일 수 있으며, 예컨대, 8mm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 용접하는 단계(S300)는, 상기 용접 와이어 선단과 상기 모재(10)와의 사이에 아크를 발생시켜 그 열로 상기 두 개의 모재를 용접할 수 있다.

이때, 상기 용접 시 보호가스는 100% CO₂ 또는 Ar-CO₂ 혼합가스를 사용할 수 있고, 상기 용접토치의 위빙 주파수는 상기 보호가스가 100% CO₂인 경우가 Ar-CO₂ 혼합가스인 경우보다 더 높을 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이드 갭 맞대기 용접의 보호가스가 100% CO₂인 경우와 Ar-CO₂ 혼합가스인 경우 각각의 위빙 주파수에 따른 전면 및 이면 비드 형상을 나타내는 사진이다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 상기 보호가스로 100% CO₂를 사용한 경우, 전면 비드는 드웰(dwell) 구간에서 다량의 스패터(spatter)가 발생하고, 이면 비드는 위빙 주파수 1.0Hz 및 2.0Hz에서 각각 용락(Burn through) 및 불완전 루트 융합(incomplete fusion root)이 발생하되 1.5Hz에서 건전한 외관인 완전 루트(complete root)를 얻게 된다.

다음으로, 도 3b를 참조하면, 상기 보호가스로 Ar-CO₂ 혼합가스를 사용한 경우, 전면 비드는 스패터가 매우 적은 건전한 외관을 얻을 수 있으나, 이면 비드는 0.5Hz에서 용락(Burn through)가 나타나고 1.5Hz 이상에서 불완전 융합(incomplete fusion)이 관찰되되 1.0Hz에서 건전한 외관인 완전 루트(complete root)를 얻게 된다.

즉, 상기 위빙 주파수는 상기 보호가스가 100% CO₂일 때는 1.5 Hz이고, 상기 보호가스가 Ar-CO₂ 혼합가스일 때는 1.0 Hz인 것이 바람직하며, 이에 따라, 상기 용접토치의 위빙 주파수는 상기 보호가스가 100% CO₂인 경우가 Ar-CO₂ 혼합가스인 경우보다 더 높게 된다.

아래의 표 1은 본 발명에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 방법(gap bridge welding)에서 최적화된 설계 파라미터를 나타낸 것이다.

Parameters	gap bridge welding
Experimental equipment	TPS 400i
Synergic	CO₂ 100%, LSC Universal 2790
Synergic	Ar/CO₂ 20%, LSE Universal 2765
Shield gas	100% CO₂ and Ar/CO₂ 20%
Welding speed	30 cpm
Current reference	190 A
Welding position	PA, Touch angle 0 Advance angle 10 Butt groove welding
Weld geometry	Groove 40 Root gap 5 mm With no backing

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 와이드 갭 맞대기 용접 방법의 경우, 주 실험용 기자재(Experimental equipment)로는 'TPS 400i'를 사용하되, 용접 시 사용되는 보호가스(Shield gas)가 CO₂ 100%이면 시너직(synergic)으로 'LSC Universal 2790'을 사용하고, 상기 보호가스가 Ar/CO₂ 20%이면 시너직(synergic)으로 'LSE Universal 2765'을 사용한다.

또한, 용접속도(Welding speed)는 30cpm, 용접전류(Current referecne)는 190 A이고, 용접자세(Welding position)는 'PA'로서 토치각(Touch angle) 0°, 후진각(advance angle) 10°의 상태로 맞대기 그루브 이음을 수행한다.

이때, 용접 기하학 구조(Weld geometry), 즉, 상기 용접이 수행되는 두 개의 모재(10)의 기하학적인 배치 상태는 그루브각(Groove) 40°, 루트갭(Root gap) 5mm이며, 두 개의 모재(10)의 루트갭 하부에는 백킹(backing) 플레이트가 설치되지 않은 상태이다.

한편, 상기 용접하는 단계(S300)에서 상기 용접 와이어를 송급하는 기술로는, 용접토치와 모재 간의 거리(CTWD)가 변화하면 기계적으로 와이어 송급 속도를 변화시켜 용접전류 및 용입 깊이를 일정하게 유지하도록 하는 '용입 스테빌라이저' 기술이 적용될 수 있으며, 이때 스테빌라이저는 '5' 또는 '6'으로 적용되는 것이 바람직하다.

도 4a 및 도 4b는 종래의 맞대기 용접을 수행할 때 본 발명에서 이용되는 용입 스테빌라이저의 적용 유무에 따른 횡단면 사진과 용접 전류 및 전압을 모니터링한 결과를 함께 나타낸 도면이고, 도 4c 및 도 4d는 종래의 필릿 용접을 수행할 때 상기 스테빌라이저의 적용 유무에 따른 횡단면 사진과 용접 전류 및 전압을 모니터링한 결과를 함께 나타낸 도면이다.

먼저, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 맞대기 용접 시의 스테빌라이저 적용 유무에 따른 결과를 분석해보면, 용접전류 = 351A, 용접속도 = 30 cm/min, 용접전압 = 31.5V, 토치각도 = 전진각 10°의 조건일 때, 맞대기 용접 시 스테빌라이저를 적용하지 않은 경우(도 4a 참조), 용입 깊이는 CTWD에 반비례하는 경향을 나타내고, 용접 전압은 일정하게 유지되나, 용접전류는 CTWD의 변화 추이와 유사한 경향을 나타낸다. 이에 반해, 전술한 조건에서 맞대기 용접 시 스테빌라이저를 '5'로 적용한 경우(도 4b 참조)엔 용입 깊이는 CTWD가 변화하여도 일정하게 유지되었으며, 용접 전류 및 전압 또한 일정한 파형을 나타낸다.

다음으로, 도 4c 및 도 4d를 참조하여 필릿 용접 시의 스테빌라이저 적용 유무에 따른 결과를 분석해보면, 용접전류 = 350A, 용접속도 = 50cm/min, 토치각도 = 전진각 10°의 조건일 때, 필릿 용접 시 스테빌라이저를 적용하지 않은 경우(도 4c 참조), 용접 전압은 일정하게 유지되나 용접전류는 CTWD의 변화에 반비례하는 경향을 나타낸다. 이에 반해, 전술한 조건에서 필릿 용접 시 스테빌라이저를 '6'으로 적용한 경우(도 4d 참조)엔 CTWD가 변화하여도 용접 전류 및 전압 모두 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 맞대기 용접에서 두 모재 사이의 갭을 연결하는 용접 수행 시 발생하는 아크 길이 변화구간에서도 항상 일정한 용입 깊이를 형성할 수 있어 용접부의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위는 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 모재
11: 그루브면

Claims

일측에 소정 각도로 상향 경사를 이루는 그루브면을 갖는 두 개의 모재를 준비하는 단계;
상기 두 개의 모재 각각의 그루브면이 서로 마주보는 상태에서 3mm 내지 5mm 범위의 루트 갭을 갖도록 배치하는 단계; 및
용접기의 선단에 장착된 용접토치를 상기 두 개의 모재 각각의 그루브면 사이에서 좌우로 위빙하여 용접 와이어를 연속적으로 송급하면서, 상기 용접 와이어의 선단과 상기 두 개의 모재 사이에 아크를 발생시켜 그 열로 상기 두 개의 모재를 용접하되, 용접시 보호가스는 100% CO₂ 또는 Ar-CO₂ 혼합가스를 사용하며 상기 용접토치의 위빙 주파수는 상기 보호가스가 100% CO₂인 경우가 Ar-CO₂ 혼합가스인 경우보다 더 높도록 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이드 갭 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접하는 단계는,
상기 용접토치를 좌우로 위빙하여 상기 두 개의 모재의 그루브면 사이를 지그재그 방식으로 교차 이동하도록 하되, 상기 용접토치가 이동하여 상기 그루브면의 단부에 도달하게 되면 기설정된 체류시간 동안 상기 용접토치의 이동을 정지시킨 후 상기 용접토치의 이동이 재개되도록 하는 것을 특징으로 하는 와이드 갭 맞대기 용접 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 용접 와이어가 상기 모재의 그루브면의 단부에 체류하는 시간은 0.5초 내지 1.5초인 것을 특징으로 하는 와이드 갭 맞대기 용접 방법.