KR102032106B1

KR102032106B1 - 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR102032106B1
Application number: KR1020187006624A
Authority: KR
Inventors: 쇼헤이 고즈키; 나오야 하야카와; 겐지 오이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2019-10-15
Also published as: CN108367376A; KR20180031046A; WO2017098692A1; CN108367376B

Abstract

용접 와이어로서, REM (Rare Earth Metal) 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하고, 또한 Se 및 Te 중에서 선택한 1 종 또는 2 종을 합계로 0.005 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하여, 초층 용접 조건, 특히 용접 토치 각도나 용접 입열량 모두, 위빙 조건을 적정하게 제어한다.

Description

수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법

본 발명은, 협개선 (狹開先) 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것으로서, 특히 2 장의 후강재의 맞댐 용접에 적용할 수 있는, 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 「협개선」이란, 개선 각도가 20°이하이고 또한 피용접재가 되는 강재 간의 최소 개선 폭이, 당해 강재의 판두께의 50％ 이하인 것을 의미한다.

강의 용접 시공에 사용되는 가스 실드 아크 용접은, CO₂ 단독의 가스, 또는 Ar 과 CO₂ 의 혼합 가스를 용융부의 실드에 사용하는 소모 전극식이 일반적이다. 이와 같은 가스 실드 아크 용접은, 자동차, 건축, 교량 및 전기 기기 등의 제조 분야에 있어서 폭넓게 사용되고 있다.

그런데 최근, 강 구조물의 대형화·후육화에 수반하여, 제작 과정에서의 용접, 특히 강재의 맞댐 용접에 있어서의 용착량이 증대하고, 나아가서는 용접 시공에 많은 시간이 필요해져, 시공 비용의 증대를 초래하고 있다.

이것을 개선하는 방법으로서, 판두께에 대해 작은 간극의 개선을 아크 용접법에 의해 용접하는, 협개선 가스 실드 아크 용접의 적용을 생각할 수 있다. 이 협개선 가스 실드 아크 용접은, 통상적인 가스 실드 아크 용접과 비교하여 용착량이 적어지므로, 용접의 고능률화·에너지 절약화를 달성할 수 있고, 나아가서는 시공 비용의 저감을 가져올 것으로 기대된다.

한편, 수직 방향의 고능률 용접에는, 통상적으로 일렉트로 슬래그 용접이 적용되고 있는데, 1 패스 대입열 용접이 기본이고, 판두께가 60 ㎜ 를 초과하는 용접에서는 입열 과다가 되어 인성 (靭性) 저하가 우려되고 있다. 또, 1 패스 용접에는 판두께의 한계가 있어, 특히 판두께가 65 ㎜ 를 초과하는 용접은, 아직 기술이 확립되어 있지 않은 것이 현 상황이다.

이 때문에, 협개선 가스 실드 아크 용접을 수직 방향 용접에 적용한, 고품질이며 또한 고능률적인 용접 방법을 개발하는 것이 요망되고 있다.

이와 같은 협개선 가스 실드 아크 용접을 수직 방향 용접에 적용한 용접 방법으로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 양면 U 형 개선 이음매를 대상으로 하는 양측 다층 용접 방법이 개시되어 있다. 이 용접 방법에서는, 이너트 가스를 사용한 TIG 용접에 의한 적층 용접을 실시하고 있고, 이너트 가스를 사용함으로써 슬래그나 스퍼터의 발생을 억제하여, 적층 결함을 방지하는 것으로 하고 있다.

그러나, 비소모 전극식인 TIG 용접은, 소모 전극인 강 와이어를 사용하는 MAG 용접이나 CO₂ 용접과 비교하여, 용접법 그 자체의 능률이 크게 떨어진다.

또, 특허문헌 2 에는, 스퍼터나 융합 불량을 억제하기 위하여 용접 토치의 위빙을 실시하는, 협개선의 수직 방향 용접 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이 용접 방법에서는, 용접 토치의 위빙 방향이, 개선 깊이 방향이 아니라, 강판 표면 방향이기 때문에, 용융 금속이 늘어지기 전에 용접 토치를 위빙시킬 필요가 있고, 결과적으로, 용접 전류를 150 A 정도의 저전류로 하고, 1 패스당의 용착량 (≒ 입열량) 을 억제할 필요가 발생한다.

그 때문에, 이 용접 방법을 판두께가 큰 후강재의 용접에 적용하는 경우에는, 소량 다패스의 적층 용접이 되어, 용입 불량 등의 적층 결함이 많아지는 것 이외에, 용접 능률이 크게 저하된다.

또한, 특허문헌 3 에는, 특허문헌 2 와 마찬가지로, 융합 불량을 억제하기 위하여 용접 토치의 위빙을 실시하는, 수직 방향 용접 방법이 개시되어 있다.

여기서 개시되는 면 각도 (개선 각도) 는 26.3 ∼ 52°로 넓기는 하지만, 여기서의 용접 토치의 위빙은 개선 깊이 방향에 대해서도 실시된다. 그 때문에, 특허문헌 3 의 수직 방향 용접 방법에서는, 1 패스당의 용착량을 비교적 많이 취하는 것이 가능하다.

그러나, 개선 깊이 방향의 위빙량이 작고, 또 용접 금속 및 용접 와이어 조성이 고려되어 있지 않기 때문에, 1 패스당의 용착량 (≒ 입열량) 을 억제할 필요가 발생하여, 1 패스당의 용접 깊이는 10 ㎜ 정도로 얕아진다.

그 때문에, 이 용접 방법을 판두께가 큰 후강재의 용접에 적용하는 경우에는, 역시 소량 다패스의 적층 용접이 되어, 용입 불량 등의 적층 결함이 많아지는 것 이외에, 용접 능률이 저하된다.

또, 특허문헌 4 에는, 극후재의 1 패스 용접을 가능하게 한 2 전극의 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 개시되어 있다.

이 2 전극의 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 사용에 의해, 판두께 : 70 ㎜ 정도까지의 후강재의 접합이 가능해진다. 그러나, 2 전극화에 의해 입열량이 360 kJ/㎝ 정도로 대폭 증가한다. 이 때문에, 강판으로의 열 영향이 크고, 이음매에 높은 특성 (강도, 인성) 이 요구되는 경우, 이와 같은 특성을 만족시키는 것이 매우 곤란해진다.

또, 이 2 전극의 일렉트로 가스 아크 용접 장치에서는, 개선에 있어서, 이면 측에는 세라믹의 백킹 스트립을, 표면 (용접기측) 에는 수랭식의 구리 스트립의 가압 기구를 형성하는 것이 불가결하고, 용융 금속의 늘어짐의 걱정이 없는 반면, 용접 장치가 복잡해진다.

나아가서는, 이 2 전극의 일렉트로 가스 아크 용접 장치에서는, 표면 (용접기측) 에 구리 스트립의 가압 기구를 형성하는 것이 불가결하기 때문에, 1 패스 용접이 기본이고, 다패스의 적층 용접으로서 저입열화를 도모하는 것은 곤란하다.

일본 공개특허공보 2009-61483호 일본 공개특허공보 2010-115700호 일본 공개특허공보 2001-205436호 일본 공개특허공보 평10-118771호

상기한 바와 같이, 후강재의 용접에 적용할 수 있는, 고품질이며 또한 고능률적인 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법은, 아직 개발되어 있지 않은 것이 현 상황이다.

한편, 용접 자동화 기술 (용접 로봇) 의 경량·고기능·고정밀화가 진행되어, 지금까지 곤란하였던 개선 형상과 용접 자세에 적합한 용접 토치의 위빙이 가능해지고, 이것을 활용함으로써, 강재, 개선 형상, 용접 자세 및 용접 재료 (와이어) 에 적합한 용접 시공 (조건 설정) 이 가능해지고 있다.

본 발명은, 고기능이며 또한 고정밀도의 용접 자동화 기술을 활용함으로써, 후강재, 특히 판두께가 40 ㎜ 이상인 후강재의 용접에 적용하는 것이 가능한, 고품질이며 또한 고능률적인 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 후강재에 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접을 적용하는 경우의 용접 조건에 대해, 예의 연구를 거듭하였다.

그 결과, 후강재의 수직 방향의 협개선 가스 실드 아크 용접을 실시할 때, 용접 금속 및 열 영향부에 있어서 원하는 기계적 특성을 얻음과 함께, 용접의 고능률화를 실현하려면, 협개선으로 하여 용착량을 저감시키면서, 1 패스당의 용접 입열량을 최대한 억제하는 것이 중요한 것을 지견하였다.

그래서, 발명자들은, 상기한 용접을 실시하기 위한 용접 조건에 대해, 더욱 연구를 진행시켰다. 그 결과, 개선 조건을 소정의 조건으로 한 다음, 소정의 성분 조성을 갖는 용접 와이어를 사용함과 함께, 초층의 용접 조건을 적정하게 제어하는 것이 유효하다는 지견을 얻었다. 즉, 통상적으로 용접 와이어에는 피용접재가 되는 강재와 공금계 (共金系) 의 성분 조성을 갖는 것이 사용되는데, 그에 REM (Rare Earth Metal), Se 및 Te 를 복합 첨가한 용접 와이어를 사용함과 함께, 초층의 용접 조건 중, 특히 용접 토치 각도 및 위빙 조건을 적정하게 제어함으로써, 수직 방향 용접에 있어서 문제가 되는 용융 금속의 늘어짐의 억제를 포함하는 비드 형상의 안정화와 용접 결함의 발생 방지를 도모하면서, 고인성의 용접 이음매가 얻어진다는 지견을 얻었다. 그리고, 이로써, 판두께가 40 ㎜ 이상의 후강재여도, 원하는 기계적 특성이 얻어지고, 고품질이며 또한 고능률적인 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접을 실시하는 것이 가능해진다는 지견을 얻었다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여, 더욱 검토를 더한 끝에 완성된 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 개선 각도를 20°이하, 개선 갭을 20 ㎜ 이하로 하여, 판두께가 40 ㎜ 이상인 2 장의 후강재를, 위빙을 사용하는 1 층 용접 또는 다층 용접에 의해 접합하는 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,

용접 와이어로서, REM 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하고, 또한 Se 및 Te 중에서 선택한 1 종 또는 2 종을 합계로 0.005 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하고,

초층 용접시에, 용접 토치의 각도를 수평 방향에 대해 10°이상 75°이하, 용접 입열을 500 kJ/㎝ 이하로 함과 함께, 판두께 방향으로의 위빙 깊이를 15 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하로 하고, 또한 초층 용접에 있어서의 용접 비드폭을 W 로 한 경우에, 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭을 (W － 6) ㎜ 이상 W ㎜ 이하로 하여, 용접 토치의 위빙을 실시하는, 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

2. 상기 초층 용접의 위빙에 있어서, 용접선 방향에서 본 용접 토치의 위빙 패턴이 コ 자형인, 상기 1 에 기재된 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.

본 발명에 의하면, 판두께가 40 ㎜ 이상인 후강재를 용접하는 경우에도, 수직 방향 용접에 있어서 문제가 되는 용융 금속의 늘어짐 억제를 포함하는 비드 형상의 안정화와 용접 결함을 방지하면서, 고품질이며 또한 고능률적인 협개선 가스 실드 아크 용접을 실시하여, 고인성의 용접 이음매를 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 용접 방법은, 소정의 성분 조성을 갖는 용접 와이어를 사용하여, 초층 용접 조건을 적정하게 제어함으로써, 통상적인 가스 실드 아크 용접에 비해, 스퍼터의 발생이 적고, 또 개선 벽면으로 아크가 밀려 올라가는 것도 방지하여 용접할 수 있기 때문에, 용접 결함이 특히 적어 용접의 고능률화에 의한 에너지 절약화를 달성할 수 있어, 용접 시공 비용의 대폭적인 저감이 가능해진다.

도 1 은 각종 개선 형상의 예를 나타내는 것이다.
도 2 는 V 형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 용접 방법에 의해 초층 용접을 시공할 때의 시공 요령의 일례를 나타내는 것이다.
도 3 은 V 형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 용접 방법에 의해 초층 용접을 실시한 후의 개선 단면의 일례를 나타내는 것이다.
도 4 는 초층 용접의 위빙에 있어서의, 용접선 방향에서 본 용접 토치의 위빙 패턴의 예를 나타내는 것으로, (a) 가 コ 자형, (b) 가 사다리꼴, (c) 가 V 자형, (d) 가 삼각형인 것이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1 의 (a) ∼ (c) 는, 각종 개선 형상의 예를 나타내는 것이다. 도면 중, 부호 1 이 후강재, 2 가 후강재의 개선면, 3 이 (Y 형 개선에 있어서의) 강재 하단부의 개선이고, 기호 θ 로 개선 각도를, G 로 개선 갭을, t 로 판두께를, h 로 (Y 형 개선에 있어서의) 강재 하단부의 개선 높이를 나타낸다.

동 도면에서 나타낸 바와 같이, 여기서 대상으로 하는 개선 형상은 V 형 개선 (I 형 개선 및 レ 형 개선을 포함한다) 및 Y 형 개선 중 어느 것으로 하는 것도 가능하고, 또 도 1 의 (c) 에 나타내는 바와 같이 다수 단의 Y 형 개선으로 하는 것도 가능하다.

또한, 도 1 의 (b) 및 (c) 에 나타내는 바와 같이, Y 형 개선인 경우의 개선 각도 및 개선 갭은, 강재 하단부의 개선에 있어서의 개선 각도 및 개선 갭으로 한다. 여기서, 강재 하단부의 개선이란, 용접시에 이면 (용접 장치 (용접 토치) 측의 면을 표면, 그 반대측의 면을 이면으로 한다) 이 되는 강재면으로부터 판두께의 20 ∼ 40 ％ 정도까지의 영역을 의미한다.

또, 도 2 는, V 형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 용접 방법에 의해 초층 용접을 시공할 때의 시공 요령을 나타내는 것이다. 도면 중, 부호 4 가 용접 토치, 5 가 용접 와이어, 6 이 백킹 스트립재이고, φ 가 수평 방향에 대한 용접 토치의 각도이다. 또한, 용접선, 용융지 (溶融池) 및 용접 비드에 대해서는 도시를 생략하고 있다.

여기서, 본 용접 방법은, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 소정의 판두께가 되는 2 장의 후강재를 맞대고, 이들 후강재끼리를, 위빙을 사용하는 수직 방향 용접에 의해 접합하는 가스 실드 아크 용접으로, 진행 방향을 상측 방향으로 하는 상진 (上進) 용접을 기본으로 한다.

또한, 여기서는, V 형의 개선 형상을 예로서 나타냈지만, 다른 개선 형상에서도 동일하다.

또한, 도 3 은, V 형의 개선 형상에 있어서, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 용접 방법에 의해 초층 용접을 실시한 후의 개선 단면을 나타내는 것이다. 도면 중, 부호 7 이 용접 비드 (초층 용접에 있어서의 용접 비드) 이고, 기호 D 로 초층 용접에 있어서의 접합 깊이를, W 로 초층 용접에 있어서의 용접 비드폭 (초층 용접 후의 개선 간의 갭) 을 나타낸다.

또한, 초층 용접에 있어서의 접합 깊이 (D) 는, 용접시에 이면이 되는 강재면을 기점으로 한 경우의 초층 용접에 있어서의 용접 비드 높이의 최소값 (기점의 강재면으로부터 가장 가까운 (낮은) 초층 용접에 있어서의 용접 비드 높이) 이다.

여기서는, V 형의 개선 형상을 예로서 나타냈지만, 다른 개선 형상에서도 D 및 W 는 동일하다.

다음으로, 본 발명의 용접 방법에 있어서, 바닥부 개선 각도, 바닥부 개선 갭 및 강재의 판두께를 상기의 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다.

개선 각도 θ : 20°이하

강재의 개선부는 작을수록 보다 빠르게 고능률적인 용접을 가능하게 하는 반면, 융합 불량 등의 결함이 발생하기 쉽다. 또, 개선 각도가 20°를 초과하는 경우의 용접은, 종래의 시공 방법으로도 실시 가능하다. 이 때문에, 본 발명에서는, 종래의 시공 방법으로는 시공이 곤란하고, 또한 한층 더 고능률화가 예상되는 개선 각도 : 20°이하인 경우를 대상으로 한다.

또한, V 형 개선에 있어서, 개선 각도가 0°인 경우에는 이른바 I 형 개선이라고 불리고, 용착량의 면에서는 이 0°인 경우가 가장 효율적이며, 개선 각도가 0°(I 형 개선) 여도 되지만, 용접 열변형에 의해 용접 중에 개선이 닫히기 때문에, 이것을 예상하여, 판두께 (t) (단, Y 형 개선의 경우에는 강재 하단부의 개선 높이 (h)) 에 따른 개선 각도를 설정하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 개선 각도는 (0.5 × t/20)°이상, (2.0 × t/20)°이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 (0.8 × t/20)°이상, (1.2 × t/20)°이하이다. 예를 들어, 판두께 (t) 가 100 ㎜ 인 경우, 개선 각도는 2.5°이상, 10°이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4°이상, 6°이하이다.

단, 판두께 (t) 가 100 ㎜ 를 초과하면, 바람직한 범위의 상한은 10°를 초과하게 되지만, 이 경우의 바람직한 범위의 상한은 10°로 한다.

개선 갭 G : 20 ㎜ 이하

강재의 개선부는 작을수록, 보다 빠르게 고능률적인 용접을 가능하게 한다. 또, 개선 갭이 20 ㎜ 를 초과하는 경우의 용접은, 용융 금속이 늘어지기 쉬워 시공이 곤란하다. 그 대책으로는, 용접 전류를 낮게 억제할 필요가 있게 되지만, 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 개선 갭은 20 ㎜ 이하인 경우를 대상으로 한다. 바람직하게는 4 ㎜ 이상, 12 ㎜ 이하이다.

판두께 (t) : 40 ㎜ 이상

강재의 판두께는 40 ㎜ 이상으로 한다. 그렇다는 것은, 강재의 판두께가 40 ㎜ 미만이면, 종래의 용접 방법, 예를 들어, 특허문헌 4 의 일렉트로 가스 아크 용접을 사용해도, 이음매의 강도나 인성 등의 성능에 큰 문제는 발생하지 않기 때문이다.

또한, 일반적인 압연 강재를 대상으로 하는 경우, 판두께는 일반적으로 100 ㎜ 가 상한이다. 따라서, 강재의 판두께는 100 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 피용접재로 하는 강종으로는, 고장력강 (예를 들어, 조선용 극후 YP460 ㎫ 급 강 (인장 강도 570 ㎫ 급 강) 이나 건축용 TMCP 강 SA440 (인장 강도 590 ㎫ 급 강)) 이 특히 바람직하다. 그렇다는 것은, 고장력강은, 용접 입열 제한이 엄격하고, 용접 금속에 균열이 발생하기 쉬운 것 이외에, 용접 열 영향에 의해 요구되는 이음매 강도나 인성이 얻어지지 않는다. 이에 대해 본 발명의 용접 방법에서는, 입열량 : 500 kJ/㎝ 이하에서 효율적으로 용접이 가능하고, 590 ㎫ 급 고장력 강판, 고합금계가 되는 590 ㎫ 급 내식강의 용접도 가능하다. 당연히 연강에도 문제없이 대응할 수 있다.

이상, 본 발명의 용접 방법에 있어서, 개선 각도, 개선 갭 및 강재의 판두께를 한정한 이유에 대해 설명했지만, 본 발명의 용접 방법에서는, 상기한 후강재의 개선 형상 및 판두께에 적합한 입열량으로 효율적으로 용접하기 위하여, 피용접재가 되는 강재와 공금계의 성분 조성에 REM, Se 및 Te 를 복합 첨가한 용접 와이어를 사용함과 함께, 초층 용접 조건을 적정하게 제어하는 것이 중요하다.

이하, 본 발명의 용접 방법에서 사용하는 용접 와이어의 성분 조성에 대해 설명한다.

REM : 0.015 ∼ 0.100 질량％

REM 은, 제강 및 주조시의 개재물의 미세화나, 용접 금속의 인성 개선을 위해서 유효한 원소이다. 또, REM 은, 특히 용접 와이어를 정극성 (와이어 마이너스) 으로 한 경우나, 용접 전류를 크게 한 경우에, 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화, 나아가서는 개선면에 대한 아크의 발생을 더욱 유리하게 억제할 수 있다는 효과도 갖는다. 이 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화에 의해, 스퍼터의 발생을 억제하고, 안정적인 가스 실드 아크 용접을 실시하는 것이 가능해진다. 여기서, REM 함유량이 0.015 질량％ 미만에서는, 이 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화 효과가 얻어지지 않는다. 한편, REM 함유량이 0.100 질량％ 를 초과하면, 용접 와이어의 제조 공정에서 균열이 발생하거나, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 용접 와이어의 REM 함유량은, 0.015 ∼ 0.100 질량％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.025 질량％ 이상, 0.050 질량％ 이하이다.

Se 및 Te 중에서 선택한 1 종 또는 2 종 : 합계로 0.005 ∼ 0.100 질량％

Se 및 Te 는, 모두 용융 메탈의 점성을 저하시키고, 용접 와이어의 선단에 현수된 용적의 이탈을 촉진시킨다. 또, Se 및 Te 는, 특히 용접 와이어를 정극성 (와이어 마이너스) 으로 한 경우나, 용접 전류를 크게 한 경우에, 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화, 나아가서는 개선면에 대한 아크의 발생을 더욱 유리하게 억제할 수 있다는 효과도 갖는다. 여기서, Se 및 Te 의 함유량이 합계로 0.005 질량％ 미만에서는, 이와 같은 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Se 및 Te 의 함유량이 합계로 0.100 질량％ 를 초과하면, 아크가 불안정해져, 균일한 비드 형상이 얻어지지 않는다. 따라서, 용접 와이어의 Se 및 Te 의 합계의 함유량은, 0.005 ∼ 0.100 질량％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.010 질량％ 이상, 0.080 질량％ 이하이다.

또한, 상기한 것 이외의 성분에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 피용접재가 되는 강재의 강종 등에 따라 적절히 선택하면 된다. 예를 들어, 상기 서술한 바와 같은 고장력 강판을 용접하는 경우, 상기한 REM, Se 및 Te 에 더하여, C : 0.10 ∼ 0.20 질량％, Si : 0.05 ∼ 2.5 질량％, Mn : 0.25 ∼ 3.5 질량％, P : 0.05 질량％ 이하, S : 0.02 질량％ 이하, Al : 0.005 ∼ 3.00 질량％, O : 0.0080 질량％ 이하 및 N : 0.008 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이 되는 성분 조성으로 하면 된다. 또한, P, S, O 및 N 은, 0 질량％ 여도 된다.

다음으로, 본 발명의 용접 방법에 있어서의 초층 용접 조건에 대해 설명한다.

용접 토치 (급전 팁 선단) 의 각도 φ : 수평 방향에 대해 10°이상 75°이하

용접 토치의 각도는 수직보다 수평에 근접시킴으로써, 아크가 용접 비드 표면보다 이면 방향이 되어, 용융 금속의 늘어짐을 억제할 수 있다. 여기서, 용접 토치의 각도가 수평 방향에 대해 10°미만에서는, 용접 비드의 형성이 곤란하다. 한편, 용접 토치의 각도가 수평 방향에 대해 75°초과에서는, 용융 금속의 늘어짐을 억제하는 것이 곤란해진다. 따라서, 용접 토치의 각도는 수평 방향에 대해 10°이상 75°이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 30°이상 45°이하이다.

용접 입열량 : 500 kJ/㎝ 이하

다층 용접에서는, 1 패스당의 입열량 (＝ 용착량) 을 크게 함으로써 패스 수를 줄여, 용접 적층 결함을 저감시킬 수 있다. 그러나, 용접 입열량이 지나치게 커지면, 용접 금속의 강도, 인성의 확보가 어려워지는 것 이외에, 강재 열 영향부의 연화 억제, 결정립 조대화에 의한 인성의 확보가 어려워진다. 특히, 용접 입열량이 500 kJ/㎝ 를 초과하면, 용접 금속의 특성 확보를 위하여, 강재 희석을 고려한 전용 와이어가 불가결해지고, 또한 강재에서도, 용접 입열에 견딜 수 있는 설계의 강재가 필요해진다. 따라서, 용접 입열량은 500 kJ/㎝ 이하로 한다. 바람직하게는, 450 kJ/㎝ 이하이다.

또한, 용접 입열량의 하한에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로 용융 금속을 확보하여, 용접 결함이 없는 용접부를 얻기 위해서는, 용접 입열량은 많은 것이 유리하다. 여기에, 협개선 용접에 있어서 용접 입열량이 30 kJ/㎝ 미만에서는 개선면의 용융이 부족하여, 융합 불량이 발생할 우려가 있다. 이 때문에, 용접 입열량은 30 kJ/㎝ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 90 kJ/㎝ 이상이다.

용접 토치의 위빙에 있어서의 판두께 방향으로의 위빙 깊이 (L) : 15 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하

본 용접 방법은 용접 토치의 위빙을 실시하는 것이지만, 이 용접 토치의 위빙에 있어서의 판두께 방향으로의 위빙 깊이 (L) 그리고 후술하는 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭 (M) 을 적정하게 제어하는 것이 중요하다.

또한, 각종 위빙 패턴에 있어서의 판두께 방향으로의 위빙 깊이 (L) 그리고 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭 (M) 은, 도 4 의 (a) ∼ (d) 에 나타내는 바와 같이 된다.

여기서, 본 용접 방법에서 기본으로 하는 수직 방향 상진 용접에 있어서는, 접합 깊이와 판두께 방향의 위빙폭은 동일한 정도가 된다. 이 때문에, 판두께 방향으로의 위빙 깊이가 15 ㎜ 미만에서는, 원하는 접합 깊이를 얻는 것이 곤란해진다. 한편, 판두께 방향으로의 위빙 깊이가 50 ㎜ 를 초과하면, 원하는 접합 깊이를 얻는 것이 곤란해질 뿐만 아니라, 용접 입열량이 과다가 되어, 용접 금속이나 강재의 열 영향부에 있어서 원하는 기계적 특성을 얻는 것이 곤란해지는 것 이외에, 고온 균열이나, 용접 중의 열이 분산되는 것에 의한 개선면의 융합 불량, 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다.

따라서, 판두께 방향으로의 위빙 깊이는, 15 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하로 한다. 또한, 1 층 용접의 경우, 바람직하게는 20 ㎜ 이상, 50 ㎜ 이하이다. 또, 다층 용접의 경우, 바람직하게는 25 ㎜ 이상, 40 ㎜ 이하이다.

용접 토치의 위빙에 있어서의 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭 (M) : (W － 6) ㎜ 이상 W ㎜ 이하 (W : 초층 용접에 있어서의 용접 비드폭)

개선면의 미용융을 방지하기 위해서는, 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭을 (W － 6) ㎜ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭이 W ㎜ 를 초과하면, 용융 금속이 늘어져 용접이 성립되지 않는다.

따라서, 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭은, (W － 6) ㎜ 이상 W ㎜ 이하의 범위로 한다. 바람직하게는, (W － 4) ㎜ 이상, (W － 1) ㎜ 이하이다.

또한, 1 층 용접의 경우, W 는 용접시에 표면 (용접 장치 (용접 토치) 측의 면) 이 되는 강재면에서의 개선 폭이 된다.

또, 용접 토치의 위빙 패턴에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 도 4 의 (a) ∼ (d) 에 나타내는 바와 같이, 용접선 방향 (용접 진행 방향과 일치하며, 통상적으로는 연직 방향) 에서 보아 コ 자형, V 자형, 사다리꼴 및 삼각형 등으로 할 수 있다. 또한, 도 4 의 (a) ∼ (d) 중, 용접 토치의 방향이 바뀌는 각 점 (도 4 의 (a) 에서 말하면 B 점 및 C 점) 에서의 용접 토치의 궤적은, 모나게 해도 되고, 둥그스름하게 해도 된다.

단, 수직 방향 상진 용접에 있어서는, 용접 표면측에 가까운 지점에서의 위빙은 용융 금속이 늘어져 떨어지는 것을 발생시키기 쉽다. 또, 용접 토치 동작이 개선면과 어긋나면, 개선면의 균일한 용융이 얻어지지 않아, 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하기 쉽다. 특히, 반전 동작을 필요로 하지 않는 일반적인 사다리꼴 및 삼각형의 위빙 패턴은, 장치 부하가 작은 반면, 용접 표면측에 가까운 지점에서의 용접 토치 동작 (도 4 의 (b) 에 있어서의 사다리꼴 위빙 패턴의 D 점 → A 점, 도 4 의 (d) 에 있어서의 삼각형 위빙 패턴의 C 점 → A 점) 에 의해, 용융 금속이 늘어져 떨어지는 것이 발생하기 쉽다. 또, V 자형이나 삼각형의 위빙 패턴에서는, 개선 갭이 큰 (예를 들어, 6 ㎜ 이상) 경우, 용접 토치 동작이 개선면과 어긋나 (예를 들어, 도 4 의 (c) 에 있어서의 A 점 → B 점의 동작에 있어서, 용접 토치 선단의 궤적이 개선면 (용접 토치에 가까운 쪽) 과 평행하지 않게 되는 등), 개선면의 균일한 용융이 얻어지지 않아, 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 용융 금속이 늘어져 떨어지는 것과 용접 결함의 발생을 억제한다는 관점에서는, 개선면을 따라 평행하게 용접 토치를 동작시키는 것이 가능한 コ 자형의 위빙 패턴으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 판두께 방향에 있어서의, 위빙시의 용접 토치 선단의 최심점 (예를 들어, 도 4 의 (a), (b) 에 있어서의 B 점 및 C 점, 도 4 의 (c), (d) 에 있어서의 B 점) 의 강재 이면으로부터의 거리 (a) 는, 통상적으로 2 ∼ 5 ㎜ 정도이다.

또, 상기한 개선 형상에 대해, コ 자형 위빙이나 사다리꼴 위빙을 적용하는 경우, 도 4 의 (a), (b) 중의 M₁, M₂, M₃ 은 각각 2 ∼ 18 ㎜, 0 ∼ 10 ㎜, 0 ∼ 10 ㎜ 정도가 된다.

또한, 위빙시의 주파수나 정지 시간 (도 4 에 나타내는 A 점 등의 각 점에 있어서의 정지 시간) 은 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 주파수는 0.25 ∼ 0.5 ㎐ (바람직하게는 0.4 ㎐ 이상, 0.5 ㎐ 이하), 정지 시간은 0 ∼ 0.5 초 (바람직하게는 0.2 초 이상, 0.3 초 이하) 정도로 하면 된다.

또, 여기서 대상으로 하는 판두께 : 40 ㎜ 이상의 후강재를, 특히 2 패스 이상의 다층 용접으로 용접하려면, 초층 용접에 있어서의 접합 깊이를 15 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 초층 용접에 있어서의 접합 깊이가 15 ㎜ 미만에서는, 용접열이 집중되어, 용융 금속의 늘어짐이 발생하기 쉬워진다. 한편, 초층 용접에 있어서의 접합 깊이가 60 ㎜ 를 초과하면, 용접 입열이 과다가 되기 쉬운 것 이외에, 고온 균열이나, 용접 중의 열이 분산되는 것에 의한 개선면의 융합 불량, 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 초층 용접에 있어서의 접합 깊이는 15 ㎜ 이상 60 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 1 층 용접의 경우, 보다 바람직하게는 20 ㎜ 이상, 55 ㎜ 이하이다. 또, 다층 용접의 경우, 보다 바람직하게는 15 ㎜ 이상, 50 ㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 25 ㎜ 이상, 40 ㎜ 이하이다.

또, 사용하는 용접 와이어의 극성은, REM, Se 및 Te 가 첨가됨으로써 얻어지는, 용적의 미세화와 용적 이행의 안정화 효과를 충분히 얻는 관점에서, 와이어 마이너스 (정극성) 로 하는 것이 바람직하다.

상기 이외의 조건에 대해서는 특별히 규정할 필요는 없지만, 평균 용접 전류 270 A 미만에서는 용융지가 작고, 표면측에서는 토치 위빙마다 용융과 응고를 반복하는 다층 용접과 같은 상태가 되어, 융합 불량이나 슬래그 혼입이 발생하기 쉽다. 한편, 평균 용접 전류가 360 A 를 초과하면, 용융 (용접) 금속의 늘어짐이 발생되기 쉬워지는 것 이외에, 용접 흄과 스퍼터에 의해 아크점의 확인이 곤란해지기 때문에 시공 중의 조정이 어려워진다. 이 때문에, 평균 용접 전류는, 270 ∼ 360 A 로 하는 것이 바람직하다. 또, 평균 용접 전류를 270 ∼ 360 A 로 함으로써, 용접 흄, 스퍼터의 발생을 억제하면서 안정적인 용입이 얻어지는 점에서, 본 용접 방법을 실시하는 데에 있어서 더욱 유리해진다.

이 이외의 조건에 대해서는 정법에 따르면 되고, 예를 들어, 용접 전압 : 28 ∼ 37 V (전류와 함께 상승), 용접 속도 (상진) : 1 ∼ 15 ㎝/분 (바람직하게는 4 ㎝/분 이상, 9 ㎝/분 이하), 와이어 돌출 길이 : 20 ∼ 45 ㎜, 와이어 직경 : 1.2 ∼ 1.6 ㎜ 정도로 하면 된다.

또, 실드 가스 조성에 대해서도 특별히 한정되지 않고, 통상적인 방법에 따라, CO₂ 단독의 가스, 또는 Ar 과 CO₂ 의 혼합 가스 등을 사용하면 된다.

이상, 초층 용접 조건에 대해 설명했지만, 상기한 것 이외의 각 용접층에 있어서의 용접 조건에 대해서는, 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 초층 용접과 마찬가지로, 접합 깊이에 따른 위빙을 실시하여, 용접을 실시하면 된다. 이 경우, 용접 전류나 용접 전압, 사용하는 와이어 등의 용접 조건은, 초층 용접의 경우와 동일하게 하여 적절히 선택하면 된다.

또, 용접 완료까지의 적층수는, 적층 결함을 방지하는 관점에서 2 내지 4 층 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 1 층 용접의 경우에는, 초층 용접이 최종층 용접이 된다.

실시예

표 1 에 나타내는 개선 형상으로 한 2 장의 강재에, 표 2 에 나타내는 용접 조건으로 협개선의 수직 방향 상진 가스 실드 아크 용접을 실시하였다.

여기서, 강재는 모두, S : 0.005 질량％ 이하, O : 0.003 질량％ 이하, N : 0.004 질량％ 이하인 것을 사용하였다. 또한, 강재의 개선 가공에는, 가스 절단을 사용하고, 개선면에는 연삭 등의 손질은 실시하지 않았다.

또, 용접 와이어는, 강재 강도용 또는 그것보다 1 랭크 상 (上) 용의 그레이드인 1.2 ㎜φ 의 솔리드 와이어를 사용하였다. 또한, 표 2 에 나타낸 REM, Se 및 Te 이외의 용접 와이어의 성분 조성은 모두, C : 0.10 ∼ 0.20 질량％, Si : 0.6 ∼ 0.8 질량％, Mn : 0.25 ∼ 2.0 질량％, P : 0.01 질량％ 이하, S : 0.005 질량％ 이하, Al : 0.005 ∼ 0.03 질량％, O : 0.0030 질량％ 이하 및 N : 0.005 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이 되는 성분 조성으로 하였다.

또한, 용접 전류는 270 ∼ 360 A, 용접 전압은 28 ∼ 37 V (전류와 함께 상승), 평균 용접 속도는 1.2 ∼ 9.2 ㎝/분 (용접 중에 조정), 평균의 와이어 돌출 길이는 30 ㎜ 로 하고, 용접 길이는 400 ㎜ 로 하였다. 또, 어느 경우에도, 실드 가스로는 CO₂ 단독의 가스를 사용하고, 통상적인 아크 용접의 노즐과는 다른 가스 실드 계통을 형성하여, 용접을 실시하였다.

또한, No.8, 9, 13 ∼ 15 는 다층 용접으로 하고, 초층 이외의 각 층에 있어서의 용접에서도, 상기 용접 와이어를 사용하여, 용접 전류를 270 ∼ 360 A, 용접 전압을 28 ∼ 37 V 의 범위로 하고, 위빙을 적용한 가스 실드 아크 용접을 실시하여, 용접 이음매를 마무리하였다. 또, No.1 ∼ 7, 10 ∼ 12, 16 ∼ 19 는 1 층 용접으로 하여 용접 이음매를 마무리하였다.

초층 용접 후, 임의로 선택한 5 점의 단면 매크로 조직 관찰에 의해, 비드폭 및 접합 깊이를 측정하였다. 또한, 비드폭에 대해서는, 측정한 값의 최대값을 초층 용접에 있어서의 비드폭 (W) 으로 하고, 접합 깊이에 대해서는, 측정한 값의 최소값을 초층 용접에 있어서의 접합 깊이 (D) 로 하였다.

또, 초층 용접시에 있어서의 용융 금속의 늘어짐을, 육안으로 다음과 같이 평가하였다.

◎ : 용접 금속의 늘어짐 없음

○ : 용접 금속의 늘어짐 2 개 지점 이하

△ : 용접 금속의 늘어짐 3 개 지점 이상 4 개 지점 이하

× : 용접 금속의 늘어짐 5 개 지점 이상, 또는 용접 중단

또한, 최종적으로 얻어진 용접 이음매에 대해, 초음파 탐상 검사를 실시하여, 다음과 같이 평가하였다.

◎ : 검출 결함 없음

○ : 결함 길이가 3 ㎜ 이하인 합격 결함만을 검출

× : 결함 길이가 3 ㎜ 를 초과하는 결함을 검출

또한, 최종적으로 얻어진 용접 이음매에 대해, JIS Z 2242 에 준거 (시험 온도 : 0 ℃) 하여, 용접 금속 중심부가 노치 위치가 되도록 샤르피 충격 시험을 실시하고, 시험 온도에서의 흡수 에너지 vE₀ (J) 를 측정하여, 다음의 기준에 의해, 용접 금속의 인성을 평가하였다.

◎ : vE₀ (J) 가 47 J 이상

○ : vE₀ (J) 가 47 J 미만, 또한 27 J 이상

× : vE₀ (J) 가 27 J 미만

이들 결과를 표 2 에 병기한다.

표 2 에 나타낸 바와 같이, 발명예인 No.3, 5, 7 ∼ 9, 11, 13 ∼ 15 에서는, 초층 용접 금속의 늘어짐은 없거나, 있더라도 2 개 지점 이하였다. 또, 초음파 탐상 검사에서도 검출 결함이 없거나, 있더라도 결함 길이가 3 ㎜ 이하였다. 또한, 이들 발명예에서는 모두 우수한 용접 금속의 인성이 얻어졌다.

한편, 비교예인 No.1, 2, 4, 6, 10, 12, 16 ∼ 19 는, 5 개 지점 이상의 용접 금속의 늘어짐이 있거나, 초음파 탐상 검사에 있어서 결함 길이가 3 ㎜ 초과인 결함이 검출되거나, 및/또는 충분한 용접 금속의 인성이 얻어지지 않았다.

1 : 후강재
2 : 후강재의 개선면
3 : 강재 하단부의 개선
4 : 용접 토치
5 : 용접 와이어
6 : 백킹 스트립재
7 : 용접 비드 (초층 용접에 있어서의 용접 비드)
θ : 개선 각도
G : 개선 갭
h : 강재 하단부의 개선 높이
t : 판두께
φ : 수평 방향에 대한 용접 토치의 각도
D : 초층 용접에 있어서의 접합 깊이
W : 초층 용접에 있어서의 용접 비드폭
L : 판두께 방향으로의 위빙 깊이
M : 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭

Claims

개선 각도를 20°이하, 개선 갭을 20 ㎜ 이하로 하여, 판두께가 40 ㎜ 이상인 2 장의 후강재를, 위빙을 사용하는 1 층 용접 또는 다층 용접에 의해 접합하는 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,
용접 와이어로서, REM (Rare Earth Metal) 을 0.015 ∼ 0.100 질량％ 함유하고, 또한 Se 및 Te 중에서 선택한 1 종 또는 2 종을 합계로 0.005 ∼ 0.100 질량％ 함유하는 용접 와이어를 사용하고,
초층 용접시에, 용접 토치의 각도를 수평 방향에 대해 10°이상 75°이하, 용접 입열을 500 kJ/㎝ 이하로 함과 함께, 판두께 방향으로의 위빙 깊이를 15 ㎜ 이상 50 ㎜ 이하로 하고, 또한 초층 용접에 있어서의 용접 비드폭을 W 로 한 경우에, 판두께 방향 및 용접선에 직각인 방향으로의 위빙 최대폭을 (W － 6) ㎜ 이상 W ㎜ 이하이고 또한 2 mm 이상으로 하여, 용접 토치의 위빙을 실시하는, 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 초층 용접의 위빙에 있어서, 용접선 방향에서 본 용접 토치의 위빙 패턴이 コ 자형인, 수직 방향 협개선 가스 실드 아크 용접 방법.