KR102136302B1 - 메탈 코어드 용접재료를 이용한 탠덤 수평 필렛 용접 방법 - Google Patents

메탈 코어드 용접재료를 이용한 탠덤 수평 필렛 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법은 선행 전극의 와이어로 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어를 사용하고, 상기 선행 전극의 토치각은 25°~ 50°이고, 후행 전극의 와이어로 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어를 사용하고, 상기 후행 전극의 토치각은 35°~ 60°이며, 상기 선행 전극과 상기 후행 전극 사이의 전극거리는 15mm ~ 50mm이다. 상기 선행 전극의 용접 전류는 350A ~ 450A, 용접전압이 22V~32V 범위이며, 상기 후행 전극의 용접 전류는 280A ~ 380A, 용접전압이 28V~38V 범위일 수 있다.

Description

메탈 코어드 용접재료를 이용한 탠덤 수평 필렛 용접 방법{Tandem horizontal fillet welding method using metal-cored welding consumable}
본 발명은 수평 필렛 용접 시 2전극 아크 용접 방법인 메탈 코어드 용접재료를 이용한 탠덤 수평 필렛 용접 방법에 관한 것이다.
일반적으로 조선소에서는 선박 블록(Block)을 본 도장하기 전에 블록을 제작하고 운반하여 최종 조립하는 기간 동안 발청(Rust)을 방지하기 위하여 강재 표면에 아연을 함유한 프라이머(Zinc primer)를 평균 10~20㎛ 정도 도포한다.
이러한 프라이머가 도포된 강재에 필렛 용접을 수행하게 되면 아크 열에 의해 도포된 프라이머 내 아연 성분과 강재 표면의 수분이나 오염물 등이 기화하면서 블로홀(Blowhole)이나 피트(Pit), 웜홀(Wormhole) 등의 기공성 결함을 유발하게 되어 용접부 품질에 대한 신뢰성 저하는 물론 결함 수정에 따른 제작 비용 상승을 초래하게 된다.
또한, 이러한 기공성 결함들은 용접속도가 빠를수록 증가하는 경향이 있어 조선 분야의 생산성 향상에 장애가 되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1656924호
본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 프라이머가 도포된 수평 필렛 용접에 있어서 표면으로 발생하는 기공성 결함인 피트(Pit)나 웜홀(Wormhole)의 생성을 현저하게 억제할 수 있는 탠덤 수평 필렛 용접 방법과 이를 위한 용접재료에 대한 정보를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법은 일반적으로 조선소에서 사용되고 있는 플럭스 코어드(Flux cored) 용접재료를 이용한 탠덤 수평 필렛 용접방법 대신에 선행 전극으로 슬래그 형성제를 포함하지 않는 순수 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어를 사용하고, 후행 전극으로 슬래그 형성제를 포함하고 있는 플럭스 코어드(Flux Cored) 용접재료를 사용하며,선행 및 후행 용접 시 보호 가스로서 탄산 가스(CO2)를 사용하는 방법이다.
상기 선행 전극의 토치 중심축과 수평 부재가 이루는 토치 각도는 25°~ 50°이고, 상기 후행 전극의 토치 각도는 35°~ 60°이며, 상기 선행 전극과 상기 후행 전극 사이에 15mm ~ 50mm의 간격이 유지될 수 있도록 한다.
이때, 상기 선행 용접은 용입(Penetration)을 최대한 확보할 수 있도록 선행 용접 전류는 용접각장(Leg length)에 따라 다를 수 있으나, 대체로 350A ~ 450A 범위이고, 용접전압은 22V~32V 범위이며, 와이어 돌출(Stick out) 길이인 용접 컨택트 팁(Contact tip)과 모재 사이의 거리는 12~25mm이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에서 상기 선행 전극의 상기 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어는 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%, 아크 안정성 확보를 위한 Na 함유량을 0.01~0.5 질량%, 수소 등의 기체성분을 저감시킬 수 있는 F 함유량을 0.01~0.5 질량%로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에서 상기 후행 전극의 상기 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어는, 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%, F 함유량이 0.01~0.5 질량%, Na 함유량이 0.01~0.5 질량%, K 함유량이 0.05~0.5 질량%이고, 슬래그 형성제로 사용되고 있는 TiO2가 5~10 질량%, SiO2가 0.5~1.5 질량% 함유될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법은 기공 발생량의 현저한 억제가 가능하고, 용접 중 아크 안정성과 슬래그 박리성 등의 작업성 확보가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에 의해 용접을 실행하는 경우를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3의 (a)는 종래의 용접 방법을 이용한 필렛 용접의 단면도이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법을 이용한 필렛 용접의 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니한다.
예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에 의해 용접을 실행하는 경우를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이다.
또한, 도 3의 (a)는 종래의 용접 방법을 이용한 수평 필렛 용접의 단면도이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법을 이용한 필렛 용접의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법은 용접부에 보호 가스를 분사하면서 선행 전극(30)과 후행 전극(40)에 의해 용접을 수행한다.
모재인 하판(10) 및 입판(20)은 아크에 의해 용융되며, 선행 전극(30)과 후행 전극(40)의 와이어(31, 41)가 용융된 융착금속과 융합함으로써 용접부가 형성된다.
선행 전극(30)의 토치각(θ1)은 25°~50°범위이고, 후행 전극(40)의 토치각(θ2)은 35°~60°범위이다. 용접부에 분사되는 보호 가스는 탄산 가스(CO2)를 사용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 선행 전극(30)의 토치각(θ1)은 하판(10)의 상면과 선행 전극(30) 사이의 각도를 의미하고, 후행 전극(40)의 토치각(θ2)은 하판(10)의 상면과 후행 전극(40) 사이의 각도를 의미한다.
그리고, 선행 전극(30)과 후행 전극(40)의 전극간격(D)은 15mm~50mm로 하여 하나 또는 두 개의 용융지를 형성시킨다.
선행 전극(30)의 와이어(31)는 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어이고, 후행 전극(40)의 와이어(41)는 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어이다.
선행 전극(30)의 와이어(31)로 솔리드(Solid) 와이어를 사용하고, 보호가스로 탄산 가스(CO2)를 적용하는 경우 필렛 용접이 이루어지는 250A 이상의 용접전류 영역에서 입상 용적 이행(Globular transfer)이 이루어지기 때문에 과도한 스패터와 불안정한 아크로 인하여 일반적으로 조선소에서 사용하고 있는 SCR(Silicon Controlled Rectifier, Thyristor)형 용접기로 용접이 불가능하여 별도의 시설투자가 필요한 문제가 있다.
또한, 일반적으로 조선소에서는 입판(20)의 좌측과 우측에서 동시에 탠덤 수평 필렛 용접 방법인 트윈 탠덤(Twin tandem) 수평 용접 방법을 사용할 경우 선행 전극의 토치각이 25° 미만인 상태에서 450A 이상의 고전류를 사용하게 되면 좌우 양측의 전극간 아크 간섭에 의해 용접 비드가 불량하거나, 스패터가 과도하게 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에서는 솔리드(Solid) 와이어 적용 시 문제되는 스패터 발생이나 아크 불안정 등의 문제를 해결하기 위하여 선행 전극(30)의 와이어(31)로 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어를 사용하고, 선행 전극(30)의 토치각(θ1)을 25°~50°로 하며, 후행 전극(40)의 와이어(41)로 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어를 사용한다.
여기서, 각 와이어(31, 41)는 다음과 같은 화학 조성을 갖는다.
선행 전극(30)의 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어(31)는 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%이며, Na 함유량이 0.01~0.5 질량%, F 함유량이 0.01~0.5 질량%이고, 나머지 부분으로 Fe와 기타 불순물이 차지할 수 있다.
메탈 코어드(Metal Cored) 와이어에 최대 0.5 질량%까지 나트륨(Na)을 첨가시킴으로써 범용 SCR(Silicon Controlled Rectifier, Thyristor)형 용접기로 충분히 아크의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, F를 0.01~0.5 질량% 함유함으로써 기공성 결함을 유발하는 용착금속 내 수소함량을 억제하는 효과를 부여할 수 있다.
후행 전극(40)의 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어(41)는 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%, F 함유량이 0.01~0.5 질량%, Na 함유량이 0.01~0.5 질량%, K 함유량이 0.05~0.5 질량%이고, TiO2 함유량이 5~10 질량%, SiO2 함유량이 0.5~1.5 질량%이며, 나머지 부분으로 Fe와 기타 불순물이 차지할 수 있다.
후행 전극으로 사용되는 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어는 슬래그(Slag) 형성제로 사용되는 TiO2를 5~10 질량% 함유함으로써 슬래그 포피성(Covering)과 슬래그 박리성 등의 용접작업성을 확보하였으며, SiO2를 0.5~1.5 질량% 함유함으로써 용융된 슬래그(Slag)의 적정한 점성을 확보함으로써 과도한 비이드 처짐을 방지하고, 비드 표면에 형성되는 기공성 결함인 피트(Pit)나 웜홀(Wormhole)에 대한 저항성을 개선할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤 수평 필렛 용접 방법에 의해 아연을 함유한 프라이머(Zinc primer)가 평균 30㎛(±5㎛) 도포된 강재에 선행 전극(30)에 용접전류(350A~450A), 후행 전극(40)에 용접전류(280A~380A) 범위에서 용접 속도 100 cm/min 조건으로 필렛 용접한 다음 용접 직후 용접 비드를 숏 블라스팅(Blasting)한 결과 현재 조선소에서 적용하고 있는 플럭스 코어드를 이용하는 탠덤 수평 필렛 용접부에 비하여 용접 비드 표면에 발생하는 기공성 결함이 80% 이상 감소함을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는, 도 3을 참조하면, 플럭스 코어드 용접재료를 이용하는 종래의 탠덤 수평 필렛 용접 방법을 사용하는 경우 용입이 1~2 mm 가량에 불과하였으나(도 3의 (a)), 본 발명의 일 실시예에 따라 탠덤 수평 필렛 용접 방법을 적용하는 경우 용입이 2.5~4.5 mm로 종래에 비하여 1~2배 이상 증가시킴으로써 기존의 용접 방법에 비해 연소된 프라이머 가스가 응고 완료 후 비드 표면의 결함으로 남지 않고 용접금속이 응고하는 동안 용착금속 내에 가두어 두는 트랩핑 효과(Trapping effect)가 증가하기 때문이다(도 3의 (b)).
이상의 실시예를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 메탈 코어드를 이용하는 탠덤 수평 필렛 용접 방법은 비드 표면에서 발생하는 기공성 결함의 발생량을 현저하게 억제하고, 아크 안정성 및 슬래그 박리성 등의 작업성을 확보할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
10: 하판
20: 입판
30: 선행 전극
31: 와이어
40: 후행 전극
41: 와이어

Claims (5)

  1. 선행 전극과 후행 전극을 이용한 탠덤 수평 필렛 용접 방법에 있어서,
    상기 선행 전극의 와이어로 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어를 사용하고, 상기 선행 전극의 토치각은 25°~ 50°이고,
    상기 후행 전극의 와이어로 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어를 사용하고, 상기 후행 전극의 토치각은 35°~ 60°이며,
    상기 선행 전극과 상기 후행 전극 사이의 전극거리는 15mm ~ 50mm이고,
    상기 선행 전극의 상기 메탈 코어드(Metal Cored) 와이어는 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%, Na 함유량이 0.01~0.5 질량%, F 함유량이 0.01~0.5 질량%인 탠덤 수평 필렛 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선행 전극의 용접 전류는 350A ~ 450A, 용접전압이 22V~32V 범위이며, 상기 후행 전극의 용접 전류는 280A ~ 380A 범위인 탠덤 수평 필렛 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선행 전극과 상기 후행 전극의 보호 가스로서 탄산 가스(CO2)를 이용하는 탠덤 수평 필렛 용접 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후행 전극의 상기 플럭스 코어드(Flux Cored) 와이어는 와이어 전체 질량당 C 함유량이 0.03~0.12 질량%, Mn 함유량이 0.5~2.0 질량%, Si 함유량이 0.3~1.5 질량%, Ni 함유량이 0~2.0 질량%, F 함유량이 0.01~0.5 질량%, Na 함유량이 0.01~0.5 질량%, K 함유량이 0.05~0.5 질량%, TiO2 함유량이 5~10 질량%, SiO2 함유량이 0.5~1.5 질량%인 탠덤 수평 필렛 용접 방법.
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