KR102164348B1 - 가스 텅스텐 아크 용접 방법 및 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스 - Google Patents

가스 텅스텐 아크 용접 방법 및 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 텅스텐 아크 용접을 이용하고 서로 일정 갭을 두고 마주보게 배치되고 니켈강인 제1모재 및 제2모재의 하면에 부착되어 보호가스가 용접부에 머무르게 하면서 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 쉴드 박스이고, 상기 쉴드 박스는 세라믹 재질로 형성되고 알루미늄 테이프에 의해 제1모재 및 제2모재의 하면에 밀봉 가능하게 부착되어, 가격이 저렴하고 모재와 반응하지 않으며 모재에 장착 및 분리가 쉽다.

Description

가스 텅스텐 아크 용접 방법 및 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스{GAS TUNGSTEN WELDING METHOD AND SHIELD BOX FOR GAS TUNGSTEN WELDING}
본 발명은 가스 텅스텐 아크 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운반과 탈부착이 용이하며, 모재와 반응하지 않는 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스에 관한 것이다.
일반적으로 니켈강은 저온특성이 우수하여 LNG 및 에틸렌 저장용기에 많이 사용되고 있는 재질이다.
이러한 니켈강은 운반 및 취급시 자화 현상이 쉽게 일어난다. 자화현상은 물체가 자성을 지니는 현상으로, 용접작업에 아크 쏠림 발생하여 용접비드가 고르게 생성되지 않고, 용접 와이어의 이행을 제어하기 어려워 용접결함이 발생이 많이 되고 작업성이 저하된다.
이러한 자화현상을 방지하기 위하여 마그네트 클래인 대신 후크 등에 의해 강재를 운반하고, 플라즈마 절단 대신 가스 절단을 이용하기도 하며, 탈자기를 이용하여 탈자시킨 다음 용접을 진행하고 있다.
또한, 니켈강은 고온균열이 발생하기 쉽기 때문에 일반강보다 용접에서 공수가 많이 든다. 특히 용접전류가 높으면 용융금속의 냉각속도가 저하되여 고온균열이 더 발생하게 된다.
이러한 특징을 가지는 니켈강 용접은 일반강에 주로 사용하는 FCAW나 GMAW보다 생산성은 떨어지나, 모재의 자화현상에 민감하지 않고, 용접품질이 우수한 가스 텅스텐 아크 용접(Gas Tungsten Arc Welding)이 주로 사용되고 있다.
가스 텅스텐 아크 용접은 등록특허공보 10-1360593(2014년 02월 03일)에 개시되어 있고, 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해 하면에 쉴드박스가 장착된다.
가스 텅스텐 아크 용접은 고온에서 용융되지 않는 비소모성의 텅스텐 전극봉을 사용하여 전극과 모재 사이에 발생한 아크 열로 모재 및 용가재를 용융시켜 용접부를 형성시키는 용접방법으로, 용접부를 산화 및 질화를 방지하기 위하여 용접토치에서 보호가스가 분사되어 용접부와 텅스텐 전극을 보호하게 되고 그 이면에도 보호가스를 분사시켜서 용접부를 보호하여야 한다. 이때 보호가스로 불활성 가스인 Ar이나 He을 주로 사용한다.
Ar은 He에 비하여 가격이 저렴하고, 아크 발생이 용이하며, 아크 안정성이 우수하며, 공기보다 무거워 비산되지 않는 장점이 있어 니켈강의 가스 텅스텐 아크 용접에 주로 사용되고 있다. 이때에 금속재질의 쉴드 박스를 용접부의 하면에 장착하여 보호가스가 용접부에 머무르게 하고 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지한다.
이러한 금속재질의 쉴드 박스는 용접하고자 하는 모재와의 반응이 일어날 수 있기 때문에 대개의 경우 모재와 동일한 재질이 사용된다. 이 경우 그 가격이 고가이고, 모재에 부착하기 위해 가용접을 해야하므로 탈부착이 어렵고, 한번 쓴 쉴드박스는 변형 및 오염 등의 이유로 재사용이 어려운 문제가 있다.
그리고 금속 제조의 특성상 길이를 길게 제작을 하여만 그 비용이 감소시킬 수 있는데 길이가 긴 쉴드 박스는 모재에 정도를 ?추기 위하여 이미 부착되어 있는 스칼럽, 론지 등에 의해 부착이 어려울 수 있고, 시작부와 끝단부의 길이 조정이 어려운 문제가 있다.
또한, 용접 중 용융금속이 금속재질의 쉴드 박스에 붙는 현상이 발생하게 되면 그라인딩 등의 후공정이 발생하고, 이러한 후 공정은 모재가 자화되는 원인이 되는 문제가 있다.
특허문헌1: 등록특허공보 10-1360593(2014년 02월 03일)
따라서, 본 발명의 목적은 모재에 탈부착이 쉽고, 모재와 반응하지 않으며, 운반이 쉽고 가격이 저렴한 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 니켈강 용접시 초층 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있고 용접 품질을 향상시킬 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스는 가스 텅스텐 아크 용접을 이용하고 서로 일정 갭을 두고 마주보게 배치되고 니켈강인 제1모재 및 제2모재의 하면에 부착되어 보호가스가 용접부에 머무르게 하면서 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 쉴드 박스이고, 상기 쉴드 박스는 세라믹 재질로 형성되고 알루미늄 테이프에 의해 제1모재 및 제2모재의 하면에 밀봉 가능하게 부착된다.
상기 쉴드 박스는 그 상면에 제1모재의 하면에 접촉되는 제1접촉면과, 상기 제2모재의 하면에 접촉되는 제2접촉면이 각각 형성되고, 상기 제1접촉면과 제2접촉면 사이에는 보호가스가 머무르는 공간인 그루브가 형성될 수 있다.
상기 쉴드 박스는 용접부의 길이방향으로 일렬로 배열되는 복수로 구비되고, 복수의 쉴드 박스는 알루미늄 테이프에 의해 제1모재 및 제2모재의 하면에 밀봉 가능하게 부착될 수 있다.
상기 쉴드 박스는 SiO2, Al2O3 및 MgO가 포함된 산화물 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
상기 쉴드 박스는 폭(H1)은 20~40mm 이고, 길이(L)는 600~1000mm인 것을 특징으로 한다.
상기 쉴드 박스의 그루브는 깊이가 2~4mm 이고, 그 넓이는 10~14mm인 것을 특징으로 한다.
가스 텅스텐 아크 용접방법은 서로 일정 갭을 두고 마주보게 배치되고 니켈강인 제1모재 및 제2모재의 하면에 부착되어 보호가스가 용접부에 머무르게 하면서 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 쉴드 박스가 구비되는 가스 텅스텐 아크 용접방법이고, 초층 용접시 전류전압은 125A-12V 이하이고, 용접속도는 6 cm/min 이하이며, 용가재를 이용하여 용접을 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 텅스텐 아크 용접방법은 2층 용접시 전류 전압은 195A-14V 이하이고, 용접속도는 9cm/min 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 2층 용접은 초층 용접을 완료한 후 용접부의 온도가 50℃ 미만일 때 진행하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스는 세라믹 재질로 형성되고 알루미늄 테이프에 의해 모재에 밀봉 가능하게 부착되어 모재에 부착 및 분리가 쉽고, 모재와 반응하지 않으며, 운반이 쉽고 가격이 저렴하다.
또한, 본 발명의 가스 텅스텐 아크 용접 방법 니켈강 용접시 초층 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있고 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 텅스텐 아크 용접의 모재에 쉴드 박스가 부착된 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 텅스텐 아크 용접용 쉴드 박스의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
일 실시예에 따른 가스 텅스텐 아크 용접은 도 1에 도시된 바와 같이, 텅스텐 전극봉과 모재 사이에 발생하는 아크를 이용하여 모재 및 용가재를 용융시켜 두 모재 사이를 용접하는 것으로, 서로 맞대기되고 일정 갭을 두고 배치되는 두 모재(20,22)와, 아크를 발생하는 텅스텐 전극봉과, 텅스텐 전극봉이 장착되고 용접부(10)와 텅스텐 전극봉을 보호하기 위해 보호가스를 분사하는 보호가스 분사부가 구비되는 용접토치(미도시)와, 두 모재(20,22)의 배면에 부착되어 보호가스가 용접부(10)에 머무르게 하면서 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 쉴드 박스(30)를 포함한다.
모재(20,22)는 LNG 연료탱크에 사용되는 니켈강이 사용된다. 니켈강은 저온특성이 우수하여 LNG 연료탱크 및 에틸렌 저장용기로 많이 사용되고 있다.
보호가스는 불활성 가스인 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)을 주로 사용된다. 아르곤(Ar)은 헬륨(He)에 비하여 가격이 저렴하고, 아크 발생이 용이하며, 아크 안정성이 우수하며, 공기보다 무거워 비산되지 않는 장점이 있어 니켈강의 가스 텅스텐 아크 용접에 많이 사용되고 있다.
모재(20,22)는 서로 일정 갭을 두고 맞대기 되는 제1모재(20) 및 제2모재(22)로 구성되고, 제1모재(20)와 제2모재(22)의 마주보는 면은 용접부(10)를 형성하는 경사면(12)이 형성된다.
쉴드 박스(30)는 SiO2, Al2O3 및 MgO가 일정 비율로 포함된 산화물 세라믹 재질로 형성된다. 이와 같은 세라믹 재질의 쉴드 박스는 제조가 쉽고 가격이 저렴하며, 용접시 용융 금속이 부착되어도 용접 후 쉽게 제거할 수 있다. 또한, 세라믹 재질의 쉴드 박스는 용접하고자 하는 모재와 반응하지 않으면서 용접 열에 충분히 견딜 수 있는 강도를 가질 수 있다.
쉴드 박스(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹 재질이고, 모재(20,22)의 하면에 알루미늄 테이프(40)에 의해 부착된다. 쉴드 박스(30)는 그 상면에 제1모재(20)의 하면에 접촉되는 제1접촉면(34)과, 제2모재(22)의 하면에 접촉되는 제2접촉면(36)이 각각 형성되고 제1접촉면(34)과 제2접촉면(36) 사이에는 오목하게 패인 형태이고 보호가스가 머무르는 공간인 그루브(32)가 형성된다.
그리고 쉴드 박스(30)의 하면 양쪽 모서리 부분은 경사면(52)으로 형성되어 알루미늄 테이프(40)를 부착하기 용이하도록 한다.
알루미늄 테이프(40)는 쉴드 박스(30)의 하면에 부착되는 제1부착부(42)와, 제1부착부(42)의 일측에서 연장되어 제1모재(20)의 하면에 부착되는 제2부착부(44)와, 제1부착부(42)의 타측에서 연장되어 제2모재(22)의 하면에 부착되는 제3부착부(46)를 포함한다.
이와 같이, 쉴드 박스(30)는 알루미늄 테이프(40)에 의해 두 모재(20,22) 사이에 밀봉된 상태로 설치되므로 그루브(32)에 머무르는 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지한다.
쉴드 박스(30)는 폭(H1)이 20~40mm이고, 두께(T1)는 7~10mm이며, 길이(L)는 600~1000mm로 형성되어 용접부(10)의 길이방향으로 일렬로 정렬된다. 여기에서, 복수로 정렬된 쉴드 박스(30)는 알루미늄 테이프(40)에 의해 부착되기 때문에 복수의 쉴드 박스(30) 사이의 틈새를 통해 보호가스가 유출되지 않는다.
즉, 쉴드 박스(30)가 일정 길이로 분할되어 있기 때문에 이동 및 보관이 용이하고, 하나의 알루미늄 테이프(40)에 의해 용접부(10)에 부착되므로 용접부(10)에 설치가 쉽고 용접 후 알루미늄 테이프(40)만 모재에서 분리하면 되므로 분리하기 쉽고 편리하다.
쉴드 박스(30)의 폭(H1)이 20mm 미만이면 용접 열에 의하여 세라믹 재질의 쉴드 박스를 부착한 알루미늄 테이프가 용접부와 가까워 연소되거나 떨어질 수 있고, 폭이 40mm 이상이면 불필요한 비용이 추가되게 된다.
그리고 쉴드 박스(30)의 길이(L)가 600mm 미만으로 제조하면 생산성이 떨어지게 되어 제조원가 높아지게 되고, 조립 및 부착 공정이 증가하게 되어 경제성이 떨어지게 되고, 길이(L)가 1000mm 이상이면 용접부(10)의 종단부 길이 조정이 어렵게 되고 용접부(10)에 부착이 어렵게 된다.
쉴드 박스(30)의 그루브(32)는 쉴드 박스의 그루브(32)의 깊이(T2)는 2~4mm이고, 그 넓이(H2)는 10~14mm로 형성된다.
쉴드 박스(30)의 그루브(32)의 깊이(T2)가 2mm 미만이면 용융 금속이 부착하게 되어 용접작업이 끊길 수 있고, 4mm 이상이면 이면비드 보호가 용이하지 못할 수 있다. 그리고, 그루브(32)의 넓이(H2)가 10mm 미만이면 용융금속이 부착될 수가 있으며, 넓이(H2)가 14mm 이상이면 이면비드 보호가스 소모가 많아지게 된다.
그리고 그루브(32)는 그 양쪽 측면이 경사면 형태이고, 각진 형상으로 형성되어 보호가스의 흐름성을 좋게 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 텅스텐 아크 용접방법을 다음에서 설명한다.
초층 용접시 초층 용접 시에는 125A-12V 이하의 전류전압에 용접속도는 6 cm/min를 넘지 않고 용가재를 이용하여 용접을 진행하고, 2층 용접에서는 195A-14V 이하의 전류전압에 용접속도는 9cm/min 이하로 진행한다. 이때 2층 용접은 초층 용접을 완료한 용접부의 온도가 50℃ 미만일 때 진행한다.
초층 용접시 125A-12V 이상의 전류 전압과 6 cm/min 이상의 용접 속도일 경우 입열량이 올라가게 되어 응력 집중으로 초층에서 많이 발생하게 되는 고온균열이 발생할 수 있다. 그리고, 2층 용접시 195A-15V 이상의 전류 전압과 9cm/min 이상의 용접 속도일 경우 용입 불량이 발생할 수 있다.
초층 용접과 2층 용접시의 층간 온도가 50℃ 이상이면 과응력으로 저온균열이 발생할 수 있다.
용접부 표면과 이면에 보호 가스의 유량은 20~25ℓ/min가 적당하다. 보호가스의 유량이 20ℓ/min 이하이면 용접부 보호가 용이하지 못해 용접부가 산화 및 질화가 될 수 있고, 25ℓ/min 이상이면 생산 원가가 높아지게 된다.
초층 용접시 125A-12V 이상의 전류 전압과 6 cm/min 이상의 용접 속도에서는 입열량이 올라가게 되어 응력 집중으로 초층에서 많이 발생하게 되는 고온균열이 발생할 수 있으며, 2층 용접은 195A-15V 이상과 9cm/min 이상의 속도로 용접을 하면 용입불량이 발생할 수 있고, 초층 용접과 2층 용접시의 층간 온도가 50℃ 이상이면 과 응력으로 저온균열이 발생할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 용접부 12: 경사면
20: 제1모재 22: 제2모재
30: 쉴드 박스 32: 그루브
34: 제1접촉면 36: 제2접촉면
40: 알루미늄 테이프

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  7. 서로 일정 갭을 두고 마주보게 배치되고 니켈강인 제1모재 및 제2모재의 하면에 부착되어 보호가스가 용접부에 머무르게 하면서 보호가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 쉴드 박스가 구비되는 가스 텅스텐 아크 용접방법이고,
    초층 용접시 전류전압은 125A-12V 이하이고, 용접속도는 6 cm/min 이하이며, 용가재를 이용하여 용접을 진행하는 것을 특징으로 하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 텅스텐 아크 용접방법은 2층 용접시 전류 전압은 195A-14V 이하이고, 용접속도는 9cm/min 이하인 것을 특징으로 하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 2층 용접은 초층 용접을 완료한 후 용접부의 온도가 50℃ 미만일 때 진행하는 것을 특징으로 하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 보호 가스의 유량은 20~25ℓ/min인 것을 특징으로 하는 가스 텅스텐 아크 용접방법.
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