KR102178729B1 - 강재 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 개시내용의 실시예는 강재 용접방법을 제공하고, 이에 적용되는 강재 용접장치는 강재에 접근하여 아크를 발생시키는 금속 전극을 포함하는 용접 토치; 및 상기 용접 토치와 인접하게 설치되며, 활성가스를 용융풀에 제공하는 활성가스 공급장치;를 포함할 수 있다.

Description

강재 용접방법{Method for welding steel material}

본 개시내용은 강재 용접방법에 관한 것으로, 강판의 가스 텅스텐 아크 용접 시 용융풀 내에 활성원소가 포함된 혼합가스를 피딩하여 용접성을 향상한 강재 용접방법에 관한 것이다.

스테인리스 강은 우수한 내식성 및 가공성을 가지기 때문에 자동차 배기계통, 건자재 등의 배관용 소재로 주로 이용되며, 주로 용접공정으로 제작된다. 배관 용접기술로는 가스 텅스텐 아크(GTA, Gas Tungsten Arc) 용접, 고주파 유도(High Frequency Induction) 및 레이저 용접 법이 있다. 그 중 가스 텅스텐 아크 용접은 낮은 설비 가격 및 다양한 직경의 파이프를 제조할 수 있어 가장 일반적으로 적용된다. 하지만, 고주파, 레이저용접에 비해 느린 용접속도로 인해 생산성이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 가스 텅스텐 아크 용접의 속도를 높이는 것은 생산성을 높이기 위해 우선적으로 해결해야 할 문제이다.

가스 텅스텐 아크 용접시 용접생산성 즉 용접속도를 증가시키는 방법으로 두 가지의 방법이 있다. 하나는, 용접시 용접부에 보다 높은 열량을 투입하여 용접속도를 향상시키는 방법이다. 하지만, 용접속도를 올리기 위해서는 용접 입열을 매우 높게 상승시켜야 하기 때문에 그 효과가 미미하다. 또한, 높은 입열에 의한 용접부 형상 불량 및 결정립 조대화 등의 이유로 용접품질을 저하 시킨다.

다른 하나는, 용접부 용융풀(Weld Pool) 유동현상을 제어하여 고속에서도 용접이 이루어지게 하는 방법이다. 용융풀의 유동 방향이 용접이 쉽게 이루질 수 있도록 해주는(Inward Direction) 활성원소 산소, 황 성분을 소재 내 혹은 용접시 보호가스에 혼합하는 방법이 있다. 하지만, 소재 성분 내에 산소 황 등을 첨가하는 경우, 소재 제조시 취화 및 개재물이 과도하게 생성되는 문제점이 있다. 또한, 용접 보호가스 내 활성원소를 첨가하는 경우도, 용접속도를 향상시킬 수 있지만, 용접 전극의 산화가 심하여 빈번하게 전극 드레싱(Dressing) 작업을 실시해야 하는 등 문제점이 있다.

일본공개특허공보 평11-141446호: TIG 용접용 스테인레스 강 용가재 일본공개특허공보 평7-310913호: TIG 용접용 용가재 한국공개특허공보 제2013-0066806호: 가스 텅스텐 아크 용접방법 및 이에 의해 제조된 강재 특허문헌 1 및 특허문헌 2는 가스 텅스텐 아크 용접에서, 용접용 용가재를 사용하는데, 이 경우 용가재를 공급하기 위한 장치와 용가재가 필요하므로 비용증가가 유발된다. 또한, 용접속도 향상을 위해 강재에 Zr을 첨가하여 용입성을 향상시키는데, Zr은 고가의 합금이므로, 제조 비용을 고려할 때 현실적으로 적용하기 곤란하다. 특허문헌 3은 강재의 보호가스로 10~20 질량%의 수소를 포함하는 불활성가스를 사용하고, 이면보호가스로 1~5 질량%의 산소를 포함하는 불활성가스를 사용하는 가스 텅스텡 아크 용접방법이 개시된다.

본 개시내용의 목적은 용접속도 상승 및 용접부 가공성 향상을 위하여, 용접전극에 선행하여 활성가스를 공급하는 강재 용접방법을 제공하는 것이다.

본 개시내용의 실시예에 적용되는 강재 용접장치는, 강재에 접근하여 아크를 발생하는 금속 전극을 포함하고, 보호가스가 분사되는 용접 토치; 및 상기 강재의 용접방향을 기준으로 상기 용접 토치의 전방에 위치되면서 용융풀을 향하는 각으로 설치되는 노즐을 구비하여, 상기 금속 전극보다 선행하여 활성가스를 용융풀을 향하여 공급하는 활성가스 공급장치를 포함하고, 상기 활성가스 공급장치가 공급하는 가스는 Ar 가스에 SO₂를 2 내지 10%로 혼합한 혼합가스로 될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 금속 전극은 텅스텐 전극을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 활성가스 공급장치는 상기 용접토치와 연결블럭으로 연결되며, 상기 연결블럭에 체결되는 파이프 홀더; 상기 파이프 홀더 내에 체결되는 파이프; 및 상기 파이프의 저부에 구비되면서 상기 노즐이 용융풀을 향하는 각으로 설치되는 노즐 고정 브라켓;을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 용접 토치와 상기 활성가스 공급장치는 각도 조절이 가능할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 활성가스 공급장치가 공급하는 가스는 Ar 가스에 O₂ 또는 SO₂를 혼합한 혼합가스일 수 있다.

본 개시내용의 실시예에 따른 강재 용접방법은, 용접이 필요한 강재를 마련하는 단계; 상기 강재의 용접라인에 가스 텅스텐 전극을 포함하고 보혹스가 분사되는 용접 토치를 접근시켜, 용융풀이 일어나게 하는 단계; 상기 용접라인에 용융풀이 생성되며, 상기 용접라인을 따라 상기 텅스텐 전극을 이동하는 단계; 및 상기 텅스텐 전극 이동 전방으로 용접라인을 따라 상기 용접 토치의 전방에 배치된 활성가스 공급장치의 노즐을 통해, 상기 텅스텐 전극보다 선행하여 활성가스를 상기 용융풀을 향하여 공급하는 단계를 포함하고, 상기 활성가스 공급장치가 공급하는 가스는 Ar 가스에 SO₂를 2 내지 10%로 혼합한 혼합가스이며, 상기 활성가스의 공급은 2l/m 내지 3l/m의 유량으로 제공하고, 용접속도는 0.6mpm 내지 0.8mpm으로 진행할 수 있다.

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본 개시내용에 의하면, 냉연강판의 가스 텅스텐 아크 용접시, 용접전극에 선행하여 산소(O₂) 혹은 이산화 황(SO₂)의 활성가스가 혼합된 비활성가스를 2~5l/m의 유량으로 용융풀 내에 공급하여 용접전극의 마모 없이 용접속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 용접속도의 증가와 함께, 용접부 결정립 미세화 효과에 의해 가공성이 개선될 수 있다.

본 개시내용의 구성 및 효과는 도면과 함께 이하의 설명으로부터 명백해지고 더욱 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 강재 용접장치를 개략 도시한 사시도.
도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 강재 용접장치의 개략 측면도이다.
도 3의 (a)는 활성가스 공급장치가 후행하는 경우의 활성가스 공급량에 따른 최대 용접 가능속도를 나타내는 그래프이며, 도 3의 (b)는 활성가스 공급장치가 선행하는 경우의 활성가스 공급량에 따른 최대 용접 가능속도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 각각의 용접조건에 따른 에릭슨 높이를 측정한 그래프이다.
도 5는 각각의 용접조건에 따른 에릭슨 높이와 파면 형상을 측정한 도면이다.

본 개시내용의 실시예가 상세하게 언급될 것이다. 첨부 도면들을 참조하여 여기에서 기술된 실시예는 설명적이고 예시적이며, 본 개시내용을 일반적으로 이해하기 위해 사용된다. 실시예는 본 실시내용을 제한하기 위해 해석될 수 없다.

명세서에서, 구체적이거나 다르게 한정되지 않은 경우라면, "길이", "폭", "두께", "전방", "후방", "상부", "하부", "외측", "내측", 및 그의 파생어와 같은 위치 또는 위치 관계를 나타내기 위해 사용된 용어들은, 도면에서 도시한 것과 같은 위치 또는 위치 관계를 가리키는 것으로 해석되어야 한다. 관련 용어들은 기술의 편의를 위해 사용된 것이고, 반드시 본 개시내용이 특정의 위치에서 구성되거나 작동되어야 할 것을 요구하는 것이 아니다.

본 개시내용의 기술에서, 구체적이거나 다르게 한정되어 있지 않다면, "다수의"는 두 개 또는 두 개 이상을 의미한다.

본 개시내용의 기술에서, 구체적이거나 다르게 한정되어 있지 않다면, "결합되는", "실장되는", "연결되는"과 같은 용어는 영구 결합, 분리 가능한 결합, 또는 완전한 결합과 같이 광범위하게 이해되어야 한다.

본 개시내용의 실시예들에 따른 강재 용접장치와 강재 용접방법이 이하에서 상세하게 논의될 것이다.

도 1은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 강재 용접장치를 개략 도시한 사시도이며, 도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 강재 용접장치의 개략 측면도이다.

본 개시내용의 일 실시예에 따른 강재 용접장치(100)는 용접 토치(120) 및 활성가스 공급장치(140)를 포함한다.

상기 용접 토치(120)는 강재(200)에 접근하여 아크를 발생시키는 금속 전극(125)을 포함한다. 강재(200)는 용접되는 두 개의 강판(200A, 200B)을 맞닿아 용접라인을 형성하며, 용접 토치(120)와 마주하는 영역과 그 반대 영역(이하, "이면"이라 함)으로 구분된다.

금속 전극(125)은 텅스텐 전극을 포함하며, 텅스텐 전극과 강재(200) 사이에 발생하는 아크를 이용하여 강재(200)를 용접한다. 강재(200)의 용접 시, 용접 토치(120)에서는 보호가스가 분사되어 용접부와 텅스텐 전극을 보호하며, 강재(200)의 이면에 실드박스(300)를 이용하여 이면보호가스를 적용한다.

보호가스는 수소를 포함하는 불활성 가스를 사용하고, 이면보호가스는 산소를 포함하는 불활성 가스를 사용할 수 있다. 보호가스에 포함되는 수소는 아크의 면적을 좁힘으로써 열밀도를 향상시키며, 이면보호가스에 포함되는 산소는 용융풀의 유동현상을 활발하게 하여 용접이 원활하게 이루어지도록 한다.

활성가스 공급장치(140)는 용접 토치(120)와 인접하게 설치되며, 활성가스를 용접이 일어나는 용융풀(welding pool)에 제공한다. 이때, 도시된 바와 같이 활성가스는 금속 전극(125)과의 접촉을 피하고, 최대한 용융풀에 직접 분사될 수 있도록 각도 및 분사위치가 설계되었다.

활성가스 공급장치(140)는 상기 텅스텐 전극의 전방 및 후방 중 적어도 하나에서 상기 활성가스를 제공한다. 텅스텐 전극의 전방이나 후방에서 활성가스를 공급함으로써 용접속도와 용접 가공성이 향상된다.

활성가스 공급장치(140)가 공급하는 가스는 Ar 가스에 O₂를 혼합한 혼합가스이며, Ar 가스에 활성원소인 O₂를 2 내지 10%로 혼합하였는데, 2% 이하나 10% 이상인 경우, 각각 용접속도 개선효과가 미미하거나 용접부 산화 및 산화 개재물의 생성이 과다하여 용접부 품질을 저하시키는 문제점이 발생하였다. 또한, 활성가스로, Ar 가스에 SO₂를 혼합할 수도 있다.

활성가스 공급장치(140)는 강재(200)의 용접 방향을 기준으로 전방에 위치하는 것이 후방에 위치하는 것보다 용접비드가 흔들려 나타나는 사행비드 현상이 나타나지 않아 더 효과적이다.

용접 토치(120)와 활성가스 공급장치(140)는 서로 연결블럭(127)과 연결되며, 활성가스 공급장치(140)는 연결블럭(127)에 체결되는 파이프 홀더(146), 파이프 홀더(146) 내에 체결되는 파이프(145), 파이프(145)의 저부에 구비되는 노즐 고정 브라켓(144) 및 용융풀을 향하는 각으로 설치되는 노즐(142)을 포함한다.

파이프 홀더(146)는 두 개의 블럭으로 구비되며, 상기 파이프(145)는 상기 두 개의 블럭 사이에서 체결부재(148)로 고정된다.

용접 토치(120)와 활성가스 공급장치(140)는 각도 조절이 가능하게 설계된다.

이하에서는 상술한 강재 용접장치를 이용한 용접방법을 구체적으로 설명하고자 한다.

용접이 필요한 강재(200)를 마련하고, 상기 강재(200)의 용접라인에 가스 텅스텐 전극(125)을 포함하는 용접 토치(120)를 접근시켜, 용융풀이 일어나게 한다. 이후, 용접라인에 용융풀이 생성되며, 상기 용접라인을 따라 상기 텅스텐 전극(125)을 이동하여 용접을 진행한다.

용접풀이 일어나면, 상기 텅스텐 전극(125) 이동 전방 또는 후방에서 상기 용접라인을 따라 상기 용접 토치와 인접하게 배치된 활성가스 공급장치(140)를 통해 용융풀을 향하여 활성가스를 공급한다.

활성가스가 용접 토치(120)에 선행하여 공급되는 경우, 용접 토치(120)에 후행하는 경우보다 용접비드 안정화의 면에서 유리하다.

활성가스의 공급은 상기 텅스텐 전극보다 선행하여 제공되며, 2l/m 내지 5l/m의 유량으로 공급되도록 한다.

도 3의 (a)는 활성가스 공급장치가 후행하는 경우의 활성가스 공급량에 따른 최대 용접 가능속도를 나타내는 그래프이며, 도 3의 (b)는 활성가스 공급장치가 선행하는 경우의 활성가스 공급량에 따른 최대 용접 가능속도를 나타내는 그래프이다.

우선, 도 3의 (a) 활성가스 공급이 후행하는 경우를 살펴보면, 활성가스의 공급속도의 증가에 따라 최대 용접속도도 급격하게 증가하며, 활성가스의 공급속도가 5l/m(liter/minute)의 유량일 때 최대 150%까지 증가하였다. 하지만, 용접 비드 현상이 나빠지는 문제점이 발생하였다.

도 3의 (b) 활성가스 공급이 선행하는 경우를 살펴보면, 활성가스의 공급속도가 2l/m 내지 3l/m의 유량으로 증가할 때는 최대 용접속도가 증가하지만, 그 이상 증가시 다시 감소하는 경향이 보인다.

도 4는 각각의 용접조건에 따른 에릭슨 높이를 측정한 그래프이며, 도 5는 각각의 용접조건에 따른 에릭슨 높이와 파면 형상을 측정한 도면이다.

도 4와 도 5의 결과는 활성가스 공급이 선행하는 경우의 실험 결과이다.

도 4를 참조하면, A조건, 활성가스 공급이 없이 용접속도를 0.4mpm(meter/minute)으로 진행한 경우, 용접부에서 파단이 일어나는 높이인 용접부 에릭슨(Erischsen) 높이가 약 7.9mm이다. B조건, C조건은 활성가스의 공급을 2l/m이며, 용접속도를 각각 0.6mpm, 0.8mpm으로 진행한 경우이다. D조건, E조건은 활성가스의 공급을 3l/m이며, 용접속도를 각각 0.6mpm, 0.8mpm으로 진행한 경우이다.

활성가스 공급이 선행하는 경우, 활성가스를 2 내지 3l/m으로 공급한 경우, 에릭슨 높이가 활성가스 공급이 없는 A조건에 비해 우수하였으며, 특히 공급량 2l/m 및 용접속도 0.8mpm인 경우 에릭슨 높이는 9mm까지 나타났다.

도 5의 경우 에릭슨 높이 측정 이후, 파단면의 이미지를 얻을 수 있는데, A조건의 경우 용접부의 결정립이 매우 조대하지만, 활성가스공급장치를 적용한 경우, 결정립의 미세한 등축정 조직으로 변경되고, 비드폭 감소로 용접부의 가공성이 개선되었다.

또한, 용접 방향을 길이 방향이라 할 때, 길이 방향과 수직한 가로 방향으로 파단이 일어나는 것이 바람직한데, C조건 용접속도, 2l/m 및 용접속도 0.8mpm일 때 모두 가로 방향으로 파단면이 나타나고, 에릭슨 높이도 거의 9mm까지 되었다.

위의 결과로부터, 활성가스의 공급은 2l/m 내지 3l/m의 유량으로 제공하며, 용접속도는 0.6mpm 내지 0.8mpm으로 진행되는 경우 용접 속도나 비드폭 감소 및 결정립 미세화되어 가공성이 개선된 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

이 명세서 전반에 걸쳐 언급된, "실시예", "일부 실시예"는 실시예 또는 예시에 관계하여 기술된 특별한 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예 또는 예시에 포함된다. 따라서, 이 명세서 전체를 통해서 다양한 곳에서, "일부 실시예에서", "일 실시예에서", "다른 실시예에서"라고 하는 구(phases)의 존재는 본 개시내용의 동일한 실시예 또는 예시를 반드시 인용하는 것은 아니다. 게다가, 특별한 특징, 구조, 재료 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들 또는 예시들에서 임의의 적절한 방법으로 결합될 수 있다.

설명적인 실시예들이 보여지고 기술되었다고 하더라도, 변화, 치환 및 수정 모두 청구항의 범위에 속하는 것이며, 그들의 균등물은 개시내용의 정신 및 원칙으로부터 벗어나지 않고 실시예에서 만들어질 수 있는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이다.

100:강재 용접장치 120:용접 토치
125:금속(텅스턴) 전극 127:연결블럭
140:활성가스 공급장치 142:노즐
144:노즐 고정 브라켓 145:파이프
146:파이프 홀더 148:체결부재
200:강재 300:실드박스

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 용접이 필요한 강재를 마련하는 단계;
   상기 강재의 용접라인에 가스 텅스텐 전극을 포함하고 보호가스가 분사되는 용접 토치를 접근시켜, 용융풀이 일어나게 하는 단계;
   상기 용접라인에 용융풀이 생성되며, 상기 용접라인을 따라 상기 텅스텐 전극을 이동하는 단계; 및
   상기 텅스텐 전극 이동 전방으로 용접라인을 따라 상기 용접 토치의 전방에 배치된 활성가스 공급장치의 노즐을 통해, 상기 텅스텐 전극보다 선행하여 활성가스를 상기 용융풀을 향하여 공급하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 활성가스 공급장치가 공급하는 가스는 Ar 가스에 SO₂를 2 내지 10%로 혼합한 혼합가스이며,
   상기 활성가스의 공급은 2l/m 내지 3l/m의 유량으로 제공하고, 용접속도는 0.6mpm 내지 0.8mpm으로 진행하는 강재 용접방법.
   
7. 삭제
8. 삭제

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