KR102206082B1 - Gmaw 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 티타늄계 모재의 GMAW 용접시 아크 불안정성과 정숙하지 못한 용적이행으로 인해 발생하는 스패터와 불건전한 용접비드 문제점을 해결하기 위해, (a) 용접 부위의 표면에 티타늄 산화물층이 형성된 티타늄계 모재를 준비하는 단계 및 (b) 상기 티타늄 산화물층이 형성된 용접 부위를 용접하는 단계를 포함하는 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법이 제공되며, 이를 통해 스패터 저감 및 용접 품질 향상 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 티타늄 용접시 표면처리하여 GMAW 방식으로 용접하는 기술에 대한 것이다.
용접은 접합하고자 하는 두 개 이상의 물질의 접합부분을 열로 용융시켜 서로 다른 두 물질의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로, 아크용접, 가스 용접 등 다양한 용접방법이 존재한다. 이와 같은 용접방법 중 아크용접은 전극과 모재의 표면 사이에 발생하는 전기적 아크열에 의해 두 금속을 접합시키는 것으로, 통상 보호가스와 플럭스를 이용하여 대기의 O2, N2 등으로부터 용접부를 보호하고, 와이어를 용가재로 하여 용접된다.
일반적으로 티타늄 용접에는 가스 텅스텐 아크 용접(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW) 방식이 사용되나, 공정의 자동화와 생산성 증대를 위해서는 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)의 적용이 필요하다. 그러나, GMAW 방식의 경우 보호가스로 인해 다량의 스패터가 발생하여 적용이 어려운 문제점이 있다. 스패터(spatter)는 용접중 용접봉이나 와이어의 용융금속이 용접부 모재에 정상적으로 용착되지 않고 사방으로 튀어 비산되거나 주위에 작은 덩어리 상태로 일부 녹아 붙어 있거나 가볍게 붙어있는 것으로, 이는 결함 발생의 원인이 된다. 스패터의 저감을 위해 Pulse GMAW, Laser-GMAW hybrid welding 기법 등이 제안되었으나, 용접 범위가 제한되고 고가의 장비가 필요하기 때문에 적용이 제한되고 있다. 이에 따라, 티타늄 용접시 스패터 발생 현상을 제어함과 동시에 용접성을 향상시키는 용접 방법이 요구된다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 티타늄계 모재의 GMAW 용접시 아크 불안정성과 정숙하지 못한 용적이행으로 인해 발생하는 스패터와 불건전한 용접비드 문제점을 해결하는 용접 방법을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, GMAW 방법으로 티타늄계 모재를 용접하는 방법으로서, (a) 용접 부위의 표면에 티타늄 산화물층이 형성된 티타늄계 모재를 준비하는 단계 및 (b) 상기 티타늄 산화물층이 형성된 용접 부위를 용접하는 단계를 포함하는 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법을 제공한다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 티타늄 산화물층은 티타늄 산화물 분말이 소정의 두께로 도포된 적층체일 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 티타늄 산화물층은 티타늄계 모재의 표면이 산화되어 형성된 것일 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 티타늄 산화물 분말을 포함하는 페이스트를 상기 용접 부위에 도포한 후 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, 열에너지 투입 열원을 이용하여 상기 용접 부위 표면을 산화분위기 혹은 대기 중에서 국부적으로 용융시킨 후 응고시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 열에너지 투입 열원은 레이저 혹은 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 용융 단계는 상기 열에너지 투입 열원이 이동하는 경로를 따라 용접 토치가 연속적으로 이동하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법에 있어서, 상기 티타늄계 모재는 티타늄 또는 티타늄 합금 재질일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 티타늄계 모재 표면을 산화처리하여 음극점(cathode spot)의 발생을 억제하여 건전한 용접 품질 구현이 가능하다. 또한, 음극점(cathode spot)을 분산시켜 스패터의 발생을 감소시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 티타늄계 모재를 용접하기 위한 표면처리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 티타늄계 모재를 용접하기 위한 표면처리 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터가 감소된 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터 발생 기작을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터가 발생하는 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 티타늄계 모재를 용접하기 위한 표면처리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 티타늄계 모재를 용접하기 위한 표면처리 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터가 감소된 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터 발생 기작을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터가 발생하는 모습을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 GMAW 방법으로 티타늄계 모재를 용접하는 방법은 (a) 용접 부위의 표면에 티타늄 산화물층이 형성된 티타늄계 모재를 준비하는 단계 및 (b) 상기 티타늄 산화물층이 형성된 용접 부위를 용접하는 단계를 포함한다. 상기 티타늄계 모재는 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로서, 티타늄계 모재의 용접 부위 표면에 티타늄 산화물층을 형성함으로써 음극점의 발생을 억제할 수 있다. 음극점(cathode spot)은 용접 시 모재 용융부에서 열전자 방출에 의해 발생하며, 전자의 방출을 음극 제트(cathode jet)라고 한다. 음극점은 에너지 밀도가 높은 부위에서 발생할 확률이 높으므로 용융부의 용적이 이행되는 곳으로 이동하는 경향이 강하다. 티타늄 용접에서 하나의 큰 음극점이 발생하여 그로 인한 반발력으로 용적이행이 불안정하고 스패터가 발생한다. 따라서 그 음극점을 작게 분산 시키면 용적 이행이 안정화되고 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
도 1을 참조하면, (a) 티타늄계 모재의 표면 처리를 수행하지 않는 경우 음극점이 집중되어 스패터의 발생 원인이 되나, (b) 티타늄의 용접 부위 표면에 산화층을 먼저 형성하고 GMAW 용접을 수행하는 경우 티타늄 용융부에서의 음극점을 분산시킬 수 있다.
도 2는 티타늄계 모재 표면에 티타늄 산화물(TiO2)이 형성된 것으로, 티타늄 산화물 분말(powder)을 도포하거나 티타늄계 모재의 표면이 산화되어 형성된 것일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 티타늄 산화물 분말을 도포하여 티타늄 산화물을 형성하는 단계는, 티타늄 산화물 분말을 포함하는 페이스트를 상기 용접 부위에 소정의 두께로 도포한 후 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 티타늄계 모재의 표면이 산화되어 티타늄 산화물(TiO2)을 형성하는 단계는, 열에너지 투입 열원을 이용하여 상기 용접 부위 표면을 산화분위기 혹은 대기 중에서 국부적으로 용융시킨 후 응고시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 열에너지 투입 열원은 레이저 혹은 플라즈마 토치일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔에 의해 티타늄계 모재 표면이 용융되었다가 응고되면서 산화되어 티타늄 산화물이 일정 두께로 형성될 수 있다. 상기 레이저 혹은 플라즈마 토치가 이동하는 경로를 따라 용접 토치가 연속적으로 이동하는 방식으로 모재 표면이 용접될 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예에 대해서 기술한다. 본 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공되는 것으로서 본 발명이 본 실험예에 한정되지 않음은 물론이다.
<실시예 1>
티타늄 산화물 분말을 에탄올과 같은 알콜류에 분산시킨 후, 티타늄 모재 표면의 용접부에 상기 티타늄 산화물 용액을 도포하였다. 도포된 용액을 실온에서 2~3 분 동안 건조한 후 GMAW 방식으로 용접을 수행하였다.
<실시예 2>
산소(O2) 분위기에서 레이저로 티타늄 모재의 용접부 표면만 국부적으로 열처리하여 티타늄 모재 표면에 TiOx를 형성시켰다. TiOx가 형성된 경로를 따라 GMAW 방식으로 용접을 수행하였다.
<비교예>
표면처리를 하지 않은 티타늄 모재를 준비하였다. 상기 티타늄 모재 표면에 GMAW 방식으로 용접을 수행하였다.
<실험예>
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 표면처리 방법을 각각 나타낸 것이다. 상기 표면처리를 통해 티타늄 모재의 용접 부위에 티타늄 산화물이 형성되며, 상기 표면처리로 인해 GMAW 용접시 스패터가 감소된 것을 확인할 수 있다(도 4 참조).
도 5는 상기 비교예에 따른 용접의 경우 스패터가 발생하는 기작을 나타낸 것이다. (a)용접 아크 범위내 음극점(cathode spot)이 발생하면 (b)음극점이 용적으로 이동하고 (c)음극점에서 발생한 로런츠 힘(Lorentz Force)로 인해 반발력이 형성되고 (d)반발력으로 인해 용적 이행이 불안정해지고 스패터가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따라 GMAW 방식을 이용하여 티타늄계 모재를 용접하는 경우 스패터가 발생하는 모습을 나타낸 것이다. 도 4 및 도 6을 비교하여 보면, 표면에 티타늄 산화물이 형성된 경우 용접 과정에서 발생하는 스패터가 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 용접봉의 용융금속이 모재로 이행할 때 작용하는 힘에 의해 용적이행이 나타나게 되는데, 본 발명의 실시예에 따라 모재가 표면처리된 경우 용적이행이 안정화되어 용접 품질이 향상되고 스패터가 감소하는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (8)
- GMAW 방법으로 티타늄계 모재를 용접하는 방법으로서,
(a) 용접 부위의 표면에 티타늄 산화물층이 형성된 티타늄계 모재를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 티타늄 산화물층이 형성된 용접 부위를 용접하는 단계;를 포함하고,
상기 (a) 단계의 티타늄 산화물층은,
티타늄 산화물 분말을 포함하는 페이스트를 상기 용접 부위에 도포한 후 건조시키거나 또는 열에너지 투입 열원을 이용하여 상기 용접 부위 표면을 산화분위기 혹은 대기 중에서 국부적으로 용융시킨 후 응고시켜 형성된,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 산화물층은 티타늄 산화물 분말이 소정의 두께로 도포된 적층체인,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 산화물층은 티타늄계 모재의 표면이 산화되어 형성된 것인,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 열에너지 투입 열원은 레이저 혹은 플라즈마 토치를 포함하는,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 용융 단계는,
상기 열에너지 투입 열원이 이동하는 경로를 따라 용접 토치가 연속적으로 이동하는 방식으로 수행되는,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 티타늄계 모재는,
티타늄 또는 티타늄 합금 재질인,
GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR102347590B1 (ko) | 2021-08-04 | 2022-01-06 | 베스트에프에이 주식회사 | 반응기의 하프코일 용접방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2010149175A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-07-08 | Honda Motor Co Ltd | ニッケル合金材のろう付け方法 |
| JP2011177764A (ja) * | 2010-03-02 | 2011-09-15 | Toshiba Corp | 構造材の表面改質装置及びその方法 |
| JP5372469B2 (ja) * | 2008-11-04 | 2013-12-18 | 大成プラス株式会社 | 金属合金積層材 |
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