KR102216814B1

KR102216814B1 - 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치

Info

Publication number: KR102216814B1
Application number: KR1020197037121A
Authority: KR
Inventors: 료타 야마사키; 나오키 무카이; 레이이치 스즈키
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2021-02-17
Also published as: WO2018235701A1; KR20200007941A; JP2019000908A; CN110662622A

Abstract

필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치에 있어서, 선행극(4)의 극성이 역극성이며, 선행극(4)의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°, 후행극(5)의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°, 또한, θ_L≤θ_T이며, 선행극(4)의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]가, 5.0≤J_L/V_L≤18.5의 조건을 만족한다. 이에 의해, 모재의 판 두께가 두꺼운 경우라도, 충분한 깊은 용입 효과를 얻는 것에 의해, 기공 결함을 저감하면서, 용융 금속의 안정화에 의해 바람직한 비드 형상을 유지한 채로 고속 용접을 실시 가능하게 한다.

Description

다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치

본 발명은 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 분립형상(粉粒狀) 용접 플럭스의 내부에 2개 이상의 전극 와이어를 송입하여 용접을 실행하는 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다.

조선 분야에서의 수평 필릿 용접에 있어서, 방청용 도료의 기화에 기인하는 기공 결함을 저감하는 것이 요구되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는 선행극에 솔리드 와이어를 이용하는 동시에, 후행극에 플럭스 코어드 와이어(FCW)를 이용한 수평 필릿 용접용의 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법이 개시되어 있다. 이 특허문헌 1에서는, 깊은 용입 효과가 얻어져, 기화된 방청용 도료의 배출을 가능하게 하는 것에 의해 기공 결함의 저감이 가능하다고 되어 있다.

또한, 분립형상 용접 플럭스 내에 2개의 전극 와이어를 송입하여 용접하는 탠덤 서브머지 아크 용접으로서, 예를 들면, 특허문헌 2에는 전극 와이어 직경, 선행 전극 및 후행 전극의 전류, 전압, 극간 거리, 선행 전극과 후행 전극의 동작각 등의 각종 용접 조건을 특정의 범위로 하고, 염기도가 특정의 범위에 있는 용융 플럭스를 이용하며, 용접 속도가 160~200㎝/min의 수평 필릿 자세로 용접하는 것이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에서도, 선행 전극 및 후행 전극의 전극 와이어의 직경, 각 전극 와이어와 용접선이 이루는 각도, 극간 거리 등을 각각 특정의 범위로 설정하고 용접하는 대각장 수평 필릿 서브머지 아크 용접 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제 2014-180692 호 공보 일본 특허 공개 제 2014-50854 호 공보 일본 특허 공개 제 소63-16870 호 공보

특허문헌 1에 기재된 방법은 실드 가스를 이용하는 탠덤 가스 실드 아크 용접법이다. 판 두께가 큰 것에 대해서는, 깊은 용입 효과를 충분히 확보하기 위해서, 선행극과 후행극의 전류, 전압의 값을 증대시키지 않으면 안된다. 그렇지만, 이 탠덤 가스 실드 아크 용접법에서 전류 및 전압의 값을 과도하게 증대시키면, 용융 금속량 증가에 수반하는 비드의 쳐짐, 선행극과 후행극 간의 용융 금속 유동 현상에 기인하는 아크 길이 변동, 또는 용접 중에 발생하는 과대한 전자기력에 기인한 아크 불안정 등이 생긴다. 이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는 판 두께가 12㎜를 초과하는 것에 대해서는, 아크 길이 변동이나 아크 불안정의 영향으로 깊은 용입 효과가 불충분하기 때문에 기공 결함을 억제하는 것은 고려되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접법은 선행극에 솔리드 와이어, 후행극에 FCW를 이용할 필요가 있어, 와이어의 종류나 선직경의 조건이 변경되는 다른 용접 방법에는 적합하지 않다.

또한, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 아크의 안정과 선행극 및 후행극 간의 용융 금속의 안정을 양립시키면서, 양호한 비드 형상 또한 충분한 깊은 용입 효과를 확보하기 위해서는, 용접 속도가 실용상 120㎝/min 정도까지 한정된다는 과제가 있다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 수평 필릿 탠덤 서브머지 아크 용접 방법에서는, 160~200㎝/min으로의 고속 용접을 가능하게 하고 있지만, 대상으로 하고 있는 강판은 보일러 화로벽과 같은 판 두께 8㎜ 미만의 강판으로, 판 두께가 12㎜를 초과하는 후강판에 대해서는 충분한 깊은 용입 효과를 얻을 수 없어, 기공 결함을 저감할 수 없다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 수평 필릿 서브머지 아크 용접 방법에서는, 선행극 와이어 직경을 1.2 내지 2.0㎜로 하고, 선행극의 입판으로부터의 경사각이 40° 미만으로 설정되어 있기 때문에, 깊은 용입 효과를 바람직하게 얻을 수 없어, 기공 결함을 저감할 수 없다.

본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 모재의 판 두께가 두꺼운 경우라도, 충분한 깊은 용입 효과를 얻는 것에 의해 기공 결함을 저감하면서, 용융 금속의 안정화에 의해 바람직한 비드 형상을 유지한 채로 고속 용접을 실시 가능하게 하는 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 하기의 구성에 의해 달성된다.

즉, 선행극과 후행극의 2전극을 이용한 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서, 상기 선행극의 극성이 역극성(DCEP)이며, 상기 선행극의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°이며, 상기 후행극의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°이고, 또한, θ_L≤θ_T이며, 상기 선행극의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]가 식 (1)의 조건을 만족하는 다전극 서브머지 아크 용접 방법.

5.0≤J_L/V_L≤18.5 …식 (1)

또한, 3개 이상의 전극을 구비하는 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서, 용접방향에 대해서, 가장 앞쪽에 위치하는 선행극의 극성이 역극성이며, 상기 선행극의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°이며, 용접방향에 대해서, 가장 후방에 위치하는 후행극의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°이고, 또한, θ_L≤θ_T이며, 상기 선행극의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]가 식 (1)의 조건을 만족하는 다전극 서브머지 아크 용접 방법.

5.0≤J_L/V_L≤18.5 …식 (1)

또한, 상술한 2전극 또는 3전극 이상의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서, 용접 속도 S[㎝/min]가 식 (2)의 조건을 만족하여도 좋다.

5.0≤J_L/V_L·100/S …식 (2)

또한, 상술한 2전극 또는 3전극 이상의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서,

상기 선행극의 와이어 직경(R_L) 및 상기 선행극의 돌출 길이(E_L)가 식 (3)의 조건을 만족하여도 좋다.

6.0≤E_L/R_L≤12.5 …식 (3)

상기 후행극의 용접 전류를 교류로 하여도 좋다.

상기 선행극의 와이어 직경(R_L)이 1.2 내지 2.0㎜라도 좋다.

상기 후행극의 와이어 직경(R_T)이 1.6 내지 6.4㎜라도 좋다.

상기 선행극의 와이어 직경(R_L)과, 상기 후행극의 와이어 직경(R_T)이 식 (4)의 관계를 만족하여도 좋다.

0.8≤R_T/R_L …식 (4)

또한, 본 발명의 용접 장치는 상술한 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 의해 용접하는 것이다.

본 발명에 따른 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치에 의하면, 선행극(3전극 이상인 경우는 용접방향에 대해서, 가장 앞쪽에 위치하는 전극)의 극성을 역극성으로 하는 것에 의해, 깊은 용입 효과가 얻어지고, 또한, 선행극의 토치 각도(θ_L)를 5°≤θ_L≤45°로 하는 것에 의해 용입방향을 강판 맞댐부를 향하게 할 수 있어서, 보다 바람직한 용입이 얻어진다. 또한, 후행극 3전극 이상인 경우는 용접방향에 대해서, 가장 앞쪽에 위치하는 전극)의 토치 각도(θ_T)를 40°≤θ_T≤60°로 하고, 또한 θ_L≤θ_T로 하는 것에 의해, 선행극에 의해 형성되는 비드를 평탄화하여 양호한 비드형상으로 정형할 수 있다. 또한, 전류 밀도 J_L[A/㎟]와, 아크 전압 V_L[V]가 5.0≤J_L/V_L≤18.5의 조건을 만족하는 것에 의해, 아크의 집중성이 향상되어, 강판 표면보다 용접 와이어가 내측에 잠입한 상태에서 아크를 발생시켜, 적정한 와이어 용융량으로 더욱 깊은 용입 효과를 얻는 것이 가능해진다. 또한, 3전극 이상인 경우에 있어서, 중간에 위치하는 전극은 와이어 용융량을 적정한 범위로 조정하기 위해서 이용한다. 그 때문에, 이 중간에 위치하는 전극은 깊은 용입 효과 및 비드 정형 효과에 직접적인 영향을 미치지 않으므로, 토치 각도나 용접 조건 등에 대해서 특별히 문제 삼지 않는다.

이에 의해, 모재의 판 두께가 두꺼운 경우라도, 충분한 깊은 용입 효과를 얻는 것에 의해 기공 결함을 저감하면서, 용융 금속의 안정화에 의해 바람직한 비드 형상을 유지한 채로 고속 용접을 실행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 다전극 서브머지 아크 용접 방법 중, 2전극의 서브머지 아크 용접을 설명하기 위한 정면 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 2전극 서브머지 아크 용접 방법을 설명하기 위한 측면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 다전극 서브머지 아크 용접 방법 중, 3전극 이상의 전극을 갖는 서브머지 아크 용접을 설명하기 위한 정면 모식도이다.
도 4는 도 3에 도시하는 다전극 서브머지 아크 용접 방법을 설명하기 위한 측면 모식도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 일 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

본 실시형태에 따른 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서, 2전극의 서브머지 아크 용접 방법은 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 하판(1) 및 입판(2)으로 이루어지는 모재에 대해서, 도시하지 않은 호퍼로부터 공급되는 분립형상 용접 플럭스(3)의 내부에 선행극(4)과 후행극(5)을 구성하는 2개의 와이어(소모식 전극)(40, 50)를 송입하여 용접을 실행하는 방법이다.

구체적으로, 이들의 와이어(40, 50)는 용접 토치의 내부에 관통 삽입되고, 각 토치의 선단으로부터 돌출되어 있으며, 모재 위에서, 후술하는 소정의 극간 거리(G), 소정의 토치 각도(θ_L, θ_T), 소정의 경사각으로 배치된다. 또한, 선행극(4)과 모재 사이, 후행극(5)과 모재 사이, 선행극(4)과 후행극(5) 사이가 각각 용접 플럭스(3)로 채워져 있다.

선행극(4) 및 후행극(5)의 와이어(40, 50)는 솔리드 와이어, 또는 FCW 중 어느 하나라도 좋으며, 또한, 특히 어느 하나에 한정되는 것은 아니지만, 깊은 용입 효과를 보다 바람직하게 얻기 위해서는, 선행극(4)의 와이어(40)로서 솔리드 와이어가 바람직하다. 부가하여, 와이어(40, 50)는 희토류 원소 등의 고가의 원소를 함유하지 않는 염가의 솔리드 와이어라도 적용할 수 있다. 또한, 용접 플럭스(3)는 필릿 용접용의 일반적인 플럭스이다.

선행극(4) 및 후행극(5)의 와이어(40, 50)는 각각이 도시하지 않은 용접용 전원과 접속되며, 모재인 하판(1) 및 입판(2)의 맞댐부(하판(1)의 상면과 입판(2)의 측면 사이의 모서리부)에 소정의 아크 전압 및 용접 전류의 전력이 공급된다. 이에 의해, 선행극(4)과 모재 사이 및 후행극(5)과 모재 사이에 각각 아크가 발생하고, 그 아크 열에 의해 선행극(4) 및 후행극(5)의 와이어(40, 50)와, 모재가 용융되어 용융 금속(7a)이 된다. 또한, 용융 금속(7a) 위에는 용접 플럭스(3)가 용융되어 용융 슬래그(8a)가 형성된다. 그리고, 선행극(4), 후행극(5) 및 호퍼를 용접방향(X)으로 전진시키면, 이들 후방에서는 용융 금속(7a) 및 용융 슬래그(8a)가 응고되어, 비드(용접 금속)(7b) 및 그 상부의 응고 슬래그(8b)가 형성된다.

또한, 3전극을 갖는 서브머지 아크 용접에 대해서는, 도 3 및 도 4에 도시한다. 이 경우, 용접방향에 대해, 가장 앞쪽에 위치하는 선행극(4)과, 용접방향에 대해서 가장 후방에 위치하는 후행극(5) 사이에 중간극(6)이 배치되고, 중간극(6)을 구성하는 와이어(60)도 와이어(40, 50)와 함께 용접 플럭스(3) 내에 송입되며, 용접이 실행된다. 또한, 중간극(6)의 와이어(60)도 솔리드 와이어, FCW 중 어느 것이어도 좋다.

여기에서, 본 실시형태에서는 모재의 판 두께가 두꺼운 경우라도, 피트나 블로우 홀과 같은 기공 결함을 저감하기 위해, 충분한 깊은 용입 효과가 얻어지는 동시에, 양호한 비드 형상을 부여하고, 또한, 고속의 필릿 용접을 실행할 수 있도록, 각종 용접 조건을 설정했다.

이하, 각종 용접 조건에 대해서, 그 이유와 함께 설명한다.

[선행극(4) 및 후행극(5)의 토치 각도(θ_L, θ_T)]

토치 각도는 도 2에 도시하는 바와 같이, 선행극 및 후행극(4, 5)의 중심선(와이어(40, 50)의 선단부인 돌출부의 중심선)과, 하판(1)의 상면이 이루는 각도로 나타난다. 본 실시형태에서는, 선행극(4)의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°이며, 후행극(5)의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°이고, 또한, θ_L≤θ_T로 설정되어 있다. 또한, 용접선을 축으로 하며, 하판(1)이 수평면과의 사이에 각도를 갖고서 배치되어 있는 경우(모재 경사)라도 중력의 작용 방향이 깊은 용입 효과를 저해하지 않는 경우에는 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

선행극(4)의 토치 각도(θ_L)를 5° 이상, 또한 45° 이하로 한 것은, 토치 각도(θ_L)가 5° 미만이면, 비드(7b)가 오버랩되어 버려, 형상으로서 부적합하게 되는 것에 부가하여, 선행극(4)의 와이어(40)가 하판(1)의 표면에 근접하고 있기 때문에, 아크점이 불안정하게 되는 경우가 있다.

또한, 토치 각도(θ_L)가 45°를 초과하면, 용입방향이 하판(1)측으로 편향되어 버려, 강판 맞댐부로의 깊은 용입 효과를 얻을 수 없어, 기공 결함을 저감할 수 없을 우려가 있다.

또한, 선행극(4)의 토치 각도(θ_L)로서는 20°≤θ_L≤35°로 하는 것이 바람직하다.

또한, 후행극(5)의 토치 각도(θ_T)는 40°≤θ_T≤60°로 하는 것에 의해, 선행극(4)에 의해 형성되는 비드(7b)의 볼록 형상이 평탄화되어 양호한 비드 형상으로 정형된다.

[선행극(4) 및 후행극(5)의 경사각]

또한, 경사각은 선행극(4) 및 후행극(5)의 중심선과 용접방향(X)을 법선으로 하는 면이 이루는 각도로 나타난다. 본 실시형태에서는, 이 선행극(4) 및 후행극(5)의 용접방향(X)에 대한 경사각은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비드 형상을 고려하여, 각각 0° 이상 또한 15° 이하의 후퇴각 또는 전진각이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 전극이 후퇴각인 경우는 용입이 깊어지는 경향이 있으며, 전진각인 경우는, 용입이 얕고 비드가 퍼지는 경향이 있다.

[극간 거리(G)]

각 전극간의 거리인 극간 거리(G)는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 10 내지 45㎜로 하는 것이 바람직하다. 극간 거리(G)를 10㎜ 이상으로 설정하는 것에 의해, 전극 간의 아크 간섭을 방지하면서 바람직한 비드 정형 효과를 얻을 수 있다. 또한, 극간 거리(G)를 45㎜ 이내로 하는 것에 의해, 설비의 대형화나 불량부 발생의 억제에 보다 효과적이다.

[선행극(4) 및 후행극(5)의 와이어(40)의 직경(R_L, R_T)]

선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)은 1.2 내지 2.0㎜로 하는 것이 바람직하다. 선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)이 1.2㎜ 미만이면, 전류를 증대시킬 때에 와이어 송급 속도를 과잉으로 고속으로 하지 않으면 안되어, 송급 장치가 대형화된다. 한편, 선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)이 2.0㎜를 초과하면, 후술하는 전류 밀도 J_L[A/㎟]의 값을 크게 하기 위해서 전류를 증대시킬 필요가 있으며, 용착 금속량의 증대를 초래한다. 그 때문에, 후행극(5)에 의한 비드 정형 효과를 바람직하게 얻을 수 없어, 목 두께의 증대나 오버랩 등의 외관 불량을 일으킬 우려가 있다.

따라서, 선행극(4)의 와이어 직경(R_L)을 1.2 내지 2.0㎜로 하는 것에 의해, 적정한 전류를 공급하여, 과대한 와이어 송급 속도나, 용착 금속량의 증대를 방지할 수 있어서, 후행극(5)에 의한 바람직한 비드 정형 효과에 의해 외관 불량을 방지할 수 있다.

또한, 후행극(5)의 와이어(50)의 직경(R_T)은 1.6 내지 6.4㎜로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 후행극(5)에 의한 용착량을 보다 바람직하게 확보하는 동시에, 선행극(4)에 의한 볼록 비드형상을 정형하는 것이 가능해진다. 또한, 일반적인 가스 실드 아크 용접에서는 와이어 직경이 2.0㎜를 초과하는 것을 송급하는 것은 고려되지 않아, 바람직한 비드 정형 효과와 용착 금속량을 양립하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

또한, 선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)과, 후행극(5)의 와이어(50)의 직경(R_T)의 비(R_T/R_L)는 0.8 이상으로 설정하는 것이 좋다. 이에 의해, 선행극(4)과 후행극(5)에 의한 용착 금속의 총량을 바람직하게 확보하는 동시에, 후행극(5)에 의한 비드 정형의 효과가 보다 바람직하게 얻어져, 양호한 비드 형상으로 하는 것이 가능해진다.

R_T/R_L이 0.8 미만이면, 후행극(5)의 와이어(50)의 직경(R_T)이 선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)보다 과도하게 가늘어, 아크의 확대가 불충분하게 되고, 비드 정형 효과를 바람직하게 얻을 수 없다.

R_T/R_L의 것보다 바람직한 범위는 1.0≤R_T/R_L≤5.0이다. 즉, 선행극(4)과 후행극(5)을 동직경화(同徑化)하면, 와이어의 관리가 용이해진다. 또한, 후행극(5)의 와이어(50)의 직경(R_T)의 과도한 태경화(太徑化)에 의한 각장(脚長) 증가를 억제할 수 있다.

[선행극(4)의 돌출 길이(E_L)]

또한, 선행극(4)의 와이어(40)의 직경(R_L)과, 선행극(4)의 와이어(40)의 돌출 길이(E_L)의 비(E_L/R_L)는 6.0≤E_L/R_L≤12.5로 설정되는 것이 바람직하다. E_L/R_L이 6.0 미만이면, 돌출 길이(E_L)가 과도하게 짧아, 용접 종료 지점 등에서 콘택트 팁의 융착을 초래할 우려가 있다. 또한, E_L/R_L이 12.5를 초과하면, 돌출 길이(E_L)가 과도하게 길어, 전류가 저하하기 때문에 송급 속도의 증가가 필요한 것 외에, 와이어 목적 위치의 어긋남을 발생시키기 쉬워지기 때문에 용입방향의 어긋남이나 비드 외관의 열화를 일으키는 경우가 있다.

따라서, 선행극(4)의 와이어 직경(R_L) 및 선행극(4)의 돌출 길이(E_L)가 6.0≤E_L/R_L≤12.5의 조건을 만족하는 것에 의해, 용접 종료 지점 등에서의 콘택트 팁의 융착을 방지하여, 용입방향의 어긋남이나 비드 외관의 열화를 억제할 수 있다.

[선행극(4) 및 후행극(5)의 극성]

또한, 전력을 공급할 때의 선행극(4) 및 후행극(5)의 극성은 깊은 용입 효과가 얻어지기 쉽고 기포의 배출이 용이한 것이나, 용착 금속량 및 비드 형상을 고려하여, 선행극(4)은 역극성(DCEP)으로 하고, 후행극(5)은 교류(AC)로 하는 것이 좋다. 후행극(5)의 용접 전류를 교류로 하는 것에 의해, 용접 중의 선행극(4)과 후행극(5)의 전자기적인 간섭을 억제할 수 있어서, 바람직한 비드 형상을 얻을 수 있다. 또한, 전극수가 3개 이상인 경우에는 선행극(4)과의 전자기적인 간섭을 억제하기 위해서, 중간극(6)의 용접 전류를 AC로 하는 것이 좋다.

[선행극(4)의 전류 밀도 J_L과아크 전압 V_L의 비(J_L/V_L)]

선행극(4)에 공급되는 전력의 전류 밀도 J_L[A/㎟], 및 아크 전압 V_L[V]은 5.0≤J_L/V_L≤18.5의 조건을 만족하도록, 도시하지 않은 제어 장치에 의해 제어된다.

선행극(4)의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와, 아크 전압 V_L[V]의 비(J_L/V_L)가 5.0 이상, 또한 18.5 이하의 조건을 만족하는 것에 의해, 아크의 집중성이 향상되어, 와이어(40)가 강판 표면보다 내측에 잠입한 상태에서 아크가 발생하여, 적정한 와이어 용융량으로 깊은 용입 효과를 얻는 것이 가능해진다.

J_L/V_L이5.0 미만이면, 와이어(40)가 강판 표면보다 내측에 잠입하여 아크를 발생시키지 못해, 깊은 용입 효과가 얻어지지 않는다. 또한, J_L/V_L이18.5를 초과하면, 선행극(4)에 의한 와이어 용융량이 과도하게 증가하기 때문에, 후행극(5)에 의해 비드 외관을 충분히 정형하지 못하여, 비드 외관이 부적절하게 된다.

또한, 깊은 용입 효과 및 비드 정형 효과를 보다 바람직하게 얻기 위해서는, 선행극(4)의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]의 비(J_L/V_L)를 8.5≤J_L/V_L≤13.0으로 하는 것이 바람직하다.

특히 상술한 선행극(4)의 토치 각도(θ_L)를 20°≤θ_L≤35°로 하고, 선행극(4)의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]의 비(J_L/V_L)를 8.5≤J_L/V_L≤13.0으로 하는 것에 의해, 용입방향이 모재의 맞댐부에 집중되는 것 외에, 후행극(5)에 의한 비드 정형 효과가 바람직하게 얻어져, 적절한 용접 비드가 얻어진다.

[용접 속도 S]

또한, 깊은 용입 효과를 유지하기 위해, 용접 속도 S[㎝/min]는 5.0≤J_L/V_L·100/S의 조건을 만족하도록, 도시하지 않은 제어 장치에 의해 제어된다.

이에 의해, 선행극(4)에 의한 깊은 용입 효과와, 후행극(5)의 비드 정형 효과에 의해, 비드 외관을 바람직한 것으로 할 수 있다. J_L/V_L·100/S가 5.0 미만이면, 용접 속도 S가 너무 빠르기 때문에 용입 형상이 얕아져, 기공 결함이 증가하는 동시에, 언더컷 등의 결함도 발생하기 쉬워진다. 또한, 용접 속도 S가 저속이면, 용착 금속량이 과도하게 증가하여, 비드 외관이 열화되는 동시에, 시공 능률이 저하한다. 이 때문에, J_L/V_L·100/S의 상한값을 26.0으로 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 다전극 서브머지 아크 용접 방법 및 용접 장치에 의하면, 각종 용접 조건을 설정하는 것에 의해, 깊은 용입 효과에 의해 기공 결함의 저감을 가능하게 하면서, 예를 들면, 모재의 판 두께가 20㎜까지인 필릿 용접을 용접 속도가 250㎝/min, 바람직하게는 200㎝/min까지의 고속으로 실행할 수 있다.

특히, 본 실시형태에서는 적어도, 선행극(4)의 극성을 역극성으로 하고, 선행극(4)의 토치 각도(θ_L)를 5°≤θ_L≤45°, 후행극(5)의 토치 각도(θ_T)를 40°≤θ_T≤60°, 또한, θ_L≤θ_T로 하고, 선행극(4)의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]을 5.0≤J_L/V_L≤18.5의 조건을 만족하도록 하는 것에 의해, 모재의 판 두께가 두꺼운 경우라도, 양호한 비드 형상을 유지하면서, 깊은 용입 효과를 갖는 필릿 용접을 고속으로 실행할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 특허 청구의 범위의 기재에 근거하여 넓게 해석되지 않으면 안 된다. 또한, 본 발명은 이들 기재에 근거하여, 적절히, 변형, 개량 등이 가능하다.

예를 들면, 본 실시형태에 따른 다전극 서브머지 아크 용접 방법은 선행극(4) 및 후행극(5)에 의해 1개의 용융지를 형성하는 1풀 용접이어도, 선행극(4) 및 후행극(5)에 의해 2개의 용융지를 형성하는 2풀 용접 중 어느 것이어도 좋다. 또한, 본 발명의 용접 방법에서는 위빙이 실행되어도 좋다. 또한, 용접 자세는 특별히 문제 삼지 않으며, 수평 필릿 용접으로 하여도 좋고, 하향 필릿 용접으로 하여도 좋다.

실시예

본 발명의 유효성을 입증하기 위해, 선행극 및 후행극의 각각에 대해서, 와이어 직경, 용접 전류, 아크 전압, 전류 밀도, 용접 속도, 토치 각도, 전진각 또는 후퇴각, 와이어 돌출 길이 및 극성을 변경한 각종 용접 조건에 있어서, 서브머지 아크에 의한 필릿 용접 시험을 실행했다. 또한, 후행극의 와이어는 솔리드 와이어를 이용하고, 극간 거리는 15㎜로 하여 용접 시험을 실행하고 있다.

사용한 하판 및 입판의 강판의 화학 조성을 표 1에, 선행극 및 후행극에 이용한 솔리드 와이어의 화학 조성을 표 2에, 선행극에 이용한 FCW의 화학 조성을 표 3에, 용접 플럭스의 화학 조성을 표 4에 각각 나타낸다. 또한, 표 2 및 표 3의 솔리드 와이어의 화학 조성에 있어서의 잔부는 Fe 및 불가피 불순물이다. 또한, 표 4의 용접 플럭스의 화학 조성에 있어서의 잔부는 산화물, 플루오르화물과 불가피적 불순물로 구성되어 있다. 예를 들면, 산화물로서는, CaO, TiO₂, Al₂O₃, FeO, BaO, K₂O, Na₂O 중 1종 이상을 함유하며, 그 산화물의 함유량은 합계로 0.01 내지 3.00%의 범위이다. 또한, 플루오르화물로서는, CaF₂, NaF₂, K₂SiF₂중 1종 이상을 함유하며, 합계 0.01 내지 5.00% 정도의 범위이다. 또한, 각 시험에서 하판 및 입판에 사용된 모재의 판 두께는 12㎜이다. 또한, 3전극인 경우에는 선행극과 후행극을 제외한 중간극의 용접 조건을 표 5의 조건으로 하고 있다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

용접 품질은 피트, 비드 외관에 대해서는 육안에 의한 외관 검사로, 블로우 홀에 대해서는 X선 투과 시험에 의해 평가했다. 피트에 대해서는, 피트 없음은 ○, 피트 있음은 ×(불합격)로 했다. 또한, 블로우 홀에 대해서는, 용접 길이 100㎜에 대해서 블로우 홀이 3개 미만은 ◎, 용접 길이 100㎜에 대해서 블로우 홀이 3개 이상, 6개 미만은 ○, 용접 길이 100㎜에 대해서 블로우 홀이 6개 이상은 ×(불합격)로 했다. 비드 외관에 대해서는 비드 형상 양호한 것은 ◎, 외관 불량은 없지만, 표면 파목(波目) 모양이 거친 것은 ○, 비드 사행, 언더컷, 오버랩 등의 외관 불량이 있는 것은 ×(불합격)로 했다.

시험 결과를 각 용접 조건과 함께 표 6에 나타낸다.

[표 6]

표 6에 나타내는 바와 같이, 선행극의 극성, 선행극의 토치 각도(θ_L)(5°≤θ_L≤45°), 후행극의 토치 각도(θ_T)(40°≤θ_T≤60°), 토치 각도(θ_L, θ_T)의 크기(θ_L≤θ_T), 선행극의 전류 밀도 J_L과 아크 전압 V_L의 비(J_L/V_L) 중 어느 5개의 조건이, 본 발명에서 규정하는 범위 내인 각 시험 No.1 내지 No.7에서는, 어느 와이어 직경, 용접 속도, 전진각 또는 후진각, 돌출 길이, 후행극의 극성, 극간 거리, 모재 경사, 3전극째의 유무에서도, 피트, 블로우 홀 및 비드 외관이 합격 레벨을 만족했다.

한편, 선행극의 극성이 정극성인 시험 No.48에서는 피트, 블로우 홀 및 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않으며, 선행극의 용접 전류를 교류로 한 시험 No.49에서는, 블로우 홀이 합격 레벨에 도달하지 않았다.

또한, 선행극의 토치 각도(θ_L)가 본 발명에서 규정하는 하한값 미만인 시험 No.50에서는 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않으며, 상한값을 초과하는 시험 No.51에서는 피트 및 블로우 홀이 합격 레벨에 도달하지 않았다. 또한, 후행극의 토치 각도(θ_T)가 본 발명에서 규정하는 하한값 미만인 시험 No.52 및 상한값을 초과하는 시험 No.53에서는, 모두 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않았다.

또한, 선행극의 전류 밀도 J_L과 아크 전압 V_L의 비가 본 발명에서 규정하는 하한값 미만인 시험 No.54에서는 피트, 블로우 홀 및 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않으며, 선행극의 전류 밀도 J_L과 아크 전압 V_L의 비가 본 발명에서 규정하는 상한값을 초과하는 시험 No.55에서는, 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않았다.

또한, 선행극의 토치 각도(θ_L)와 후행극의 토치 각도(θ_T)가 θ_L≤θ_T를 만족하지 않는 시험 No.56에서는 비드 외관이 합격 레벨에 도달하지 않았다.

또한, 시험 No.1 내지 No.4를 비교하면, No.1 및 No.3에서는 상술한 5개의 조건을 만족하며, 특히, 선행극의 토치 각도(θ_L)를 20°≤θ_L≤35°로 하는 것에 의해, 비드 외관이 향상하는 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.11 내지 No.14를 비교하면, No.11 및 No.12에서는 상술한 5개의 조건을 만족하면서, 선행극의 와이어 직경을 바람직한 범위(1.2 내지 2.0㎜)로 하는 것에 의해, 블로우 홀이 저감되며, 또한 비드 외관이 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.17 내지 No.21을 비교하면, No.17 및 No.18에서는 상술한 5개의 조건을 만족하면서, 선행극의 와이어 직경(R_L)과 후행극의 와이어 직경(R_T)의 비(R_T/R_L)를 바람직한 범위(0.8 내지 5.0)로 하는 것에 의해, 블로우 홀이 저감되며, 또한 비드 외관이 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.1과 시험 No.22, No.23을 비교하면, 후행극의 용접 전류를 교류로 하는 편이, 직류(DCEP, DCEN)로 하는 것보다도 블로우 홀이 저감되며, 비드 외관이 양호한 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.24 내지 No.27을 비교하면, No.24 및 No.25에서는 상술한 5개의 조건을 만족하면서, 선행극의 와이어 직경(R_L)과 선행극의 돌출 길이(E_L)의 비(E_L/R_L)를 바람직한 범위(6.0≤E_L/R_L≤12.5)로 하는 것에 의해, 보다 양호한 비드 외관이 얻어지는 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.32 내지 No.39를 비교하면, No.32 및 No.34와 같이, 상술한 5개의 조건을 만족하면서, 선행극의 경사각을 전진각 또는 후진각으로 15°의 범위 내로 하는 것에 의해, 비드 외관이 향상되는 것을 알 수 있다.

또한, 시험 No.40 내지 No.43을 비교하면, No.40 및 No.41과 같이, 상술한 5개의 조건을 만족하면서, 극간 거리를 10 내지 45㎜의 범위 내로 하는 것에 의해 블로우 홀이 저감되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 출원은 2017년 6월 19일 출원된 일본 특허 출원 제 2017-119427 호에 근거하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 인용된다.

4: 선행극 5: 후행극
E_L: 선행극의 돌출 길이 J_L: 선행극의 전류 밀도
R_L: 선행극의 와이어 직경 R_T: 후행극의 와이어 직경
S: 용접 속도 V_L: 선행극의 아크 전압
θ_L: 선행극의 토치 각도 θ_T: 후행극의 토치 각도

Claims

선행극과 후행극의 2전극을 이용한 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서,
상기 선행극의 극성이 역극성이며,
상기 선행극의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°이며, 상기 후행극의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°이고, 또한, θ_L≤θ_T이며,
상기 선행극의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]가 식 (1)의 조건을 만족하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
5.0≤J_L/V_L≤18.5 …식 (1)
3개 이상의 전극을 구비하는 필릿 용접용의 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 있어서,
용접방향에 대해, 가장 앞쪽에 위치하는 선행극의 극성이 역극성이며,
상기 선행극의 토치 각도(θ_L)가 5°≤θ_L≤45°이며, 용접방향에 대해서, 가장 후방에 위치하는 후행극의 토치 각도(θ_T)가 40°≤θ_T≤60°이고, 또한, θ_L≤θ_T이며,
상기 선행극의 전류 밀도 J_L[A/㎟]와 아크 전압 V_L[V]가 식 (1)의 조건을 만족하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
5.0≤J_L/V_L≤18.5 …식 (1)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
용접 속도 S[㎝/min]가 식 (2)의 조건을 만족하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
5.0≤J_L/V_L·100/S …식 (2)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 선행극의 와이어 직경(R_L) 및 상기 선행극의 돌출 길이(E_L)가 식 (3)의 조건을 만족하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
6.0≤E_L/R_L≤12.5 …식 (3)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 후행극의 용접 전류를 교류로 하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 선행극의 와이어 직경(R_L)이 1.2 내지 2.0㎜인
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 후행극의 와이어 직경(R_T)이 1.6 내지 6.4㎜인
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 선행극의 와이어 직경(R_L)과, 상기 후행극의 와이어 직경(R_T)이 식 (4)의 관계를 만족하는
다전극 서브머지 아크 용접 방법.
0.8≤R_T/R_L …식 (4)
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 다전극 서브머지 아크 용접 방법에 의해 용접하는 것을 특징으로 하는
용접 장치.