KR102424484B1 - 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법 및 용접 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 뛰어난 내기공성 및 내갭성을 가지며, 비드형상이 양호하고, 고속으로 용접할 수 있는 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법을 제공한다.
[해결 수단] 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 선행극은 솔리드 와이어를 사용하고, 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하며, 토치 각도 θ_L이 40° 내지 60°, 와이어 돌출 길이 E_L이 10㎜ 내지 20㎜, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치까지의 거리 HL이 1㎜ 내지 3㎜이며, 용접 전류 I_L(A)과 아크 전압 V_L(V)이 [50≤V_L×1000/I_L≤70]을 만족한다. 후행극은 플럭스 코어드 와이어를 사용하고, 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하며, 토치 각도 θ_T가 40° 내지 60°, 와이어 돌출 길이 E_T가 20㎜ 내지 30㎜, 하판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치까지의 거리 W_T가 1㎜ 내지 5㎜이며, 전극간 거리가 25㎜ 내지 45㎜, 용접 속도가 800㎜/min 이상이다.

Description

탠덤 가스 실드 아크 용접 방법 및 용접 장치{TANDEM GAS SHIELD ARC WELDING METHOD AND WELDING DEVICE}

본 발명은 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다.

조선의 분야에 있어서의 세로 부재(보강재)의 필릿 용접에 있어서는, 최근, 용접의 고속화를 목적으로 하여, 트윈 탠덤 1풀법이나, 3전극을 이용한 고속 필릿 용접법이 개발되어 있다. 트윈 탠덤 1풀법이란, 입판에 대해 양측에 전극을 배치하고, 전극수를 2개로 하고, 2전극으로 1개의 용융지를 형성시키는 용접 방법으로서, 양 전극에 동일한 플럭스 코어드 와이어를 이용하는 방법이 널리 실용화되어 있다.

한편, 이와 같은 2전극을 이용하는 용접 방법으로서, 특허문헌 1에는, 교량이나 선박 등의 분야에서 이용되는 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법이 개시되어 있다. 상기 용접 방법은, 선행극에 솔리드 와이어를 사용하고, 후행극에 플럭스 코어드 와이어를 사용하여, 실드 가스, 토치 각도, 아크 전압, 용접 전류 및 와이어 돌출 길이 등을 조정한 것이다. 이에 의해, 스패터 발생량이 적고, 언더컷이 발생하지 않아, 깊은 용입화가 가능하게 되는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 특히 후판 부재에 대해 사용되는 2전극 수평 필릿 가스 실드 아크 용접 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 용접 방법도, 선행극에 솔리드 와이어를 사용하고, 후행극에 플럭스 코어드 와이어를 사용하여, 선행극과 후행극의 전극간 거리, 와이어 목적 위치 및 와이어 직경을 조정한 것이다. 이에 의해, 내기공성이 뛰어나고, 스패터 발생량이 적고, 슬래그 박리성 및 비드형상 등이 양호하며, 용입 부족 등의 용접 결함이 없는 대각장(大脚長)의 필릿 용접부를 고능률로 얻을 수 있는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 제 6025627 호 공보 일본 특허 제 6188626 호 공보

그런데, 교량이나 조선의 분야에 있어서는, 강판이 녹슴 발생을 방지하기 위해, 피용접물인 강판의 표면에 방수 도료인 프라이머가 도포되는 일이 많다. 이 프라이머는 아크열로 기화되어, 가스가 발생하고 용융지에 침입한다. 이 때, 가스가 용융지로부터 외기로 빠져나가지 못한 경우에는, 기공 결함이 발생하고, 외관이 현저하게 열화되여, 수정 공정이 필요하게 된다. 이 때문에, 교량이나 조선 분야에서 적용되는 수평 필릿 가스 실드 아크 용접에 있어서는, 내기공성이 뛰어난 것도 요구된다.

그렇지만, 상기 특허문헌 1에 기재된 용접 방법은, 상기 프라이머에 기인하는 기공 결함에 관하여, 충분히 고려되어 있지 않다. 또한, 상기 용접 방법에 있어서는, 선행극의 토치 각도 θ_L이 5≤θ_L<40°이며, 용접시에 용접 토치가 하판에 가까워지는 자세가 된다. 따라서, 예를 들면, 선박의 외판에 세로 부재를 용접할 때에, 이웃하는 세로 부재의 간격이 작은 경우에는, 용접 토치의 각도가 작은 것에 의해, 이웃하는 세로 부재를 용접하는 토치군과 간섭해 버려, 용접 토치의 배치가 곤란하게 된다는 과제가 있다. 또한, 이 용접 방법을 조선의 세로 부재의 필릿 용접에 적용된 경우에, 입판과 하판 사이에 수 ㎜ 정도의 갭이 벌어져 있으면, 배어나기 쉽다는 과제가 있다. 이 때문에, 비교적 큰 갭이 존재하여도, 용접 결함을 발생시키는 일이 없는 특성(이하, 이와 같은 특성을 "내(耐)갭성"이라 함)을 만족하는 용접 방법이 요구되고 있다.

또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 용접 방법은 예를 들면, 두께가 30㎜ 이상의 판재의 용접을 상정하며, 각장(角長)이 8㎜ 이상의 용접부를 얻는 용접 방법으로서, 이것을 세로 부재의 필릿 용접에 적용하여도, 뛰어난 비드형상과, 기공 결함의 저감을 동시에 실현할 수 없다. 따라서, 상기 어느 용접 방법을 사용하여도, 상기 프라이머에 기인한 블로우홀이나 피트 등의 기공 결함이 발생하여, 용접 후에 기공 결함의 수정이 필요하다.

본 발명은 상술한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 뛰어난 내기공성 및 내갭성을 가지며, 비드형상이 양호하고, 고속으로 용접할 수 있는, 필릿 용접용의 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법 및 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 예의 연구를 실행한 결과, 선행극에 솔리드 와이어를 이용하여 용융지를 깊이 파내려가 루트면의 녹지 않은 잔유물을 줄이는 동시에, 아크 바로 아래로부터 프라이머 가스를 외부로 방출할 수 있으면, 기공 결함이 대폭 저감 되는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자들은 와이어의 목적 위치를 적절히 정하고, 선행극의 용접 전류와 아크 전압의 관계를 적절히 제어하는 것에 의해, 내갭성을 확보하는 동시에, 언더컷 등의 용접 결함의 발생을 억제할 수 있는 것도 발견했다.

즉, 본 발명의 상기 목적은 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 따른 하기 [1]의 구성에 의해 달성된다.

[1] 주면을 갖는 하판과, 상기 하판의 주면에 대해 교차하는 방향으로 배치된 입판을, 선행극과 후행극을 이용하여 필릿 용접하는 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,

상기 선행극으로서 솔리드 와이어를 사용하고,

상기 선행극의 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하고,

상기 주면과 용접 토치가 이루는 상기 선행극의 토치 각도 θ_L이 40°≤θ_L≤60°,

상기 선행극의 와이어 돌출 길이 E_L이 10㎜≤E_L≤20㎜,

상기 입판측에 있어서의 루트부로부터 상기 선행극의 와이어 목적 위치까지의 거리 H_L이 1㎜≤H_L≤3㎜이며,

상기 선행극의 용접 전류 I_L(A)과 아크 전압 V_L(V)이 하기 식(1)을 만족하는 동시에,

상기 후행극으로서 플럭스 코어드 와이어를 사용하고,

상기 후행극의 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하고,

상기 주면과 상기 후행극의 용접 토치가 이루는 토치 각도 θ_T가 40°≤θ_T≤60°,

상기 후행극의 와이어 돌출 길이 E_T가 20㎜≤E_T≤30㎜,

상기 하판측에 있어서의 루트부로부터 상기 후행극의 와이어 목적 위치까지의 거리 W_T가 1㎜≤W_T≤5㎜이며,

상기 선행극과 상기 후행극의 전극간 거리 D가 25㎜≤D≤45㎜,

용접 속도가 800㎜/min 이상인, 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.

50≤V_L×1000/I_L≤70…식(1)

또한, 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 따른 본 발명의 바람직한 실시형태는, 이하의 [2] 및 [3]에 관한 것이다.

[2] 상기 선행극의 용접 전류 I_L이 350A≤I_L≤530A,

상기 선행극의 아크 전압 V_L이 22V≤V_L≤33V인, [1]에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.

[3] 상기 후행극의 용접 전류 I_T가 250A≤I_T≤400A,

상기 후행극의 아크 전압 V_T가 25V≤V_T≤38V인, [1] 또는 [2]에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.

또한, 본 발명의 상기 목적은 용접 장치에 따른 하기 [4]의 구성에 의해 달성된다.

[4] [1] 내지 [3]중 어느 하나에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 이용되는 용접 장치.

본 발명에 의하면, 뛰어난 내기공성 및 내갭성을 가지며, 스패터 발생량을 저감할 수 있는 동시에, 비드형상이 양호하며, 고속으로 용접할 수 있는, 필릿 용접용의 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법 및 용접 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법을 도시하는 사시도이다.
도 2는 선행극측 용접 토치의 토치 각도를 작게 한 경우의 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법의 일 예를 도시하는 사시도이다.
도 3은 선행극측의 용접 토치 각도 θ_L을 45°, 와이어 목적 위치 P_L을 루트부로서, 필릿 용접한 경우의 용접 금속 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4는 선행극측의 용접 토치 각도 θ_L을 45°, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리 H_L을 2㎜로 하여, 필릿 용접한 경우의 용접 금속 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 후행극의 토치 각도 θ_T 및 와이어 목적 위치 P_T를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 설명의 편의상, 도면 중에 부재의 크기나 형상을 과장하여 도시하고 있는 경우가 있는 동시에, 일부의 구성의 묘사를 생략하고 있는 경우가 있다.

우선, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 대해 설명한다.

본 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법은, 주면(1a)을 갖는 하판(1)과, 상기 하판(1)의 주면(1a)에 대해 교차하는 방향으로 배치된 입판(2) 사이에 형성된 루트부(3)에 대해서, 도시하지 않은 실드 가스를 분사하면서, 필릿 용접을 실행하는 방법이다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에서는, 수평으로 배치된 하판(1)과, 하판(1)의 주면(1a)에 대해 수직으로 배치된 입판(2)을 예로서 설명하지만, 본 발명은 입판(2)이 하판(1)의 주면(1a)에 대해 교차하는 방향으로 배치되는 것이면 좋으며, 반드시 이들이 수직인 것으로 한정되지 않는다.

입판(2)의 한쪽의 면(주면)(2a)측에는, 선행극측 용접 토치(4a)와 후행극측 용접 토치(5a)가 배치된다. 또한, 입판(2)의 다른쪽의 면(2b)측에도 마찬가지로, 선행극측 용접 토치(4b)와 후행극측 용접 토치(5b)가 배치된다. 선행극측 용접 토치(4a, 4b) 및 후행극측 용접 토치(5a, 5b)는, 각각이 도시하지 않은 용접 전원과 접속되고, 소정의 토치 각도로 보지된다. 그리고, 모재인 하판(1) 및 입판(2) 사이의 소정의 목적 위치에, 소정의 아크 전압 및 용접 전류로 전력이 공급되는 것에 의해, 각각의 전극의 와이어(6a, 6b, 7a 및 7b)와 와이어 목적 위치 사이에 아크가 형성된다.

여기에서, 토치 각도 θ_L란, 하판(1)의 주면(1a)과, 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 중심선, 즉 와이어(6a, 6b)의 선단부인 돌출부의 중심선이 이루는 각도이다. 마찬가지로, 토치 각도 θ_T란, 하판(1)의 주면(1a)과, 후행극측 용접 토치(5a, 5b)의 중심선, 즉 와이어(7a, 7b)의 선단부인 돌출부의 중심선이 이루는 각도이다.

모재인 하판(1) 및 입판(2)은 아크에 의해 용융되고, 와이어(6a, 6b, 7a 및 7b)는 아크의 아크열과 동시에, 와이어(6a, 6b, 7a 및 7b)를 흐르는 용접 전류에 의해 생기는 주울열에 의해 용융된다. 그리고, 용융된 와이어(6a, 6b, 7a 및 7b)는 용융된 용접 금속과 융합되는 것에 의해, 용접부가 형성된다.

여기에서, 본 발명자들은 예의 검토의 결과, 필릿 용접용의 탠덤 가스 실드 아크 용접에 있어서, 뛰어난 내기공성 및 내갭성을 가지며, 비드형상이 양호해지는 용접 방법을 얻기 위해서는

(a) 입판(2)의 단면(2c)과 하판(1)의 주면(1a)이 대향하는 영역 S에 있어서의 미용접 부분을 작게 할 것,

(b) 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리 H_L를 1㎜ 내지 3㎜로 설정하고, 입판과 하판 사이에 갭이 벌어졌다고 하여도 배어나오지 않을 것,

(c) 용접 토치의 목적 위치 P_L을 루트부보다 상방으로 설정하여도, 언더컷이 발생하지 않는 아크 전압 및 용접 전류의 범위를 조정할 것,

(d) 후행극에 의해 비드를 정형하기 위해, 목적 위치나 전극간 거리를 적정화하는 것이 극히 중요한 것을 발견했다.

우선, 선행극에 있어서의 각 조건에 대해 상세하게 설명한다.

[선행극]

<실드 가스로서 탄산 가스를 사용한 솔리드 와이어>

선행극의 와이어(6a 및 6b)는 희토류 원소 등의 고가인 원소를 함유하지 않는 염가인 솔리드 와이어를 이용하고, 실드 가스로서, 고가인 아르곤 가스 등의 불 활성 가스를 함유하지 않는 100% 탄산 가스를 이용한다. 탠덤 용접법에 있어서는, 선행극에 의해 용입의 깊이를 확보하고, 후행극에 의해 비드형상을 정돈하도록, 2개의 전극으로 역할을 분담하고 있다. 따라서, 본 실시형태에서는 선행극으로서, 깊은 용입을 얻을 수 있는 솔리드 와이어를 사용한다. 또한, 필릿 용접에 있어서, 용입이 깊거나 또는 얕다는 것은, 특별히 지정되지 않는 이상 수평방향, 즉 입판(2)의 두께방향의 용입에 대해 말하는 것으로 한다.

또한, 후에 상세하게 설명하지만, 본 실시형태에 있어서는, 선행극의 아크 전압과 용접 전류의 관계 및 그 이외의 용접 조건에 대해서도 적절하게 제어하고 있기 때문에, 100% 탄산 가스 용접을 이용하여도 스프레이 이행시킬 수 있어서, 저 스패터화를 실현하면서 언더컷을 발생시키는 일은 없다.

<토치 각도 θ_L : 40°≤θ_L≤60°, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리 H_L : 1㎜≤H_L≤3㎜>

도 2 내지 도 4를 참조하여, 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서의 선행극의 토치 각도 θ_L 및 와이어 목적 위치 P_L의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 도 2 내지 도 4에 있어서, 도 1과 동일 내용에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 토치 각도를 작게 한 경우의 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법의 일 예를 도시하는 사시도이다. 도 3은 선행극측의 용접 토치 각도 θ_L을 45°, 와이어 목적 위치 P_L을 루트부(거리 H_L : 0㎜)로 하여, 필릿 용접한 경우의 용접 금속 상태를 도시하는 단면도이다. 도 4는 선행극측의 용접 토치 각도 θ_L을 45°, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리 H_L을 2㎜로 하여, 필릿 용접한 경우의 용접 금속 상태를 도시하는 단면도이다.

본원 명세서에 있어서, 루트부란, 하판(1)의 주면(1a)과, 입판(2)의 주면(2a) 또는 주면에 대향하는 면(2b)의 접선을 나타내며, 루트부는 용접의 진행방향으로 연장되어 있다. 또한, 하판(1)과 입판(2) 사이에 루트 갭이 존재하는 경우는, 입판(2)의 주면(2a) 또는 주면에 대향하는 면(2b)을 하판(1)까지 연장시켰을 때의 하판(1)의 주면(1a)의 접선을 루트부로 한다.

도 2에 도시하는 용접에서는, 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 토치 각도 θ_L를 모두 20°, 후행극측 용접 토치(5a, 5b)의 토치 각도 θ_T를 모두 45°로 하고, 와이어 목적 위치 P_L, P_T를 모두 루트부로 하고 있다.

여기에서, 본 실시형태는, 조선의 분야에 있어서의 세로 부재의 필릿 용접에 바람직한 탠덤 가스 실드 아크 용접을 상정하고 있다. 따라서, 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 토치 각도 θ_L이 40° 미만, 예를 들면, 20°이면, 이웃하는 세로 부재(도 2의 입판(2)에 상당)의 간격이 작은 경우에는, 이웃하는 세로 부재를 용접하는 토치군과 간섭해 버려, 용접 토치의 배치가 곤란하게 된다. 또한, 입판(2)과 하판(1) 사이에 수 ㎜ 정도의 갭이 벌어진 경우에, 배어나오기 쉬워진다.

한편, 선행극의 토치 각도 θ_L이 60°을 초과하면, 와이어의 목적 위치 P_L에 상관없이, 깊은 용입을 얻을 수 없다. 따라서, 본 실시형태에 따른 용접 방법에 대해서는, 선행극의 토치 각도 θ_L을 40° 이상 60° 이하로 한다.

또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 선행극의 토치 각도 θ_L를 예를 들면 45°로 한 경우라도, 깊은 용입을 얻으려고 하여, 와이어(6a, 6b)의 목적 위치 P_L을 루트부(3)로 설정하면, 입판(2)의 단면(2c)과 하판(1)의 주면(1a)이 대향하는 영역 S에서 녹지 않은 잔유물이 발생하여, 이 영역 S에 존재하는 프라이머가 기화되고, 용접 금속(8) 중에 기공 결함(9)이 발생해 버린다.

그래서, 본 실시형태에서는 또한, 와이어 목적 위치 P_L을 적절히 선택하는 것이 필요하다. 즉, 도 4에 도시하는 바와 같이, 토치 각도 θ_L을 상기하는 바와 같이 설정하는 동시에, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리(높이) H_L을 1㎜ 이상 3㎜ 이하로 한다. 이에 의해, 입판(2)의 단면(2c)과 하판(1)의 주면(1a)이 대향하는 영역 S에서 녹지 않은 잔유물을 작게 할 수 있어서, 용접 금속(8) 중에 기공 결함 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 용접 방향에 대한 경사각, 즉 선행극측 용접 토치(4a, 4b)의 중심선과 용접방향을 법선으로 하는 면이 이루는 각도 φ_L은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 스패터의 발생량이나 비드형상을 고려하여, 0° 이상 15° 이하의 후퇴각이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

<용접 전류 I_L(A)과 아크 전압 V_L(V)의 관계: 식(1)을 만족하는 것>

일반적으로, 100% 탄산 가스를 이용한 용접에서는, 용융된 와이어의 선단에 형성되는 용적(溶滴) 아래로부터 아크가 발생하기 때문에, 용적이 와이어로부터 이탈하기 어려워, 거칠고 크게 되어 버린다. 이 때문에, 용융 금속이 흔들리면서 이행하는 글로뷸 이행이 된다. 글로뷸 이행이 생기면, 스패터가 다량으로 발생하고, 용적 이행에 따라서 용접 전류 I_L도 크게 변동하기 때문에, 아크력도 시시 각각으로 변동한다. 또한, 와이어 목적 위치 P_L을 루트부보다 상방으로 설정하면, 통상의 용접 조건으로 용접한 경우에는, 입판(2)의 표면에 언더컷이 발생하기 쉬워진다.

그래서, 본 실시형태에서는, 아크 전압 V_L(V)과 용접 전류 I_L(A)의 비가, 하기 식(1)을 만족하는 범위로 제어하는 것에 의해, 깊은 용입을 확보하면서, 저스패터 용접이 가능해지고, 언더컷이 발생하지 않는 용접 방법을 실현한다. 즉, 식(1)을 만족하는 것에 의해, 용적의 아래가 아닌, 용적의 주위를 둘러싸도록 아크를 형성시키는 것이 가능해져, 100% 탄산 가스 용접이어도 스프레이 이행이 되고, 극저스패터 용접을 실현할 수 있으며, 언더컷도 발생하지 않는다.

50≤V_L×1000/I_L≤70…식(1)

상기 식(1)의 각 파라미터와 용접의 특성에는, 다음과 같은 관계가 있다.

(A) 아크 전압 V_L이 너무 높은 경우는, 스프레이 이행의 유지를 할 수 없게 되어 글로뷸 이행이 되어, 다량의 스패터가 발생할 것. 또한, 언더컷도 발생하기 쉬워질 것.

(B) 용접 전류 I_L이 너무 낮은 경우는 선행극의 아크력이 약해져, 용입도 얕아질 것.

(C) 아크 전압 V_L이 너무 낮은 경우는, 아크를 안정적으로 유지할 수 없게 되어, 양호한 비드형상을 얻는 것이 곤란해질 것.

(D) 용접 전류 I_L이 너무 높은 경우는, 아크력이 너무 과대하게 되어, 양호한 비드형상을 얻는 것이 곤란해질 것.

그래서, 본 실시형태에서는, 상기 식(1)에 의해 얻어지는 값을 70 이하로 하고, 바람직하게는 65 이하로 한다. 또한, 상기 식(1)에 의해 얻어지는 값을 50 이상으로 한다. 이에 의해, 스프레이 이행을 유지하고 스패터를 저감하는 동시에, 언더컷의 발생을 억제하고, 양호한 비드형상을 유지하면서, 깊은 용입을 얻을 수 있다.

<와이어 돌출 길이 E_L : 10㎜≤E_L≤20㎜>

와이어 돌출 길이 E_L은 용접 전류 I_L 및 와이어 용융 속도에 영향을 미친다. 여기에서, 와이어 돌출 길이 E_L이란, 예를 들면, 도 4에 도시하는 선행극측 용접 토치(4a)의 선단부에 있어서, 와이어(6a)에 전류를 공급하기 위한 콘택트 팁(11a)으로부터 모재까지의 길이이다.

예를 들면, 용접 전류 I_L을 일정하게 한 경우, 와이어 돌출 길이 E_L이 짧을수록, 와이어 용융 속도가 작아져, 깊은 용입에 유리하게 된다. 그러나, 용접 전류 I_L을 가변으로 한 경우에는, 와이어 돌출 길이 E_L이 10㎜ 미만이면, 선행극의 아크력이 너무 강해지기 때문에, 비드형상도 나빠진다. 한편, 와이어 돌출 길이 E_L이 20㎜를 초과하면, 와이어 용융 속도가 과대하게 되어, 용입이 얕아진다. 따라서, 선행극의 와이어 돌출 길이 E_L은 10㎜ 이상 20㎜ 이하로 한다. 또한, 바람직하게는 12㎜ 이상 18㎜ 이하로 한다.

<용접 전류 I_L : 350A≤I_L≤530A, 아크 전압 V_L : 22V≤V_L≤33V>

본 실시형태에서는, 선행극의 아크 전압 V_L(V)과 용접 전류 I_L(A)의 비를, 상기 식(1)을 만족하는 범위로 하는 것에 의해, 소망의 효과를 얻을 수 있지만, 아크 전압 V_L(V) 및 용접 전류 I_L(A)의 각각을 적절히 제어하면, 한층 더 뛰어난 내기공성 및 비드형상을 얻을 수 있다.

용접 전류 I_L이 350A 이상이면, 용입이 한층 더 깊어져, 녹지 않은 잔유물 또는 기공 결함의 발생을 억제하는 효과가 높아진다. 또한, 용접 전류 I_L이 530A 이하이면, 선행극의 아크력을 적절히 조정할 수 있어서, 보다 뛰어난 비드형상을 얻을 수 있다. 따라서, 용접 전류 I_L은 350A 이상 530A 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 아크 전압 V_L이 22V 이상이면, 한층 더 뛰어난 비드형상을 얻을 수 있으며, 아크 전압 V_L이 33V 이하이면, 스패터의 발생량을 적절히 억제할 수 있어서, 언더컷 등의 발생을 방지하는 효과가 높아진다. 따라서, 아크 전압 V_L은 22V 이상 33V 이하로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 후행극에 있어서의 각 조건에 대해 상세하게 설명한다.

[후행극]

<실드 가스로서 탄산 가스를 사용한 플럭스 코어드 와이어>

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 후행극의 와이어(7a 및 7b)로서 플럭스 코어드 와이어를 이용하고, 실드 가스로서 100% 탄산 가스를 이용한다. 플럭스 코어드 와이어를 이용한 후행극에 의한 용접은, 선행극에 의해 얻어진 용접 금속의 비드형상을 정돈하는 효과를 갖는다.

<토치 각도 θ_T : 40°≤θ_T≤60°, 하판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_T까지의 거리 W_T : 1㎜≤W_T≤5㎜>

도 5를 참조하여, 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서의 후행극의 토치 각도 θ_T 및 와이어 목적 위치 P_T에 대해 설명한다. 또한, 도 5에 있어서, 도 1과 동일 내용에는 동일 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 후행극측 용접 토치(5a, 5b)의 토치 각도 θ_T를, 40° 이상 60° 이하, 바람직하게는 45° 이상 55°이하의 각도로 한다. 이에 의해, 선행극에 의해 형성되는 비드를 평탄화하여, 양호한 비드형상으로 정형할 수 있다.

또한, 후행극의 용접 방향에 대한 경사각, 즉 후행극의 중심선과 용접방향을 법선으로 하는 면이 이루는 각도 φ_T는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 스패터의 발생량이나 비드형상을 고려하여, 0° 이상 25° 이하의 전진각이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에서는 또한, 후행극의 와이어 목적 위치 P_T를 적절히 선택하는 것이 필요하다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 하판측에 있어서의 루트부(3)로부터 와이어 목적 위치 P_T까지의 거리 W_T를 1㎜ 이상 5㎜ 이하로 한다. 이에 의해, 선행극에 있어서 형성된 비드를 평탄화하여, 양호한 비드형상으로 성형할 수 있다.

<와이어 돌출 길이 E_T : 20㎜≤E_T≤30㎜>

와이어 돌출 길이 E_T는 용접 전류 I_T 및 와이어 용융 속도에 영향을 미친다. 선행극과 마찬가지로, 후행극의 와이어 돌출 길이 E_T란, 도 5에 도시하는 후행극측 용접 토치(5a)의 선단부에 있어서, 와이어(7a)에 전류를 공급하기 위한 콘택트 팁(12a)으로부터 모재까지의 길이이다.

후행극의 와이어 돌출 길이 E_T가 20㎜ 미만이면, 와이어 용융량이 부족하다.

또한, 후행극의 와이어 돌출 길이 E_T가 30㎜를 초과하면, 아크가 불안정하게 되기 쉽다.

따라서, 와이어 돌출 길이 E_T는 20㎜ 이상 30㎜ 이하로 하고, 바람직하게는, 23㎜ 이상 28㎜ 이하로 한다.

<용접 전류 I_T : 250A≤I_T≤400A, 아크 전압 V_T : 25V≤V_T≤38V>

후행극에 대해서도, 아크 전압 V_T(V) 및 용접 전류 I_T(A)의 각각을 적절히 제어하면, 한층 더 뛰어난 형상의 비드를 형성할 수 있는 동시에, 용접 결함의 발생을 억제할 수 있다.

용접 전류 I_T가 250A 이상 400A 이하이면, 한층 더 아크를 안정화할 수 있어서, 뛰어난 비드형상을 얻을 수 있다. 또한, 아크 전압 V_T가 25V 이상이면, 한층 더 뛰어난 비드형상을 얻을 수 있으며, 38V 이하이면, 스패터 발생량을 적절히 억제할 수 있어서, 용접 결함의 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 용접 전류 I_T는 250A 이상 400A 이하로 하는 것이 바람직하며, 아크 전압 V_T는 25V 이상 38V 이하로 하는 것이 바람직하다.

[선행극과 후행극의 전극간 거리 D : 25㎜≤D≤45㎜]

본 실시형태에서는 또한, 전극간 거리를 적절히 설정할 필요가 있다. 즉, 전극간 거리가 25㎜ 미만으로 작은 경우, 선행극이 식(1)을 만족하는 조건에 있어서는, 각각의 아크간에 형성되는 탕고임의 형상이 변동되어 버려, 최종적인 비드형상도 불안정하게 되고, 깊은 용입 효과도 얻어지지 않게 된다. 또한, 전극간 거리가 45㎜를 초과하는 경우, 선행극의 용융지가 응고된 후에 후행극의 아크가 통과하게 되기 때문에, 2개의 아크에 의한 용융지가 각각 분리되어 버린다. 그 결과, 후행극에 의한 비드형상의 정형 작용이 없어져, 고속도 용접이 불가능하게 된다.

따라서, 선행극과 후행극의 전극간 거리 D는 25㎜ 이상 45㎜ 이하로 한다.

[용접 속도 : 800㎜/min 이상]

본 실시형태에서는, 편측 2전극으로 필릿 용접을 실행하기 때문에, 용접 속도를 800㎜/min 이상의 고속으로 용접할 수 있어서, 뛰어난 시공 능률을 얻을 수 있다. 또한, 용접 속도가 800㎜/min 미만이면, 용접 금속량이 과도하게 증가하여, 비드 외관이 열화하는 동시에, 깊은 용입 효과를 얻을 수 없다. 따라서, 용접 속도는 800㎜/min 이상으로 한다.

본 실시형태에 있어서, 용접 전원에 대해서는 특별히 한정되지 않으며, 직류 전원 또는 교류 전원 중 어느 하나라도 좋다. 단, 범용적인 관점에서, 정전압 특성을 가지는 직류 전원이 바람직하다. 또한, 하판 및 입판의 재질은 한정되지 않으며, 프라이머 등의 도료가 도장되어 있어도 좋다. 또한 입판의 판 두께에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 사용되는 판 두께 범위는 6㎜ 내지 16㎜이기 때문에, 상한을 16㎜, 하한을 6㎜로 하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 와이어의 직경도 특별히 한정되지 않지만, 본 실시형태에서 바람직하게는, 상한은 1.6㎜, 하한은 1.2㎜이다.

이상, 본 발명의 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술한 각 실시형태에 따른 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 이용되는 용접 장치에도 적용된다.

[실시예]

이하, 발명예 및 비교예를 들어서 본 발명에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.

[탠덤 가스 실드 아크 용접]

도 1에 도시하는 바와 같이, 수평으로 배치된 하판(1)의 주면(1a)에 대해서, 입판(2)을 수직으로 설치하고, 선행극측 용접 토치(4a, 4b)와 후행극측 용접 토치(5a, 5b)를 이용하여, 실드 가스를 분사하면서, 여러 가지의 용접 조건으로 필릿 용접했다. 선행극 및 후행극에 대해, 토치 전진각 및 후퇴각은 모두 7°, 와이어 직경은 모두 1.6㎜로 하고, 실드 가스로서는, 100% CO₂ 가스를 사용했다. 또한, 솔리드 와이어로서는, 와이어 중의 화학 성분으로서 C≤0.10 질량%, P≤0.025 질량%, S≤0.025 질량%를 만족하는 와이어를 사용했다. 또한, 플럭스 코어드 와이어로서는, 와이어 중의 화학 성분으로서 3.5 질량%≤TiO₂≤9.0 질량%, 0.1 질량%≤ZrO₂≤2.5 질량%를 만족하는 와이어를 사용했다. 또한 모재(하판(1) 및 입판(2))의 판 두께는 모두 12㎜로 하고, 재질은 모두 SM490A를 이용했다. 또한, 모재 표면에 평균 막 두께 30㎛로 프라이머를 도포했다.

선행극 및 후행극의 각각에 있어서의, 용접 조건, 전극간 거리 및 용접 속도를 하기 표 1 내지 표 4에 나타낸다. 또한, 하기 표 1에 있어서, "와이어의 종류"란에 기재된 FCW는, 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire)를 나타낸다. 또한, 루트부로부터 목적 위치까지의 거리의 항목에 기재된 입판측이란, 입판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_L까지의 거리 H_L를 나타내고, 하판측이란, 하판측에 있어서의 루트부로부터 와이어 목적 위치 P_T까지의 거리 W_T를 나타낸다.

[평가 시험]

비교예 No.1 내지 25 및 발명예 No.26 내지 50에 대해, 기공 결함, 내갭성 및 비드형상의 평가 시험을 실시했다. 각 평가 시험의 시험 방법 및 평가 기준에 대해 이하에 나타내고, 평가 결과를 하기 표 5 및 표 6에 나타낸다.

<기공 결함>

기공 결함은, 일본 공업 규격 JIS Z 3104-1995로 정해지는 방사선 투과 시험에 준거하여 투과 사진을 촬영하고, 용융 금속 중에 기포가 발생하고 있는지를 확인하는 것에 의해 평가했다. 평가 기준으로서는, 결함이 확인되지 않은 경우를 ○(양호)로 하고, 기포가 발생하고 있으며, 결함이 확인된 경우를 ×(불량)로 했다.

<내갭성>

내갭성은 하판(1)과 입판(2)을 2㎜의 갭으로 배치하고, 상기 탠덤 가스 실드 아크 용접 조건으로 용접하여, 얻어진 용접 금속을 관찰하는 것에 의해 평가했다. 평가 기준으로서는, 배어나옴 등이 없으며, 모재 사이가 충분히 가교되어 있던 것을 ○(양호)로 하고, 배어나옴 등이 발생하거나, 또는 모재간이 충분히 가교되어 있지 않은 것을 ×(불량)로 했다.

<비드형상>

비드형상은 슬래그를 박리한 후의 표면 외관을 육안으로 확인하고, 용접 결함이 없으며, 비드형상이 양호한 것을 ○(양호)로 하고, 용접 결함이 발생한 경우 또는 비드형상이 불안정한 것을 ×(불량)로 했다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

상기 표 2, 표 4 및 표 6에 나타내는 바와 같이, 발명예 No.26 내지 50은, 선행극 및 후행극의 와이어의 종류, 토치 각도, 목적 위치 및 와이어 돌출 길이가 본 발명의 범위 내인 동시에, 선행극의 용접 전류와 아크 전압의 관계가 식(1)을 만족하고 있으며, 또한, 전극간 거리 및 용접 속도가 본 발명의 범위 내이기 때문에, 고속으로 용접할 수 있어서, 뛰어난 내기공성 및 내갭성이 얻어지고, 비드형상이 양호했다.

한편, 표 1, 표 3 및 표 5에 나타내는 바와 같이, 비교예 No.1 및 2는, 식(1)의 값이 큰 동시에, 선행극의 목적 위치가 하판측 5㎜ 내지 6㎜이기 때문에, 영역 S의 녹지 않은 잔유물이 극히 커져, 기공 결함이 다량으로 발생했다. 또한, 이들은 전극간 거리 D가 100㎜로 크기 때문에, 2개의 아크에 의한 용융지가 각각 분리되어 버린다. 그 결과, 고속 용접이 불가능하게 되며, 비교예 No.2에서는 용접 속도가 빠르기 때문에, 기공 결함의 다량 발생 뿐만이 아니라, 정상 비드가 형성되지 않았다.

비교예 No.3 내지 6은, 선행극의 토치 각도가 본 발명 범위의 하한 미만인 동시에, 선행극의 와이어 목적 위치가 루트부(0㎜)이며, 특히 비교예 No.3에 대해서는, 또한 후행극의 와이어 목적 위치도 루트부(0㎜)이기 때문에, 모두 내갭성이 불량이 되었다.

비교예 No.7 및 8은, 선행극의 토치 각도가 본 발명 범위의 하한 미만인데다, 입판측 2㎜ 내지 3㎜ 목적 때문에, 영역 S가 녹지 않은 잔유물이 커져, 기공 결함이 다량 발생했다. 이 경우, 전극간의 탕고임 형상이 안정적으로 유지되지 않으며, 비드형상도 나빠졌다.

비교예 No.9 및 10은 선행극의 와이어 목적 위치가 루트부(0㎜)이기 때문에, 영역 S의 녹지 않은 잔유물이 커져, 기공 결함이 발생했다.

비교예 No.11 및 12는 선행극의 와이어 돌출 길이가 본 발명의 범위로부터 벗어나 있으며, 비교예 No.13 및 14는 전극간 거리가 본 발명의 범위로부터 벗어나 있으며, 비교예 No.15는 용접 속도가 본 발명 범위의 하한 미만이기 때문에, 모두, 비드형상이 불량이 되었다.

비교예 No.16 내지 18은 식(1)의 값이 본 발명의 범위를 초과하여 크게 되어 있으며, 영역 S의 녹지 않은 잔유물이 커지기 때문에, 기공 결함이 발생하는 동시에, 언더컷도 발생했으므로, 비드형상이 불량이 되었다.

비교예 No.19 내지 25는 선행극의 토치 목적 위치가 루트부(0㎜)인 동시에, 와이어 돌출 길이가 본 발명 범위의 상한을 초과하고 있으며, 식(1)에 의해 얻어지는 값에 대해서도, 본 발명 범위의 상한을 초과하고 있다. 그 중에서도, 비교예 No.19, 20 및 23은 후행극의 와이어 목적 위치가 루트부(0㎜)이며, 비교예 No.23 내지 25는 선행극의 와이어의 종류가 플럭스 코어드 와이어이다. 따라서, 모두 영역 S의 녹지 않은 잔유물이 커지기 때문에, 기공 결함이 발생했다.

1: 하판 2: 입판
3: 루트부 4a, 4b: 선행극측 용접 토치
5a, 5b: 후행극측 용접 토치 6a, 6b, 7a, 7b: 와이어
8: 용접 금속 9: 기공 결함

Claims (5)

1. 주면을 갖는 하판과, 상기 하판의 주면에 대해 교차하는 방향으로 배치된 입판을, 선행극과 후행극을 이용하여 필릿 용접하는 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,
   상기 선행극으로서 솔리드 와이어를 사용하고,
   상기 선행극의 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하며,
   상기 주면과 용접 토치가 이루는 상기 선행극의 토치 각도 θ_L이 40°≤θ_L≤60°,
   상기 선행극의 와이어 돌출 길이 E_L이 10㎜≤E_L≤20㎜,
   상기 입판측에 있어서의 루트부로부터 상기 선행극의 와이어 목적 위치까지의 거리 H_L이 1㎜≤H_L≤3㎜이며,
   상기 선행극의 용접 전류 I_L(A)과 아크 전압 V_L(V)이 하기 식(1)을 만족하는 동시에,
   상기 후행극으로서 플럭스 코어드 와이어를 사용하고,
   상기 후행극의 실드 가스로서 탄산 가스를 사용하며,
   상기 주면과 상기 후행극의 용접 토치가 이루는 토치 각도 θ_T가 40°≤θ_T≤60°,
   상기 후행극의 와이어 돌출 길이 E_T가 20㎜≤E_T≤30㎜,
   상기 하판측에 있어서의 루트부로부터 상기 후행극의 와이어 목적 위치까지의 거리 W_T가 1㎜≤W_T≤5㎜이며,
   상기 선행극과 상기 후행극의 전극간 거리 D가 25㎜≤D≤45㎜,
   용접 속도가 800㎜/min 이상인
   탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.
   50≤V_L×1000/I_L≤70…식(1)
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선행극의 용접 전류 I_L이 350A≤I_L≤530A,
   상기 선행극의 아크 전압 V_L이 22V≤V_L≤33V인
   탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 후행극의 용접 전류 I_T가 250A≤I_T≤400A,
   상기 후행극의 아크 전압 V_T가 25V≤V_T≤38V인
   탠덤 가스 실드 아크 용접 방법.
4. 제 1 또는 제 2 항에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 이용되는
   용접 장치.
5. 제 3 항에 기재된 탠덤 가스 실드 아크 용접 방법에 이용되는
   용접 장치.

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