KR102649405B1

KR102649405B1 - Mig 용접 방법

Info

Publication number: KR102649405B1
Application number: KR1020227013496A
Authority: KR
Inventors: 교헤이 고니시; 지카우미 사와니시; 히로시 마츠다; 요시아키 무라카미
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2024-03-19
Also published as: JPWO2021085544A1; CN114616068B; KR20220066379A; MX2022005076A; WO2021085544A1; JP7060159B2; EP4052834A1; CN114616068A; EP4052834A4; US20220402078A1

Abstract

MIG 용접 방법을 제공한다. 본 발명은, Ar 실드 가스를 사용한 탄소강의 MIG 용접 방법으로서, 용접 와이어와 모재가 단락되고, 용접 중의 평균 단락 주파수가 20 ∼ 300 Hz 가 되며, 또한 최대 단락 주기가 1.5 s 이하이다.

Description

MIG 용접 방법

본 발명은, 실드 가스에 Ar 가스를 사용하여, 탄소강끼리 아크의 열에 의해 접합하는 MIG 용접 방법에 관한 것이다. 여기서, 상기 Ar 가스의 조성은, Ar 이 체적분율로 99.0 ％ 초과인 것을 말한다. 상기 Ar 가스로 이루어지는 실드 가스를 Ar 실드 가스라고도 한다.

탄소강을 대상으로 한 MAG 용접에서는, 실드 가스에 포함되는 O₂ 혹은 CO₂ 가 식 (2), (3) 에 나타내는 바와 같이 아크의 열에 의해 분해되고, 생성된 산소는 용융 금속에 용해된다. 이와 같이 용해된 산소는, 용접 금속이 응고할 때 기공을 생성하거나 철과 산화 반응을 일으켜, 용접 금속의 기계적 성능을 열화시킨다. 이 때문에, 일반적으로 모재 강판이나 용접 와이어 (이하, 간단히, 와이어라고도 한다.) 에는 탈산제로서 Si, Mn 또는 Ti 와 같은 비철 원소가 첨가되어 있다. 이로써, 용접 금속 중의 산소는 SiO₂, MnO, TiO₂ 등으로 이루어지는 슬러그로서 배출된다.

O₂ → 2[O] … (2)

CO₂ → CO + [O] … (3)

한편, 상기 Ar 실드 가스를 사용한 MIG 용접에서는, 용접 금속에 대한 산소의 용해가 매우 적기 때문에, 탈산만을 목적으로 한 원소의 첨가를 필요로 하지 않는다. 이로써, 용접 이음새의 설계가 용이해지는 것에 부가하여, 용접 재료의 제조 비용의 저감이 전망된다. 또, 산화물인 슬러그가 생성되지 않게 되므로, 용접 금속 표면에서의 슬러그의 응집·부착에 의해 야기되는 도장 성상의 불량에 대해, 개선 효과가 기대된다. 또한, 온실 효과 가스로서 알려진 CO₂ 의 사용량을 대폭 저감할 수 있기 때문에, 환경 보전에 대해서도 큰 이점을 갖는다.

그러나, 탄소강을 대상으로 한 MIG 용접에는, 용접이 매우 불안정하다는 과제가 존재한다. MAG 용접 또는 MIG 용접은, 일반적으로, 전극을 양극으로 하는 역극성 용접이기 때문에, 모재 표면에 있어서 산화물과 같이 일함수가 낮고, 전자 방출이 일어나기 쉬운 지점을 기점으로 하여 음극점이 형성된다. 모재 표면에 강고한 산화 피막을 갖는 알루미늄 합금에서는, 용접선 상의 산화 피막을 기점으로 하여 음극점이 안정적으로 형성되기 때문에, 양호한 용접이 가능하다. 그러나, 비교적 산화 피막이 얇은, 혹은 산화 피막을 갖지 않는 탄소강에서, 또한 MAG 용접과 달리 O₂ 혹은 CO₂ 에서 유래한 산화물이 생성되지 않는 MIG 용접에서는, 음극점이 정해지지 않고, 일함수가 낮은 지점을 찾아 음극점이 모재 표면을 격렬하게 돌아다닌다. 이 때문에, 용접이 안정되지 않고, 용접 비드가 사행하는 형상 또는 웨이브 형상이 된다.

이 과제에 대해, 예를 들어 특허문헌 1 ∼ 3 의 기술에 의해 과제를 개선하는 것이 제안되어 있다. 특허문헌 1 에는, 아크의 흔들림이 발생하지 않는 한계까지 실드 가스 중의 CO₂ 비율을 감소시킴으로써, 종래의 MAG 용접에 비해 피로 특성을 개선한 이음새를 얻을 수 있는 용접 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 2 에는, TIG 용접과 MIG 용접의 복합화에 의해 MIG 용접에서의 아크를 안정화시켜, 비드 사행이 없는 양호한 이음새를 얻을 수 있는 용접 방법이 기재되어 있다.

특허문헌 3 에는, 플럭스 함유 와이어를 사용하여, 강제 외피를 조기 용융, 플럭스를 지연 용융으로 하는 2 단계 용융시킴으로써, 와이어 단면이 균일하게 용융되는 것을 막아, MIG 용접에 있어서도 규칙적인 용적 (溶滴) 이행을 실현하는 용접 방법이 기재되어 있다.

일본 특허 제 6373549호 일본 공개특허공보 소53-034653호 일본 특허 제 5205115호

그러나, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 용접 방법에서는, 실드 가스 중에 포함된 산화성 가스가, CO₂ 의 경우에는 체적％ 로 3 ％ 이상, O₂ 의 경우에는 체적％ 로 1 ％ 이상, CO₂ 와 O₂ 의 양방으로 이루어지는 경우에는 체적％ 로 3 ％ 이상 포함되어 있기 때문에, 얼마 안 되지만 슬러그가 생성되어, 그 슬러그를 기점으로 한 이음새 특성의 열화는 피할 수 없다. 또한, 강판이나 와이어의 초고장력강화에 수반되는 첨가 합금 원소의 증가는 슬러그 생성량의 증가를 조장하는 것이 염려된다.

특허문헌 2 의 용접 방법에서는, TIG 용접과 MIG 용접을 동시에 실시하기 때문에, 용접 장치, 특히 용접 토치가 복잡화 그리고 대형화되고, 용접 조건 등의 파라미터의 관리가 많아지는 것, 또, 3 차원적인 형상의 이음새에 대해 적용이 곤란한 것의 이유로, 실용성이 부족하다.

특허문헌 3 의 용접 방법에서는, 음극점을 안정화시키기 위해, 표면에 산소가 흡착 또는 산화되어 있는 철분을 플럭스에 혼입시킨다. 그러나, 산소 공급량이 잉여가 될 경우, 실드 가스가 Ar 가스라도 용접 금속의 산소 함유량은 증가하는 것으로 생각된다. 또, 와이어 조성을 조정할 필요가 있기 때문에, 다종 다양한 모든 강판에 특허문헌 3 의 용접 방법을 적용할 수 있다고는 말하기 어렵다.

본 발명은, 이들 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 특수한 장치를 사용하지 않고, 또한 로버스트성이 높으며, 용접 금속에 대한 산소의 혼입을 막아, 슬러그의 생성을 억제할 수 있음과 함께, 비드 형상이 양호한 용접 이음새를 안정적으로 얻을 수 있는 MIG 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 용접 실험에 의한 아크 거동 관찰로부터, 탄소강을 대상으로 한 MIG 용접에서 문제시되는 용접 비드의 사행·웨이빙 현상의 주된 원인은, 불안정한 용적 이행이라고 생각하기에 이르렀다.

구체적으로는, 용접 전류치가 300 A 이하인 조건에 있어서, MIG 용접의 용적 이행에는, 와이어가 용융되어, 홀쭉한 액주 (液柱) 로부터 연속적으로 용융지 (溶融池) 로 수송되는 형태와, 와이어 선단에 큰 용적이 생성되고, 그것이 낙하 혹은 단락에 의해 용융지로 수송되는 형태가 혼재한다. 이 불안정한 용적 이행을 억제하기 위해서는, 와이어 선단으로부터 용적을 규칙적으로 이탈시키는 것이 유효하다고 생각된다. 그러나, 실드 가스가 Ar 가스인 경우, 와이어에 작용하는 전자 핀치력이 작아, 용적의 이탈이 곤란해지기 때문에, 본 발명에서는 와이어 선단을 단락시킴으로써 용적 이행을 안정화시킨다.

본 발명은, 상기 서술한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 다음과 같다.

[1] Ar 실드 가스를 사용한 탄소강의 MIG 용접 방법으로서, 용접 와이어와 모재가 단락되고, 용접 중의 평균 단락 주파수가 20 ∼ 300 Hz 가 되며, 또한 최대 단락 주기가 1.5 s 이하가 되는, MIG 용접 방법.

[2] 상기 MIG 용접 방법의 용접 전류를 펄스 전류로 하고, 하기의 식 (1) 에서 산출되는 값 X 가, 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하는, [1] 에 기재된 MIG 용접 방법.

X = I_pt_p/L ＋ (I_p＋ I_b)(t_up＋ t_down)/(2L) ‥‥ (1)

여기서, (1) 식에 있어서의, I_p : 피크 전류 (A), I_b : 베이스 전류 (A), t_p : 피크 기간 (ms), t_up : 상승 기간 (ms), t_down : 하강 기간 (ms), L : 컨택트 팁과 모재 간의 거리 (㎜) 이다.

[3] 상기 용접 와이어는 솔리드 와이어인, [1] 또는 [2] 에 기재된 MIG 용접 방법.

[4] 상기 솔리드 와이어는, C : 0.020 ∼ 0.150 질량％, Si : 0.20 ∼ 1.00 질량％, Mn : 0.50 ∼ 2.50 질량％, P : 0.020 질량％ 이하, S : 0.03 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 와이어 조성을 갖는, [3] 에 기재된 MIG 용접 방법.

[5] 상기 와이어 조성에 부가하여 추가로, Ni : 0.02 ∼ 3.50 질량％, Cr : 0.01 ∼ 1.50 질량％, Ti : 0.15 질량％ 이하, Mo : 0.8 질량％ 이하, 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는, [4] 에 기재된 MIG 용접 방법.

본 발명에 의하면, 비드 형상이 양호한 용접 이음새를 안정적으로 얻을 수 있다. 또한, 종래의 MAG 용접 또는 MIG 용접에서 사용하는 용접 장치를 특별한 사양으로 변경하는 일 없이 그대로 사용하기 때문에, 종래와 동등한 로버스트성을 확보한 채로, 용접 금속에 대한 산소의 혼입 및 슬러그의 생성을 억제할 수 있다. 또, 내식성 및 피로 특성이 우수한 용접 이음새를 안정적으로 얻을 수 있는 MIG 용접을 실현할 수 있다는 우수한 효과를 발휘한다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2(a) 및 도 2(b) 는, 종래의 MIG 용접에 의한 용적 이행의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 3(a) 및 도 3(b) 는, 본 발명에 의한 단락 이행의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 4 는, 본 발명의 MIG 용접에 있어서의 펄스 전류 파형을 나타내는 개략도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시예에 있어서의, 용접 비드 지단부 (止端部) 의 플랭크각을 설명하는 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 도 1 은, 본 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 개략도이다. 이 예에서는, 대표로서 겹침 이음새의 필릿 용접을 나타내고 있지만, 본 발명에서는, 용접 이음새 형상과 용접 자세는 한정하지 않는다.

본 발명에서는, 예를 들어 도 1 에 나타내는 바와 같이, 용접 토치 (2) 의 중심부를 지나 용접 토치 (2) 로부터 모재 (3) (상세하게는, 예를 들어 강판인 모재 (3) 를 2 장 겹쳐서 형성된 단차의 필릿부로 이루어지는 용접선) 로 연속적으로 송급되는 용접 와이어 (1) 를 양극, 모재 (3) 를 음극으로 하여, 용접 전원 (도시 생략) 으로부터 용접 전압이 인가된다. 용접 토치 (2) 안에서부터 공급되는 Ar 실드 가스 (도시 생략) 의 일부가 전리·플라즈마화함으로써 용접 와이어 (1) 와 모재 (3) 사이에 아크 (5) 가 형성된다. 또, 상기 Ar 실드 가스 중, 전리를 일으키지 않고 용접 토치 (2) 로부터 모재 (3) 로 흐르는 분량은, 아크 (5) 및 모재 (3) 가 용융되어 형성되는 용융지 (도 1 에서는 도시 생략) 를 바깥 공기로부터 차단하는 역할을 한다. 아크 (5) 의 열에 의해, 용접 와이어 (1) 의 선단부가 용융되어 용적이 되고, 그 용적이, 전자력이나 중력 등에 의해 용융지로 수송된다. 이 현상이, 용접 토치 (2) 또는 모재 (3) 의 이동에 수반하여 연속적으로 일어남으로써, 용접선의 후방에서는 용융지가 응고되어, 용접 비드 (6) 가 형성된다. 이로써, 적어도 2 장의 강판의 접합이 달성된다.

한편, 탄소강을 대상으로 했을 경우, 종래의 MIG 용접에서는, 용접이 매우 불안정하다는 과제가 존재한다. MAG 용접 또는 MIG 용접에서는, 전극 (와이어)을 양극으로 하는 역극성 용접이기 때문에, 모재 표면에 있어서 산화물과 같이 일함수가 낮고, 전자 방출이 일어나기 쉬운 지점을 기점으로 하여 음극점이 형성된다. 모재 표면에 강고한 산화 피막을 갖는 알루미늄 합금에서는, 용접선 상의 산화 피막을 기점으로 하여 음극점이 안정적으로 형성되기 때문에 양호한 용접이 가능하다. 그러나, 비교적 산화 피막이 얇은, 혹은 산화 피막을 갖지 않는 탄소강에서, 또한 MAG 용접과 달리 O₂ 또는 CO₂ 에서 유래한 산화물이 생성되지 않는 MIG 용접에서는, 음극점이 정해지지 않고, 일함수가 낮은 지점을 찾아 음극점이 모재 표면을 격렬하게 돌아다닌다. 이 때문에, 용접이 안정되지 않고, 용접 비드가 사행하는 형상 또는 웨이브 형상이 된다.

이 현상에 대해, 본 발명자들은 용접 실험에 의한 아크 거동 관찰을 실시하여, 탄소강을 대상으로 한 MIG 용접에서 문제시되는 용접 비드의 사행·웨이빙 형상의 주된 원인은, 불안정한 용적 이행이라고 생각하기에 이르렀다.

도 2(a) 및 도 2(b) 는, 종래의 MIG 용접에 의한 용적 이행의 모습을 설명하는 개략도를 나타낸다. 구체적으로는, 용접 전류치가 300 A 이하인 조건에 있어서, 종래의 MIG 용접의 용적 이행에서는, 도 2(a) 와 같이 와이어 (1) 가 용융되어, 홀쭉한 액주로부터 연속적으로 용융지 (8) 로 수송되는 형태와, 도 2(b) 와 같이 와이어 (1) 선단에 큰 용적 (7) 이 생성되고, 그것이 낙하 또는 단락에 의해 용융지 (8) 로 수송되는 형태가 혼재한다. 이 불안정한 용적 이행을 억제하기 위해서는, 와이어 (1) 선단으로부터 용적 (7) 을 규칙적으로 이탈시키는 것이 유효하다고 생각되지만, Ar 실드 가스의 경우, 와이어 (1) 에 작용하는 전자 핀치력이 작아, 용적 (7) 의 이탈이 곤란해진다.

그래서, 본 발명에서는, 용적 이행을 안정화시키는 수단으로서, 와이어 (1) 선단과 모재 (3) 사이에서, 도 3(a) 의 비단락 상태와 도 3(b) 의 단락 상태가 규칙적으로 반복되고, 단락 상태시에 용적 (7) 이 모재 (3) 로 이행되는, 이른바 단락 이행에 의해, 접합을 완료시키는 것이 유효하다는 것을 알아냈다.

용접 와이어 (1) 선단의 용적 (7) 의 체적은, 지나치게 작아도 지나치게 커도 용접이 불안정해지기 때문에, 1 회의 단락에서 용융지 (8) 로 수송되는 와이어 (1) 선단의 용적 (7) 의 체적은, 와이어 직경과 직경이 같은 구의 체적 정도인 것이 바람직하다. 그 때문에, 본 발명에서는, 단락 이행의 평균 주파수 (평균 단락 주파수) F(Hz) 는, 20 ∼ 300 Hz 로 한다. 여기에 부가하여, 양호한 비드 형상을 얻기 위해서는, 단락이 주기적으로 일어나는 것이 바람직하며, 최대 단락 주기 t_cyc(s(초)) 는 1.5 s 이하로 한다.

여기서, 최대 단락 주기 t_cyc 란, 매회 일정하다고는 한정할 수 없고, 하나의 용접 패스 중에서의 단락 주기 중 최대인 것을 의미한다. 따라서, 최대 단락 주기가 1.5 s 이하라는 것은, 매회의 단락 주기가 1.5 s 를 넘지 않는다는 것과 동일한 의미이다. 이로써, Ar 실드 가스를 사용한 MIG 용접에서도 규칙적인 용적 이행을 실현하여, 안정적인 용접 비드를 얻을 수 있다.

평균 단락 주파수 F 는, F ＜ 20 Hz 에서는, 스프레이 이행의 혼재가 현저해져, 용적 이행이 불규칙해지고, F ＞ 300 Hz 에서는, 단락에 수반되는 아크의 재점호에 의해 용융지가 흐트러진다. 이 때문에, 어느 경우도 용접 비드의 사행·웨이브를 없애는 것은 곤란하다. 또한, 바람직하게는, F 는, 40 ∼ 280 Hz 이다.

또, 평균 단락 주파수 F 가, 20 ≤ F(Hz) ≤ 300 을 만족하는 조건이라도, 최대 단락 주기가 t_cyc ＞ 1.5 s 에서는, 아크의 흔들림이 발생하여, 양호한 용접 비드를 얻을 수 없다. 또한, 바람직하게는, t_cyc ＜ 1.0 s 이다. 보다 바람직하게는 0.2 s 이하이다.

여기서, 단락 이행의 평균 주파수 (평균 단락 주파수) F(Hz) 는, 예를 들어 오실로스코프로 용접 진행 중인 아크 전압의 추이를 감시하여 그것이 제로가 되는 횟수를 카운트하고, 카운트 수를 감시 시간으로 나누어 1 초 당의 카운트 수를 구함으로써 측정할 수 있다. 상기 감시 시간은, 지나치게 짧으면 상기 카운트 수의 편차가 커지기 때문에, 10 s 이상으로 하는 것이 바람직하다. 평균 단락 주파수 F 의 측정치가 목표치가 되도록 용접 조건을 조절함으로써, 20 ≤ F(Hz) ≤ 300 을 실현할 수 있다.

또한, 용접 조건의 바람직한 범위로는, 예를 들어, 용접 전류 = 150 ∼ 300 A, 아크 전압 = 20 ∼ 35 V, 컨택트 팁과 모재 간의 거리 (이하, CTWD 라고도 한다.) = 5 ∼ 30 ㎜, Ar 실드 가스 유량 = 15 ∼ 25 L/min 을 들 수 있다. 또한, 용접 전류, 아크 전압은, 각 용접 패스 내에서의 평균치이다.

또한, 평균 단락 주파수 및 최대 단락 주기를 상기의 범위로 하는 수법은, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4 에 나타내는 바와 같은 펄스 전류에 의한 전류 파형 제어를 부여하고, 피크 전류를 I_p (A), 베이스 전류를 I_b(A), 피크 기간을 t_p (ms), 상승 기간을 t_up (ms), 하강 기간을 t_down (ms), CTWD 를 L(㎜) 로 했을 때, 하기의 식 (1) 에서 산출되는 X (A·s/m) 의 값이 50 ≤ X ≤ 250 을 만족시킴으로써, 본 발명의 효과를 보다 유효하게 얻을 수 있다.

X = I_pt_p/L ＋ (I_p＋ I_b)(t_up＋ t_down)/(2L) ‥‥ (1)

X 가 50 A·s/m 미만으로 지나치게 작아지면, 종래의 MIG 용접에서 과제시되는 아크의 흔들림이나 용적 이행의 불안정화가 발생하는 경우가 있다. 또, X 가 250 A·s/m 을 초과하여 지나치게 커지면, 와이어가 용융지에 침지되거나, 성장한 용적이 단락시에 비산하여, 비드 형상의 열화나 스퍼터 부착 등이 생기는 경우가 있다. 또한, X (A·s/m) 의 값은, 보다 바람직하게는, 60 ≤ X ≤ 230 이다.

또, 식 (1) 에 있어서, L 은, 과소하면 토치의 손모가 심해 용접이 불안정해지고, 과대하면 아크의 흔들림이 발생한다. 이 때문에, L 은, 5 ∼ 30 ㎜ 가 바람직하고, 보다 바람직하게는 8 ∼ 20 ㎜ 이다.

I_p 는, 과소하면 충분한 입열을 확보할 수 없어 비드 형상의 열화를 일으키고, 과대하면 용낙 (溶落) 을 일으키거나 스퍼터의 증가를 초래하기 때문에, 250 ∼ 600 A 가 바람직하다. I_p 는, 보다 바람직하게는 400 A 이상이며, 보다 바람직하게는 500 A 이하이다.

I_b는, 과소하면 아크가 불안정해지고, 과대하면 용낙을 일으키기 때문에, 30 ∼ 120 A 가 바람직하다. I_b 는, 보다 바람직하게는 40 A 이상이며, 보다 바람직하게는 100 A 이하이다.

t_p 는, 과소하면 입열을 충분히 확보할 수 없고, 과대하면 용낙을 일으키기 때문에, 0.1 ∼ 5.0 ms 가 바람직하다. t_p 는, 보다 바람직하게는 1.0 ms 이상이며, 보다 바람직하게는 4.5 ms 이하이다.

t_up 그리고 t_down 은, 과소하면 아크의 흔들림을 유발하고, 과대하면 비드 형상의 열화를 초래하기 때문에, 각각 0.1 ∼ 3.0 ms 가 바람직하다. t_up 그리고 t_down 은, 각각, 보다 바람직하게는 0.5 ms 이상이며, 보다 바람직하게는 2.5 ms 이하이다.

또한, 베이스 기간을 t_b (ms) 로 하면, t_b 는, 과소하면 용적이 지나치게 작고, 과대하면 용적이 지나치게 커지기 때문에, 어느 경우에도 용접이 불안정해진다. 따라서, t_b 는 0.1 ∼ 10.0 ms 가 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.0 ms 이상이며, 보다 바람직하게는 8.0 ms 이하이다.

또한, 본 발명에서는, 펄스 전류의 매주기에 1 단락을 일으킬 필요는 없고, 1 ∼ 수 펄스에서 1 단락을 일으키면 된다. 또, 1 ∼ 수 펄스에서 1 단락을 일으킬 수 있다면, 펄스 전류의 펄스 주파수는, 특별히 한정되지 않는다.

본 발명에서, 펄스 전류를 도입하는 목적은, 베이스 기간에 있어서 저전류로 함으로써 아크의 흔들림을 억제하면서 용적의 안정 성장을 촉진하는 것, 피크 기간부터 하강 기간에 걸쳐, 전자력이나 Ar 실드 가스의 전단력에 의해, 성장한 용적을 와이어로부터 이탈시키는 것이 아니라, 성장한 용적을 용융지로 눌러 내림으로써, 단락을 촉진하는 것에 있다.

본 발명에 의한 상기의 MIG 용접의 안정화 수법에서는, 산소의 공급이나 특별한 원소의 첨가를 필요로 하지 않는다. 이 때문에, 용접 와이어로서 플럭스 함유 와이어에 비해 보다 저렴한 솔리드 와이어를 사용함으로써, 프로세스의 저비용화를 실현할 수 있다.

본 발명에서는, 사용하는 솔리드 와이어의 와이어 조성 (와이어의 성분 조성) 은, 특별히 한정되지 않는다. 바람직한 와이어 조성으로서, 예를 들어, C : 0.020 ∼ 0.150 질량％, Si : 0.20 ∼ 1.00 질량％, Mn : 0.50 ∼ 2.50 질량％, P : 0.020 질량％ 이하, S : 0.03 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 와이어 조성을 들 수 있다. 이러한 와이어 조성이면, 적절한 성분 조정에 의해 연강 ∼ 초고장력강의 광범위한 강종의 MIG 용접에 적용할 수 있다.

여기서, C 는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 필요한 원소이며, 용융 메탈의 점성을 저하시켜 유동성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, C 함유량이 0.020 질량％ 미만에서는, 용접 금속의 강도를 확보할 수 없다. 한편, C 함유량이 0.150 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.020 ∼ 0.150 질량％ 가 바람직하다.

Si 는, 탈산 작용을 갖는 한편, 적당량을 첨가하면 용접 금속의 경화능을 높여, 용접 금속의 인성, 강도 향상에 기여하는 원소이다. MIG 용접에서는 Ar 실드 가스에 의해 용접 금속에 대한 산소의 혼입을 억제할 수 있다. Si 에 의한 탈산 작용은 특별히 필요하지 않지만, Si 함유량이 0.20 질량％ 미만에서는, 용접 시공시에 용적과 용융 풀이 요동하여, 스퍼터가 다량으로 발생한다. 한편, Si 함유량이 1.00 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.20 ∼ 1.00 질량％ 가 바람직하다.

Mn 은, Si 와 마찬가지로 탈산 작용을 가짐과 함께, 용접 금속의 기계적 성질을 향상시키는 원소이다. 그러나, Mn 함유량이 0.50 질량％ 미만에서는, 용접 금속 중에 잔류하는 Mn 양이 부족하여 충분한 강도와 인성을 얻을 수 없다. 한편, Mn 함유량이 2.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.50 ∼ 2.50 질량％ 가 바람직하다.

P 는, 제강 공정 및 주조 공정에서 강 중에 불순물로서 혼입되는 원소이며, 용접 금속의 내고온 균열성을 저하시키는 원소로, 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 특히, P 함유량이 0.020 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 내고온 균열성이 현저하게 저하된다. 따라서, P 함유량은 0.020 질량％ 이하가 바람직하다.

S 는, 강 소선에 불가피하게 함유되는 불순물이며, 용접 금속의 내고온 균열성을 저하시키는 원소로, 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 특히, S 함유량이 0.03 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, S 함유량은 0.03 질량％ 이하가 바람직하다.

또한, 상기 불가피적 불순물로서 N, Cu 가 특기된다. N 은, 강재를 용제하는 단계나 강 소선을 제조하는 단계에서 불가피하게 혼입되는 불순물이며, 용접 금속의 인성에 악영향을 미치므로, 그 함유량은 0.01 질량％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. Cu 는, 강 소선에 불가피하게 함유되는 불순물이며, 용접 금속의 인성을 저하시키는 원소로, 특히 그 함유량이 3.0 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, Cu 함유량은 3.0 질량％ 이하가 바람직하다.

또, 상기 조성에 부가하여 추가로, Ni, Cr, Ti, Mo 중 1 종 또는 2 종 이상을 적절히 첨가해도 된다.

Ni 는, 용접 금속의 강도를 증가시키고, 내후성을 향상시키는 원소이다. 그러나, Ni 함유량이 0.02 질량％ 미만이면, 이와 같은 효과는 얻을 수 없다. 한편, Ni 함유량이 3.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Ni 를 첨가하는 경우, Ni 함유량은 0.02 ∼ 3.50 질량％ 가 바람직하다.

Cr 은, Ni 와 마찬가지로, 용접 금속의 강도를 증가시키고, 내후성을 향상시키는 원소이다. 그러나, Cr 함유량이 0.01 질량％ 미만이면, 이와 같은 효과는 얻을 수 없다. 한편, Cr 함유량이 1.50 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Cr 을 첨가하는 경우, Cr 함유량은 0.01 ∼ 1.50 질량％ 가 바람직하다.

Ti 는, 탈산제로 작용하며, 또한 용접 금속의 강도와 인성을 향상시키는 원소이다. 또, Ti 는, 아크를 안정시키고, 스퍼터를 감소시키는 효과도 갖는다. 그러나 Ti 함유량이 0.15 질량％ 를 초과하면, 용접 시공시에 용적이 조대해져 큰 입자의 스퍼터가 발생할 뿐만 아니라, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, Ti 를 첨가하는 경우, Ti 함유량은 0.15 질량％ 이하가 바람직하다.

Mo 는, 용접 금속의 강도를 향상시키는 원소지만, 그 함유량이 0.8 질량％ 를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mo 를 첨가하는 경우, Mo 함유량은 0.8 질량％ 이하가 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는, 공시 강판으로서, 표 1 에 나타내는 강판 조성을 갖는 판 두께 2.6 ㎜ 의 강판을 사용하여, 표 2 에 나타내는 MIG 용접 조건 하에서, 겹침 이음새의 필릿 용접을 실시하였다. 용접 와이어로는, 표 3 에 나타내는 와이어 조성을 갖는 직경 1.2 ㎜ 의 솔리드 와이어를 사용하였다.

용접 후의 비드 형상을 평가한 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타낸, 「부호 ◎」는, 「비드 폭의 최소치 (W_min) 를 비드 폭의 최대치 (W_max) 로 나눈 값 (W_min/W_max) 이 0.7 이상」, 또한, 「플랭크각 (θ) 이 120° 이상」인 경우이다.

「부호 ○」는, 「비드 폭의 최소치를 비드 폭의 최대치로 나눈 값 (W_min/W_max) 이 0.7 이상」, 또한, 「플랭크각 (θ) 이 100° 이상 120° 미만」인 경우, 또는, 「비드 폭의 최소치를 비드 폭의 최대치로 나눈 값 (W_min/W_max) 이 0.6 이상 0.7 미만」, 또한, 「플랭크각 (θ) 이 120°이상」인 경우이다.

「부호 △」는, 「비드 폭의 최소치를 비드 폭의 최대치로 나눈 값 (W_min/W_max) 이 0.6 이상 0.7 미만」, 또한 「플랭크각 (θ) 이 100° 이상 120° 미만」인 경우이다.

「부호 ×」는, 「비드 폭의 최소치를 비드 폭의 최대치로 나눈 값 (W_min/W_max) 이 0.6 미만」, 및 「플랭크각 (θ) 이 100° 미만」 중 적어도 1 개에 해당하는 경우이다.

또한, 비드 폭의 최소치 및 비드 폭의 최대치는, 용접 비드 (6) 의 비드 시종단부 (각각 길이 15 ㎜) 를 제외한 영역의 표면을 촬영하고, 얻어진 사진을 해석하여 측정한다. 용접 비드 (6) 의 길이가 130 ㎜ 미만인 경우는, 비드 시종단부를 제외한 전체 길이의 표면을 촬영한다. 용접 비드 (6) 의 길이가 130 ㎜ 이상인 경우는, 비드 시종단부를 제외하고 임의의 부위 (길이 100 ㎜) 의 표면을 촬영한다.

또, 플랭크각은 형상 측정에 의해 구한다. 도 5 에는 용접 비드 지단부 및 그 주변의 개략도를 나타내고 있으며, 도 5 중의 각도 α (°) 가, 용접 비드 지단부의 플랭크각이다.

또한, 상기한 「W_min/W_max」 는, 용접 비드의 사행 및 웨이빙 정도를 나타내는 지표이다.

표 2 에서, 평가를 나타내는 부호가 ◎, ○, △ 인 본 발명예 (No. 5 ∼ 21) 는, 평균 단락 주파수 F 가 20 Hz 이상 300 Hz 이하이며, 또한 최대 단락 주기 t_cyc 가 1.5 s 이하를 만족시키고 있다. 그 결과, 용접 비드 형성이 안정되어, 용접 비드의 사행·웨이빙이 적으며, 플랭크각 (θ) 이 크고 지단 형상이 평활한 용접 비드가 얻어졌다. 부호가 ○ 인 본 발명예에서는, 상기 효과가 현저하고, 부호가 ◎ 인 본 발명예에서는, 상기 효과가 보다 현저하였다.

이것에 대해, 표 2 에 나타내는 평가의 부호가 × 인 비교예 (No. 1 ∼ 4, 22) 는, 평균 단락 주파수 F 가 20 Hz 미만, 혹은 최대 단락 주기 t_cyc 가 1.5 s 이상이며, 용접 비드 형성은 불안정하였다. 그 결과, 용접 비드의 사행·웨이빙이 크고, 또한 플랭크각 (θ) 이 작은 볼록 비드 중, 적어도 1 개가 나타났다.

또, 부호가 ◎ 인 본 발명예 (No. 5, 7 ∼ 9, 11, 12, 15, 20) 로부터, 연강용 (표 3 중의 와이어 기호 W1) ∼ 초고장력강용 (표 3 중의 와이어 기호 W2) 의 어느 용접 와이어를 사용해도 안정적인 용접 비드가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

1 : 용접 와이어 (와이어)
2 : 용접 토치
3 : 모재
5 : 아크
6 : 용접 비드
7 : 용적
8 : 용융지
9 : 용접 금속
10 : 용접 지단부

Claims

Ar 실드 가스를 사용한 탄소강의 MIG 용접 방법으로서,
용접 와이어와 모재가 단락되고, 용접 중의 평균 단락 주파수가 20 ∼ 300 Hz 가 되며, 또한 최대 단락 주기가 1.5 s 이하가 되고,
상기 MIG 용접 방법의 용접 전류를 펄스 전류로 하고, 하기의 식 (1) 에서 산출되는 값 X 가, 50 ≤ X ≤ 250 을 만족하는, MIG 용접 방법.
X = I_pt_p/L ＋ (I_p＋I_b) (t_up＋ t_down)/(2L) ‥‥ (1)
여기서, (1) 식에 있어서의, I_p : 피크 전류 (A), I_b : 베이스 전류 (A), t_p : 피크 기간 (ms), t_up : 상승 기간 (ms), t_down : 하강 기간 (ms), L : 컨택트 팁과 모재 간의 거리 (㎜) 이다.
제 1 항에 있어서,
상기 용접 와이어는 솔리드 와이어인, MIG 용접 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 솔리드 와이어는, C : 0.020 ∼ 0.150 질량％, Si : 0.20 ∼ 1.00 질량％, Mn : 0.50 ∼ 2.50 질량％, P : 0.020 질량％ 이하, S : 0.03 질량％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 와이어 조성을 갖는, MIG 용접 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 와이어 조성에 부가하여 추가로, Ni : 0.02 ∼ 3.50 질량％, Cr : 0.01 ∼ 1.50 질량％, Ti : 0.15 질량％ 이하, Mo : 0.8 질량％ 이하, 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는, MIG 용접 방법.
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