KR19980018616A - 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법 - Google Patents

Abstract

용접전원 등의 설비의 증강을 행하지 않고 판의 두께 50mm 이상의 강판을 사용하는 각 용접이음매 등의 편면 1패스용접에 최적인 대입열 서브머지드 아아크용접방법을 제안한다.

선행전극의 와이어의 직경을 4.8mm이상∼5.6mm, 선행전극의 전류밀도를 80∼100A/㎟, 선행전극전압을 42V∼55V, 선행전극과 후행전극과의 극간거리를 50∼90mm 미만으로 한 조건으로 용접한다.

또, 중량%로 SiO₂: 10∼30%, MgO: 5∼30%, Al₂O₃: 2∼20%, CaO: 2∼10%, 금속철분: 10∼40%, 금속상태의 성분으로서 Si, Mn, Ti, 및 Al중의 1종이상을 합계로 1∼10% 함유하는 소성형 플럭스를 사용하는 것이 바람직하다.

Description

대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법

본 발명은 대입열(大入熱)2전극서브머지드 아아크용접(submerged arc welding)에 관한 것이며, 특히 철골상자형 기둥의 각 이음매와 같은 두꺼운 강판을 편면으로부터 용접시공하는 서브머지드 아아크용접에 있어서 양호한 에너지효율하에서 용접전원 등의 설비의 증강을 행하지 않고, 가능한 고능률의 서브머지드 아아크용접방법에 관한 것이다.

근년에, 건축물의 고층화에 의해 극히 두꺼운 상자형 기둥이 일반적으로 사용된다.

상자형기둥의 각 이음매의 용접에는 철분첨가플럭스(flux)를 사용한 편면 1패스(pass)대입열 2전극서브머지드 아아크용접이 널리 사용되고 있으나, 판의 두께의 증대에 수반하여 필요한 용착금속량이 현저히 증대하기 때문에, 용접기의 전류용량 등에 의해 적용가능한 판의 두께가 제한된다.

1패스용접의 적용이 곤란한 두꺼운 물건의 이음매의 경우에는 미리 탄산가스 용접에 의한 바닥돋움용접을 실시한 후에, 서브머지드 아아크용접을 행하는 방법이 사용되는 일이 많다.

그러나 바닥돋움용접에는 많은 노력을 요하기 때문에 경제적으로도 문제가 있고, 상자형 기둥의 각 이음매의 용접의 고능률화를 위해 1패스용접의 적용범위의 확대는 절실한 과제로 되어 있다.

일반적으로, 상자형 기둥의 각 이음매의 용접에 사용되는 서브머지드 아아크 용접기가 사용가능한 최대전류는 2000A 정도이지만, 이 전류에 대해서는 일반적으로는 직경 6.4mm의 와이어(wire)가 사용되고 있다.

그러나 이 경우, 판의 두께가 50mm 이상이 되면 1패스용접을 행하는 것은 용착량의 확보를 위해 용접속도를 늦게 할 필요가 있다.

용접속도를 지나치게 늦게 하면, 용융금속이 용접아아크보다 선행해 버려서 안정된 용입을 얻은 것이 어렵게 되거나, 선행전극이 용융금속과 단락되던가하는 불합리함이 생긴다.

종래로부터 일반적인 서브머지드 아아크용접용으로서 시판되고 있는 용접와이어의 직경은 4.0, 4.8, 6.4mm이다.

직경이 4.8mm이하의 용접와이어로서는 용접전류가 약 1800A이상이 되면, 용접와이어의 공급속도가 통상의 용접기의 능력을 초과하게 되기 때문에 와이어의 공급이나 아아크전압, 전류가 안정되기 않고 신뢰성이 있는 용접이 되지 않게 되는 문제가 있다.

이 때문에 판의 두께가 50mm를 초과하면 1패스 서브머지드 아아크용접은 신뢰성이 결핍되고, 1패스용접의 적용은 50mm 정도까지가 일반적인 것으로 되어 있던 것이다.

이와 같은 두꺼운 물건의 각 이음매의 1패스용접의 과제에 대해, 예를들면 일본국 특공평 6-30818호 공보에는 개방선단형상, 전극와이어직경, 선행전극과 후행전극과의 사이의 거리, 선행전극과 후행전극의 전류비, 전압비, 와이어돌출길이 등의 조건을 특정한 판의 두께 40mm 이상의 각 이음매의 서브머지드 아아크용접방법에 제안되어 있다.

이 서브머지드 아아크용접방법은 피용접물에 용접열 변형에 의한 용접선의 경사가 존재해도 고품질의 용접부를 제공할 수 있다고 되어 있으나, 판의 두께 50mm이상에서는 용입깊이가 부족하게 되고, 판의 두께 60mm 이상의 1패스용접이 되지 않는다고 하는 문제를 남기고 있었다.

또, 일본국 특공평 6-73757호 공보에는 특정의 플럭스와 2000A이상의 용접전류조건과 조합하므로서, 판의 두께 50mm를 초과하는 1패스용접을 실현할 수 있는 서브머지드 아아크용접방법이 제안되어 있으나, 이 방법에서는 2000A 이상의 전류를 적용하기 위해서는 전용의 용접기가 필요하고 적용범위가 한정된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이 문제에 대해서의 최적의 해결방법을 제공하는 것이며, 용접전원 등의 설비의 증강을 행하지 않고 판의 두께 50mm 이상의 강판의 편면 1패스용접을 가능하게 하는 대입열 서브머지드 아아크용접방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 개방선단형상을 나타내는 단면도이다. 또한 θ는 개방선단각도, t₁은 피용접강판의 판의 두께, t₂는 루우트면(root face).

도 2는 전극(1,2)의 배치 및 용융지(P)의 형상을 나타내는 피용접강판(H)의 개방선단저면부(K)를 포함하는 부분단면도이다.

또한, (F)는 플럭스, (Y)는 용융슬래그, (Z)는 용접금속, (A)는 아아크공동.

본 발명자 등은 대입열 서브머지드 아아크용접기로서 가장 일반적인 최대전류 2000A의 2전극서브머지드 아아크용접기를 사용해서 두꺼운 강판에의 1패스서브머지드 아아크용접의 적용한계에 대해서 검토를 행했다.

그 결과, 종래의 용접재료를 사용한 경우에는 플럭스와 용접조건의 조합만으로서는 안정된 용입을 얻기에는 불충분하고, 아아크력의 증대를 도모하는 것이 긴요하다고 하는 결론에 도달했다.

아아크력의 증대에는 선행전극의 전류밀도를 증가시키거나 아아크를 조여서 아아크력을 집중시키는 것이 필요하다.

그러나, 종래로부터 사용되고 있는 와이어로서는 최적의 전류로 사용하는 것이 곤란하고, 또 종래에 제안되어 있는 용접조건은 용접기의 능력을 총체로 사용해서 고능률의 용접을 행한다고 하는 배려가 결핍되어 있었다.

여기서, 본 발명자 등은 2000A정도의 용접전류를 사용한 경우의 1패스서브머지드 아아크용접의 능률을 최대한으로 발휘시켜 판의 두께 50mm이상의 강판의 1패스용접으로 안정된 신뢰성이 높은 용접을 행하기 위한 필요조건을 검토했다.

그 결과, 선행전극의 전류밀도를 용접전류와 와이어직경간의 관계를 고려해서(즉, 용접전류가 2000A 정도의 경우에는 용접와이어 직경을 5.0mm정도로 하므로서)효과적으로, 또한 안정적으로 증대시키므로서 용입의 안정확보가 가능해진다.

또, 고전류밀도로 하므로서 선행전극전압을 종래에 사용할 수 없었던 높은 용접전압으로 설정할 수 있고, 그 결과, 용입의 안정확보와 비이드(bead)외관이 개선되는 것을 알아냈다.

본 발명은 상기한 발견을 기초로 구성한 것이다.

본 발명은 판의 두께 50mm이상의 강판을 선행전극 및 후행전극을 사용해서 용접하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법에 있어서, 선행전극의 와이어의 직경이 4.8mm이상∼5.6mm이며, 선행전극의 전류밀도가 80∼100A/㎟, 선행전극전압을 42V∼55V, 선행전극과 후행전극과의 극간거리를 50∼90mm 미만의 조건으로 용접하는 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법이며, 다시 또, 본 발명에서 사용하는 플럭스는 중량%로, SiO₂: 10∼30%, MgO: 5∼30%, Al₂O₃: 2∼20%, CaO: 2∼10%, 금속철분: 10∼40%, 금속상태의 성분으로서 Si, Mn, Ti, 및 Al의 1종 이상을 합계로 1∼10%함유하는 소성형 플럭스가 아주 적당하다.

본 발명의 한정 이유에 대해 다음에 상세히 설명한다.

본 발명의 용접방법은 선행전극 및 후행전극을 사용해서 판의 두께 50mm이상, 바람직하게는 60mm 이상의 강판을 1패스 용접할 수 있는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법이다.

와이어의 직경: 4.8mm이상∼5.6mm

최대 용접전류가 2000A의 경우에는 판의 두께 60mm의 1패스용접을 실현하려고 하면 용접전류는 1900A정도가 필요하게 되고, 와이어직경이 4.8mm이하에서는 전류 밀도가 지나치게 커져서 와이어의 용융속도가 증대하기 때문에 와이어의 공급이 불안정하게 되어 안정된 용접을 행할 수 없게 된다.

한편, 5.6mm를 초과하면 전류밀도가 지나치게 적어져서 충분한 용입을 얻을 수 없게 된다.

이 때문에 사용하는 와이어의 직경은 4.8mm이상∼5.6mm로 했다.

선행전극의 전류밀도: 80∼100A/㎟

선행전극의 전류밀도의 크기는 저속도로 다량의 용융금속을 생성하는 대입열 1패스용접에 있어서, 용입을 확보하는데 불가결한 인자이며, 이 때문에 80A/㎟이 필요하다.

한편, 전류밀도가 증가하면 와이어의 용융속도가 증대하기 때문에 거기에 알맞는 와이어의 공급이 필요하게 되지만, 전류밀도가 100A/㎟를 초과하면 일반적인 용접기에서는 와이어의 공급이 불안정하게 되어 용입불량이 발생하기 쉽게 된다.

이 때문에 선행전극의 전류밀도는 80∼100A/㎟로 했다. 또한, 보다 바람직하게는 85∼95A/㎟이다.

선행전극전압: 42V∼55V

선행전극의 전압에 의해 아아크의 길이가 변화하기 때문에 용접형상에 현저한 영향을 미친다.

42V 미만에서는 선행전극전압의 안정성이 나쁘고 비이드외관이 산란되기 쉽고, 또 용입의 폭이 좁고 융합불량이 생기기 쉽다.

한편, 55V를 초과하면 용입이 감소하여 용입불량을 발생시킬 우려가 있다.

이 때문에 선행전극전압의 범위는 42V∼55V로 했다.

또한, 보다 바람직하게는 42V∼48V이다.

선행전극과 후행전극과의 극간거리 D: 50mm∼90mm미만

극간거리 D는 용접금속의 응고갈라짐을 방지하기 위해 용융지 P의 형태가 도2에 나타내는 바와 같이, 세미 원풀이 되도록 설정할 필요가 있다.

따라서, 본 발명과 같은 대입열 용접에 대해서는 이것이 50mm미만에서는 용융지의 형태가 원풀에 가깝게 되어 응고·갈라짐을 발생시켜 쉽게 된다.

한편, 90mm 이상에서는 융합불량을 발생시키기 쉽기 때문에 선행전극(1)과 후행전극(2)과의 극간거리 D는 50mm∼90mm미만으로 했다.

또한, 보다 바람직하게는 60mm∼80mm이다.

본 발명에 있어서의 극간거리 D란, 피용접강판 표면 S에 있어서의 선행전극 와이어(11)의 중심으로부터 후행전극와이어(21)의 중심까지의 거리이다.

또한, 기타 용접조건으로서는 용접전류비, 후행전극의 용접전압, 전극의 경사, 돌출길이 등이 있으나, 이들은 통상의 상자형 기둥의 각 이음매의 대입열 서브머지드 아아크용접을 행하는 때에 사용되는 범위면 된다.

즉, 용접전류비 I₂/I₁: 0.7∼1.0(여기서, I₁: 선행전극전류, I₂: 후행전극전류), 선행전극의 용접전압: 42V∼55V, 도2에 나타내는 바와 같이, 전극의 경사는 선행전극의 후진각 α는 0∼10°, 후행전극의 전진각 β는 0∼20°, 돌출길이 L: 30∼80mm이면 된다.

또한, 돌출길이 L이란, 전극(1,2)의 선단으로부터 피용접강재 표면 S까지의 와이어(11,21)에 따른 거리이다.

또 용접속도는 용접전류와 용접재료로 결정되는 용착속도로부터 개방선단을 만족시키기에 필요한 속도로서 필연적으로 결정되는 조건이지만, 본 발명의 목적으로 하는 50mm이상의 판의 두께의 두꺼운 강판의 1패스용접을 행하기 위한 범위로서는 12∼30cm/분의 범위가 바람직하다.

또, 본 발명에서는 사용되는 플럭스로서는 SiO₂-MgO-Al₂O₃계의 철분첨가 소성형 플럭스가 아주 적당하다.

또한, 소성형 플럭스는 원료광석분말이나 합금분말에 물유리를 점결제로서 첨가하여 450∼600℃의 온도로 입자상으로 소결고착시킨 것이다.

SiO₂:10∼30%

SiO₂는 조재재로서 중요한 성분이지만, 10%미만에서는 용융슬랙(slag)의 융점이 지나치게 상승해서 양호한 비이드외관이 얻어지지 않고, 한편 30%를 초과하면 슬랙량이 증가해서 슬락박리성이 열화하거나 염기도가 지나치게 내려가서 용접금속의 인성이 열화된다.

이 때문에 SiO₂는 10∼30%의 범위로 했다.

또한, 바람직하게는 15∼25%이다.

MgO: 5∼30%

MgO는 슬랙의 융점, 염기도를 조정하는데 유효한 성분이지만 5%미만에서는 이 효과가 결핍되고, 30%를 초과하면 융점이 지나치게 상승해서 비이드외관이 열화한다.

이 때문에 MgO는 5∼30%의 범위로 했다. 또한 바람직하게는 15∼28%이다.

Al₂O₃: 2∼20%

Al₂O₃는 용융슬랙의 점성을 저하시키지 않고 융점을 상승시키는데 유효한 성분이지만 2%미만에서는 이효과가 결핍되고, 20%를 초과해서 함유되면 슬랙의 융점이 지나치게 상승해서 비이드외관이 열화하는 경향이 있다.

이 때문에 Al₂O₃는 2∼20%의 범위로 했다. 또한 바람직하게는 5∼15%이다.

CaO: 2∼10%

CaO는 슬랙의 융점, 염기도를 조정하는데 유효한 성분이지만 2%미만에서는 이 효과가 결핍되고, 10%를 초과하면 슬랙박리성이 열화한다.

이 때문에 CaO는 2∼10%의 범위로 했다. 또 바람직하게는 4∼8%이다.

금속Fe(철분): 10∼40%

Fe는 용착속도를 증가시킴과 동시에, 용접작업성을 개선하는데 불가결한 성분이며, 10%미만에서는 용착속도의 향상이 충분하지 않고, 한편 40%를 초과해서 함유되면 비이드폭이 지나치게 좁아져서 양호한 비이드외관을 얻을 수 없게 된다.

이 때문에 금속 Fe(철분)는 10∼40%의 범위로 했다. 또한 바람직하게는 20∼38%이다.

금속 Si, Mn, Ti, Al,:1종 이상을 합계로 1∼10%

탈산제로서 금속상태의 성분의 첨가가 필요하다. 1%미만에서는 효과가 충분하지 않고, 용접금속의 산소량이 지나치게 증가해서 용접부의 인성이 열화하고, 한편 합계로 10%를 초과해서 함유되면 산소량이 지나치게 저하해서 오히려 인성을 열화시키는 경향이 있다.

이상, 본 발명에 사용하기에 아주 적당한 플럭스의 조성범위에 대해 설명했으나 기타의 성분으로서 통상 플럭스에 사용되고 있는 성분을 첨가해도 지장이 없다.

그와 같은 성분으로서는 CaF₂, BaO, ZrO, B₂O₃, CO₂등이 있고, CaF₂, BaO, ZrO, CO₂는 5%이하, B₂O₃는 1%이하의 범위내에서 각각 첨가할 수가 있다.

CaF₂, BaO, ZrO는 슬랙의 염기도 및 융점을 조정하는데 유효한 성분이지만 5%를 초과하는 첨가는 비이드외관이나 슬랙박리성을 해친다.

CO₂는 용접중의 탄산염의 분해에 의해 생긴 수소분압을 내려서 용접금속 중의 수소량을 저감시키는데 유효한 성분이지만 5%를 초과하면 가스의 발생에 의한 비이드외관의 열화가 현저해진다.

B₂O₃는 용접금속의 인성을 개선하는데 유효한 성분이지만 1%를 초과하면 용접금속의 내갈라짐성이 열화한다.

플럭스 기타의 성분으로서는 결합제나 각원료의 불순물로서 불가피적으로 함유되는 Na₂O, K₂O 등의 성분이 있으나, 이들은 통상의 범위내이면 문제는 없다.

[실시예]

표 1에 나타내는 화학조성을 갖는 강판 및 용접와이어와 표2에 나타내는 조성의 플럭스를 사용해서 도1에 나타내는 개방선단형상, 표3에 나타내는 용접조건으로 편면 1패스의 서브머지드 아아크용접을 행하여 각 이음매부의 내부결함 및 비이드외관을 조사했다. 그 결과를 표3에 나타낸다.

* 상단; 선행전극

하단; 후행전극

본 발명에 No, 1∼No5에서는 극히 두꺼운 이음매인데도 불구하고 양호한 비이드외관으로 내부 결함이 없는 용접이음매가 얻어졌다.

이에 대해, 선행전극전압이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예 No.6에서는 융합불량이, 선행전극전압 및 극간거리가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No.7에서는 융합불량이, 플럭스조성, 선행전극의 전류밀도가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 No.8에서는 용입불량, 비이드외관 불량의 결함이 생겼다.

본 발명에 의하면, 용접전원 등의 설비의 증강을 행하지 않고, 판의 두께 50mm이상의 두꺼운 강판의 편면 1패스용접에 있어서도 내부 결함이 없고, 양호한 비이드외관을 갖는 용접이음매를 고능률로 얻을 수가 있다.

Claims (5)

1. 판의 두께 50mm이상의 강판을 선행전극 및 후행전극을 사용해서 용접하는 대입열 2전극섭머지드 아아크용접방법에 있어서, 선행전극의 와이어의 직경이 4.8mm이상∼5.6mm이며 선행전극의 전류밀도가 80∼100A/㎟, 선행전극전압이 42V∼55V, 선행전극과 후행전극과의 극간거리가 50∼90mm 미만으로 조건으로 용접하는 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법.
2. 제1항에 있어서,

   선행전극의전류밀도가 85∼95A/㎟ 인 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법.
3. 제1항에 있어서,

   강판의 판의 두께가 60mm이상인 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법.
4. 제1항에 있어서,

   선행전극의 전류가 2000A이하인 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법.
5. 제1항에 있어서,

   중량%로 SiO₂: 10∼30%, MgO: 5∼30%, Al₂O₃: 2∼20%, CaO: 2∼10%, 금속철분: 10∼40%, 금속상태의 성분으로서 Si, Mn, Ti, 및 Al중의 1종이상을 합계로 1∼10% 함유하는 소성형 플럭스를 사용하는 것을 특징으로 하는 대입열 2전극서브머지드 아아크용접방법.