KR20010055005A - 아아크 용접용 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아아크 용접용 와이어에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 용접용 와이어 표면의 요철정보를 적정범위로 제어함으로서, 통전성을 안정하게 하여 아아크 안정성을 높임과 동시에 송급성능을 보다 우수하게 한 용접용 와이어를 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아아크 용접을 행하기 위한 용접용 와이어에 있어서, 와이어 표면의 측정대상영역을 원자간력 현미경 또는 이와 유사한 주사형 원자현미경을 사용하여 측정하고, 하기식(1)에 의하여 거리에 따른 G(R)값을 계산한 후 거리 R과 G(R)값을 그래프화하여 얻어진 그래프의 기울기가 0.1-1.0인 것을 특징으로 하는 용접용 와이어에 관한 것을 그 요지로 한다.

[수학식 1]

Description

아아크 용접용 와이어{Arc Welding Electrodes}

본 발명은 솔리드 와이어, 플럭스 충전와이어 등을 포함하는 아아크 용접용 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연강, 고장력강, 저합금강, 스테인레스강 등의 용접에 적합하고, 아아크 안정성 및 송급성이 우수한 아아크 용접용 와이어에 관한것이다.

종래의 용접용 와이어 표면은 신선시 늘어난 수 많은 요철이 형성되어 있고, 이들 요철은 그 크기와 분포가 각각 다르게 형성되어 있어 아아크 용접시 아아크 용접용 와이어와 아아크 용접용 팁과의 불안정한 통전 안정성으로 아아크가 불안정하거나 아아크 용접용 와이어가 용접용 팁내에서 전기적 쇼트로 소착되어 아아크가 단락되는 현상도 빈번히 발생하여 자동 또는 반자동 용접시 용접작업이 중단되거나, 우수한 용접외관을 얻을 수 없어 항상 문제점으로 지적되어 왔었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일본국 특개평7-32187호에서는 통전점의 변동이나 송급성의 불안정 없이, 아아크 안정성이 우수한 솔리드 와이어 및 플럭스 충전 와이어를 제공하였다. 솔리드 와이어는 신선방법(윤활제, 신선속도, 와이어 온도등)의 변화에 따른 습식신선의 선택과 신선속도의 저속화와 신선다이스 스케쥴의 변화에 따른 감면율의 세분화, 도금 Cu량의 증감에 따른 도금두께의 세경화 또는 소둔조건등을 변화하거나, 플럭스 충전 와이어는 플럭스의 조성을 변화시켜 제조한 용접용 와이어를 전자선 3차원 조도 해석장치로 측정하고, 용접용 와이어 표면의 실표면적을 Sa, 외견상의 표면적을 Sm 이라고 할 때 (Sa/Sm)-1을 비표면적으로 제한하여 통전점을 향상시켜 우수한 아아크 안정성을 얻고자 하였다.

그러나, 이러한 비표면적의 제한은 용접용 와이어 표면 요철의 상태를 적절히 제어하여 용접용 팁과의 통전점을 향상시키는데는 다소 효과는 있었으나 통상적인 현장작업의 실제용접에서는 여전한 아아크 불안정의 문제와 팁내에서의 쇼트등의 문제는 해결될 수 없었으며, 특히 장시간의 용접작업시는 오히려 스패터의 증가로 효과적인 용접작업성을 얻을수 없어, 용접용 와이어 표면 상태의 제어가 용접작업성에 아무런 도움이 되지 않는 것으로 알려지기도 하였다. 그것은 전자선 3차원 조도 해석장치의 데이터가 정확하게 용접용 와이어 표면의 크기를 표현하지 못하였기 때문일 것이다. 즉, 전자선 3차원 조도 해석장치는 SEM 관찰시야에서 표면의 정보를 받아들여 모델링이 가능한 장치로 유용하게 활용되는 표면정보의 가시적 해석장치로서 전자선에 적절한 입사각을 주면, 표면상태에 따라 반사각이 달라지는 반사선의 정보를 데이터화 하는 비접촉식 관찰 장치로 표면 요철의 높낮이를 정확하게 데이터화 하는데 다소 한계가 있었으며, 요철의 형상을 구체화 할 수 없었다. 따라서, 관찰한 시야 몇 개소의 면적을 평균하여 비표면적으로 제한하였으나, 관찰시야에서 각각의 요철크기와 형상이 달랐을 뿐만아니라 불안정하게 형성된 요철은 미세한 외력에도 떨어지는가 하면, 용접용 와이어 길이 방향으로 이동하면서 관찰 개소를 많이 하면 할수록 표면 요철의 크기가 차이가 있었다. 이것은 신선작업의 시간이 경과됨에 따라 신선다이스의 마모와 윤활제의 탄화등이 증가됨과 동시에 용접용 와이어 표면 요철의 형상과 크기가 달라지기 때문이었다.

고려하건데, 신선속도를 최소화 하여 신선다이스의 마모와 윤활제의 탄화를 줄일수 있는 방법도 있었으나, 실제 신선작업에서 효과적으로 이용될 수 없었으며, 특히 습식신선의 경우는 시간의 경과에 따라 윤활제의 노화가 급속하게 진행되는가 하면, 기온차에 의한 변질등도 큰 문제점이었다. 뿐만 아니라, 용접용 와이어 표면 요철이 떨어져 습식신선용 윤활제에 분산되고, 이러한 윤활제는 신선시 신선용 다이스와 용접용 와이어 사이에 유입되면서 분산된 요철의 철 찌꺼기가 용접용 와이어 표면을 긁거나 소착되는 문제로 우수한 용접용 와이어 표면을 얻기 어려웠으며, 결국에는 용접작업시 아아크 불안정의 핵심적인 원인이 되었다.

그리고, 이러한 문제점 때문에 공개특허공보95-2912호(95.2.16)에서는 용접용 와이어 길이 방향에 있어서 비표면적의 편차를 ±0.005 이내로 규제하고 있다. 그러나, 비표면적치는 도 1에서 보는바와 같이 비표면적을 측정하는 측정시야를 작게하면 할수록 비표면적치가 증가되며, 또한 도 2에서 보는 바와 같이 동일측정시야 내에 여러번 분할하여 비표면적을 측정하고 그 합을 구하면 분할전에 측정한 비표면적치 보다도 훨씬 증가되며, 분할갯수를 많이 하면 할수록(즉, 측정 위치가 많을수록) 비표면적치는 지수함수적으로 증가되는 물리적인 의미일뿐 용접용 와이어의 표면을 제어할수 있는 인자는 아니었다.

따라서, 비표면적의 제한으로는 용접용 와이어 표면 요철의 정보를 정확하게 얻을수 없었으며, 역시 용접용 와이어 표면 요철의 크기도 정확하게 제어하기는 어려웠다.

이에 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적하는 바는 용접용 와이어 표면의 요철정보를 적정범위로 제어함으로서, 통전성을 안정하게 하여 아아크 안정성을 높임과 동시에 송급성능을 보다 우수하게 한 용접용 와이어를 제공하고자 하는데 있다.

도 1은 측정영역에 따라 변화되는 종래의 비표면적치를 보이는 그래프

도 2는 분할갯수의 증가에 따라 변화되는 종래의 비표면적치를 보이는 그래프

도 3은 기울기에 따라 변화되는 송급길이 편차를 나타내는 그래프

도 4는 기울기 편차에 따라 변화되는 송급길이 편차를 나타내는 그래프

도 5는 R과 G(R)을 이용하여 기울기를 나타낸 그래프

도 6은 본 발명에서 측정한 데이터를 이용하여 용접용 와이어의 표면을 나타내는 이미지 사진

도 7은 본 발명에서 측정한 데이터를 3차원으로 나타낸 이미지 사진

본 발명자들은 우수한 통전 안정성과 아아크 안정성을 얻기 위해서는 용접용 와이어 표면을 적절하게 제어해야 하며, 이렇게 제어하기 위해서는 용접용 와이어 표면 상태의 정보를 정확하게 얻을수 있어야 한다는 것을 알았다. 특히, 본 발명자들은 공개특허공보10-1997-048672호(97.7.29)의 원자간력 현미경과 프랙탈 이론을 적용한 평균 결정입자의 크기를 결정하는 방법으로부터 그래프의 기울기가 측정 대상 영역에서 축척에 따라 그 값이 증가하는 축척거동(scaling behavior)이 표면 요철의 형상과 크기를 결정하는 주요인자중의 하나임을 알았다. 따라서, 본 발명자들은 용접용 와이어인 솔리드 와이어와 플럭스 충전 와이어를 랜덤하게 여러종류의 시료를 만들어 측정하고, 그 결과를 그래프화 하여 기울기의 축척거동을 분석하고 고찰한 결과, 기울기 변화에 따른 실제 용접작업에서 기울기 특성이 완만해 질수록 용접용 와이어의 아아크가 안정적이며, 부드러워진다는 것을 발견하였다.

이와 같은 관점으로부터 출발한 본 발명은 아아크 용접을 행하기 위한 용접용 와이어에 있어서, 와이어 표면의 측정대상영역을 원자간력 현미경 또는 이와 유사한 주사형 원자현미경을 사용하여 측정하고, 하기식(1)에 의하여 거리에 따른 G(R)값을 계산한 후 거리 R과 G(R)값을 그래프화하여 얻어진 그래프의 기울기가 0.1-1.0인 것을 특징으로 하는 용접용 와이어에 관한 것이다.

단, 여기서 용접용 와이어 표면의 측정 대상 영역에서 임의의 위치에서 높이로 정의되는 함수로 나타내고,〈....〉의 표기는 측정거리 R로부터 좌표상에 대한 평균을 나타내며,축은 측정거리(R)로 하고,축은 거칠기 상관함수인 G(R)로 하여 그려진 그래프의 기울기가 측정거리(R)에 따라 G(R)이 증가하다가 일정상태에 이를 때 까지의 기울기를 나타낸다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 아아크 용접용 와이어 표면의 측정 대상 영역에 있어서, 원자간력 현미경(AFM : Atomic Force Microscope) 또는 이와 유사한 주사형 원자 현미경(SPM : Scanning Probe Microscope , STM : Scanning Tunneling Microscope)을 사용하여 측정하고, 상기 수학식(1)에 의하여 거리에 따른 G(R)값을 계산한 후 거리 R과 G(R)값을 그래프화 한 다음, 그 기울기가 수평이 되는 점까지의 기울기 값이 0.1 내지 1.0인 용접용 와이어에 관한 것이다. 이때, 얻어지는 기울기의 편차를 0.5이내로 제어하면 보다 우수한 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에서는 원자간력 현미경을 사용하였는데, 그 이유는 다음과 같다.

상기 원자간력 현미경은 일반적인 촉침식과는 달리 마이크로 머시닝으로 제조된 크기가 길이100㎛ x 폭10㎛ x 두께1㎛ 으로서 아주 작아 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어진 캔틸레버(Cantilever)를 사용하며, 캔틸레버의 끝 부분에는 원자 몇개만이 존재하는 아주 뾰족한 바늘이 달려 있어 매우 첨예하다. 이 탐침을 용접용 와이어 표면에 원자 한 두개 크기의 간격(~0.5㎚)으로 가까이 접근 시키면 탐침 끝의 원자와 용접용 와이어 표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 인력과 척력이 작용한다. 접촉모드(Contact mode)에서는 척력을 사용하는데 그 힘의 크기는 1~10nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이져 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 각도를 포토다이오드(Photodiode)등을 사용하여 측정한다. 이렇게 하면 바늘 끝의 움직임을 구동기에 역되먹임(feedback)하여 원자간력 현미경의 캔틸레버가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 용접용 와이어 표면사이의 간격도 일정해지므로 용접용 와이어 표면의 형상에 따라 서서히 이동하면서 표면형상의 정보을 나타낼수 있다. 또, 비접촉모드(Non-contact mode)에서는 원자사이의 인력을 사용하는데 그 힘의 크기는 0.1~0.01nN 정도로 용접용 와이어 표면에 인가하여 용접용 와이어 표면과의 원자간의 인력에 의한 고유진동수를 이용하여 진폭과 위상의 변화를 측정하여 용접용 와이어의 표면 형상을 나타낼수 있다.

일반적으로 표면을 관찰하는 주사식 전자현미경(SEM)은 광학적 원리를 이용한 것으로 배율이 최고 수십만배인데 비해 원자간력 현미경은 최고 수천만배로서 개개의원자를 관찰할수 있는 높은 분해능을 가지고 있다. 또, 투과식 전자현미경(TEM)은 수평방향의 분해능은 원자단위이나, 수직방향의 분해능은 훨씬 떨어져 개개의 원자를 관찰할 수는 없으며, 원자간력 현미경의 수직방향의 분해능은 수평방향보다 더욱 좋아서 원자 지름의 수십분의 일(0.01㎚)까지도 측정해낼수도 있다.

따라서, 일반적인 촉침식 거칠기 측정장치는 물론이거니와 전자현미경으로는 용접용 와이어 표면의 요철상태를 구체적으로 형상화 하고, 제어하기는 불가능하며, 비표면적을 측정하는 장치 역시 전자현미경의 일종으로 용접용 와이어의 표면상태를 구체화 할 수 있는 것은 아니었으므로, 본 발명에서는 용접용 와이어 표면의 요철상태를 구체적으로 형상화가 가능한 장치인 원자간력 현미경에 의한, 원자간에 상호작용하는 원자간력을 이용하여 용접용 와이어의 표면 상태를 분석하고 제어하여, 통전 안정성과 아아크 안정성이 우수한 용접성능이 발휘되게 하는 것이다.

다음은 용접용 와이어의 표면을 원자간력 현미경을 이용하여 측정하고, R에 대한 G(R)값을 구하여 기울기를 나타내는 방법과, 그 기울기가 0.1 내지 1.0인것에 대한 것과, 그 편차가 0.5 이내인 것에 대한 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

상기 원자간력 현미경으로 용접용 와이어의 길이 방향으로 측정영역을 옮겨가면서 수회 이상 측정하고, 상기 수학식 1에 의하여 R에 따른 G(R)값을 측정하고,축은 R로 하고축은 G(R)로 하여 그래프화 한 다음, 그 기울기가 수평이 되는 점까지의 기울기를 구한다. 구해진 기울기 정보는 수평방향의 거리정보(R)와 각 위치에서 높낮이 정보(G(R))를 가지고 있는 것이다.

상기 기울기가 1.0을 초과하면, 용접용 와이어의 표면이 거칠어지며, 용접작업시 용접용 팁 내부에서 불안정한 접점으로 통전안정성이 떨어지며, 아아크가 불안정하거나 전기적인 쇼트 또는 용접용 와이어 표면의 요철부가 떨어져 팁 막힘등의 문제가 발생된다. 또, 떨어진 요철부는 용접용 팁과 용접용 와이어 사이에서 아아크 발생의 원인이되어 팁에 용접용 와이어의 표면이 녹아 붙는 현상이 발생하기도 한다. 송급성에서도 콘듀이트 튜브내의 라이너 스프링과의 마찰로 요철부가 떨어지거나, 집적되어 송급 불안정을 가져올 수 있다.

상기 기울기가 0.1미만이면, 송급시 용접용 와이어를 밀어주는 송급롤러가 미끄러져 공회전 할 수 있다. 용접용 와이어는 용접작업시 송급케이블 내의 라이너 스프링에서 다소 미소한 송급저항을 받게되는데, 이때 기울기가 0.1미만이면 송급롤러와의 마찰이 감소되어 송급이 어렵게 된다. 특히, 용접용 와이어 표면에 방청유 또는 윤활유등이 부착되어 있을 경우 이러한 현상은 더욱 심화된다. 물론, 송급롤러를 다소 강하게 가압하면 마찰크기도 증가되어 미끄러짐을 방지할 수 있으나, 용접용 와이어 표면에 눌림자국이 생기고 결국에는 용접용 팁내에서 접점 불안정으로 아아크 불안을 가져온다.

한편, 상기 기울기의 편차(측정대상영역 간의 기울기 편차)가 0.5를 초과하면, 계속적인 아아크 안정성을 확보하기 어려워지는 경향을 보이며, 장시간 용접하는 자동용접시 연속작업이 어려워질 수 있는 것이다. 용접작업시 작업시간을 많이 하면 할수록 용접용 팁의 내부는 열화되며, 기울기의 편차가 0.5 초과로 계속될시 용접용 팁과의 접점이 연속적으로 변화되므로 아아크가 불안정해지고 용접작업이 중단될 염려가 있다. 따라서, 상기 기울기의 편차는 0.5이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 바와 같은 기울기 특성을 보이는 용접용 와이어를 실제 제조하고자 연구를 거듭한 결과, 습식신선만으로는 완만한 기울기 특성을 나타내는 용접용 와이어를 제조할 수 없었으며, 건식신선으로 신선하되, 용접용 와이어 단면을 단계적으로 축소시키는 여러개의 신선용 다이스를 회전시키고, 회전방향을 용접용 와이어 신선방향의 직각으로 여러개의 신선용 다이스를 시계방향의 회전과 시계반대방향의 회전으로 엇갈리게 회전시킴으로 인해 완만한 기울기 특성을 얻을 수 있었다. 이때, 건식신선용 윤활제는 용접용 와이어의 강성에 따라 연화점이 높은 Na계, Mo계, W계, Li계 또는 Ca-Mo계, Ca-W계, Ca-Li계등을 선택적으로 사용하고, 신선 윤활제의 효과적인 취입을 위하여 윤활제의 입도와 비중을 충분히 고려했다. 또, 신선시 마찰온도의 증가로 신선용 다이스의 급속한 마모와 건식윤활제의 탄화를 방지하고 용접용 와이어 표면에 열적터짐등의 표면결함이 발생하지 않도록 신선용 다이스의 직접냉각방식을 채택하였다.

일반적으로 건식신선한 용접용 와이어의 표면은 신선 제조시 습식신선 보다 건식신선의 표면이 거칠게 형성되는 것으로 알려져 있으나, 요철의 상태가 비교적 균일한 특성이 있으며, 이러한 균일한 특성을 나타내는 표면 요철은 회전되는 신선용 다이스에 의해 작게 부스러 지면서, 습식신선의 용접용 와이어 표면 보다도 요철의 크기가 더 작고 완만한 기울기 특성을 나타 내었다. 또, 상기의 방법으로 제조된 용접용 와이어 표면에 구리도금을 시행하고 기울기 특성을 조사한 결과 일반적인 용접용 와이어의 도금두께에서는 도금전의 표면과 동일한 축적거동을 보였으며, 도금두께가 두꺼워 질수록 기울기 특성이 더욱 완만해지는 특성을 보이다가 도금두께가 약3.5~4.2㎛ 이상부터는 더 이상 완만해지는 특성이 진행되지 않는 축적거동을 보였다. 즉, 특정한 표면 상태의 특성을 보이는 용접용 와이어에 구리도금된 표면은 도금전의 표면 상태의 특성을 그대로 나타내고 있었으며, 도금두께가 두꺼워질수록 구리도금층 자체의 표면상태 축척거동을 나타내었다.

습식신선에서의 신선된 용접용 와이어 표면은 요철의 평균크기는 다소 작게 형성되지만, 요철의 정도가 크게 차이가 있으며, 단계적인 신선이 진행되면서 점진적으로 요철 정도의 편차가 심화된다. 이것은 습식신선에서의 마찰계수가 건식신선보다 10배 이상으로 작용하는 것과 습식윤활제 속에 분산된 철분과 탄화물의 찌꺼기가 용접용 와이어 표면을 긁거나 소착되는 문제 때문에 용접용 와이어 표면을 균일하게 얻을수 없었다. 물론, 신선되는 속도를 느리게 하고, 습식윤활제중에 분산된 철분과 탄화물 찌꺼기를 필터등으로 걸러내면서 청정하게 하고, 신선용 다이스를 회전시키는 방법도 가능하겠으나, 습식윤활제의 급속한 노화와 마찰계수의 증가등으로 산업상 유용하게 적용하기 곤란할 뿐만아니라, 복잡한 제조공법이 필요하여 고려하지 않기로 하였다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

스풀 및 팩에 감겨지거나 수납되어진 용접용 와이어 또는 이와 유사하게 감겨지거나 수납되어진 용접용 와이어로부터 샘플링한 길이가 동전 크기가 되도록 여러개를 잘라내되, 감겨지거나 수납되어진 용접용 와이어를 10kg 간격으로 수회 샘플링하였다. 잘려진 여러개의 샘플은 육안으로 확인하여 긁힘 또는 찍힘등의 흠이 없는 샘플을 선택하고, 아세톤과 알콜에서 각각 5분간 초음파 세척후 건조 하였다. 단, 도금된 샘플의 하지표면은 NH₄OH 용액과 증류수를 1:1로 혼합한 용액으로 도금층을 벗겨낸후 초음파 세척하여 건조하였다. 그리고, 동전 크기의 지그에 샘플링한 용접용 와이어 굵기의 홈을 내고 용접용 와이어가 움직이지 않도록 접착제로 고정하되, 동일한 샘플의 측정면을 각각 180°로 회전하여 고정하였다. 이러한 방법으로 플럭스 충전 와이어와 솔리드 와이어의 시료를 제작하였으며, 도금된 시료와 도금되지 않은 시료, 또 도금을 벗겨낸 시료등으로 구분하고, 동일한 샘플의 측정면을 각각 180°로 회전하여 고정한 시료, 10kg 간격으로 채취된 시료등으로 구분하여 측정하였다.

상기 시료들을 원자간력 현미경으로 측정하였는데, 외부 진동을 차단하기 위한 방진장치를 사용한 테이블 위에서 측정하였으며, 측정 영역은 10㎛ ×10㎛ 내지 80㎛ ×80㎛ 으로 영역을 변화시키면서 측정하였다. 이때, 측정은 6회 측정하였으며, 얻어진 값중에서 최소값과 최대값은 버리고 나머지 4회에 대한 평균값을 취하였다. 또한, 용접용 와이어의 길이 방향으로 측정영역을 옮겨가면서 수회 이상 측정하고, 상기 수학식(1)에 의하여 R에 따른 G(R)값을 측정하고,축은 R로 하고축은 G(R)로 하여 그래프화 한 다음, 그 기울기가 수평이 되는 점까지의 기울기를 구하였다. 구해진 기울기는 하기 표1에 나타내었다.

또한, 용접용 와이어 표면의 평균 표면 거칠기(Ra)도 측정하여, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

또한, 상기 용접용와이어를 이용하여 용접을 행하였는데, 이때의 용접은 통상적인 조건으로 하되, 시험 오차를 줄이기 위해 로봇을 이용한 자동용접을 행하였으며, 용접기는 트렌지스터 인버터 제어방식의 CO₂/MAG 용접기로 정격출력은 DC 350A-36V인 것을 사용하고, 송급장치의 송급롤러는 세라믹재를 사용하였다.

용접시 송급성능을 평가하기 위해 송급롤러를 통과한 용접용 와이어의 송급길이와 용접토치부에서의 용접용 와이어의 송급길이를 측정한 편차를 하기표1에 나타내었다. 송급길이의 정확한 값을 구하고 그 편차를 확인하기 위해, 송급롤러와 송급 케이블 입구부 사이와 용접용 토치부와 송급 케이블 연결부를 개조하고, 양측에 로타리 엔코더(Rotary encoder)를 장착하되, 용접작업시 로타리 엔코더에 부착된 두개의 롤러 사이에 용접용 와이어가 통과 하도록 하였다. 로타리 엔코더는 용접용 와이어의 선속도를 회전속도로 바꾸어 주고, 이를 측정하는 각속도 측정 장치로서 1회전당 1000개의 펄스를 발생하며, 200kHZ의 최대 주파수 응답을 가진다. 여기서 발생되는 펄스의 주파수는 F/V 콘버터(Frequency to Voltage converter) 소자를 이용하여 구성한 회로를 이용하고 이에 비례하는 직류 전압으로 바꾼다. 이 직류 전압을 증폭하여 디지탈로 출력하고, 출력되는 데이터를 읽어들여 용접시간 동안 송급된 용접용 와이어의 길이로 환산하였다.

상기 용접작업 방법으로 용접하고, 송급부와 토치부에서 출력된 데이터를 용접시간 동안 송급된 용접용 와이어의 길이로 환산하고, 그 편차를 용접용 와이어 길이 편차인ℓ로 하기 표1에 표기하였다. 또, 15분, 60분 동안 연속 용접하고 아아크 안정성을 평가하여 양호한 순으로 ◎, Ｏ, △, Ｘ 으로 하기 표1에 표기하였다.

한편, 하기표 1에 있어 "C"는 용접용 와이어의 도금표면, "S"는 도금을 벗겨낸 하지 표면, "U"는 도금되지 않은 솔리드 와이어와 플럭스 충전 와이어이다.

구 분	R과 G(R)에 대한 그래프의 기울기	작업성 평가
	초기 영역	10kg 영역	20kg 영역	기울기 편차	송 급 성 능	아아크안정성
	0°(Ra ㎛)	180°	0°		180°	0°	180°	1분	5분	송급성	15분	60분
								Δℓ(mm)	Δℓ(mm)
발명예1	C	0.317(0.047)	0.316	0.318	0.315	0.319	0.319	0.004	-	2	◎	◎	◎
발명예2	C	0.402(0.282)	0.389	0.482	0.493	0.513	0.567	0.178	2	5	◎	◎	◎
발명예3	C	0.340(0.156)	0.395	0.402	0.408	0.525	0.529	0.189	2	6	◎	◎	◎
발명예4	U	0.549(0.064)	0.559	0.642	0.651	0.884	0.881	0.335	4	8	◎	◎	◎
발명예5	C	0.566(0.049)	0.566	0.566	0.555	0.574	0.412	0.162	3	7	◎	◎	◎
발명예6	U	0.395(0.062)	0.674	0.758	0.893	0.921	0.812	0.526	3	12	◎	◎	Ｏ
발명예7	U	0.332(0.131)	0.299	0.383	0.456	0.593	0.474	0.294	3	16	Ｏ	◎	Ｏ
발명예8	U	0.235(0.138)	0.238	0.239	0.331	0.234	0.334	0.100	2	5	◎	◎	◎
발명예9	C	0.506(0.153)	0.506	0.507	0.608	0.712	0.776	0.270	4	18	Ｏ	◎	Ｏ
발명예10	C	0.821(0.183)	0.820	0.811	0.814	0.819	0.820	0.010	2	9	◎	◎	◎
발명예11	S	0.312(0.049)	0.319	0.318	0.317	0.321	0.322	0.010	-	-	-	-	-
발명예12	S	0.864(0.179)	0.861	0.860	0.871	0.883	0.887	0.023	-	-	-	-	-
비교예1	C	0.683(0.051)	0.693	0.711	0.793	0.912	1.193	0.510	2	23	Ｏ	Ｏ	Ｏ
비교예2	U	0.422(0.059)	0.421	0.585	0.594	0.987	1.189	0.768	2	22	Ｏ	◎	△
비교예3	S	0.785(0.037)	0.795	0.882	0.901	1.101	1.009	0.316	4	21	Ｏ	◎	△
비교예4	U	0.273(0.181)	0.545	0.889	1.108	0.912	0.615	0.635	4	28	△	△	△
종례예1	C	1.493(0.194)	1.589	1.667	1.711	1.867	2.012	0.519	7	29	△	△	Ｘ
종례예2	U	1.671(0.146)	1.885	2.021	2.145	2.354	2.426	0.755	5	31	△	△	Ｘ
종례예3	S	1.102(0.873)	1.089	1.567	1.516	2.098	1.894	1.009	4	45	Ｘ	Ｘ	Ｘ

상기 표1에서 알 수 있는 바와같이, 용접용 와이어 표면을 원자간력 현미경으로 측정하고, 측정결과를 그래프화한 기울기가 0.1 내지 1.0 이내인 발명예(1-12)는 송급성능과 아아크 안정성이 양호한 특성를 나타내었는데, 기울기가 일부영역에서1.0을 초과하는 특성을 보이는 비교예(1-4)는 장시간 용접에서 아아크가 불안정 하였으며, 더욱이 기울기 편차가 0.5 이상인 비교예(1, 2, 4)는 일정한 송급특성과 아아크 안정성을 얻을 수 없었다. 한편, 발명예(6)은 기울기 편차가 0.5를 초과한 경우로서, 전반적으로 송급특성과 아아크 안정성은 우수하였으나, 0.5이하인 다른 발명예에 비하여는 다소 열악하였다.

또한, 상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이, 기울기 증가에 따라 평균 표면 거칠기가 증가하는 것도 아니며, 기울기의 감소에 따라 평균 표면 거칠기가 감소하는 것도 아니었다. 따라서, 평균 표면 거칠기(Ra)는 기울기 정보와는 무관함을 알 수 있었으며, 아아크를 안정화 시킬수 있는 인자는 아니었다. 또, 용접용 와이어의 표면을 정확하게 제어하기도 어려웠다. 다만, 비표면적치와 평균 표면 거칠기는 거시적인 관점에서 용접용 와이어 표면 거칠기 정도의 경향은 추정할 수 있었다.

상기 표1에서의 발명예(11)은 발명예(1)과 동일하고, 발명예(12)는 발명예(10)과 동일한 용접용 와이어로 도금된 도금표면을 벗겨내고 기울기 특성을 조사하였는데, 도금표면과 유사한 기울기 특성을 나타내었다. 또한, 종례예(1-3)은 기울기 값도 매우 높은 위치에 있었으며, 측정영역별로 편차가 크게 나타나 매우 열악한 송급성능과 불안정한 아아크 특성이 나타났다. 뿐만아니라, 5분 동안 연속용접시 로타리 엔코더에 의한 송급길이 편차가 크게 나타나고 있어 송급효율이 매우 떨어짐을 보이고 있으며, 특히 종례예(2-3)은 용접도중 송급롤러를 통과한 용접용 와이어가 송급 케이블 입구부에서 꺾이거나, 구겨져 엉키는 현상이 발생되어 몇차례 용접작업이 중단되었다.

결론적으로 본 발명의 조건을 만족하는 발명예는 비교예 또는 종례예에 보이는 기울기 편차 보다도 매우 낮은 위치에 있었으며, 이것은 용접용 와이어의 표면특성이 매우 일정함을 의미하고 있어, 작업성능면에서도 매우 일정한 특성을 보이고, 전반적으로 양호한 특성을 나타내었다.

실시예 2

여러개의 용접용 와이어를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 기울기를 구하고, 이들 기울기의 크기가 상이한 용접용 와이어들을 선택하여 5분간 용접하고, 용접용 와이어 길이 편차인ℓ을 구하여, 이들 값을 이용하여 도 3과 같은 그래프로 나타내었다.

도 3에서 알 수 있는 바와같이, 기울기가 1.0이하인 구간에서ℓ이 20mm이하로 나타나는 경향을 보였으며, 기울기가 1.0이상인 구간에서 부터는ℓ이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 또, 기울기가 0.1이하인 구간에서는 비교적 낮은ℓ을 나타내는 반면, 변동이 크게 나타났다. 이러한 현상은 송급롤러가 용접용 와이어를 밀어주지 못하고 미끄러지는 현상이 반복되는 것으로, 특히 송급과 공회전이 반복되어 아아크의 끊어짐과 붙음이 반복되는가 하면, 용접된 비이드면도 울퉁불퉁하여 정상적인 용접이라고 볼 수 없었다.

또한, 여러개의 용접용 와이어를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 기울기 편차를 구하고, 이들 기울기 편차가 상이한 용접용 와이어를 1분간 용접하고, 5분간 용접한 용접용 와이어의 길이 편차인ℓ을 구하여, 이들 값을 이용하여 도 4와 같은 그래프로 나타내었다.

도 4에서 알 수 있는 바와같이, 기울기 편차가 0.5이하인 구간에서 보다 낮은ℓ값을 보였으며, 용접시간이 길어질수록, 기울기 편차가 증가할수록ℓ값이 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났으며, 특히 기울기 편차가 0.5이상인 구간부터는 과다한 스패터의 증가로 매우 열악한 용접 작업성을 나타내었다.

또한, 용접용 와이어를 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 측정하고, 기울기를 구하였다. 측정은 각 6회 하였으며, 얻어진 값중에서 최소값과 최대값은 버리고 나머지 4회에 대한 평균값을 취하였다. 또한, 용접용 와이어의 길이 방향으로 약10kg 간격(직경 1.2mm인 솔리드 와이어인 경우, 길이가 약 1100~1200 m의 간격으로 시료 채취)이 되도록 측정영역을 옮겨가면서 수회 이상 측정하고, 상기 수학식(1)에 의하여 R에 따른 G(R)값을 측정하고,축은 R로 하고축은 G(R)로 하여 도 5와 같은 그래프를 얻었다. 그리고, 이들의 기울기를 구한 결과 0.701, 0.347, 0.596. 0.939이었다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 식(1)에 의해 R값과 G(R)값을 구하고, 그래프를 그리면, 그 기울기를 얻을수 있었으며, 상기의 방법으로 제어된 용접용 와이어는 일정값의 기울기를 얻을 수 있었다.

또한, 원자간력 현미경을 이용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 1개의 시료를 가로, 세로 80㎛의 구간을 측정하고, 측정한 데이터를 이용하여 도 6와 같은 용접용 와이어 표면을 나타내는 이미지 사진으로 얻었다. 또한, 측정한 데이터를 이용하여 도 7(D는 둘레방향, L은 신선방향)과 같은 3차원 이미지 사진으로 얻었다.

도 6 및 도 7과 같은 이미지 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 원자간력 현미경은 용접용 와이어 표면의 요철상태를 구체적으로 형상화가 가능한 장치이다. 즉, 전자현미경으로는 용접용 와이어 표면의 요철상태를 구체적으로 형상화 하고, 제어하기 불가능하여 용접용 와이어의 표면상태를 구체화 할 수 없는데 반하여, 본 발명에서 적용하는 원자간력 현미경의 경우는 용접용 와이어 표면의 요철상태를 구체적으로 형상화가 가능하고, 원자간에 상호작용하는 원자간력을 이용하여 용접용 와이어의 표면 상태를 분석하고 제어함으로서, 통전 안정성과 아아크 안정성이 우수한 용접성능이 발휘되는 용접용 와이어를 얻을 수 있는 것이다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의한 용접용 와이어 표면을 원자간력 현미경으로 측정하고, 측정결과를 그래프화한 기울기가 0.1 내지 1.0 이 되도록 제어하고, 그 편차가 0.5 이내가 되도록 제어함으로서, 용접작업시 통전 안정성의 향상으로 아아크 안정성이 향상되고, 송급성능이 보다 우수해져 효과적인 용접작업성과 우수한 용접제품을 얻을 수 있는 효과가 제공된다.

Claims (2)

1. 아아크 용접을 행하기 위한 용접용 와이어에 있어서,

   와이어 표면의 측정대상영역을 원자간력 현미경 또는 이와 유사한 주사형 원자현미경을 사용하여 측정하고, 하기식(1)에 의하여 거리에 따른 G(R)값을 계산한 후 거리 R과 G(R)값을 그래프화하여 얻어진 그래프의 기울기가 0.1-1.0인 것을 특징으로 하는 용접용 와이어

   [수학식1]
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기울기는 편차가 0.5이내가 되도록 제어한 것임을 특징으로 하는 아아크 용접용 와이어.