KR20050095744A - 티그 용접장치 및 티그 용접방법 - Google Patents

티그 용접장치 및 티그 용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티그 용접장치 및 티그 용접방법에 관한 것이고, 용접 품질을 저하시키지 않고 용접 금속부를 형성할 수 있고, 용접 작업을 용이하게 할 수 있으며, 또한 용접 효율성을 향상시킬 수 있다. 티그 용접장치는 전극 및 피용접물 (10) 사이의 전기 아크 (7)을 발생시키는 전극 (2), 전극 (2)를 둘러싸면서 배치된 관상 내부 노즐 (3), 및 내부 노즐 (3)을 둘러싸면서 배치된 관상 외부 노즐 (4)를 포함한다. 불활성 가스로 구성되는 제1 차폐 가스 (8)은 내부 노즐 (3)으로부터 공급될 수 있고, 또한 산화가스를 함유하는 제2 차폐 가스 (9)는 내부 노즐 (3) 및 외부 노즐 (4)의 사이로부터 공급될 수 있다.

Description

티그 용접장치 및 티그 용접방법{TIG welding equipment and TIG welding method}
본 발명은 강-모재 (steel-based material)의 티그 (텅스텐-불활성-가스(tungsten-inert-gas), TIG)용접에 사용되는 용접장치 및 상기 용접장치를 사용하는 용접방법에 관한 것이다.
통상적으로, 모재 (母材)로서 강 (steel) 또는 스텐리스 강 (stainless steel)과 같은 스텐리스 강-모재를 사용하는 구조물은 티그 용접으로 용접된다. 티그 용접은 예를 들어, 일본 공개특허공보 제2003-019561호에 개시되어 있는 바와 같이, 용이한 작업 및 고품질의 용접 금속부 형성에 대하여 높은 신뢰도를 요구하는 용접 구조물의 용접방법으로서 널리 사용된다.
그러나, 최근에 사용되는 스텐리스 강을 포함한 강-모재가 종종 불순물로서 황을 더 적게 함유하고 있기 때문에, 용접 금속부는 티그 용접 공정에 있어서 용접-용입이 넓고 얕게 되어 용접 효과가 불충분하게 된다. 용접 금속부를 깊게 형성하기 위하여, 통과 회수를 증가시키는 것이 요구된다. 그러나, 통과 회수가 증가되는 경우, 용접 효율성은 역으로 저하된다.
기타 용접방법들은 MAG (metal-active-gas: 금속-활성-가스)용접, MIG (metal-inert-gas: 금속-불활성-가스)용접 및 플라즈마 용접 등을 포함하고, 이러한 용접방법들은 깊은 용접 금속부 및 고효율의 용접작업이 요구되는 경우에 채택된다. 그러나, MAG 또는 MIG 용접방법은 용접품질의 열화 및 용접결함의 발생을 포함한 일부 문제점을 내포한다. 또한, 플라즈마 용접은 홈 정밀도 (groove accuracy) 또는 기타 작업조건의 허용범위가 너무 협소한 결점을 가지고 있어서 상기 방법을 건설현장 등에서 사용하기는 어렵다.
티그 용접에서 심각한 얕은 용접 금속부의 결점을 개선시키는 방법으로서 아르곤과 같은 불활성 가스를 수소 또는 헬륨 등과 혼합하여 얻어진 혼합가스로 구성된 차폐 가스를 이용하는 방법이 제안되었다. 게다가, 최근에 활성 플럭스 (active-flux)를 사용하는 다른 티그 용접방법 즉, A-TIG 용접방법이 또한 제안되었다.
그러나, 수소를 함유한 차폐 가스를 사용하는 용접방법은 용접 금속부의 기포발생 및 취성을 포함한 일부 문제들로 인하여 오스테나이트 (austenitic) 스텐리스 강 이외의 재료에는 적용하기 어렵다. 부가하여, 헬륨을 사용하는 것은 비용면을 고려하여 바람직하지 못하다. 또한, 활성 플럭스를 사용하는 방법의 작업성은 용접 공정 전에 코팅작업을 필요로 하기 때문에 불량하다. 또한, 용접비드 상에 슬래그가 현저하게 발생되기 때문에, 비드외관의 열화를 방지하기 위해서는 다층 용접에서 슬래그 제거가 요구된다. 게다가, 상기 용접방법에서는 다량의 연기 (fume)가 발생되기 때문에, 작업 환경이 악화된다.
또한, MAG 용접을 포함한 양극-타입 (DC 전극 양성 타입) 아크 용접방법에서, 20% 농도의 이산화탄소와 같은 산화 성분으로 혼합된 아르곤 가스로 구성되는 차폐 가스는 전기 아크의 안정성을 향상시키기 위하여 사용된다. 그러나, 티그 용접에서 산화가스가 차폐 가스로서 사용되는 경우, 전극은 쉽게 열화되어 장시간 용접 또는 반복적으로 사용될 수 없다. 만일 열화된 전극이 사용되면, 용접 품질이 불안정하고 용접 결함이 일어날 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하여 전극이 산화에 의해 열화되는 것으로부터 보호하여 우수한 품질의 용접 구조물을 얻을 수 있고, 또한 용접 금속부를 깊게 형성하여 용이학게 용접 작업을 할 수 있으며, 용접 효율성이 뛰어난 티그 용접장치 및 티그 용접방법을 제공한다.
상기 기술의 점에서, 본 발명은 티그 용접장치 및 티그 용접방법에 관한 것이고, 이는 용접 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라, 용접 품질을 저하시키지 않고 깊은 용접 금속부를 형성할 수 있으며, 용접 작업을 용이하게 할 수 있다.
본 문제점에 관하여 예의 연구 결과, 본 발명자는 용접 금속부의 형태가 금속 풀 (metal pool) 중의 대류에 의해 크게 영향을 받으며, 또한 상기 대류에 영향을 주는 주요 인자는 용융풀 중의 온도 분포에 의해 일어나는 표면 장력 분포라는 것을 밝혀내었다. 본 발명은 상기 발견에 기초하여 착안되었다. 본 발명의 티그 용접장치는 전극 및 피용접물 (welded object) 사이에 전기 아크를 발생시키기 위한 전극, 전극을 둘러싸면서 배치된 관상 내부 노즐, 및 내부 노즐을 둘러싸면서 배치된 관상 외부 노즐을 포함한다. 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스는 내부 노즐로부터 공급될 수 있고, 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스는 내부 노즐 및 외부 노즐 사이로부터 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따른 티그 용접장치는 전극 및 피용접물 사이의 전기 아크를 발생시키는 전극, 전극을 둘러싸면서 배치된 관상 중앙 노즐, 및 용접 방향의 시각에서 전극의 적어도 두 측면상에 배치된 측면 노즐들을 포함한다. 중앙 노즐은 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스를 공급할 수 있고, 측면 노즐들은 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 티그 용접방법의 일 구현예에서, 전기 아크는 전극 및 용접하려는 목적물의 사이에서 발생된다. 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스는 전극을 둘러싸면서 목적물쪽으로 인도되고, 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스는 제1 차폐 가스의 주변을 따라 목적물쪽으로 인도된다. 티그 용접방법의 다른 구현예에서, 전기 아크는 전극 및 용접하려는 목적물의 사이에서 발생된다. 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스는 전극을 둘러싸면서 목적물쪽으로 인도되고, 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스는 용접 방향에서 볼 때 전극의 적어도 두 측면들로부터 목적물쪽으로 인도된다. 두 방법들 모두에서, 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도는 바람직하게는 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 더욱 바람직하게는 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위이다. 또한, 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도는 바람직하게는 용접 금속부 중의 산소 농도가 70중량ppm 내지 220중량ppm의 범위로 설정되는 것이다. 본 발명의 티그 용접방법에서 용접 금속부의 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께는 20㎛ 이하이다.
전술한 일반적 설명 및 하기의 상세한 설명 모두는 예시적인 것이며, 청구된 본 발명의 추가적인 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어져야 한다.
본 발명의 구현예에 따른 용접장치가 도면들을 참조하면서 하기에 기술되어 있다. 도면들에 나타나 있지 않더라도, 상기 용접장치는 용접장치, 조절장치, 가스공급기 및 용접전원 등을 필요로 한다.
<제1 구현예>
도1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 용접장치를 도시한다. 도1을 참조하면, 티그 용접장치 A는 전극 및 모재 (피용접물) (10)의 사이에 전기 아크 (7)을 발생시키기 위한 텅스텐 전극 (2), 텅스텐 전극 (2) 둘레에 배치된 관상 내부 노즐 (3), 및 관상 내부 노즐 (3) 둘레에 배치된 관상 외부 노즐 (4)로 구성되는 다중 관상 구조 (multiple tubular structure)를 갖는 토치 (1)을 구비하고 있다. 상기 모재 (10)는 예를 들어, 강-모재이다. 간단히 말하면, 토치 (1)은 텅스텐 전극 (2)의 주변에 배치된 내부 노즐 (3) 및 내부 노즐 (3)의 주변에 배치된 외부 노즐 (4)를 갖는 다중 관상 구조이다.
텅스텐 전극 (2)의 팁 (하부말단)은 내부 노즐 (3)의 그것보다 팁 방향 (아래방향)에서 더 불쑥 튀어나오게 형성되어 있다. 내부 노즐 (3)은 텅스텐 전극 (2)로부터 일정한 거리를 두고 대략적으로 동심원 형태로 배치된다. 내부 노즐 (3)은 고순도 불활성 가스로 구성되는 제1 차폐 가스 (8)을 공급할 수 있다. 제1 차폐 가스 (8)은 예를 들어, 아르곤 (Ar) 또는 헬륨 (He)이 될 수 있다.
외부 노즐 (4)는 내부 노즐 (3)으로부터 일정한 거리를 두고 대략적으로 동심원 형태로 배치되고, 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)는 외부 노즐 (4) 및 내부 노즐 (3) 사이의 간격을 통하여 공급될 수 있다. 제2 차폐 가스 (9)는 산화가스를 불활성 가스 속으로 첨가하여 얻어진 혼합가스가 될 수 있다. 산화가스는 예를 들어, 산소 (O2) 또는 이산화탄소 (CO2)일 수 있고, 불활성 가스는 아르곤 또는 헬륨일 수 있다.
상기 용접장치 A를 사용하는 모재 (10)의 용접방법은 하기와 같이 기술된다. 도1에 나타낸 바와 같이, 텅스텐 전극 (2)는 음극으로 작용하고, 모재 (10)은 양극으로 작용하며, 전압이 토치 (1) 및 모재 (10) 사이에 인가되어 방전을 유도하고, 전기 아크 (7)을 발생시킨다. 모재 (10)을 용접하기 위하여, 토치 (1)은 도면의 왼편쪽으로 이동하여 전기 아크 (7)로부터의 열에 의해 모재 (10)을 용융시켜 용융풀 (5)를 형성한다. 또한, 용접비드는 도면에서 참조번호 "6"으로 표기된다.
용접 작업 동안에, 제1 차폐 가스 (8)은 내부 노즐 (3)으로부터 공급된다. 제1 차폐 가스 (8)는 텅스텐 전극 (2)를 둘러싸면서 내부 노즐 (3)의 팁쪽으로 인도되고, 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 제1 차폐 가스 (8)은 용융풀 (5)의 중심부상에 스프레이된다.
동시에 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)는 내부 노즐 (3) 및 외부 노즐 (4) 사이의 간격을 통하여 공급된다. 제2 차폐 가스 (9)는 외부 노즐 (4)의 팁쪽으로 인도되고 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 그 때, 제2 차폐 가스 (9)는 제1 차폐 가스 (8)을 둘러싸면서 제1 차폐 가스 (8) 주변을 따라 인도되고, 용융풀 (5)의 주변부 (중앙부의 주변에 위치한 부분)상에 스프레이된다. 제2 차폐 가스 (9) 중에서의 O2같은 산화가스의 농도는 바람직하게는 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 더욱 바람직하게는 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm이다. 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)의 사용은 용접 금속부 (5a) 중에 산소를 용해시키고, 또한 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도는 바람직하게는 용접 금속부 중의 산소 농도가 70중량ppm 내지 220중량ppm가 되도록 설정된다. 상기 작업으로 용융 금속부 (5a)를 갖는 용접 구조물이 얻어진다. 또한 산화물 코팅이 용접 금속부의 표면에 형성되고, 상기 산화물 코팅의 두께는 바람직하게는 20㎛ 이하이다.
한편, 용융 금속의 표면 장력은 온도, 또는 황 또는 산소같은 용해된 잔여 불순물의 농도로 인하여 변화한다. 도2a는 용융 금속의 표면 장력 및 온도 사이의 상관관계의 예를 나타내고, 여기서 황 또는 산소는 특정 농도로 용융 금속 중에 용해된다. 도2a에 따르면, 표면 장력은 온도의 상승과 함께 증가한다. 이 경우에, 용융풀 (5)의 주변부 R2 중에서의 온도는 중심부 R1에서보다 더 낮아서, 도2b에서 나타내는 바와 같이, 주변부 R2 중에서의 표면 장력은 용융풀 (5) 중에서 내부 대류를 일으키는 중심부 R1에서보다 더 작다. 또한 온도가 일정하다 하더라도, 표면 장력은 용융철 중에 용해된 산소 농도의 증가와 함께 감소한다.
용접장치 A가 텅스텐 전극 (2)을 둘레싸는 관상 내부 노즐 (3) 및 관상 내부 노즐 (3) 둘레의 관상 외부 노즐 (4)을 갖는 토치 (1)을 구비하고 있기 때문에 하기의 효과들이 얻어진다.
(1) 제1 차폐 가스 (8)이 텅스텐 전극 (2)를 둘러싸면서 인도되기 때문에, 텅스텐 전극 (2)는 제1 차폐 가스 (8)에 의해 보호되고, 산화에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 용접 구조물은 우수한 용접 품질을 얻을 수 있다.
(2) 제2 차폐 가스 (9)가 내부 노즐 (3) 및 외부 노즐 (4) 사이의 간격으로부터 공급되기 때문에, 제1 차폐 가스 (8)을 용융풀 (5)의 중앙부 R1에 공급할 수 있는 동시에 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)를 용융풀 (5)의 주변부 R2에 공급할 수 있다. 그것으로, 용융풀 (5)는 요구되는 농도로 산소가 공급될 수 있고, 주변부 R2 중에서의 산소 농도는 중심부 R1에서 보다 더 높다. 따라서, 용융풀 (5) 중에서 더 낮은 온도 및 더 높은 산소 농도를 갖는 주변부 R2에서의 표면 장력이 더 작고, 더 높은 온도 및 더 낮은 산소 농도를 갖는 중심부 R1에서의 표면 장력이 더 크다. 결과적으로, 용융풀 (5) 중에서 내부 대류가 유도되어 용융풀 (5)가 깊게 형성될 수 있다. 따라서, 용접 금속부 (5a)는 모재 (10) 중에서 깊게 형성될 수 있다.
(3) 활성 플럭스를 사용하는 통상의 방법과 비교하여, 슬래그는 거의 발생되지 않으므로 슬래그 제거 작업을 필요로 하지 아니한다. 동시에 용접 공정 동안에 흄이 거의 발생되지 않는다. 따라서, 용접 작업은 용이하게 수행될 수 있다.
(4) 용접 금속부가 깊게 형성될 수 있기 때문에, 불충분한 용접-용입 또는 용접 효율성의 저하는 방지될 수 있다.
<제2 구현예>
도3a 및 도3b는 본 발명의 제2 구현예에 따른 용접장치를 도시한다. 또한 도면 및 하기의 기술에서, 도1의 용접장치 A와 유사한 부분들은 동일한 참조번호를 표기하였으며, 이들을 재차 반복하여 기술하지 않는다. 또한, "용접 방향"은 하기의 토치의 이동 방향으로서 정의되고, "전면"은 용접 방향에 따르는 면이고, "후면"은 용접 방향에 반대되는 면이다.
용접장치 B는 텅스텐 전극 (2), 텅스텐 전극 (2)둘러싸면서 배치된 중앙 노즐 (13), 및 텅스텐 전극 (2) 및 중앙 노즐 (13) 사이에 배치된 측면 노즐들 (14)을 포함하는 토치 (11)을 구비하고 있다. 즉, 토치 (11)은 텅스텐 전극 (2)의 주변에 배치된 중앙 노즐 (13)과 텅스텐 전극 (2) 및 중앙 노즐 (13) 사이에 배치된 측면 노즐들 (14)을 포함한 구조를 갖는다.
중앙 노즐 (13)은 텅스텐 전극 (2)로부터 일정한 거리를 두고 대략적으로 동심원 형태로 배치되고, 제1 차폐 가스 (8)을 공급할 수 있다.
도3b를 참조하면, 측면 노즐 (14)이 용접 방향을 따라 텅스텐 전극 (2)의 두 측면의 각각에 배치되어 있다. 측면 노즐들 (14)은 제2 차폐 가스 (9)를 공급할 수 있고, 바람직하게는 팁 방향에서 중앙 노즐 (13)의 팁보다 더 불쑥 튀어나오도록 형성되어 있다. 또한, 측면 노즐들 (14)는 용접비드상에 제2 차폐 가스 (9)를 직접적으로 스프레이하지 않고 텅스텐 전극 (2)의 측면들상에 적어도 그들의 팁들이 달리 배치될 수 있다.
도3a, 도3b 및 도4에서 나타내는 바와 같이, 용접장치 B가 모재 (10)을 용접하는 데에 사용되는 경우, 모재 (10)을 용접하기 위하여, 토치 (11)은 이동하여 전기 아크 (7)에 의하여 모재 (10)을 용융시키고 용융풀 (15)을 형성한다. 용접비드는 도면에서 참조번호 "16"으로 표기된다. 용접 작업 동안에, 제1 차폐 가스 (8)는 중앙 노즐 (13)로부터 공급된다. 제1 차폐 가스 (8)는 텅스텐 전극 (2) 둘러싸면서 중앙 노즐 (13)의 팁쪽으로 인도되고, 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 동시에 제2 차폐 가스 (9)는 측면 노즐들 (14)로부터 공급된다. 제2 차폐 가스 (9)는 측면 노즐들 (14)의 팁쪽으로 인도되고 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 제2 차폐 가스 (9)는 제1 차폐 가스 (8) 주변을 따라 인도되고, 용융풀 (15)의 주변부의 측면부상에 스프레이되기 때문에, 토치 (11)이 빠른 속도로 이동된다 하더라도 제2 차폐 가스 (9)는 중앙부에 공급되지 않는다. 이에 의해, 용접 금속부 (15a)를 갖는 용접 구조가 얻어진다.
용접장치 B가 텅스텐 전극 (2)둘러싸면서 배치된 관상 중앙 노즐 (13) 및 텅스텐 전극 (2) 및 중앙 노즐 (13) 사이의 측면 노즐들 (14)을 포함하는 토치 (11)을 구비하기 때문에, 도1에 도시된 용접장치 A를 사용하는 경우에서와 같이, 텅스텐 전극 (2)가 산화에 의해 열화되는 것으로부터 보호될 수 있다. 따라서, 용접 구조물은 우수한 품질로 얻어질 수 있다. 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)가 용융풀 (15)의 주변부에 공급될 수 있기 때문에, 용융풀 (15) 중에서의 내부 대류가 향상되어 용융풀 (15)는 깊게 형성될 수 있다. 따라서, 용접 금속부 (15a)는 모재 (10) 중에서 깊게 형성될 수 있다. 또한, 용접장치 B를 사용하는 것은 용접 작업을 용이하게 하고 용접 효율성을 향상시킨다.
본 발명에서, 하나 이상의 측면 노즐들이 전극의 전면 및/또는 후면상에 추가로 배치될 수 있다. 본 발명의 제3 구현예에 따른 용접장치를 도시하는 도5a 및 도5b를 참조하면, 용접장치 B'는 두 개의 측면 노즐들 (14a) 및 (14b)가 추가로 포함되었다는 점에서 도3a 및 도3b에서 도시한 용접장치 B와는 상이하다. 두 개의 측면 노즐들 (14a) 및 (14b)은 텅스텐 전극 (2) 및 중앙 노즐 (13) 사이에서 각각 텅스텐 전극 (2)의 전면 및 후면상에 배치되어 제2 차폐 가스 (9)를 공급할 수 있다.
도6a 및 도6b는 본 발명의 제4 구현예에 따른 용접장치를 도시한다. 용접장치 C는 측면 노즐들 (24)가 중앙 노즐 (23)의 외부에 배치되어 있다는 점에서 도3a 및 도3b에 도시되어 있는 용접장치 B와 상이하다. 즉, 본 용접장치는 텅스텐 전극 (2), 텅스텐 전극 (2)를 둘러싸면서 배치된 관상 중앙 노즐 (23), 및 관상 중앙 노즐 (23) 외부에 배치된 측면 노즐들 (24)를 포함하는 토치 (21)를 구비하고 있다.
용접 방향에서 볼 때 텅스텐 전극 (2)의 두 측면들의 각각이 측면 노즐 (24)과 배치되고, 바람직하게는 측면노즐 (24)의 팁들이 중앙 노즐 (23)의 팁보다 더 불쑥 튀어나오도록 형성되도록 배열된다. 또한 측면 노즐들 (24)는 용접비드상에 제2 차폐 가스 (9)를 직접적으로 스프레이하지 않고 텅스텐 전극 (2)의 측면들상에 적어도 그들의 팁들이 달리 배치될 수 있다. 또한, 용접 방향은 용접부의 배열로 변화될 수 있으나, 측면 노즐들 (24)는 용접 방향이 예를 들어, 90℃로 변화되는 경우에도 용접 방향에서 보았을 때 텅스텐 전극 (2)의 두 측면상에 일정하게 유지된다.
도7에서 나타내는 바와 같이, 용접장치 C가 모재 (10)을 용접하는 데 사용되는 경우, 전기 아크 (7)는 모재 (10)을 용융시켜, 용융풀 (25)를 형성하므로 모재 (10)이 용접될 수 있다. 용접비드는 도7에서 참조번호 "26"으로 표기된다. 용접 작업 동안에, 제1 차폐 가스 (8)는 중앙 노즐 (23)로부터 공급된다. 제1 차폐 가스 (8)는 텅스텐 전극 (2)을 둘러싸면서 중앙 노즐 (23)의 팁쪽으로 인도되고, 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 동시에 제2 차폐 가스 (9)는 측면 노즐들 (24)로부터 공급된다. 제2 차폐 가스 (9)는 측면 노즐들 (24)의 팁쪽으로 인도되고 상기 팁으로부터 모재 (10)상에 스프레이된다. 더욱 상세하게는 제2 차폐 가스 (9)는 용융풀 (25) 주변부의 두 측면부상에 스프레이된다. 이것에 의해, 용접 금속부 (25a)를 갖는 용접 구조가 얻어진다.
용접장치 C는 텅스텐 전극 (2)을 둘러싸면서 배치된 관상 중앙 노즐 (23) 및 관상 중앙 노즐 (23) 외부에 배치된 측면 노즐들 (24)을 포함하는 토치 (21)를 구비하고 있기 때문에, 텅스텐 전극 (2)는 도1에 도시된 용접장치 A를 사용하는 경우와 같이 산화에 의해 열화되는 것으로부터 방지될 수 있다. 따라서, 용접 구조물은 우수한 품질로 얻어질 수 있다. 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스 (9)가 용융풀 (25)의 주변부에 공급되기 때문에, 용융풀 (25) 중에서의 내부 대류가 향상되어 용융풀 (25)는 깊게 형성될 수 있다. 따라서, 용접 금속부 (25a)는 모재 (10) 중에서 깊게 형성될 수 있다. 또한, 용접장치 C를 사용하는 것은 용접 작업을 용이하게 하고 용접 효율성을 향상시킨다. 부가하여, 측면 노즐들 (24)는 중앙 노즐 (23)의 외부에 배치되어 제2 차폐 가스 (9)는 제1 차폐 가스 (8)의 주변을 따라 확실하게 공급될 수 있다.
본 발명에서, 하나 이상의 측면 노즐들이 전극의 전면 및/또는 후면상에 추가로 배치될 수 있다. 본 발명의 제5 구현예에 따른 용접장치를 도시하는 도8a 및 도8b를 참조하면, 용접장치 C'는 두 개의 측면 노즐들 (24a) 및 (24b)이 추가로 포함되었다는 점에서 도6a 및 도6b에서 도시한 용접장치 C와는 상이하다. 두 개의 측면 노즐들 (24a) 및 (24b)들은 텅스텐 전극 (2) 및 중앙 노즐 (23) 사이에서 각각 텅스텐 전극 (2)의 전면 및 후면상에 배치되고 제2 차폐 가스 (9)를 공급할 수 있다.
또한, 상기 용접장치 B, B', C, 또는 C'에서, 측면 노즐들 (14 또는 24)는 텅스텐 전극 (2)의 두 측면들에 정확하게 배치될 필요는 없으며, 이들의 위치는 전 또는 후로 벗어날 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 하기와 같이 기술되어 있다. 실시예에서, 저농도의 황을 갖는 SUS304-타입 스텐리스 강이 모재 (10)로서 사용되었다. 상기 스텐리스 강의 구성 성분들은 표 1에 기재되어 있다.
성분 C Si Mn Ni Cr P S O Fe
양(중량%) 0.06 0.44 0.96 8.19 18.22 0.027 0.001 0.0038 - - -
본 실시예에서, 도1에 도시된 용접장치 A가 사용되고, 제1 차폐 가스 (8)은 아르곤이고, 제2 차폐 가스 (9)는 산화가스로서 산소 (O2)를 불활성 가스로서 아르곤에 첨가하여 얻어진 혼합가스이다. 모재 (10)의 일부 용접 테스트들은 상기의 조건하에서 실시되었고, 이어서 용접 금속부 (5a)의 횡단면들을 관찰한다. 용접 테스트들에서, 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도는 1,000부피ppm 내지 9,000부피ppm의 범위이고, 제2 차폐 가스 (9)의 유량은 10L/분 또는 20L/분이다. 각 테스트에서 얻은 용접 금속부 (5a)의 횡단면은 도9에 나타내고, 또한 제2 차폐 가스 (9) 대신에 순수 아르곤을 사용하여 얻은 테스트 결과들을 비교를 위하여 포함시켰다. 기타 용접 조건들은 표 2에 기재하였다.
항목 조건
전극 타입 DCEN, W-2%ThO2 (토륨 2%를 함유한 텅스텐 전극)
전극 직경 1.6mm
전극의 팁 각도 60°
차폐 가스 Ar가스, O2/Ar 혼합가스
가스 유량 10L/분 또는 20L/분
아크 길이 3mm
비드 길이 50mm
용접 시간 3초
용접 전류 160A
용접 속도 2mm/초
도9에서 나타낸 바와 같이, 제2 차폐 가스 (9) 대신 순수 아르곤 (O2 농도=0부피ppm)을 사용하는 테스트와 비교하여, 용접 금속부 (5a)는 산소를 함유하는 제2 차폐 가스 (9)를 사용하는 테스트들에서 더욱 깊게 형성될 수 있다. 또한, 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 특히 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위내일 경우, 용접 금속부 (5a)는 특히 깊게 형성된다.
도10a 및 도10b는 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도 및 용접 금속부 (5a)의 치수의 상관관계를 나타내고, 여기서 도10a 및 도10b는 제2 차폐 가스 (9)의 유량이 10/20L·분-1 일 경우의 결과들을 나타낸다.
도10a 및 도10b에서 나타내는 바와 같이, 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 바람직하게는 3,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 더욱 바람직하게는 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위일 경우, 용접비드 (6)의 폭이 작고, 용접 금속부 (5a)가 특히 깊게 형성된다. 상기 비교는 산소의 농도가 1,000부피ppm 미만 또는 7,000부피ppm 초과인 경우에도 실시된다.
도11a 및 도11b는 제2 딧폐 가스 (9) 중의 산소 농도 및 용접 금속부 (5a)의 종횡비 및 산소 함량 (중량ppm) 사이의 상관관계를 나타내고, 여기서 도11a 및 도11b는 제2 차폐 가스 (9)의 유량이 10/20L·분-1 일 경우의 결과들을 나타낸다. 용접 금속부 (5a)의 종횡비는 용접 금속부 (5a)의 폭 (W)에 대한 깊이 (D)의 비로서 정의된다. 도11a 및 도11b에 나타낸 바와 같이, 제2 차폐 가스 (9) 대신 순수 아르곤을 사용하는 경우와 비교하여, 산소를 함유하는 제2 차폐 가스 (9)를 사용하는 경우에 용접 금속부 (5a)의 종횡비가 더 높다. 또한, 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm, 특히 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위내일 경우, 용접 금속부 (5a)의 종횡비가 상대적으로 높다는 것이 주목된다.
또한, 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도의 상승과 함께 용접 금속부 (5a) 중의 산소 농도도 증가한다. 제2 차폐 가스 (9) 중에서의 산소 농도가 약 5,000부피ppm에 도달하면, 용접 금속부 (5a) 중의 산소 농도는 약 200중량ppm이고, 제2 차폐 가스 (9) 중에서의 산소 농도가 약 6,000부피ppm를 초과하는 경우, 용접 금속부 (5a)의 산소 농도는 대략적으로 일정 (220중량ppm)하다. 용접 금속부 (5a) 종횡비는 용접 금속부 (5a) 중의 산소 농도가 70 내지 220중량ppm, 특히 70 내지 200중량ppm일 경우 상대적으로 높고, 산소 농도가 상기 범위 밖인 경우에는 용접 금속부는 얕아진다. 이것은 용접비드 표면상에 형성된 산화물 코팅의 두께가 과도하게 크기 때문이다.
도12는 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도 및 용접 금속부 (5a)의 표면 상에 형성된 산화물 코팅의 두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도13은 제2 차폐 가스 (9) 중의 산화가스로서 CO2가 사용될 경우, 제2 차폐 가스 (9) 중의 CO2 농도 및 용접 금속부 (5a)의 표면 상에 형성된 산화물 코팅의 두께 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 두 그래프에 나타낸 바와 같이, 산화가스의 농도가 6,000부피ppm를 초과하는 경우에 산화물 코팅의 두께는 두꺼워지고, 두꺼운 산화물 코팅은 용융풀 (5) 중의 대류를 지연시켜 용접 금속부 (5a)가 깊게 형성될 수 없다. 한편, 또한 내부식성 및 용접 구조물의 외관이 열화된다. 따라서, 산화가스의 농도는 바람직하게는 6,000부피ppm 이하, 또한 더욱 바람직하게는 5,000부피ppm 이하이다.
그러므로, 용접 금속부 (5a)의 산소 농도가 70 내지 220중량ppm가 되도록 제2 차폐 가스 (9)의 조성물은 설정되는 경우, 용접 금속부 (5a)가 우수한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 산소를 아르곤에 첨가하여 얻은 제2 차폐 가스를 사용하는 경우에 있어서, 용접 전류가 160A, 용접 속도가 2mm/초, 및 제2 차폐 가스 (9) 중의 산소 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm일 때 용접 금속부 (5a)의 형태 및 용접 효율성 모두가 개선될 수 있다.
또한, 기타 용접 조건의 경우, 예를 들어 CO2 등이 산화가스로서 사용되는 경우에도 용접 금속부 (5a) 중의 산소 농도가 70부피ppm 내지 220중량ppm이 되도록 작업조건이 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 티그 용접장치는 적어도 하기의 잇점들을 제공한다. 무엇보다, 불활성 가스로 구성된 제1 차폐 가스가 전극을 둘러싸면서 인도되기 때문에, 전극이 산화에 의해 열화되는 것으로부터 보호될 수 있다. 따라서, 용접 구조물은 우수한 품질로 얻어질 수 있다.
또한, 불활성 가스로 구성된 제1 차폐 가스는 용융풀의 중앙부에 공급될 수 있고, 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스는 용융풀의 주변부에 공급될 수 있다. 이것에 의해 용융풀에는 요구되는 농도로 산소가 공급될 수 있고, 용융풀 주변부 중의 산소 농도가 중앙부의 산소 농도보다 더 높을 수 있다. 따라서, 용융풀 중에서 더 낮은 온도 및 더 높은 산소 농도를 갖는 주변부 중에서의 표면 장력이 더 작고, 더 높은 온도 및 더 낮은 산소 농도를 갖는 중앙부 중에서의 표면 장력이 더 크다. 결과적으로, 용융풀 내에서 내부 대류가 유도되어, 또한 용융풀은 깊게 형성될 수 있다. 따라서, 용접 금속부는 피용접물 중에서 깊게 형성될 수 있다.
또한, 활성 플럭스를 사용하는 통상적인 용접 방법과 비교하여, 본 발명에서는 슬래그가 거의 발생되지 않아서 슬래그 제거 작업이 요구되지 않는다. 또한, 연기는 작업 동안에 거의 발생되지 않는다. 따라서, 용접 작업이 용이하게 행해질 수 있다.
부가하여, 용접 금속부는 깊게 형성될 수 있기 때문에, 불충분한 용접-용입의 발생 또는 용접 효율성의 저하는 방지될 수 있다.
본 발명의 범위 또는 정신으로부터 벗어남이 없이 본 발명의 구조에 대한 다양한 변형 및 변화를 가할 수 있다는 것은 당업자들에게는 명백하다. 전술한 관점에서, 본 발명은 하기의 청구범위 및 이의 균등물의 범위내에 속한다면 본 발명의 변형 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.
본 첨부도면들은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위하여 포함되고, 상세한 설명에 통합되고 그 일부를 구성한다. 본 도면들은 본 발명의 구현예들을 도시하고, 또한 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 해설하기 위하여 제공된다.
도1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 용접장치의 중요부의 구조를 개략적으로 도시한다.
도2a는 용융풀 (molten pool) 중의 표면 장력 및 온도의 상관관계를 나타내고, 또한 도2b는 용융풀의 상태를 나타내는 그림이다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 제2 구현예에 따른 용접장치의 중요부의 구조를 개략적으로 도시하고, 도3a는 상기 장치의 전면을 도시하는 데 일부는 단면 상태로 나타나 있으며, 또한 도3b는 상기 장치의 횡단면을 도시한다.
도4는 도3a 및 도3b에 나타낸 용접장치를 사용하여 얻어진 피용접물의 평면을 도시한다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 제3 구현예에 따른 용접장치의 중요부의 구조를 개략적으로 도시하고, 도5a는 상기 장치의 전면을 도시하는 데 일부는 단면 상태로 나타나 있으며, 또한 도5b는 상기 장치의 횡단면을 도시한다.
도6a 및 도6b는 본 발명의 제4 구현예에 따른 용접장치의 중요부의 구조를 개략적으로 도시하고, 도6a는 상기 장치의 전면을 도시하는 데 일부는 단면 상태로 나타나 있으며, 또한 도6b는 상기 장치의 횡단면을 도시한다.
도7는 도6a 및 도6b에 나타낸 용접장치를 사용하여 얻어진 피용접물의 평면을 도시한다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 제5 구현예에 따른 용접장치의 중요부의 구조를 개략적으로 도시하고, 도8a는 상기 장치의 전면을 도시하는 데 일부는 단면 상태로 나타나 있으며, 또한 도8b는 상기 장치의 횡단면을 도시한다.
도9는 횡단면도로 용접 테스트의 결과들로서 용접 금속부의 상태를 나타낸다.
도10 내지 13은 용접 테스트의 결과들을 나타내는 그래프이다.

Claims (16)

  1. 전극 및 피용접물 사이에 전기 아크를 발생시키는 전극;
    상기 전극을 둘러싸면서 배치된 관상 내부 노즐; 및
    상기 내부 노즐을 둘러싸면서 배치된 관상 외부 노즐을 포함하고,
    불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스가 상기 내부 노즐로부터 공급될 수 있고, 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스가 상기 내부 노즐 및 상기 외부 노즐의 사이로부터 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 텅스텐-불활성-가스 (TIG)용접장치.
  2. 전극 및 피용접물 사이에 전기 아크를 발생시키는 전극;
    상기 전극을 둘러싸면서 배치된 관상 중앙 노즐; 및
    용접 방향에서 볼 때 상기 전극의 적어도 두 측면에 배치된 복수개의 측면 노즐을 포함하고,
    불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스가 상기 중앙 노즐로부터 공급될 수 있고, 또한 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스가 상기 측면 노즐들로부터 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 티그 용접장치.
  3. 전극 및 목적물의 사이에서 전기 아크를 발생시켜 상기 목적물을 용접하는 단계를 포함하고, 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스가 상기 전극을 둘러싸면서 상기 용접 목적물쪽으로 인도되고, 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스가 상기 제1 차폐 가스의 주변을 따라 상기 용접 목적물쪽으로 인도되는 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  4. 전극 및 목적물의 사이에서 전기 아크를 발생시켜 상기 목적물을 용접하는 단계를 포함하고, 불활성 가스를 포함한 제1 차폐 가스가 상기 전극을 둘러싸면서 상기 용접 목적물쪽으로 인도되고, 산화가스를 함유한 제2 차폐 가스가 용접 방향에서 볼 때 상기 전극의 적어도 두 측면들로부터 상기 용접 목적물쪽으로 인도되는 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도가 2,000부피ppm 내지 6,000부피ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도가 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도가 3,000부피ppm 내지 5,000부피ppm의 범위인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도는, 용접 목적물의 용접 금속부 중의 산소 농도가 70중량ppm 내지 220중량ppm의 범위가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제2 차폐 가스 중의 산화가스의 농도는, 피용접물의 용접 금속부 중의 산소 농도가 70중량ppm 내지 220중량ppm의 범위가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  11. 제5항에 있어서, 상기 용접 목적물의 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 용접 목적물의 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 용접 목적물의 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 용접 목적물의 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 용접 금속부 표면에 형성된 산화물 코팅의 두께가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티그 용접방법.
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