KR20050105515A

KR20050105515A - 아크 용접용 가스 조성물

Info

Publication number: KR20050105515A
Application number: KR1020057016580A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 데 아브레우 마케도; 호아오 비니키우스 데 올리베이라 코레이아
Original assignee: 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-11-04
Also published as: WO2004080638A2; CN100460127C; CN1758982A; EP1603701A4; BRPI0408008A; CA2518254A1; WO2004080638A3; US7071438B2; US20040173593A1; EP1603701A2

Abstract

개시된 본 발명은 아크 용접에서 실드 가스를 사용하는 조성물 및 방법에 관한 것이다. 개시된 조성물은 약 0.6 % 내지 약 1.9% 양의 산소, 약 10% 내지 약 24% 양의 헬륨, 및 아르곤을 주성분으로 하는 잔여분을 포함한다. 본 발명은 고속 자동화 용접에 사용하여 뛰어난 기계적 특성을 유지하면서 용접 속도, 이음부 피트-업 공차(joint fit-up tolerance) 및 용락(burn-through) 최소화를 현저하게 개선시킬 수 있다.

Description

아크 용접용 가스 조성물 {GAS COMPOSITION FOR ARC WELDING}

가스 금속 아크 용접(GMAW)은 높은 처리량의 제조 환경, 특히 자동화 또는 로봇식의 용접기를 사용하는 어셈블리 라인에서 금속 조각을 연결하는데 통상적으로 사용된다. 이러한 공정의 도전적인 적용분야는 비교적 얇은 금속 조각, 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함께 용접하는 것이다. 한가지 중요한 문제는 과도한 침투 또는 "용락(burn-through)"을 발생시키지 않으면서 액체 금속에 의해 각 공작물의 충분한 침투를 얻는 것이다. 두번째 중요한 문제는 공작물 사이의 배열 틈 또는 이음부 "피트-업(fit-up)"에서의 편차에 미칠 수 있는 용접을 생성하는 것이다. 이러한 문제들은 일반적으로 더 큰 틈에 미칠 수 있는 용접을 형성하는 높은 전압이 더 큰 용락을 일으킨다는 사실과 관련된다. 세번째 문제는 용접 속도 및 용접의 기계적 특성을 동시에 유지하거나 증가시키면서 이러한 문제들을 해결하는 것이다. 네번째 문제는 직류 (DC) 용접 및 교류 (AC) 용접에 적합한 상기 문제들에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

이러한 관련 문제들을 해결하고자 하는 시도가 있어왔다. 한가지 기술은 대체 실드 가스(shielding gas) 조성물을 사용하는 것이다. 정의에 의하면 GMAW는 가스를 사용하여 액체 금속과 반응하는 종을 제외한 용접 주위의 대기를 조절한다. 예를 들어, 실드 가스는 고순도 아르곤 (순도 99.997%, 물 5 ppm 미만)일 수 있다. 최근에, 소량의 다른 종, 예를 들어, 질소, 산소, 아산화질소 및 이산화탄소가 실드 가스 조성물에서 불활성 가스와 조합되었다. 비-불활성 가스는 약 200 ppm 내지 약 1,200 ppm의 양으로 사용된다. 이러한 시도는 직류 GMAW에서 아크 안정성을 향상시켰으나, 용락과 관련된 문제들, 특히 이음부 피트-업에서의 편차와 관련된 문제들이 아직도 해결되지 않고 남아있다.

상기 문제를 해결하기 위한 다른 시도는 교류, 및 아크 전류에서의 편차를 최소화하는 수단을 사용한다. 이는 용락을 최소화하지만, 이음부 피트-업에서 허용 편차 문제를 제기하지 않는다.

상기 문제를 해결하는 한가지 시도는 수백 ppm 범위의 다른 반응성 가스 및 불활성 가스로 구성된 실드 가스를 사용하는 것이다.

다른 기술은 교류를 사용하여 아크를 생성하고, 교류를 조절하여 침투 깊이를 조절한다. 이는 용락을 감소시키지만, 현장 경험에서는 상기 시스템이 혼입된 어셈블리 라인이 더 낮은 속도로 운행되어야 한다는 것을 지적한다.

또 다른 시도는 소량의 산소를 약 10% 내지 약 98% 범위의 헬륨 (나머지는 아르곤)과 조합하는 것을 제안한다. 그러나, 헬륨 및 아르곤은 용접 특성에 있어서 실질적으로 상이한 결과를 갖는다. 예를 들어, 얻어진 용접에서 비드 크기는 헬륨 농도에 따라서 달라진다. 이는 용락, 다양한 이음부 틈에 미치는 능력, 및 결과적으로 주어진 용접 품질 수준에서 달성가능한 최대 용접 속도에 영향을 미친다. 헬륨 농도의 함수로서 이러한 양 사이의 관계는 상기 제안에 의해 교시되지 않았다. 게다가, 상기 제안은 제한된 주파수 범위의 교류만을 사용하는 것을 교시하고 있다. 따라서, 상기 제안은 본 문제의 이해 또는 이에 대한 해결을 교시하고 있지 않다.

따라서, 비교적 얇은 공작물 상에서 다양한 이음부 틈을 용접할 수 있고 동시에 용락을 최소화하고 용접의 기계적 특성을 유지 또는 증가시키는 고속 용접 공정에 대한 요구가 존재한다.

<발명의 요약>

GMAW 공정에서 사용하기 위한 신규 실드 가스 조성물이 본원에 기재된다. 실시예 1, 2 및 3을 참조한다.

본 발명의 일 실시양태는 약 0.6 % 내지 약 1.9% 양의 산소(O₂); 약 10% 내지 약 24% 양의 헬륨; 및 아르곤을 주성분으로 하는 잔여분을 포함하는, 아크 용접용 실드 가스 조성물에 관한 것이다. 다른 실시양태는 기재된 조성물을 사용하는 단계를 포함하는, 가스 금속의 아크 용접 방법에 관한 것이다.

본원에 기재된 본 발명의 이점은 다수이며 현저하다. 2가지 불활성 가스를 놀랍도록 많은 양의 반응성 가스와 조합함으로써, 본 발명을 사용하는 어셈블리 라인을 고속으로 작동시킬 수 있다. 본 발명은 GMAW 공정이 용락을 피하면서 동시에 이음부 피트-업에서의 넓은 편차를 가능하게 한다. 본 발명은 또한 존재하는 공정과 비교하여 고속 작동을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 직류 및 교류 공정 모두에 적합하여 용접 장치, 공작물 세부사항 및 작동 조건의 선택에서 융통성을 증가시킨다. 본 발명은 또한 용접에 우수한 기계적 특성을 제공하면서 상기 문제들을 해결한다. 기재된 조성물은 또한 순도가 낮은 가스, 즉 저렴한 가스를 사용할 수도 있다.

본 발명의 상기 내용, 및 목적, 특징 및 이점은 이하에서 구체적으로 기재하는 본 발명의 바람직한 실시양태로부터 명백할 것이다. 가스에 대한 모든 백분율 및 부는 다른 언급이 없는 한 부피 기준이다. 액체 및 고체에 대한 모든 백분율 및 부는 다른 언급이 없는 한 중량 기준이다.

본 발명은 일반적으로 GMAW 공정과 관련된다. 구체적으로, 본 발명은 얇은 공작물, 특히 알루미늄 및 알루미늄 합금을 높은 처리량의 어셈블리 라인에서 용접하는데 사용되는 실드 가스 조성물에 관한 것이다.

아크 용접은 하나 이상의 공작물 및 소모성 전극 사이에 전기 아크를 유지하는 공정이다. 전기 아크는 전극을 액체 금속 소적으로 변형시키며 이후에 소적은 공작물로 옮겨진다. 이러한 액체 금속이 고체화 이전에 공작물의 금속을 침투할 때 강한 용접이 형성되나, 용락을 일으킬 만큼 강하지는 않다.

정의에 따르면 GMAW 공정은 가스를 사용한다. 실드 가스로도 알려진 상기 가스는 용접 주변에서 대기를 조절하는데 사용된다. 가스는 용접의 액체 금속과 반응할 수 있는 종, 예를 들어 물 또는 산소의 존재를 배제하거나 조절하는 주변 환경에 장벽을 제공한다. 용접에서 사용되는 고온에서, 질소 및 이산화탄소와 같이 통상적으로 비반응성인 가스가 액체 금속과 반응할 수도 있다. 따라서, 실드 가스의 전통적인 예는 불활성 가스, 예컨대 아르곤 또는 헬륨, 또는 이 둘의 조합이다.

용접될 금속과 함께 실드 가스의 구성은 형성되는 용접의 많은 특성을 결정한다. 소적 크기, 금속 전달 속도, 용접의 다공도 등이 이들 파라미터에 의해 영향을 받는다. 그러나, 용접 공정의 조건과 얻어지는 용접의 특성 간의 관계는 예상적 또는 이론적 의미에서 잘 이해되어 있지 않다. 그 결과, 새로운 공정 조건의 개발은 일반적으로 광범위한 실험적 노력 및 실제 경험을 요구한다.

개시된 조성물은 아르곤 캐리어 가스에서 헬륨 및 산소를 사용한다. 헬륨의 첨가는 아크 컬럼에 대한 높은 전압, 즉 합쳐진 아크의 전도 경로 및 소모성 전극으로부터 공작물로 전달되는 액체 금속의 경로를 요구한다. 이는 용접에서 더 큰 비드를 만들며, 이는 이음부 피트-업에서 더 큰 편차가 성공적으로 용접될 수 있음을 의미한다. 산소 첨가는 용접 풀의 유동성을 증가시키고, 아크 컬럼에서 금속의 소적 크기를 감소시킨다. 이는 금속 전달 속도를 더 크게하고 공정을 더 빠르게 한다.

상기 결과를 일으키는 개시된 조성물에서 산소의 양은 2가지 이유에서 놀랍도록 많다. 첫째로, 불활성 실드 가스에 대한 전통적 이론은 다량의 반응성 가스가 액체 금속과의 허용되지 않는 반응을 일으킬 수 있다는 것을 암시한다. 또한, 반응성 가스가 사용되는 경우에서, 그 양은 질소 및 이산화탄소와 같은 비교적 비반응성인 가스에 대해 대략 1,200 ppm으로 비교적 작으며, 아산화질소와 같이 반응성이 좀더 큰 가스에 대해서는 대략 200 ppm으로 보다 소량이다. 비교적 비반응성인 가스와 비교하면, 본 발명에서 산소는 약 4 내지 약 16배 더 많고, 반응성인 가스와 비교하면 본 발명에서 산소는 약 25 내지 약 100배 더 많다.

또 다른 실시양태에서, 산소의 양은 약 1%이다. 다른 변형에서, 헬륨의 양은 약 20%이다. 별법으로, 산소의 양은 약 1%이고, 헬륨의 양은 약 20%이다.

예비 실험에서, 아르곤 캐리어 가스는 2가지 상이한 순도 수준인 순도 99.997% (물 5 ppm 미만) 및 순도 99.995% (물 10 ppm 미만)에서 시험하여 실질적으로 동일한 결과를 얻었다. 따라서, 본 발명의 다른 실시양태는 아르곤 성분의 순도가 약 99.995% 이상인 조성물이다.

본 발명 방법의 실시양태에서는 직류를 사용하여 아크를 생성한다. 다른 실시양태에서는 교류를 사용하여 아크를 생성한다. 또 다른 실시양태에서, 방법은 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함하는 금속을 용접하는데 사용된다. 알루미늄 합금은 예를 들어 AA5052-H34 및 AA6063-T5, 또는 4000, 5000 및 6000 시리즈로부터의 임의의 다른 전극을 포함한다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 설명되며, 실시예는 어떠한 방법으로도 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

본 실시예에서는 하기 조건들이 사용되었다. 시험 공작물은 두께 3 mm, 길이 400 mm, 폭 150 mm이었다. 용접을 서로 접한 2개의 공작물의 3mm X 400 mm면 사이의 맞대기 이음(butt joint) 상에서 수행하였다. 2개의 면 사이의 거리가 이음부 틈이 되었고, 약 0 내지 약 2 mm로 시험되었다. 2가지 상이한 알루미늄 합금인 AA5052-H34 및 AA6063-T5를 시험하였다. 용접은 하기 데이타 표에 기재된 전류 및 전압 파라미터를 사용하여 로봇식 용접기 (미국 오하이오주 웨스트 카를톤 소재의 모토만, 인크.(Motoman, Inc.)의 모델 SK6)를 사용하여 수행하였다. 사용된 소모성 전극은 0.045" (1.14 mm) 직경의 AA5183 필러선 (미국 인디애나주 인디애나 폴리스 소재의 낫웰드/인웰드(Natweld/Inweld)에 의해 제조됨; 조성 Mn 0.74%; Cr 0.07%; Zn 0.01%; Fe 0.13%; Cu 0.01%; Si 0.38%; Mg 5.09%; Al 나머지)이었다. 얻어진 용접의 시험은 전체 교시내용이 본원에 참고로 포함되는 문헌[알루미늄 구조 용접 코드(Aluminum Structural Welding Code) (공개 #AISI/AWS DI. 2-97 미국 플로리다주 마이애미 소재의 미국 용접 학회)]에 기재된, 거대 및 미세구조 분석을 포함하는 야금 특성 및 미세경도 프로파일의 측정에 관한 설명서에 따라 수행하였다. 가스 조성물은 언급한 백분율의 헬륨 및 산소를 포함하였고, 나머지는 순도 99.995% 이상 (물 10 ppm 미만)의 아르곤으로 하였다.

실시예 1: 펄스 직류 GMAW 실험 속도 결과

합금	가스	전류, amps			전압			용접 속도,cm/분
합금	가스	베이스	피크	평균	베이스	피크	평균	용접 속도,cm/분
AA6063-T5	Ar	61	260	165	16.8	25.0	20.1	90
	Ar,25% He	53	260	161	17.0	24.8	20.7	100
	Ar, 25% He,1% O₂	56	283	184	11.8	28.3	21.3	125
AA5052-H34	Ar	45	268	159	13.1	27.2	20.4	100
	Ar,25% He	46	270	163	14.6	28.1	20.3	110
	Ar, 25% He,1% O₂	43	283	175	15.8	29.0	21.8	140

실시예 2: 펄스 교류 GMAW 실험 속도 결과

합금	가스	전류, amps			전압			역 극성 시간, 초	용접속도,cm/분
합금	가스	베이스	피크	평균	베이스	피크	평균	역 극성 시간, 초	용접속도,cm/분
AA6063-T5	Ar	26	250	168	15.5	23.0	20.3	1.7	105
	Ar,25% He	26	260	180	15.8	22.9	21.0	1.6	105
	Ar, 25% He,1% O₂	25	280	188	15.4	25.5	20.9	1.2	120
AA5052-H34	Ar	26	293	163	14.6	25.5	20.3	1.7	105
	Ar,25% He	25	297	161	16.9	25.5	20.9	1.7	105
	Ar, 25% He,1% O₂	19	283	176	16.1	28.5	23.4	1.9	160

실시예 3: AC 및 DC GMAW 실험에 대한 기계 시험 결과

합금	가스	전류 유형	인장 강도, MPa	AISI/AWS 굽힘 시험
AA6063-T5	Ar	DC	129.5	통과
	Ar	AC	125.0	통과
	Ar, 25% He	DC	127.5	통과
	Ar, 25% He	AC	122.1	통과
	Ar, 25% He, 1% O₂	DC	137.2	통과
	Ar, 25% He, 1% O₂	AC	126.4	통과
	없음 (합금 단독)	-	115.0
AA5052-H34	Ar	DC	198.5	통과
	Ar	AC	195.1	통과
	Ar, 25% He	DC	182.9	통과
	Ar, 25% He	AC	199.0	통과
	Ar, 25% He, 1% O₂	DC	202.9	통과
	Ar, 25% He, 1% O₂	AC	206.0	통과
	없음 (합금 단독)	-	170.0

본 발명은 그의 바람직한 실시양태를 참고로 구체적으로 나타내고 기재하였으나, 당업자는 첨부하는 특허청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부사항에 대한 다양한 변화가 일어날 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

a) 약 0.6 % 내지 약 1.9% 양의 산소

b) 약 10% 내지 약 24% 양의 헬륨; 및

c) 아르곤을 주성분으로 하는 잔여분

을 포함하는, 아크 용접용 실드 가스(shielding gas).
제1항에 있어서, 헬륨의 양이 약 20%이고, 산소의 양이 약 1%인 조성물.
제1항에 있어서, 아르곤의 순도가 약 99.995% 이상인 조성물.
a) 약 0.6 % 내지 약 1.9% 양의 산소

b) 약 10% 내지 약 24% 양의 헬륨; 및

c) 아르곤을 주성분으로 하는 잔여분

을 포함하는 실드 가스를 사용하는 단계를 포함하는, 가스 금속의 아크 용접 방법.
제4항에 있어서, 헬륨의 양이 약 20%이고, 산소의 양이 약 1%인 방법.
제4항에 있어서, 아르곤의 순도가 약 99.995% 이상인 방법.
제4항에 있어서, 용접되는 금속이 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 군의 구성원인 방법.
제4항에 있어서, 아크를 생성하기 위해 직류 또는 교류를 사용하는 단계를 포함하는 방법.