KR20120112743A - Ｔｉｇ 아크 용접용 전극 및 ｔｉｇ 아크 용접방법 - Google Patents

Ｔｉｇ 아크 용접용 전극 및 ｔｉｇ 아크 용접방법 Download PDF

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KR20120112743A
KR20120112743A KR1020127020538A KR20127020538A KR20120112743A KR 20120112743 A KR20120112743 A KR 20120112743A KR 1020127020538 A KR1020127020538 A KR 1020127020538A KR 20127020538 A KR20127020538 A KR 20127020538A KR 20120112743 A KR20120112743 A KR 20120112743A
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히로시 와타나베
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바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
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Abstract

텅스텐 전극(1)의 선단을 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 상기 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하로 일정한 슬릿을 전극(1)의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련하고, 전극(1)의 중심 부근에서 슬릿을 사이에 두고 적어도 2 이상의 선단을 형성한 TIG 아크 용접용 전극(1)으로 함으로써, 대전류 영역에서는 부정 비드를 발생시키지 않고 용접 가능하고, 소전류 영역에서도 아크의 집중을 유지하여 아크가 치우쳐 발생하여 비드가 사행하거나, 비드의 폭이 가늘어져 볼록 비드가 되지 않도록 할 수 있는 TIG 용접 텅스텐 전극(1)을 얻을 수 있다.

Description

ＴＩＧ 아크 용접용 전극 및 ＴＩＧ 아크 용접방법{TIG ARC WELDING ELECTRODE AND TIG ARC WELDING METHOD}
본 발명은, TIG 아크 용접용 전극 및 TIG 아크 용접방법에 관한 것으로, 텅스텐 전극 형상에 개량을 더하여 비드 형상, 용입(penetration) 형상을 개선하려고 하는 TIG 아크 용접방법에 관한 것이다.
도 10에 TIG 용접(Tungsten Inert Gas Arc Welding)의 개념도를 나타낸다. TIG 용접은, 철판 등의 용접 대상물(3)(이하 모재(3)라 칭하는 경우가 있다)을 용접할 때에, 비소모 전극인 텅스텐 전극(1)을 이용하여, 아르곤 가스 등의 불활성 가스 분위기 중에서, 상기 텅스텐 전극(1)으로부터 용접 대상물이 되는 상기 모재를 향해서 아크(4)를 발생시켜, 용융지(molten pool)(5)를 형성하는 용접방법이며, 모재(3)의 용융, 용접 금속의 응고 등이 불활성 가스 분위기중에서 행하여지고, 산화성 분위기중에서 행하여지지 않기 때문에 고품질인 용접이 가능하다. 한편, 도시되어 있지 않지만 필요에 따라서 용접 재료를 첨가한다.
텅스텐 전극(1)으로서는, 일반적으로 직경 1?10mm, 원기둥 형상의 토륨 함유 텅스텐 전극(ThO2: 1?2중량%), 세륨 함유 텅스텐 전극(CeO2: 1?2중량%), 또는 란탄(lanthanum) 함유 텅스텐 전극(La2O3: 1?2중량%) 등이 이용되고, 텅스텐 전극 (1)의 모재(3)측을 향하는 선단부는 아크(4)의 집중성, 지향성을 높이기 위해서 일반적으로 원뿔 형상으로 연마한 것이 이용된다.
용접 전원(6)으로서는 일반적으로, 정전류 특성의 직류 전원이 이용된다.
상기 직류 전원(6)과 모재(3)는 양극, 상기 직류 전원(6)과 텅스텐 전극(1)은 음극에 접속된다. 텅스텐 전극(1)의 모재(3)측을 향하는 선단부는 원뿔 형상으로 연마되며, 통전 후에 선단부가 고온에 이르러 열전자가 방출되어 아크(4)가 발생한다. 아크(4)는 텅스텐 전극(1)의 선단부로부터 모재(3)를 향해서 원뿔 형상으로 형성되어, 전류가 모재(3)로부터 텅스텐 전극(1)의 선단을 향해서 흐르기 때문에 텅스텐 전극(1)의 축 바깥둘레로부터 축을 향하여 로렌츠 힘(Lorentz's force)이 작용한다. 이 때문에, 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방에서의 전류밀도는 모재(3)의 근방의 끝이 넓어지는 형상의 아크(4)부의 전류밀도보다 높아져, 텅스텐 전극 (1)의 선단부 근방(고압)으로부터 모재(3)의 근방(저압)을 향하여 압력차가 생겨 플라즈마 기류(7)가 발생한다. 이 때 전극 선단 근방의 온도는 17000K에나 이르러 플라즈마 상태로 되고 있다. 상기 플라즈마 기류(7)는, 모재(3)가 고열에 의해 용융된 용융지(5)에 부딪쳐, 용융지(5)를 누르는 방향으로 아크 압력(Arc pressure)이 발생한다.
TIG 용접은 고품질이지만, 효율이 낮은 것이 결점이다. 이에 대해 종래부터 효율을 올리는 방법이 제안되어 왔다. TIG 용접의 효율을 올리기 위해서는 용접 전류를 대전류로 할 필요가 있다. 특히 필릿 용접(fillet welding)의 경우에는 용접 전류를 대전류로 하는 동시에 용접 속도를 올릴 필요가 있다. 예를 들면, 용접 전류를 200A 이상, 용접 속도를 150mm/min 이상으로 올리면, 플라즈마 기류(7)가 고속으로 되고, 아크 압력이 상승하여, 용융지(5)의 중앙의 함몰이 커져서, 용융지 바닥부가 노출된 채로 응고하는 험핑 비드(humping bead)나 용융지의 폭방향의 지단(toe)을 따라서 모재가 패어서 홈이 되어 남는 언더컷 비드(undercut bead) 등의 결함 용접 비드가 생기게 된다.
따라서, 대전류 용접으로 고속 용접을 가능하게 하기 위해서는 텅스텐 전극 (1)의 선단부 근방의 전류밀도를 내리고, 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방과 모재(3) 근방의 압력차를 작게 하여 플라즈마 기류(7)의 유속을 저하시키고, 아크 압력을 경감하면 좋고, 종래 여러 가지의 대책이 고려되고 있다. 또한, 용접을 대전류인 채로 종료시키면, 용융지(5)의 중심의 구덩이(recess)가 남거나, 균열이 발생하거나 하기 때문에, 일반적으로 다운슬로프(downslope), 크레이터(crater) 처리로 불려지는 용접 종료시에 있어서의 처리 방법이 행하여져, 서서히 전류를 저하시켜서 용융지(5)를 작게 좁혀 용접을 종료시킨다. 이 처리중에는 특히 아크가 안정되게 발생하는 것이 불가결하고, 아크가 치우쳐 발생하여, 비드가 사행(meandering)하거나, 비드의 폭이 가늘어져 볼록 비드가 되지 않게 유의할 필요가 있다.
상기 대전류로 고속 용접을 가능하게 하기 위한 종래 기술로서는, 우선, 아크 길이(도 10에 있어서, 텅스텐 전극(1) 선단부로부터 모재(3)까지의 거리)를 1mm 정도로 극단적으로 짧게 하여 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방과 모재(3) 근방의 사이의 압력차를 작게 해서 아크 압력을 억제하여 용접하는 방법이 있지만, 아크의 퍼짐(spread)이 없기 때문에 비드폭이 좁아져, 용입 깊이가 얕아지므로 수mm 박판 (thin plate)의 맞대기 용접(butt welding)이나 겹치기 용접(lap welding)에는 적합하지만, 충분한 비드폭과 용입이 필요한 후판(thick plate)의 용접에는 적합하지 않다. 또한, 비드폭을 넓히기 위해서 텅스텐 전극(1)을 10Hz 이상의 고속으로 용접 진행 방향에 대해서 직각으로 진동하는 방법, 혹은 아크(4)에 대해서 자장을 작용시킴으로써 아크(4)를 편향시키는 것에 의해 용접 진행 방향에 대해서 진동하는 방법이 있지만, 이러한 방법에서는 텅스텐 전극(1)을 고속으로 진동하기 위한 기구나, 자장으로 아크(4)를 편향시켜 진동하기 위한 기구가 필요하고, 용접기의 제어, 특히 텅스텐 전극이 수납되는 용접 토치부를 조작하기 위한 제어가 복잡해지거나, 용접기의 중량이 증가하기 때문에, 고속 용접이 행하여지는 범용 로봇에 적용이 어려워지거나, 용접 토치부가 커져 조립 제품 등의 용접부에는 간섭 등 때문에 적용할 수 없는 등의 문제가 있다.
다음에, 대전류로 고속 용접을 가능하게 하기 위한 종래 기술로서 텅스텐 전극(1)의 형상을 궁리한 방법을 설명한다.
도 8에 TIG 용접에 사용하는 선단부를 원뿔 형상으로 가공한 텅스텐 전극(1)을 나타낸다. 이 선단의 원뿔 각도 θ를 증대하는 방법이 있다. 이 방법은 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방의 아크 지름을 넓히는 것에 의해, 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방에서의 전류밀도와 모재(3)의 근방의 끝이 넓어지는 형상의 아크(4)부의 전류밀도와의 크기의 차이를 작게 하는 것에 의해, 텅스텐 전극(1)의 선단부 근방과 모재(3) 근방과의 압력차를 작게 하여 아크 압력을 저하하는 효과가 있다. 그러나, 상기 원뿔 각도 θ는 약 120°가 상한이며, 그 이상 크게 하면 도 10에 나타내는 아크(4)가 특정의 원뿔면으로부터 발생하는 경우가 있어, 불안정하게 된다. 특히 용접 종료시에 있어서의 처리 방법에 불가결한 소전류에 있어서 아크(4)가 원뿔면으로부터 발생하기 쉬워 용접이 불안정하게 된다.
특히 소전류 영역에서 아크(4)가 치우쳐 발생하는 원인으로서, 전류의 크기와 텅스텐 전극(1)의 선단부에서의 아크(4)의 발생 위치의 면적에 상관이 있고, 아크(4)는 텅스텐 전극(1)과 모재(3)와의 최단 거리에서 발생하지만, 소전류 영역에서는 아크(4)의 발생 위치의 면적이 작아도 되기 때문에, 텅스텐 전극(1)의 선단부의 축부와 모재(3)와의 거리와, 축부 이외와 모재(3)와의 거리와의 차가 미소한 경우, 또는 텅스텐 전극(1)의 선단부에의 부착물 등의 영향으로 텅스텐 전극(1)과 모재(3)와의 최단 거리가 축부 이외로 된 경우에는, 그곳으로부터 아크(4)가 발생하는 일이 있어, 아크(4)가 치우쳐 발생하는 원인이 되는 것으로 생각된다.
다음에 도 9에 텅스텐 전극(1)의 선단부를 평면으로 가공하는 절두 (truncated) 원뿔 전극(1)을 나타낸다. 이 절두 지름(W2)을 증대하는 것에 의해 텅스텐 전극(1)의 선단부의 아크 지름을 크게 하는 방법이다. 이 방법에서는 소전류 영역의 경우에는 상기와 같이, 절두면의 일부에 아크(4)가 치우쳐 발생한다. 또한, 절두 지름(W2)을 증대하여도 절두면의 일부에 아크(4)가 치우쳐 발생하는 경우가 있어, 아크(4)가 불안정하게 된다.
상기 2개의 방법에서는 특히 소전류에서 용접할 수 있었다고 해도, 아크(4)가 텅스텐 전극(1)의 축으로부터 치우쳐 발생하기 때문에 용입 형상이 비드의 좌우에서 다르거나, 얕아지거나 하는 경향이 있어, 건전한 용접부를 얻을 수 없다.
동일한 방법으로서, 일본 공개특허공보 소화52-144345호(특허문헌 1)에는 텅스텐 전극 선단부에 구멍을 가지는 텅스텐 전극을 이용하는 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는 특허문헌 1의 표 1에 있는 바와 같이, 직경 8mm의 텅스텐 전극의 선단부에 절두부(truncated head portion)를 마련하고, 그 중심부에 직경 3, 4 또는 5mm, 각각 깊이 5mm의 구멍을 형성하고 있다. 이 방법에서는, 상기와 같이 소전류 영역에서 아크가 치우쳐 발생하기 때문에 용입 형상이 비드의 좌우에서 다르거나 얕아지거나 하는 경향이 있어, 건전한 용접부를 얻을 수 없다.
또한, 일본 공개특허공보 소화61-3683호(특허문헌 2)에는 중공식(hollow) 텅스텐 전극을 이용하여 텅스텐 전극의 바깥과 중공부로부터 따로 따로 불활성 가스를 흐르게 하여 아크를 발생시키는 방법이 소개되어 있다. 이 방법에서는 중공부의 외측에 있는 도너츠 형상의 텅스텐 전극 선단부로부터 아크가 발생하지만, 상기 특허문헌 1에 기재된 방법과 같이 소전류 영역에서 아크가 치우쳐 발생하기 쉽다. 본 종래 기술에 있어서도 중공부로부터 불활성 가스를 흐르게 하는 구조 때문에 텅스텐 전극의 직경이 커지므로, 선단부로부터 모재까지의 최단거리가 원둘레 방향에 분포한다. 이 때문에, 아크가 치우쳐 발생하기 쉽고, 이 때문에, 용입 형상이 비드의 좌우에서 다르거나, 얕아지는 경향이 있어, 건전한 용접부를 얻을 수 없다.
이상의 종래 기술은 텅스텐 전극 선단부에서 발생하는 아크(4)를 넓히는 것에 의해, 아크(4)의 집중성에 의한 결점을 감소시키는 방법이다. 마찬가지로, 일본 공개특허공보 소화60-49891호(특허문헌 3)에는, 텅스텐 전극 선단부의 형상을, 끝이 가는 쐐기 형상으로 하고, 그 선단부의 폭 중심에 홈을 형성한 전극으로 하는 것에 의해서 아크를 홈의 양측에서 발생함으로써 아크의 집중성을 감소시키는 동시에, 자기 프로브(magnetic probe)를 이용하여 아크를 용접선의 직각 방향으로 요동시켜서 폭이 넓고 용입이 얕은 용접부를 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 3의 도 2에는 텅스텐 전극의 선단부 형상이 개시되어 있지만, 홈의 양측의 산부(mountain portion)는 완만한 정수리부(apex)를 형성하고 있어, 이러한 형상의 경우, 특히 소전류에 있어서는, 이미 설명한 것처럼, 각각의 정수리부에서 아크의 발생 위치가 안정되지 않기 때문에, 아크가 치우쳐 발생하는 원인이 되는 것으로 생각할 수 있다.
또한, 특허문헌 3의 도 3에는 텅스텐 전극으로서 바깥지름이 3.2mm인 것이 개시되어 있고, 특허문헌 3의 도 2로부터 정수리부의 중심간 거리는 1.6mm라고 추정된다. 이 거리는 후술하는 본 발명에서 이용하는 전극 선단의 슬릿폭으로서는 너무 커서, 적절한 거리는 아니다. 또한, 이 방법에서는, 쐐기 형상의 부착 방향에 의해 용입 형상의 차이가 발생하고, 특히 로봇 등의 자동용접장치를 사용하는 경우에는 용접 토치(torch)에 설치한 텅스텐 전극 선단부의 쐐기 형상의 방향을 일정하게 하는 티칭(teaching)을 행할 필요가 있어, 그 작업에는 상당한 어려움이 요구되기 때문에 로봇 등의 자동 용접 장치에 적합하지 않다. 또한 전극의 자동 교환을 행하는 경우에 용접 토치에 설치하는 텅스텐 전극 선단부의 쐐기 형상의 부착 방향을 일정하게 할 필요가 있어, 이 작업에 있어서도 곤란성을 필요로 한다. 게다가 자기 프로브를 이용하기 위해서 용접기의 대형화로 연결된다고 하는 문제가 있었다.
다음에, 일본 공개특허공보 소화61-273295호(특허문헌 4)에는, 텅스텐 전극의 선단부로부터 축방향으로 슬릿을 넣어 2 이상의 날카로운 선단(첨단)을 형성하여, 상기 2 이상의 첨단(pointed tip)이 되는 복수점부터 각각 특정방향으로 아크를 발생시키는 것에 의해 진동하지 않아도 광폭의 비드를 얻는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는 텅스텐의 바깥지름이나 슬릿폭의 기재는 없지만, 도시된 바로부터, 상기 첨단은 바깥지름의 외측에 형성되어 있고, 각각의 첨단으로부터 모재를 향하여 각각 복수의 아크가 형성되어 있다. 따라서, 첨단간의 거리는 텅스텐의 바깥지름과 거의 같고, 이 거리는 후술하는 본 발명에서 이용하는 전극 선단의 슬릿폭으로서는 너무 떨어져 있어 적절한 거리는 아니다. 또한, 이 방법에서는, 특히 소전류 영역에서 각 첨단으로부터의 아크의 강약이 치우쳐 발생하기 때문에, 용입 형상이 비드의 좌우에서 다르거나, 얕아지거나 하는 경향이 있어, 건전한 용접부를 얻을 수 없다.
또한, 텅스텐 전극(1)의 형상으로서 일본공개실용공보 평성4-98390호(GB공개 2250900A, US특허 5173581)(특허문헌 5)에는, 2개의 별개의 부분으로 이루어지는 텅스텐 전극을 각각의 선단부를 끝이 가늘게 가공한 것을, 간극을 두고 서로 대향시켜 고정하여 사용하는 것에 의해 금속 이온의 증착을 억제하면서 불꽃 유도를 행하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 5에 기재된 발명의 목적은 양호한 아크 스타트에 불가결한 불꽃 유도의 개선에 관한 것으로, 본 발명의 목적과는 다르다. 특허문헌 5에는 텅스텐 전극의 바깥지름이나 간극부의 폭의 기재는 없지만, 명세서의 단락 [0006]에는, 슬릿의 폭이 극히 작은 경우에도 특허문헌 5에 기재된 기술이 목적으로 하는 불꽃 유도를 양호하게 행할 수 있고, 실질적으로 대향하여 접촉시켜 서로 고정되어도 좋다는 것이 기재되어 있고, 슬릿폭은 0에 가까운 것이 추정된다. 이 0에 가까운 슬릿폭은 본 발명에 이용하는 슬릿폭으로서는 너무 작아서 적절한 거리는 아니다.
또한, 특허문헌 5에 기재된 종래 기술에 있어서는, 아크를 점호(點弧)하기 위해서 텅스텐 전극과 모재 사이에 고주파를 인가하지만, 통상의 원뿔 형상으로 연마한 텅스텐 전극에서는 전극 선단에 금속 이온이 증착하여, 아크 스타트시의 열전자의 방출이 곤란하게 되어 아크 스타트성(arc startability)이 나빠진다. 텅스텐 전극 선단에 좁은 공극, 슬릿을 마련하면 공극, 슬릿내에는 금속 이온의 증착을 하기 어렵기 때문에, 원뿔면에 금속 이온이 증착해도 공극, 슬릿내로부터 전자의 방출이 행하여지므로 아크 스타트성이 떨어지지 않는다. 이 경우에 텅스텐 전극 선단부에 마련하는 공극, 슬릿은 금속 증기가 안으로 들어가지 않도록 좁게 설정할 필요가 있다.
다음에, 유럽특허 제67062호(US특허 4471208)(특허문헌 6)에는, 텅스텐 전극의 선단부를 원뿔 형상으로 연마하고, 게다가 텅스텐 전극의 선단부에 공극부를 마련하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 6에 기재된 발명의 목적은 용융지로부터의 금속의 증착에 의해 용접할 수 없게 된다고 하는 문제를 개선하는 것으로, 양호한 아크 스타트에 불가결한 불꽃 유도의 개선에 관한 상기 특허문헌 5에 기재된 기술과 같은 목적이며, 본 발명의 목적과는 다르다.
특허문헌 6에는, 텅스텐 전극의 직경이 4mm, 선단부의 절두부의 직경이 1mm인 것 등의 기재는 있지만, 공극부의 폭에 대한 기재는 없다. 그러나, 특허문헌 6의 본문중의 기재로부터 용착물(deposits)의 침입을 방지해야 하는 것이 기재되어 있고, 또한 특허문헌 6의 도 1에서 공극부의 폭은 0.5mm 이하로 추정되며, 이 거리는 본 발명에 이용하는 슬릿폭으로서는 너무 작아서 적절한 거리는 아니다.
또한, 특허문헌 5에는 슬릿폭을 극히 미소하게 한다고 기술되어 있고, 특허문헌 6에 기재된 발명에서는 텅스텐 전극의 원뿔 선단을 평평하게 한 절두 원뿔 형상을 이용하고 있지만, 절두의 직경이 1mm이기 때문에, 슬릿의 폭은 0.5mm 이하로 추정된다. 이러한 전극 선단부의 테이퍼 가공부분(convergedly tapered portion)의 간격(특허문헌 5)이나 전극 선단부의 공극(특허문헌 6)의 경우, 텅스텐 전극 선단부의 근방의 아크의 퍼짐이 작고, 전류밀도가 큰 상태이어서, 이 때문에 텅스텐 전극의 선단부 근방에서의 전류밀도와 모재의 근방의 끝이 넓어지는 형상의 아크부의 전류밀도와의 크기의 차이를 작게 하지 못하고, 텅스텐 전극의 선단부 근방과 모재(3) 근방과의 압력차를 작게 할 수 없기 때문에, 아크 압력을 저하하는 효과를 얻을 수 없다.
: 일본 공개특허공보 소화 52-144345호 : 일본 공개특허공보 소화 61-3683호 : 일본 공개특허공보 소화 60-49891호 : 일본 공개특허공보 소화 61-273295호 : 일본 공개실용공보 평성 4-98390호(GB공개 2250900A, US특허 5173581) : 유럽특허 제67062호(US특허 4471208)
: TIG 아크에 있어서의 최대 아크 압력에 미치는 전극 형상의 영향'(히라오카, 오카다, 이나가키), 용접학회 논문집, Vol.3, No.2, PP.246 252(1985)
본 발명의 과제는, 대전류 영역에서는 아크의 집중을 유지한 채로, 텅스텐 전극의 선단부 근방의 전류밀도를 내리고, 텅스텐 전극의 선단부 근방과 모재 근방의 압력차를 작게 하여 플라즈마 기류의 유속을 저하시키고, 아크 압력을 경감하여 양호한 용접부를 얻을 수 있는 동시에, 소전류 영역에서도 아크의 집중을 유지하여, 아크가 치우쳐 발생하여 비드가 사행하거나, 비드의 폭이 가늘어져 볼록 비드가 되지 않게 할 수 있어, 양호한 용접부나 크레이터 처리부를 얻을 수 있는 TIG 용접용의 텅스텐 전극 및 TIG 용접방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 과제는, 텅스텐 전극의 단면으로부터 전극폭(직경)의 중심 방향으로 슬릿을 가공하여 마련하고, 상기 슬릿 가공한 텅스텐 전극 단면을 상기 단면의 중심 부근으로부터 축방향으로 확대하는 원뿔 형상, 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 그에 따라 전극 중심 부근에서 슬릿을 사이에 두고 적어도 2 이상의 선단을 형성시켜, 얻어진 복수의 근접한 선단으로부터 발생한 아크가 로렌츠 힘으로 서로 당겨, 1개의 아크를 형성하는 TIG 용접용 텅스텐 전극 및 TIG 용접방법에 의해 달성된다.
청구항 1에 기재된 발명은, 텅스텐 전극의 선단을 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 상기 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하의 슬릿을 전극의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련한 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접용 전극이다.
청구항 2에 기재된 발명은, 텅스텐 전극의 선단에 마련한 슬릿의 형상이 선단부측에서 보아 일자 형상(straight line shape) 또는 십자 형상인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 TIG 아크 용접용 전극이다.
청구항 3에 기재된 발명은, 텅스텐 전극 선단의 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상의 선단 각도가 30° 이상 또한 100° 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 TIG 아크 용접용 전극이다.
청구항 4에 기재된 발명은, 텅스텐 전극의 선단을 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 상기 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하로 일정한 슬릿을 전극의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련하고, 전극 중심 부근에서 슬릿을 사이에 두고 적어도 2 이상의 선단을 형성하여, 얻어진 복수의 근접한 선단으로부터 1개의 아크를 형성하는 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접방법이다.
청구항 5에 기재된 발명은, 용접 진행 방향에 대한 텅스텐 전극의 부착 방향을 동일 방향으로 하거나 또는 상기 동일 방향 이외의 방향으로 하여 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 TIG 아크 용접방법이다.
청구항 1, 2, 4에 기재된 본 발명에 의하면, 텅스텐 전극의 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하의 슬릿을 전극의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련한 것에 의해, 상기 2 이상의 전극의 선단부로부터 발생한 아크는 전류가 흐르는 방향이 동일하기 때문에 로렌츠 힘으로 서로 당겨, 1개의 아크를 형성하여, 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 200A 이상의 대전류에서도 험핑 비드나 언더컷 비드 등의 부정 비드 (irregular bead)를 발생시키는 일 없이 용접이 가능하고, 슬릿의 폭에 해당되는 텅스텐 전극의 근접한 2 이상의 선단의 거리를 적정하게 설정하는 것에 의해, 아크의 집중을 유지한 채로, 텅스텐 전극의 선단부 근방의 전류밀도를 내려 전극의 선단부 근방의 압력과 모재 근방의 사이의 압력의 차가 작아지고, 플라즈마 기류의 유속이 늦어져 용융지를 누르는 아크 압력을 경감시켜, 양호한 용접부를 얻을 수 있다. 또한, 100A 정도의 소전류 영역에서도 텅스텐 전극의 근접한 2 이상의 선단의 거리를 0.75mm 이상, 1.5mm 이하로 설정하는 것에 의해 1개의 아크를 형성하기 때문에 아크의 치우침에 의한 흔들림이 발생하지 않고 비드의 사행 등은 발생하지 않는다.
(2) 용접 종료시의 다운슬로프, 크레이터 처리시와 같이 소전류에서의 용접시에도 아크의 집중을 유지하여, 비드의 사행이나 비드의 폭이 가늘어져, 볼록 비드를 발생시키는 일이 없는 안정된 용접을 행할 수 있기 때문에, TIG 용접의 고속화나 능률화를 달성할 수 있다. 특히 고속 용접을 하는 범용 로봇에의 적용, 조립 제품 등의 용접부에의 적용시에 안정된 용접을 행할 수 있기 때문에, TIG 용접의 고속화나 능률 향상을 달성할 수 있다.
(3) 후판 용접의 다층성 용접(multi-layer welding)에서는 비드의 겹침부나 모재를, 융합 불량 등의 결함이 포함되지 않도록 충분히 녹일 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 텅스텐 전극의 선단에 마련된 슬릿의 형상을 선단부측에서 보아 일자 형상 또는 십자 형상으로 함으로써, 다이아몬드 커터 등으로 용이하게 가공할 수 있다. 또한 일자인 경우에도 충분히 방향성이 없는 용접을 행할 수 있지만, 특히 텅스텐 전극의 지름이 5.0mm를 넘어 커진 경우에, 십자의 경우 일자의 경우보다 한층 방향성이 없는 용접을 행할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 발명의 효과에 더하여, 텅스텐 전극 선단의 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상의 선단 각도가 30° 이상 또한 100° 이하이면, 아크 압력의 차는 거의 없고, 용입 형상도 비드 깊이/폭 비가 0.17?0.20으로 거의 동일하여, 비드의 용입을 깊게 한다. 또한, 전극 선단의 연마 각도가 100°를 넘으면, 각 선단으로부터 발생하는 아크는 슬릿의 방향으로 넓어지기 때문에, 비드 깊이/폭 비는 슬릿의 방향이 용접 진행 방향의 경우에 0.17?0.20보다 작고, 용접 진행 방향 직각의 경우에 0.17?0.20보다 커져, 슬릿의 설치 방향과 용입 형상의 차이가 발생한다. 또한, 상기 연마 각도가 30° 미만이면, 강도가 부족하여 연마 가공이 곤란해져 생산수율이 50% 이하가 된다.
청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 청구항 4에 기재된 발명의 효과에 더하여 용접 진행 방향에 대해서 텅스텐 전극의 슬릿의 방향을 바꾸어도 비드의 폭/깊이 비를 거의 일정하게 할 수 있어, 절두 전극(truncated electrode)이나 중공 전극 (hollow electrode)에 비교하여 비드 바닥이 용입이 깊고, 비드 바닥의 융합 불량 등의 결함이 발생하지 않는다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 위한 텅스텐 전극의 형상을 나타내는 정면도(도 1(a)), 측면도(도 1(b)), 저면도(도 1(c))이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 위한 텅스텐 전극의 형상을 나타내는 정면도(도 1(a)), 측면도(도 1(b)), 저면도(도 1(c))이다.
도 3은 도 1의 텅스텐 전극을 이용하여 계측한 아크 압력 분포도를 나타내고, 도 3(a)은 전극 선단각이 60°인 원뿔 형상 전극의 경우, 도 3(b)는 슬릿폭이 1mm이고 용접 방향으로 슬릿을 설치한 경우, 도 3(c)은 슬릿폭이 1mm이고 용접 직각 방향으로 슬릿을 설치한 경우를 나타낸다.
도 4는 제 1 실시예의 텅스텐 전극의 슬릿폭에 대한 아크 압력의 측정값의 그래프이다.
도 5는 제 1 실시예의 텅스텐 전극의 선단 각도에 대한 아크 압력의 측정값의 그래프이다.
도 6은 제 1 실시예의 텅스텐 전극을 이용한 아크의 사진이며, 도 6(a)는 원뿔 형상으로 연마한 전극에서의 아크, 도 6(b)는 슬릿 포함 전극으로 슬릿 방향에서 본 아크, 도 6(c)는 슬릿 포함 전극으로 슬릿 직각 방향에서 본 아크이다.
도 7은 제 1 실시예를 위한 텅스텐 전극을 이용하여 아크 용접을 실시했을 때의 슬릿폭, 선단 각도 및 슬릿 방향의 수치, 비드 외관 사진 및 단면 매크로 모식도이다.
도 8은 종래 기술 중 선단이 원뿔 형상인 텅스텐 전극의 정면도(도 8(a))와 저면도(도 8(b))이다.
도 9는 종래 기술 중 선단이 절두 원뿔 형상인 텅스텐 전극의 정면도(도 9(a))와 저면도(도 9(b))이다.
도 10은 전극의 아크 발생 상황을 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의해 설명한다.
[실시예 1]
도 1 내지 도 7에는, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 텅스텐 전극(1)을 이용하여 아크 용접을 실시했을 때의 전극 형상, 아크 압력 분포도, 슬릿(2)의 폭에 대한 아크 압력의 측정값, 전극 선단부의 원뿔 형상의 각도에 대한 아크 압력의 측정값, 아크의 사진 및 비드의 외관과 단면 매크로 사진을 나타낸다.
아크 압력을 비특허문헌 1(히라오카, 오카다, 이나가키: 'TIG 아크에 있어서의 최대 아크 압력에 미치는 전극 형상의 영향', 용접학회 논문집, Vol.3, No.2, PP.246 252(1985))에 게재되어 있는 방법으로 측정한다. 수냉 구리판에 직경 1mm의 관통구멍을 형성하고, 관통구멍의 출구에 압력계를 설치하여 관통구멍 위에 아크를 통과시키는 방법에 의해 측정하였다. 직경 3.2mm, 2% 란탄 함유 텅스텐 전극(1)을 사용하여, 선단 연마 각도 60°, 용접 전류 300A, 아크 길이 3mm의 아크 압력(kPa)의 측정 결과를 도 3(a)에 나타낸다. 아크(4)(도 10)의 중심으로부터 양측에 각각 편폭 4mm이고, 최대 아크 압력이 2.8kPa의 아크 압력 분포를 가지고, 게다가 아크 압력이 아크 중심에서 집중하여 큰 것을 알 수 있다. 한편, 도 3에서 세로축은 아크 압력(kPa)을 나타내고, 가로축은 비드 폭방향의 길이를 나타낸다. 슬릿폭(W1=0, 0.5, 0.75, 1mm)과 선단 연마 각도(θ=30°, 45°, 60°)를 변화시켜 아크 압력 측정을 행한 결과를 도 4와 도 5에 나타낸다.
또한, 연강판에 와이어 등의 용접재를 첨가하지 않고 비드 설치 시험(bead placement test)을 행한 결과를 표 1에, 대표적인 비드 외관과 단면 매크로 조직을 도 7에 나타낸다. 용접 조건은, 용접 전류 300A, 아크 길이 3mm, 용접 속도 200mm/min이다. 슬릿 없고, 슬릿폭 0.5mm에서는 모든 조건에서 험핑 비드가 발생하고, 슬릿폭 0.75mm에서는 일부 조건에서 스타트부에 험핑 비드가 발생했지만, 그 다음은 정상 비드가 되었다. 아크 압력은 슬릿폭 0.75mm 부근에서 1kPa에 수속 (converged)됨으로써, 슬릿폭은 0.75mm 이상이 적합하다고 생각할 수 있다.
또한, 슬릿폭을 1mm보다 넓혀 1.5mm로 하면 소전류일 때에 양 선단으로부터의 아크(4)의 유지가 어려워져, 한쪽으로밖에 아크(4)가 발생하지 않게 된다. 이 현상은 종래 기술에 있어서도 설명했지만, 텅스텐 전극(1)의 양 선단부 각각과 모재(3)(도 10)와의 거리차가 생겨, 몇 개의 텅스텐 전극(1)의 선단부와 모재(3)와의 거리가 최단이 된 경우에는, 최단이 된 개소만으로부터 아크(4)가 발생하는 일이 있고, 아크(4)가 치우쳐 발생하는 원인이 되는 일이 있기 때문이다. 따라서, 슬릿폭은 1.5mm 이하가 좋다.
슬릿(2)의 방향을 용접 진행 방향으로 한 경우와 용접 진행 방향 직각으로 한 경우를 비교한다. 도 3(b)의 슬릿(2)의 방향을 용접 진행 방향으로 한 경우, 도 3(c)의 슬릿(2)의 방향을 용접 진행 방향 직각으로 한 경우의 각각의 슬릿폭 1mm의 아크 압력 분포를 나타내지만, 아크 압력은 슬릿(2)의 방향으로 영향을 받지 않고 거의 같은 분포가 되었다. 표 1, 도 7에 용입 형상 등을 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001

표 1, 도 7의 용입 형상의 비드폭, 깊이, 비드 깊이/폭 비를 비교해 봐도 슬릿(2)의 방향에 의한 우위의 차이는 관찰되지 않았다. 용접 진행 방향에 대한 슬릿 (2)의 설치 방향의 영향은 거의 없다. 또한, 슬릿 포함 전극(1)의 용입 형상은, 가로로 퍼진 균일한 용입 깊이로 되어 있는 것으로부터, 비드를 거듭하는 다층성 용접에 적절한 용입 형상이다.
전극(1)의 선단의 연마 각도는, 슬릿폭이 0.75, 1.0mm의 경우에 30?60°로 아크 압력의 차는 거의 없고, 용입 형상도 비드 깊이/폭 비가 0.17?0.20로 거의 동일하다. 다만 연마 각도가 100°를 넘으면 전극(1)의 각 선단으로부터 발생하는 아크는 슬릿(2)의 방향으로 넓어지기 때문에, 비드 깊이/폭 비는 슬릿(2)의 방향이 용접 진행 방향의 경우에 0.17?0.20보다 작고, 용접 진행 방향 직각의 경우에 0.17?0.20보다 커져, 슬릿(2)의 설치 방향과 용입 형상의 차이가 발생한다. 또한 연마 각도를 30° 미만으로 하면, 연마 가공이 곤란해져 생산수율이 50% 이하가 되었다. 또한 가공할 수 있었던 것에 대해서도 강도가 부족하기 때문에, 구부러지기 쉬워 실제의 용접 작업에는 적합하지 않다. 게다가, 슬릿 가공을 행함으로써, 강도적으로 더 부족하다. 이것으로부터, 텅스텐 전극(1)의 선단의 원뿔 형상 선단 각도는 30° 이상 또한 100° 이하가 좋다.
도 6의 아크의 사진을 비교하면, 모재측의 아크의 퍼짐은 도 6(a)의 원뿔 형상으로 연마된 전극과 도 6(b) 또는 도 6(c)의 슬릿 포함 전극(1)에서는 동일한 정도이지만, 텅스텐 전극측의 아크의 폭이 도 6(a)의 원뿔 형상으로 연마된 전극과 비교하여, 도 6(b)와 도 6(c)에 나타내는 슬릿 포함 전극(1)에서는 넓어져, 전류밀도와 압력이 도 6(a)에 나타내는 원뿔 형상으로 연마된 전극에 비교하여 낮아진다. 또한, 도 6(b)와 도 6(c)에 나타내는 슬릿 포함 전극(1)에서는 전극 근방과 모재측의 압력차가 도 6(a)에 나타내는 원뿔 형상으로 연마한 전극과 비교해 작아지기 때문에 플라즈마 기류의 속도도 늦어져, 기류에 의해 발생하는 아크 압력도 원뿔 형상으로 연마된 전극(1)에 비교하여 낮아진다.
절두 전극과 중공 전극을 이용하여 상기한 슬릿 포함 전극(1)과 같이 비드 설치 시험을 행한 결과를 표 2에 나타낸다. 시험 조건은 상기 조건을 이용하였다.
[표 2]
Figure pct00002

절두 전극과 중공 전극은, 비드폭이 10mm 전후로 슬릿 포함 전극(1)과 동등하지만, 용입 깊이가 얕고, 비드 깊이/폭 비가 0.11?0.15이고 슬릿 포함 전극(1)의 0.17?0.20보다 얕아지는 것을 알 수 있었다. 후판 용접의 다층성 용접에서는 비드의 겹침부나 모재를 융합 불량 등의 결함이 발생하지 않도록 충분히 녹일 필요가 있어, 절두 전극, 중공 전극보다, 슬릿 포함 전극(1)을 이용하는 본 실시예의 용접법의 슬릿 포함 전극(1)의 쪽이 비드의 용입을 깊게 할 수 있으므로 적합하다.
[실시예 2]
본 발명의 제 2 실시예의 슬릿 함유 텅스텐 전극(1)의 형상을 도 2에 나타내고, 도 2(a)는 정면도, 도 2(b)는 측면도, 도 2(c)는 저면도이다.
전극(1)의 선단에 복수의 슬릿(2)을 넣어 선단의 수를 3 이상으로 해도 좋다(도 2에는 십자 형상 타입의 슬릿을 나타낸다.).
상기 슬릿이 일자의 경우에도 충분히 방향성이 없는 용접을 행할 수 있지만, 특히 텅스텐 전극의 직경이 5.0mm를 넘어 커진 경우에, 십자의 경우가 일자의 경우보다 한층 방향성이 없는 용접을 행할 수 있다.
한편, 상기 실시예 1 및 실시예 2에 있어서의 텅스텐 전극(1)의 선단부의 원뿔 형상을, 도시하고 있지 않은 다각뿔 형상으로 변경해도, 상기한 일자 타입 또는 십자 타입의 슬릿을 가지는 전극(1)과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명의 전극(1)을 이용하는 것에 의해, 200A 이상에서 300A 등의 대전류에서도 부정 비드를 발생시키지 않고 용접 가능하고, 핫 와이어 TIG 용접과 조합하여 효율을 용착량으로 약 2배(20g/분부터 40g/분)로 향상할 수 있으므로, 용접 시공의 TIG 아크 용접화를 추진할 수 있다.
1 : 텅스텐 전극(원기둥 형상)
2 : 슬릿
3 : 모재
4 : 아크
5 : 용융지
6 : 용접 전원
7 : 플라즈마 기류

Claims (5)

  1. 텅스텐 전극의 선단을 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 상기 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하의 슬릿을 전극의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련한 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 텅스텐 전극의 선단에 마련된 슬릿의 형상이 선단부측에서 보아 일자 형상 또는 십자 형상인 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접용 전극.
  3. 제 1 항에 있어서, 텅스텐 전극 선단의 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상의 선단 각도가 30° 이상 또한 100° 이하인 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접용 전극.
  4. 전극의 선단을 원뿔 형상 또는 다각뿔 형상으로 연마하고, 상기 선단부의 중심축을 따라서 폭이 0.75mm 이상, 1.5mm 이하로 일정한 슬릿을 전극의 선단으로부터 기초부측에 축방향을 따라서 마련하고, 전극 중심 부근에서 슬릿을 사이에 두고 적어도 2 이상의 선단을 형성하여, 얻어진 복수의 근접한 선단으로부터 1개의 아크를 형성하는 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 용접 진행 방향에 대한 텅스텐 전극의 부착 방향을 동일 방향으로 하거나 또는 상기 동일 방향 이외의 방향으로 하여 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 TIG 아크 용접방법.


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