KR20130103495A - 복합 용접 방법 및 복합 용접용 용접 토치 - Google Patents

Abstract

아크의 안정성을 높힘과 동시에, 용접 속도 및 작업 효율을 향상시킬 수 있는 복합 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고, 용접방향에 대하여 선행하는 쪽에서 TIG 아크를 발생시키고, 후행하는 쪽에서 MIG 아크를 발생시켜 모재를 용접하는 복합 용접 방법이며, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함과 동시에 TIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과 MIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과의 거리의 절대치가 4 ㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법을 제공한다.

Description

복합 용접 방법 및 복합 용접용 용접 토치{Complex Weld Method and welding torch for Complex Welds}

본 발명은 복합 용접 방법 및 복합 용접용 용접 토치에 관한 것이다.

불활성 가스의 분위기 속에서 비소모성의 텅스텐 전극과 피용접물과의 사이에 아크를 발생시키는 TIG(Tangsten Inert Gas Welding) 용접법은, 고품질의 용접을 얻을 수 있어서 널리 채용되고 있다. 그러나, 다른 용접 방법인 MAG(Metal Active Gas Welding) 용접법, MIG(Metal Inert Gas Welding) 용접법과 비교하면 용접 속도가 늦고 용접 작업 효율이 떨어진다는 문제가 있었다.

한편으로, MAG 용접법은 활성 가스 분위기 속에서 MIG 용접법은 불활성 가스 분위기 속에서 각각 소모성 용접 와이어 전극과 피용접물과의 사이에 아크를 발생시키는 용접법이고, 상술한 바와 같이 TIG 용접법과 비교하여 작업 효율은 우수하지만, 스패터(spatter)가 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 또한, MAG 용접법에서는 용접 금속의 인성(Toughness)이 저하되기 쉽다는 문제가 있었다.

여기서, MAG 용접법 및 MIG 용접법에서 스패터가 발생하기 쉬운 원인은, 용접 와이어 전극의 선단(先端)이 모재(母材)와 단락하기 쉽기 때문이다. 또한, MAG 용접법에서 인성이 저하하기 쉬운 원인은, 차폐 가스(Shielding gas) 중의 산화성 가스가 용접 금속에 용융되어 용접 금속의 산소량이 증대하기 때문이다.

그래서, 양자의 결점을 보완하기 위해, TIG - MIG의 복합 용접법이 여러 가지 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).

그런데, 탄소강이나 스테인레스강에 대하여 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 가스를 차폐 가스로 사용한 MIG 용접을 행하면 음극점이 고정되지 않아 아크의 흔들림이 발생한다.

이에 대해, 상기 TIG - MIG 복합 용접에서는 선행하는 TIG 아크에 의해 금속 증기가 발생하기 때문에 거기에 전기의 흐름 경로가 형성된다. 그리고, TIG 아크로 인해 생긴 용융지(熔融池: Molten pool)는 고체 금속보다도 일 함수가 작고 전자를 방출하기 쉽기 때문에 MIG 아크의 음극점이 그 용융지에 고정되기 쉽다.

따라서, TIG - MIG 복합 용접은 탄소강이나 스테인레스강에 대해서도 불활성 가스를 사용한 차폐 가스 중에서도 안정된 용접이 가능하며 용접 금속 중의 용존 산소량을 줄일 수 있다. 또한, TIG - MIG 복합 용접에서는 MIG 용접 전극의 와이어가 모재에 접촉할 것 같은 때에는, TIG 아크의 가열 작용에 의해 와이어 선단을 용융시켜 작은 방울로 하여 이탈시키기 때문에 와이어와 모재와의 단락이 발생하지 않고 스퍼터링의 발생도 방지할 수 있다.

이와 같이, TIG - MIG 복합 용접법은 TIG 용접과 MAG(또는 MIG) 용접과의 결점을 보완 가능한 용접 방법이지만, 아크의 경직성이라는 특성 때문에 특별한 문제가 있다. 여기서, 아크의 경직성이란, 전극을 기울여도 아크가 텅스텐 전극이나 와이어의 연장 방향으로 똑바르게 발생하려고 하는 성질을 가리킨다. 그리고, TIG - MIG 복합 용접법에서는 전기의 흐름 방향이 정반대인 TIG 아크와 MIG 아크가 근접하여 발생하기 때문에 전자력에 의해서 아크의 반발 작용이 발생한다.

그 결과, 종래의 TIG - MIG 복합 용접법에서는 다른 방향으로 발생하는 아크의 경직 작용과 반발 작용에 의해 아크가 불안정해지기 쉽다는 문제가 있었다. 그리고, 아크가 불안정해지면 비드 불규칙(Irregular bead)이나 블로우 홀(blow hole)이 발생하기 쉬워 진다는 문제가 있었다.

그런데, 종래의 TIG - MIG 복합 용접에서 보여진 상기 아크의 반발 작용을 감소시키기 위해, 열선(hot wire) TIG 용접법이 채용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 도 13에 일반적인 열선 TIG 용접법을 나타낸다. 도 13에서 나타낸 바와 같이, 열선 TIG 용접법에서는 와이어로부터는 아크를 발생시키지 않고 와이어 통전에 의한 저항 가열을 이용하여 용접을 한다. 이에 따라, MIG 아크가 소멸하고 아크의 반발 작용이 없어지기 때문에 아크의 안정성을 높일 수 있다.

따라서, 열선 TIG 용접법에서의 와이어 가열용 전원으로는 와이어 ~ 모재 사이에서 아크를 발생시키기 위해 높은 전압(예를 들면 13 ~ 30V)으로 전압을 제어하는 TIG - MIG 복합 용접법의 MIG 용접 전원과는 다르게 전압을 낮게(예를들어 6 ~ 7V) 제어하도록 되어 있다.

[특허문헌 1] 일본특허공개 소53-34653호 공보 [특허문헌 2] 일본특허공개 평6-79466호 공보

그러나, 특허문헌 2에 기재된 종래의 열선 TIG 아크 용접법에서는 상술한 바와 같이 MIG 용접 쪽의 전압이 작기 때문에 종래의 TIG - MIG 복합 용접법과 비교하여 와이어 가열력이 작고, 와이어의 용융속도가 작아진다는 문제가 있었다. 또한, 입력되는 열도 작아지고 용융물(Blend well)도 작아진다는 문제가 있었다. 이와 같이, 종래의 열선 TIG 아크 용접법에서는 용접 속도ㆍ작업 효율을 개선할 것이 요구되었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 안출된 것이며, 아크의 안정성을 높힘과 동시에 용접 속도 및 작업효율을 향상시킬 수 있는 복합 용접 방법 및 이에 사용되는 복합 용접용 용접 토치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 다음과 같이(1) ~ (8)에 기재한 복합 용접 방법 및 용접 토치를 제공한다.

(1) 용접방향에 대하여 선행하는 쪽에서 TIG 아크를 발생시키고, 후행하는 쪽에서 MIG 아크를 발생시켜서 모재를 용접하는 복합 용접 방법이며, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정하는 동시에, TIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과, MIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과의 거리의 절대치가 4 ㎜ 이하로하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법 .

(2) 차폐 가스로서 He을 25 % 이상 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 복합 용접 방법이다.

(3) 수소를 3 % 이상 9 % 이하 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 복합 용접 방법.

(4) 수소를 3 % 이상 9 % 이하 및 He를 25 % 이상 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 복합 용접 방법이다.

(5) 수소를 3 % 이상 9 % 이하 함유하고, 나머지 부분이 헬륨 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 복합 용접 방법.

(6) TIG 용접 토치의 기단측(基端側)을 용접방향에 대하여 진행방향 쪽으로 기울인 때의 TIG 용접 토치의 중심축과 법선(法線)과의 이루는 각도인 토치 각도(α)와, MIG 용접 토치의 기단측을 용접방향에 대하여 진행방향과 반대쪽으로 기울인 때의 MIG 용접 토치의 중심축과 법선과의 이루는 각도인 토치 각도(β)와의 합계 각도(|α| + |β|)를 30 ~ 120°의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 복합 용접 방법.

(7) 후행하는 MIG 용접에 펄스 전류를 부가하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 복합 용접 방법.

(8) (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 복합 용접 방법에 사용되는 용접 토치이며, 한 개의 노즐 본체 내에 TIG 전극과 MIG 전극을 배치하고, TIG 아크와 MIG 아크에서 차폐 가스를 공유하는 것을 특징으로 하는 복합 용접용 용접 토치.

본 발명의 복합 용접 방법에 의하면, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정되어 있고, 후행하는 MIG 아크의 음극점 영역이 선행하는 TIG 아크가 형성하는 용융지(溶融池)보다도 크게 되지 않는다. 따라서, 아크의 흔들림 발생이 어렵게 되어 아크의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 용접 대상의 모재 두께가 두껍게 된 경우에는, TIG 및 MIG 어느 쪽의 전류도 증가시킬 수 있기 때문에 용접 속도 및 작업효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 복합 용접 방법에 의하면, TIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과, MIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과의 거리의 절대치가 4 ㎜ 이하이다. 이와 같이, 두 개의 아크를 접근하여 발생시킴으로써 발생하는 아크의 겹쳐지는 부분에서는 전자력이 소멸되기 위하여 전체적으로 전자력이 감소하고 상대적으로 아크의 경직성 작용이 커지기 때문에 아크의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 복합 용접 방법에서는 TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함과 동시에, 차폐 가스로서 He을 25 % 이상 함유하고 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하고 있다. TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함에 따라 후행하는 MIG 아크의 음극점 영역이 선행하는 TIG 아크가 형성하는 용융지보다도 커지지 않는다. 또한, 차폐 가스 중의 헬륨 및 H₂는 열전도도가 크기 때문에 아크가 냉각된다. 이에 따라 생기는 열적 핀치 효과(pinch effect)에 의해 전류의 경로(path) 자체는 아크 기둥 중심으로 집중하고, 모재 가장 가까이에서는 아크 자체도 긴축(緊縮)한다. 그 결과, 아크의 경직성이 증가하고, 상대적으로 아크의 경직성 작용이 아크의 반발 작용보다도 커진다. 따라서, 아크의 안정성을 높일 수 있다.

본 발명의 복합 용접용 용접 토치에 의하면, 하나의 노즐 본체 내에 TIG 전극과 MIG 전극이 배치되고, TIG 아크와 MIG 아크에서 사용하는 차폐 가스를 공유하는 구성으로 되어 있다. 이와 같이 TIG 아크와 MIG 아크에서 별도의 차폐 가스를 사용하지 않고, 한 종류의 차폐 가스를 공유할 수 있기 때문에 장치의 소형화가 가능해진다.

또한, 2 개의 노즐을 일체화하여 1 개의 노즐로 했기 때문에 차폐 가스의 유량 절감을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 복합 용접 방법에 사용하는 용접 토치를 구비한 가스 용접 장치의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 복합 용접 방법에 사용하는 가스 용접 장치의 용접 토치 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에서의 비드(bead) 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에서의 비드 외관 검사의 결과를 나타내는 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에서의 MIG 용접 펄스 전류의 파형, 전류 변화, 주파수를 나타내는 도면이다.
도 13은 종래의 일반적인 열선 TIG 아크 용접 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 적용한 일 실시형태인 복합 용접 방법에 대하여, 이것에 사용하는 복합 용접용 용접 토치를 구비한 용접 장치와 함께 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 사용하는 도면은 특징을 알기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 표시하는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 같은 것으로는 한정하지 않는다.

<제 1의 실시형태>

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태인 복합 용접 방법에 사용되는 용접 장치를 나타내는 개략 구성도이다. 도 1에서 부호 1은 용접 토치(복합 용접용 용접 토치)를 나타낸다. 이 용접 토치(1)는 통 모양 부재로 이루어진 노즐 본체(2)와, 이 노즐 본체(2) 내에서 용접방향에 대하여 선행하는 쪽에 배치된 막대 모양(棒狀)의 텅스텐 전극(3)과, 노즐 본체(2) 내에서 용접방향에 대하여 후행하는 쪽에 배치된 용접 와이어(4)와, 이 용접 와이어(4)를 통전시키기 위한 콘택트 칩(4a)으로 개략적으로 구성되어 있다. 또한, 용접 토치(1)는 한겹(一重) 구조로 되어 있고, 1 종류의 차폐 가스(도시 생략) 만을 사용하는 구조로 되어 있다.

용접 토치(1)의 노즐 본체(2)는 차폐 가스를 저장하는 미 도시된 차폐 가스 공급원에 연결되어 있고, 이 차폐가스 공급원으로부터의 차폐 가스가 노즐 본체(2)로 공급되어 그 선단에서 피용접물인 모재(5)를 향해 불어내도록 되어 있다.

본 실시형태의 차폐가스로서는 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스를 사용할 수 있지만, 헬륨(He)을 25 %이상 함유하고 나머지 부분이 아르곤(Ar)가스인 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 차폐 가스로서 헬륨을 25 % 이상 함유하고 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용한 경우, 헬륨은 열전도도가 크기 때문에 아크가 냉각된다. 이에 따라 생기는 열적 핀치 효과에 의해 전류의 경로 자체는 아크 기둥 중심으로 집중하고, 모재(5)의 가장 가까이에서는 아크 자체도 긴축한다. 그 결과, 아크의 경직성이 증가하고, 상대적으로 아크의 경직성 작용이 아크 반발 작용보다도 커지게 되는 것으로 아크의 안정성이 향상된다.

또한, 더욱이 아르곤 가스, 헬륨 가스 및 아르곤과 헬륨과의 혼합 가스로 3 % 이상 9 % 이하의 수소 가스를 첨가하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 수소 가스는 가연성 가스이기 때문에 폭발 위험성이 있어 취급에 주의를 요한다. 수소와 질소와의 혼합 가스가 공기에 의해서 희석되는 경우의 폭발 범위를 고려하여 수소 가스의 첨가 상한(上限)은 9 %로 했다.

본 실시형태의 모재(5)로서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 다양한 재료를 적용할 수 있다. 구체적으로는, 니켈 합금, 알루미늄, 마그네슘계 재료, 구리계 재료, 스테인레스강이나 탄소강 등의 철강계 재료를 들 수 있다. 그 중에서도, 종래부터 TIG 용접이나 MAG 용접에 의한 용접에서 문제가 되었던 철강계 재료에 적용하는 것이 바람직하다.

용접 토치(1)의 텅스텐 전극(3)은 용접 전원(6)의 마이너스 단자(-)에 연결되고, 용접 전원(6)의 플러스 단자(+)에 연결된 모재(5)와의 사이에 용접 전류가 인가되어 모재(5)의 표면에 TIG 아크가 발생하도록 되어 있다.

여기서, 텅스텐 전극(TIG 전극; 3)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 중심축(3A)과 법선과의 이루는 각도(α)가 용접방향에 대해 진행방향 쪽으로 기울여도 좋다.

또한, TIG 아크 길이(M)는 특별히 한정되는 것은 아니고, 모재(5)의 종류, 두께에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는 2 ~ 20 ㎜의 범위로 하는 것이 바람직하다.

용접 와이어(4)는 특별히 한정되는 것은 아니고, 솔리드 와이어(solid wire)의 다른 메탈계 플럭스(flux) 내장 와이어 등, 접합 대상인 모재의 재질에 따라 적절히 선택할 수 있다. 또한, 용접 와이어(4)는 콘택트 칩(4a)에 설치된 내공(內孔)에 삽입되어 용접 토치(1)의 선단으로부터 외측을 향해 공급 가능하게 되어 있다. 그리고, 콘택트 칩(4a)은 용접 전원(7)의 플러스 단자에 연결되어 용접 전원(7)의 마이너스 단자에 연결된 모재(5)와의 사이에 용접 전류가 인가되어 모재(5)의 표면에 MIG 아크가 발생하도록 되어 있다.

여기서, 용접 와이어(MIG 전극; 4)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 중심축(4A)과 법선과의 이루는 각도(β)가 용접방향에 대하여 진행방향과 반대쪽으로 경사지게 하여도 좋다.

또한, 텅스텐 전극의 중심축(3A)과 법선과의 이루는 각도(α)와 용접 와이어의 중심축(4A)과 법선과가 이루는 각도(β)와의 합계 각도(|α| + |β|)가 30 ~ 120°의 범위가 되는 것이 바람직하다. 이와 같이 아크를 접근시켜 발생시키면 아크의 겹치는 부분이 생긴다. 그리고, 아크의 겹치는 부분에서는 전자력이 소멸되기 때문에 전체에서의 전자력이 감소하고, 상대적으로 아크의 경직성 작용이 커지게 되어 아크의 안정성이 증가한다. 피용접물과 용접 토치와의 접촉을 피하기 위해 합계 각도의 상한치는 120°로 했다.

또한, 용접 와이어(4)의 돌출 길이(N)는 특별히 한정되는 것은 아니고, 모재(5)의 종류, 두께에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는 10 ~ 30㎜의 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 용접 토치(1)는, 텅스텐 전극(TIG 전극; 3)의 중심축(3A)과 모재(5)의 표면과의 교차점(3B)과, 용접 와이어(MIG 전극; 4)의 중심축(4A)과 모재(5)의 표면과의 교차점(4B)과의 거리를 아크 간 거리(L)로 정의한 경우, 이 아크 간 거리(L)의 절대치가 4㎜ 이하로 되어 있다.

여기서, 아크 간 거리(L)의 절대치로 한 것은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 선행하는 TIG의 교차점(3B)이 후행하는 MIG의 교차점(4B)보다도 용접방향의 진행방향 쪽에 있는 경우뿐만 아니라, 후행하는 MIG의 교차점(4B)이 선행하는 TIG의 교차점(3B)보다도 용접방향의 진행방향 쪽에 있는 경우도 포함하는 취지이다.

다음으로, 이 용접 장치를 사용한 복합 용접 방법에 대해서 설명한다.

우선, 도시한 차폐 가스 공급원으로부터 차폐 가스를 공급하여 용접 토치(1)로 보낸다. 이어서, 용접 전원(6)을 동작시켜 텅스텐 전극(3)과 모재(5)와의 사이에 용접 전류(TIG 전류)를 인가하여 TIG 아크를 발생시킴과 동시에, 용접 전원(7)을 동작시켜서 용접 와이어(4)와 모재(5)와의 사이에 용접 전류(MIG 전류)를 인가하여 MIG 아크를 발생시켜서 용접을 한다.

이와 같은 선행 TIG - 후행 MIG에 의한 복합 용접 방법에서는, 선행 TIG 아크에 의해 모재(5)의 표면이 가열되어 용융하여 용융지가 형성되고, 이 용융지 위에 후행하는 MIG 아크의 음극점이 형성된다.

그런데, 용접 속도 및 작업 효율을 향상시키기 위해서는, 용접 대상이 되는 모재(5)의 두께가 두꺼워짐에 따라 TIG, MIG 어느 쪽의 전류도 커지지 않으면 안된다. 그래서, 본 실시형태의 복합 용접 방법에서는 먼저 TIG 전류를 큰 값으로 설정한다. 이 TIG 전류가 커짐에 따라서 용접 토치(1)와 모재(5)와의 사이의 금속 증기 발생량이 커지는 동시에 모재(5)의 표면에 형성되는 용융지가 커지게 된다.

다음에, MIG 전류를 큰 값으로 설정하지만, 본 실시형태의 복합 용접 방법에서는 MIG 전류 값이 TIG 전류의 설정 값을 초과하지 않도록 설정한다. 즉, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정한다.

그런데, 후행하는 MIG 아크 전류(MIG 전류)의 값이 선행하는 TIG 아크 전류(TIG 전류) 값보다도 커지면 비드 형상(구체적으로는, 비드 지단(止端))이 불안정하게 된다. 구체적으로는, 후행하는 MIG 전류가 커짐에 따라 MIG 아크는 크게 되어 용접 속도는 향상된다. 그렇지만, 선행하는 TIG 전류 값이 후행하는 MIG 전류 값보다도 작으면 TIG 아크에 의해 형성되는 모재(5) 표면의 용융지의 면적이 좁아지고, MIG 아크의 확산이 용융지의 폭 이상이 되어 버린다. 그러면, 용융지에서 밀려나온 부분의 MIG 아크가 흔들리기 때문에 비드의 사행(蛇行)이 발생되기 쉬워진다. 또한, TIG 아크에 의한 용융지가 좁아지면 후행하는 MIG 아크의 확산의 폭이 한정되기 때문에 비드의 칠함성이 악화된다.

이것에 대해서, 본 실시형태의 복합 용접 방법에 따르면, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정하기 때문에 후행하는 MIG 아크의 음극점 영역이 선행하는 TIG 아크가 형성하는 용융지보다도 커지지 않는다. 따라서, 아크의 흔들림이 발생하기 어려워져 아크의 안정성을 높일 수 있다. 또한, 용접 대상인 모재의 두께가 두꺼워진 경우에는 TIG 및 MIG 어느 쪽의 전류도 크게 할 수 있기 때문에 용접 속도 및 작업 효율을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 실시형태의 복합 용접 방법은 도 2에 나타낸 바와 같이, 텅스텐 전극(TIG 전극; 3)의 중심축(3A)과 모재(5) 표면과의 교차점(3B)과, 용접 와이어(MIG 전극; 4)의 중심축(4A)과 모재(5) 표면과의 교차점(4B)과의 거리인 아크간 거리(L)의 절대치가 4㎜ 이하로 되어 있다.

그런데, 상기 아크 간 거리의 절대치가 4㎜를 초과하면 TIG 아크와 MIG 아크와의 겹치는 부분이 생기지 않게 되고, 큰 전자력이 작용하기 때문에 아크가 불안정하게 된다. 또한, MIG 아크 통과시에 용접 토치(1)와 모재(5)와의 사이에 생기는 금속 증기나 모재(5)의 표면에 형성되는 용융지의 공급이 불충분하게 되어 아크의 흔들림이 발생하기 쉬워진다. 그 결과, 비드 형상(비드 지단)이 불안정하게 된다.

이것에 대하여 본 실시형태의 복합 용접 방법에 따르면, 상기 아크 간 거리(L)의 절대치가 4㎜ 이하로 되어 있고, TIG 아크 및 MIG 아크의 2개의 아크가 접근하여 발생하는 것으로 아크의 겹치는 부분이 생긴다. 이 겹치는 부분에서는 전자력이 소멸되기 때문에 전체의 전자력이 감소하고, 상대적으로 아크의 경직성 작용이 아크의 반발 작용보다도 커지게 된다. 따라서, 아크의 안정성이 향상된다.

또한, 2개의 아크를 접근시켜 발생시키면 MIG 아크 통과시에 용접 토치(1)와 모재(5) 사이에 생기는 금속 증기나 모재(5)의 표면에 형성되는 용융지의 공급이 충분하게 되어 아크의 안정성이 향상된다.

<제 2의 실시>

다음으로, 본 발명을 적용한 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는 제 1 실시형태의 복합 용접 방법에 사용한 용접 장치를 사용하는 것이 가능하지만, 제 1 실시형태의 복합 용접 방법과는 다른 방법으로 되어 있다. 따라서, 용접 장치에 대해서는 제 1 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

본 실시형태의 복합 용접 방법은 TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함과 동시에, 차폐 가스로서 He을 25 % 이상 함유하고 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용한다.

본 실시형태의 복합 용접 방법에 의하면, TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함에 따라 후행하는 MIG 아크의 음극점 영역이 선행하는 TIG 아크가 형성하는 용융지보다도 커지지 않는다. 또한, 차폐 가스 중 헬륨은 열전도도가 크기 때문에 아크가 냉각되어 열적 핀치 효과에 의해 전류의 경로 자체는 아크 기둥 중심으로 집중하고, 모재 가장 가까이에서는 아크 자체도 긴축한다. 그 결과, 아크의 경직성이 증가하고, 상대적으로 아크의 경직성 작용이 아크의 반발 작용보다도 크게 된다. 따라서, 아크의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제 1 실시형태의 용접 장치를 구성하는 용접 토치(1)는 노즐 본체(2)가 한겹 구조인 경우에 대해 예시하였으나, 다중 구조로 하여 인너(inner) 노즐만으로 본 발명의 차폐 가스를 사용하고, 외부(outer) 노즐은 불활성 가스로 해도 좋다.

또한, 제 1 실시형태에서는 용접 토치(1)의 노즐 본체(2) 내에 텅스텐 전극(TIG 전극; 3)과 용접 와이어(MIG 전극; 4)가 배치되는 구성을 예시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 텅스텐 전극이 배치된 노즐 본체를 갖는 용접 토치(TIG 용접 토치)와, 용접 와이어가 배치된 노즐 본체를 갖는 용접 토치(MIG 용접 토치)를 용접방향의 전후에 배치하여 선행 TIG 아크와 후행 MIG 아크를 발생시키는 구성으로 하여도 좋다.

또한, 상술한 바와 같이 선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별개의 용접 토치로 한 경우, TIG 용접 토치의 선단 쪽을 용접방향에 대하여 진행방향 쪽으로 기울인 때의 TIG 용접 토치의 중심축과 법선과의 이루는 각을 토치 각도(α)라 한다(도 2 참조). 또한, MIG 용접 토치의 선단 쪽을 용접방향에 대하여 진행방향과 반대쪽으로 기울인 때의 MIG 용접 토치의 중심축과 법선과의 이루는 각도를 토치 각도(β)라 한다(도 2 참조).

이하에 구체적인 예를 나타낸다.

(검증시험 1)

선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별도의 용접 토치로 하고, 선행하는 TIG 용접 토치의 토치 각도(α), 후행하는 MIG 용접 토치의 토치 각도(β)로 한 용접 장치를 사용하여 일반적인 탄소강(SM490A)으로 이루어진 모재의 용접을 했다. 또한, 용접 조건을 표 1에 나타낸다. 또한, 아크 간 거리(L)에 의한 비드 외관 검사의 결과를 표 2에 나타낸다.

선행 TIG 전류	300 A
후행 MIG 전류	250 A
용접 속도	20 ㎝/min
아크 간 거리(L)	-2 ~ 16 ㎜
선행 가스 종류/유량	Ar / 12 L/ min
후행 가스 종류/유량	Ar / 15 L/min
TIG 아크 길이(M)	5 ㎜
토치 각도(α)	30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
토치 각도(β)	-30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)

거리(㎜)	결 과	합 부
16	비드 불규칙	X
12	비드 불규칙	X (도3)
8	비드 불규칙	X
4	양호	O
0	양호	O (도4)
-2	양호	O

표 2에 나타낸 바와 같이, 안정된 용접을 하기 위해서는 아크 간 거리(L)의 절대치가 4 ㎜ 이내인 것이 필요한 것을 확인하였다.

(검증시험 2)

선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별개의 용접 토치로 하고, 선행 TIG 용접 토치의 토치 각도(α), 후행 MIG 용접 토치의 토치 각도(β)로 한 용접 장치를 사용하여 일반적인 탄소강(SM490A)으로 이루어진 모재의 용접을 했다. 또한, 용접 조건은 표 3에 나타낸다. 또한, 선행 TIG 전류와 후행 MIG 전류와의 관계에 의한 비드 외관 검사의 결과를 표 4에 나타낸다.

	조건 1	조건 2
선행 TIG 전류	200 A	300 A
후행 MIG 전류	100 ~ 225 A	100 ~ 225 A
속도	20 ㎝/min	30 ㎝/min
아크 간 거리(L)	4 ㎜	4 ㎜
선행 가스 종류/유량	Ar / 12 L/min	Ar / 12 L/min
후행 가스 종류/유량	Ar /15 L/min	Ar / 15 L/min
TIG 아크 길이(M)	5 ㎜	5 ㎜
토치 각도(α)	30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
토치 각도(β)	-30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)

선행 TIG 전류(A)	후행 MIG 전류(A)	결 과	합 부
200	225	비드 불규칙	X (도5)
	200	양호	O
	175	양호	O (도6)
	150	양호	O
300	300	양호	O
	250	양호	O
	200	양호	O

표 4에 나타낸 바와 같이, 선행하는 TIG 전류가 후행하는 MIG 전류 이상이 되는 관계에 의해서 후행 MIG 아크의 안정화에 필요한 용융지를 얻을 수 있는 것을 확인했다.

(검증시험 3)

선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별도의 용접 토치로 하고, 선행 TIG 용접 토치의 토치 각도(α), 후행 MIG 용접 토치의 토치 각도(β)로 한 용접 장치를 사용하여 일반적인 탄소강(SM490A)으로 이루어진 모재의 용접을 했다. 또한, 용접 조건은 표 5에 나타낸다. 차폐 가스 내의 He 및 H₂에 의한 안정화 효과를 확인하기 위해, 용접 속도에 대하여 순수 Ar 차폐 가스로는 비드 불규칙이 되는 40 ㎝/min로 했다. 또한, 차폐 가스 내의 헬륨 및 수소 농도에 의한 비드 외관 검사의 결과를 표 6에 나타낸다. 또한, 각 조건에서 선행ㆍ후행의 가스 종류는 동일했다.

선행 TIG 전류	300 A
후행 MIG 전류	240 A
용접 속도	40 ㎝/min
아크 간 거리(L)	4 ㎜
선행 가스 종류ㆍ유량	Ar 베이스 He: 0 ~ 90%ㆍ15 ~ 33 L/min Ar 베이스 H2: 1 ~ 9%ㆍ15 L/min
후행 가스 종류ㆍ유량	Ar 베이스 He: 0 ~ 90%ㆍ25 ~ 55 L/min Ar 베이스 H2: 1 ~ 9%ㆍ25 L/min
TIG 아크 길이(M)	5 ㎜
토치 각도(α)	30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
토치 각도(β)	-30°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)

He 농도(%)	수소 농도(%)	결 과	합 부
0	0	비드 불규칙	X
10	0	비드 불규칙	X (도 7)
25	0	양호	O
50	0	양호	O (도 8)
75	0	양호	O
90	0	양호	O
0	1	비드 불규칙	X
0	3	양호	O
0	5	양호	O
0	7	양호	O (도 9)
0	9	양호	O
25	3	양호	O
25	9	양호	O
90	3	양호	O
90	9	양호	O
97	3	양호	O
95	5	양호	O
97	7	양호	O
99	9	양호	O

표 6에 나타낸 바와 같이, 차폐 가스 내에 헬륨 또는 수소를 첨가함으로써 아크의 안정성이 향상되는 것을 확인했다. 또한, 헬륨 및 수소는 아크 전압이 높기 때문에 100 % 헬륨 또는 헬륨과 수소의 혼합 가스를 차폐 가스로 사용한 경우, TIG 아크 기동시 및 용접 중에서 아크의 발생이 불안정하게 되는 경우가 있다. 따라서, 차폐 가스 내에는 아르곤 가스가 10 % 이상 포함되는 것이 보다 바람직하다.

(검증시험 4)

선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별도의 용접 토치로 하고, 선행 TIG 용접 토치의 토치 각도(α), 후행 MIG 용접 토치의 토치 각도(β)로 한 용접 장치를 사용하여 일반적인 탄소강(SM490A)으로 이루어진 모재의 용접을 했다. 또한, 용접 조건은 표 7에 나타낸다. 또한, 토치 각도(α) 및 토치 각도(β)에서의 고속 카메라에 의한 아크 관찰 결과를 표 8에 나타낸다.

선행 TIG 전류	350 A
후행 MIG 전류	250 A
용접 속도	30 ㎝/min
아크 간 거리(L)	4 ㎜
선행 가스 종류ㆍ유량	Ar 100%ㆍ25 L/min
후행 가스 종류ㆍ유량	Ar 100%ㆍ25 L/min
TIG 아크 길이(M)	5 ㎜
토치 각도(α)	0 ~ 60°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
토치 각도(β)	0 ~ -60°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)

토치 각도(α) (°)	토치 각도(β) (°)	| α | + | β | (°)	결 과	합 부
10	-10	20	아크 불안정	X
15	-15	30	아크 안정	O
30	-30	60	아크 안정	O
45	-45	90	아크 안정	O
60	-60	120	아크 안정	O
0	-20	20	아크 불안정	X
0	-30	30	아크 안정	O
0	-45	45	아크 안정	O

표 8에 나타낸 바와 같이, 토치 각도(α)와 (β)의 합계 각도(|α| + |β|)가 30 ~ 120°의 범위가 되는 경우에 아크의 안정성이 증가하고 양호한 용접 결과가 얻어지는 것을 확인했다.

(검증시험 5)

선행 TIG - 후행 MIG를 각각 별개의 용접 토치로 하고, 선행 TIG 용접 토치의 토치 각도(α), 후행 MIG 용접 토치의 토치 각도(β)로 한 용접 장치를 사용하여 일반적인 스테인레스강(SUS304)으로 이루어진 모재의 용접을 했다. 또한, 용접 조건은 표 9에 나타낸다. MIG 용접으로의 펄스 부가에 의한 안정화 효과를 확인하기 위해 용접 속도에 대하여 순수 Ar 차폐 가스로는 비드 불규칙이 되는 40 ㎝/min로 했다. 또한, 펄스 부가 유무에 따른 비드 외관 검사의 결과를 표 10에 나타낸다. 또한, MIG 용접 펄스 전류의 파형, 전류 변화, 주파수를 도 12에 나타낸다.

선행 TIG 전류	300 A
후행 MIG 전류	180 A
후행 MIG 펄스	있음 또는 없음
용접 속도	40 m/min
아크 간 거리(L)	4 ㎜
선행 가스 종류ㆍ유량	Ar 100%ㆍ25 L/min
후행 가스 종류ㆍ유량	Ar 100%ㆍ25 L/min
TIG 아크 길이(M)	5 ㎜
토치 각도(α)	0°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
토치 각도(β)	- 45°(용접방향의 진행방향 쪽을 정(正)으로 한다)
펄스 부가시 피크 전류	280 ~ 500 A
펄스 부가시 베이스 전류	60 ~ 80 A
펄스 부가시 주파수	80 ~ 140 ㎐

후행 MIG 전류(A)	용접 속도 (㎝/min)	MIG 펄스	결 과	합 부
180	40	없음	비드 불규칙	X (도 10)
180	40	있음	양호	O (도 11)

표 10에 나타낸 바와 같이, 후행 MIG 용접에 펄스 부가를 한 경우에, 후행 MIG의 경직성 증대에 의해서 아크가 안정되고 양호한 비드 외관을 얻을 수 있는 것을 확인했다.

또한, 본 용접 방법은 하향 자세가 바람직하지만, 이에 국한되는 것은 아니고 모든 자세의 용접에 적용 가능하다.

본 발명의 복합 용접 방법은 원자력 용기, 각종 압력 용기 등 종래 인성과 스퍼터링의 관점에서 TIG 용접밖에 적용할 수 없었던 제품으로의 적용이 가능하다.

또한, 최근 금속 기반 재료의 용접 금속 중 산소량을 절감시키는 방법으로, 깨끗한 MIG 용접법의 개발이 각 와이어 제조업체나 용접기 업체에서 행해지고 있지만, 본 발명의 복합 용접법은 그 하나의 수단이 될 수 있다.

1: 용접 토치(복합 용접용 용접 토치)
2: 노즐 본체
3: 텅스텐 전극 (TIG 전극)
4: 용접 와이어 (MIG 전극)
5: 모재
6, 7: 용접 전원
L: 아크 간 거리

Claims (8)

1. 용접방향에 대하여 선행하는 쪽에서 TIG 아크를 발생시키고, 후행하는 쪽에서 MIG 아크를 발생시켜 모재를 용접하는 복합용접 방법이며,
   TIG 전류를 MIG 전류보다도 크게 설정함과 동시에,
   TIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과, MIG 전극의 중심축과 모재 표면과의 교차점과의 거리의 절대치가 4 ㎜ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   차폐 가스로서 He을 25 % 이상 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   차폐 가스로서 수소를 3 % 이상 9 % 이하 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   차폐 가스로서 수소를 3 % 이상 9 % 이하 및 He을 25 % 이상 함유하고, 나머지 부분이 아르곤 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   차폐 가스로서 수소를 3 % 이상 9 % 이하 함유하고, 나머지 부분이 헬륨 가스인 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
6. 제 1항에 있어서,
   TIG 용접 토치의 선단 쪽을 용접방향에 대하여 진행방향 쪽으로 기울인 때의 TIG 용접 토치의 중심축과 법선과의 이루는 각인 토치 각도(α)와, MIG 용접 토치 선단 쪽을 용접방향에 대해 진행방향과 반대쪽으로 기울인 때의 MIG 용접 토치의 중심축과 법선과의 이루는 각인 토치 각도(β)와의 합계 각도(|α| + |β|)를 30 ~ 120°의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   후행하는 MIG 용접에 펄스 전류를 부가하는 것을 특징으로 하는 복합 용접 방법.
8. 제 1 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   복합 용접 방법에 사용되는 용접 토치이며, 하나의 노즐 본체 내에 TIG 전극과 MIG 전극을 배치하고, TIG 아크와 MIG 아크에서 차폐 가스를 공유하는 것을 특징으로 하는 복합 용접용 용접 토치.

Images