KR20140012292A - 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법 - Google Patents

백킹재가 없는 전자빔 용접 방법 Download PDF

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김태석
박경호
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Abstract

본 발명은 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모재의 표면에서 1차 용접을 수행한 후 모재의 이면에서 2차 용접을 실시함으로써 백킹재 없이도 우수한 접합효과를 얻을 수 있는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 관한 것이다.
본 발명은 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서,상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 용융폭이 2.5mm ~ 3.5mm 로 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계; 및 상기 모재의 이면에서 용접 깊이 전체의 20% ~ 40% 깊이로 전자빔 용접을 수행하며, 용융폭은 상기 1차 용접단계의 용융폭보다 넓게 형성되는 2차 용접단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법을 제공한다.
본 발명의 실시로 전자빔 용접 작업 후 백킹재를 제거해야 하는 번거로움을 없애고, 이로 인한 후가공을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

백킹재가 없는 전자빔 용접 방법{METHOD FOR ELECTRON BEAM WELDING WITHOUT BACKING PLATE}
본 발명은 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모재의 표면에서 1차 용접을 수행한 후 모재의 이면에서 2차 용접을 실시함으로써 백킹재가 없이도 우수한 접합효과를 얻을 수 있는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 관한 것이다.
전자빔 용접 방법은 전자의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시켜 이를 열원으로 용접 가공물을 접합시키는 접합방법이다.
고밀도로 집속되고 가속된 전자빔(Electron Beam)을 진공 분위기 속에서 용접물에 고속도로 조사시키면, 광속의 약 2/3 속도로 이동한 전자는 용접물에 충돌하여 전자의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시키며, 국부적으로 고열을 발생시킨다.
이때, 생긴 고에너지를 열원으로 이용하여 용접면을 가열하고 용융시켜 용접물을 접합시키는 것이 전자빔 용접의 원리이다.
이러한 과정은 진공분위기를 유지하는 진공챔버 내부에서 수행한다.
상기와 같은 전자빔 용접으로 진행되는 맞대기 용접(Butt welding)은 일반적으로 백킹재(Backing plate)를 사용한다.
상기 백킹재는 편면 완전 용입 위주의 용접방식으로 주로 사용되는 전자빔 용접은 충분한 용입을 확보하고 용락을 방지하기 위하여 용접이음부의 이면을 받치기 위함이다.
그러나, 피용접부재인 모재의 인성이 높은 스테인리스강의 경우, 전자빔 용접작업 완료 후 높은 접합력으로 인해 백킹재를 분리하기 어려운 문제점이 있다.
그리고, 모재의 형상이 평면이 아닌 굴곡지거나 일정한 각도로 이루어지는 경우, 모재의 형상에 대응하는 백킹재를 구비해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 전자빔 용접작업 완료 후 모재에 부착된 백킹재를 제거하는 과정에서 용접부위의 부분적인 파손 및 이를 보완하기 위한 후가공을 해야하는 문제점이 있다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제 10-0384626 호가 있다.
본 발명의 목적은, 전자빔 용접 작업 후 백킹재를 제거해야 하는 번거로움을 없애고, 이로 인한 후가공을 감소시킬 수 있는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 모재의 형상에 따른 백킹재를 구비하지 않으면서도 우수한 접합효과를 얻을 수 있는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서, 상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 용융폭이 2.5mm ~ 3.5mm 로 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계; 및 상기 모재의 이면에서 용접 깊이 전체의 20% ~ 40% 의 깊이로 전자빔 용접을 수행하며, 용융폭은 상기 1차 용접단계의 용융폭보다 넓게 형성되는 2차 용접단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 용접단계에서 형성되는 용융폭은 4.5mm ~ 5.5mm 인 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 상기 모재는 동종 또는 이종의 서로 다른 금속재질로 구성하여 접합할 수 있다.
또한, 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서, 상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 용융폭이 2.5mm ~ 3.5mm로 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계; 상기 모재의 이면에서 용접 깊이 전체의 10% ~ 15% 깊이로 루트부를 제거하여 요홈을 형성하는 백치핑(Back chipping) 단계; 및 상기 백치핑 단계에서 형성되는 요홈에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW) 용접을 수행하는 2차 용접단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 백치핑(Back chipping)단계에서 형성되는 요홈의 바닥폭은 상기 1차 용접단계에서 형성되는 용융폭과 같거나 넓게 형성되며, 상단으로 갈수록 폭이 넓어지는 것을 특징으로 한다.
또한. 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서, 상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 10% ~ 15% 깊이로 그루브(Groove)를 형성하는 그루브 형성단계; 상기 그루브(Groove)에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW) 용접을 수행하는 1차 용접단계; 및 상기 모재의 이면에서 용접 깊이 90% ~ 95%의 깊이의 용융폭이 4.0mm ~ 5.0mm 로 전자빔 용접을 수행하는 2차 용접단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그루브형성단계에서 형성되는 그루브(Groove)는 V형 또는 U형 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전자빔 용접 작업 후 백킹재를 제거해야 하는 번거로움을 없애고, 이로 인한 후가공을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 모재의 형상에 따른 백킹재를 구비하지 않으면서도 우수한 접합품질을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 사용기술에 따른 전자빔 용접 방법을 도시한 단면도,
도 2 는 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 실시예를 도시한 순서도,
도 3 은 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 다른 실시예를 도시한 순서도.
도 4는 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 또 다른 실시예를 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면의 바람직한 실시 예를 들어 본 발명을 상세하게 설명한다.
이하에 도시되는 도면과 후술되는 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러가지 방법 중에서 바람직한 실시 예에 대한 것이며, 본 발명의 명세서에서 제시되는 도면과 설명의 실시 예에 의하여 본 발명이 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한 본 발명을 이루는 기술적 구성요소를 효율적으로 설명하기 위해 각각의 기능구성에 기 구비되어 있거나, 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 구비되는 구조의 기능구성은 가능한 생략하고, 본 발명을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 기능구성을 위주로 설명한다.
도 1 은 종래의 사용기술에 따른 전자빔 용접 방법을 도시한 단면도이다.
이하 설명에서 모재(100a,100b)는 접합작업 전의 부재를 말하며, 접합부재(100)는 상기한 각각의 모재(100a,100b)가 접합작업을 통해 하나로 결합된 부재를 의미한다.
먼저, 접합하려는 모재(100a,100b)의 용접부 형상에 따른 백킹재(600)를 구비한다.
그리고, 접합하려는 각 모재(100a,100b)의 접합면을 서로 마주보게 맞대놓는다.
이때, 각 모재(100a,100b)는 전자빔 용접작업 수행 시 유동이 발생하지 않도록 베이스에 고정시킨다.
그리고, 고밀도로 집속되고 가속된 전자빔(Electron Beam)을 상기 모재(100a,100b)의 용접부에 고속도로 조사시켜 국부적인 고열을 발생시킨다.
각 모재(100a,100b)의 접합면은 상기 전자빔에 의해 발생되는 고열에 의해 용융 및 냉각되어 형성되는 용융부(200)가 형성된다.
상기 용융부(200)는 접합면을 따라 수직으로 일정한 용융폭(a)을 갖는다.
상기 용융폭(a)은 보통 1.5mm ~ 2.0mm 사이의 폭을 유지한다.
이때, 모재(100a,100b)의 용융액은 접합면 사이로 용락되며, 냉각되면 상기 백킹재(600)와도 접합하게 된다.
전자빔 용접작업 수행 후에는 상기한 백킹재(600)를 각각의 모재(100a,100b)가 용접 결합된 하나의 접합부재(100)에서 분리해야 한다.
백킹재가 동일한 재질의 스테인리스강이므로 (600)를 분리하기 위하여 기계 가공을 해야 한다. 특히 부재가 3차원 형상을 가지고 있을 경우 기계 가공으로 제거하기란 많은 시간이 소요된다.
도 2 는 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 실시 예를 도시한 순서도이다.
본 실시 예에서는 모재(100a,100b)를 서로 맞물려 접합하는 맞대기용접(Butt welding)을 1차 용접단계와 2차 용접단계로 구성하여 실시한다.
1차 용접단계에서는 상기 모재(100a,100b)의 표면에서 용접 깊이 전체(L)의 용융폭(a)이 2.5mm ~ 3.5mm 로 형성되도록 전자빔 용접을 수행한다.
2차 용접단계에서는 상기 모재(100a,100b)의 이면에서 용접 깊이 전체(L)의 20% ~ 40% 깊이로 전자빔 용접을 수행한다.
이때, 상기 2차 용접단계에서 형성되는 용융부(200)의 용융폭(b)은 상기 1차 용접단계의 용융폭(a)보다 넓게 형성하여 실시한다.
상기 전체 용접 깊이(L)는 전자빔 용접이 수행되는 접합부재(100)의 단면 수직거리로써, 상기 모재(100a,100b)의 두께에 해당한다.
상기 모재(100a,100b)는 동종 또는 이종의 금속재질일 수 있다.
전자빔 용접(EBW:Electron Beam Welding)작업은 특성상 진공분위기 속에서 진행되며, 진공분위기를 형성하는 진공챔버 내의 진공도는 10(-1)Torr 내지는 10(-5)Torr 까지 중간진공부터 고진공의 영역까지 유지한다.
용접속도 또한 700mm ~ 2500mm/min 으로 빠르며 용입이 깊기 때문에 두꺼운 재료의 용접에 많이 사용된다.
상기와 같은 특성으로 인해 두꺼운 모재(100a,100b)를 전자빔 용접으로 접합하는 경우, 모재(100a,100b) 접합면에 형성되는 용융부(200)는 부위별로 냉각시점이 상이하게 된다.
즉, 모재(100a,100b) 접합면에 형성되는 용융부(200)는 하부가 중부나 상부보다 먼저 냉각되게 된다.
상기 용융부(200)의 상단은 덧살(Excess weld metal)에 의해 덧살부(220)가 형성되어 용융부(200)의 중부와 상부의 냉각속도를 지연시킨다.
그러나, 상기 용융부(200)의 하단은 접합부재(100)의 이면에 노출되기 때문에 냉각시점은 용융부(200)의 중부나 상부보다 빠르게 되는 것이다.
그러므로 전자빔 용접작업 후 접합부재(100)의 용융부(200) 하부인 루트(Root)부(500)에는 기공과 확산성 수소가 밀집되는 취약부위가 형성된다.
기공(Porosity)은 용접되는 모재의 내부에 생성되며, 공동(空洞) 또는 가스포켓(Gas pocket)이라고도 부른다.
모재가 용융되면서 내부의 잔존 가스와 기체화 되어 발생한 가스들이 미처 빠져 나가지 못한 상태에서 루트부(500)에서 잔존할 확률이 높아진다. 아울러 전자빔의 가속 전압의 변화 및 용입량의 불균질화로 인하여 상기 루트부(500)에서 결함이 잔존할 확률이 높아진다.
상기한 2차 용접단계의 실시를 위해서는 1차 용접작업이 완료되면 진공챔버 내부 또는 외부에서 접합부재(100)를 뒤집어 재고정한다.
그리고, 다시 전자빔 용접기의 진공챔버에 장입 및 밀폐하여 2차 용접작업을 수행한다.
상기 2차 용접단계 수행시 형성되는 용융폭(b)은 1차 용접단계에서 형성되는 용융폭(a)보다 넓게 형성된다.
그러므로 1차 용접단계에서 접합부재(100)의 루트부(500)에 집중되는 을 재용융하여 취약요소들을 제거할 수 있게 된다.
따라서, 취약부위인 루트부(500)를 보강하게 되어 우수한 접합품질을 얻을 수 있다.
2차 용접단계 수행시 전자빔 용접 깊이는 전제 용접 깊이(L) 즉, 접합부재(100) 두께의 20% ~ 40% 범위(L₂) 내에서 수행한다.
결과적으로, 도면에 도시된 바와 같이 접합면은 접합부재(100) 두께의 60% ~ 80% 범위(L₁)의 1차 용접단계 용융부분과, 전체 용접 깊이 20% ~ 40% 범위(L₂)의 2차 용접단계 용융부분이 된다.
상기 2차 용접단계에서 형성되는 용융폭(b)은 상기 1차 용접단계의 용융폭(a)보다 넓은 4.5mm ~ 5.5mm 범위 내로 형성하여 실시하는 것이 바람직하다.
도 3 은 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 다른 실시예를 도시한 순서도이다.
본 실시 예에서는 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계; 백치핑(Back chipping)단계; 그리고 가스 텅스텐 아크용접(GTAW)을 수행하는 2차 용접단계;로 구성한다.
먼저, 상기 모재(100a,100b)의 표면에서 용접 깊이 전체(L)의 용융폭(a)이 2.5mm ~ 3.5mm 범위 내에서 전자빔 용접을 수행하여 1차 용접단계를 완성한다.
그리고, 상기 1차 용접단계를 통해 접합된 접합부재(100)의 이면이 위로 오도록 접합부재(100)를 뒤집어 고정한다.
그리고, 상기 1차 용접단계에서 기공으로 인해 형성되는 취약부위인 루트부(500)를 제거한다.
이때, 상기 루트부(500)의 제거범위는 용접 깊이 전체(L)의 10% ~ 15% 깊이로 실시하여 백치핑단계(Back chipping)를 완성한다.
상기 루트부(500)를 제거하게 되면 첨부된 도면에서와 같이 요홈(300)이 형성된다.
상기 요홈(300)의 바닥폭은 상기 1차 용접단계에서 형성되는 용융폭(a)과 같거나 넓게 형성되며, 상단으로 갈수록 폭이 넓어지게 구성한다.
이는 상기 요홈(300)의 상단으로 갈수록 냉각 시차로 인해 상기 모재(100a,100b) 방향으로 확산 되는 확산성 수소 잔류물과 기공의 발생빈도가 높기 때문이다.
그리고, 상기 백치핑단계에서 형성되는 요홈(300)에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW) 용접을 수행하여 2차 용접단계를 마무리한다.
2차 용접단계에서의 용접깊이는 전체 용접 깊이(L)의 10% ~ 20%로 실시하는 것이 바람직하다.
따라서, 도면에 도시된 바와 같이 상기 1차, 2차 용접단계 용접깊이 비율은 전체 용접 깊이(L)의 80% ~ 90%는 1차 용접단계의 용접 깊이(L₁)이고 잔여 10% ~ 20%는 2차 용접단계의 용접 깊이(L₂)로 구분된다.
상기 가스 텅스텐 아크용접(GTAW:Gas Tungsten Arc Welding)은 텅스텐 전극을 사용하여 발생한 아크열로 모재(100a,100b)를 용융하여 접합하는 용접방식이다.
보호가스로 불활성 가스인 Ar 또는 He 등을 사용하기 때문에 TIG(Tungsten Inert Gas)용접이라고 부르기도 한다.
가스 텅스텐 아크용접(GTAW)은 생산성은 낮지만 대부분의 금속, 비금속 합금에 대해 고품질의 용접작업이 가능하며, 용접 후 슬래그(Slag) 제거 등의 후공정 작업이 필요 없다.
도 4는 본 발명인 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법에 따른 바람직한 또 다른 실시예를 도시한 순서도이다.
본 실시 예에서는 모재(100a,100b)를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서, 상기 모재(100a,100b)에 그루브(Groove)를 형성하여 실시한다.
먼저, 상기 모재(100a,100b)의 표면에서 용접 깊이 전체(L)의 10% ~ 15% 깊이를 갖는 그루브(400)를 형성한다.
상기 그루브(400)의 형성을 위해서는 각각의 모재(100a,100b)의 접합면 상부 모서리를 가공하여 그루브면(Groove face)을 형성한다.
이때, 상기 그루브(400)는 V형 또는 U형 중 어느 하나의 형상으로 구성하여 실시할 수 있다.
상기 그루부(400)의 V형 또는 U형은 상기 각각의 모재(100a,100b)의 접합면을 서로 마주보게 고정하였을 때, 상단부에 나타나는 형상으로 구분된다.
그리고, 상기 그루브(400)에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW)을 수행하여 1차 용접단계를 완성한다.
그리고, 상기 그루브(400)면이 바닥면과 접하도록 접합부재(100)를 뒤집어 이면이 위에 위치하도록 뒤집는다.
상기 모재(100a,100b)의 이면에서 전체 용접 깊이(L)의 90% ~ 95%의 깊이(L₂)만큼 전자빔 용접을 수행하여 2차 용접단계를 완성한다.
이때, 상기 2차 용접단계에서 형성되는 용융부(200)의 용융폭(a)은 4.0mm ~ 5.0mm 범위 내에서 실시된다.
상기와 같이 모재(100a,100b)에 그루브(400)를 형성하고 가스 텅스텐 아크용접(GTAW)을 실시함으로써, 상기 2차 용접단계에서 진행되는 전자빔 용접과정에서 접합부재(100)의 하단부를 바닥면과 밀폐차단하게 된다.
이로 인해 상기 접합부재(100)에 형성되는 용융부(200)의 상중하 각 부위별 냉각시차를 줄일 수 있게 된다.
따라서, 상기 2차 용접단계에서 루트부(500)에 생성될 수 있는 상기한 기공과 확산성 수소의 잔류를 최소화할 수 있다.
결과적으로 전자빔 용접 작업 후 백킹재(600)를 제거해야 하는 번거로움을 없애고, 이로 인한 후가공을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 모재의 형상에 따른 백킹재(600)를 구비하지 않으면서도 우수한 접합품질을 제공할 수 있는 효과가 있다.
상기한 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용범위는 이와 같은 것에 한정되는 것이 아니며, 동일 사상의 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 나타난 각 구성요소의 형상 및 구조 등은 변형하여 실시할 수 있으며, 이러한 변형은 첨부된 본 발명의 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100; 접합부재 100a, 100b; 모재
200; 용융부 220; 덧살부
300; 요홈
400; 그루브
500; 루트부
600: 백킹재

Claims (7)

  1. 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서,
    상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 용융폭이 2.5mm ~ 3.5mm 로 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계; 및
    상기 모재의 이면에서 용접 깊이 전체의 20% ~ 40% 깊이로 전자빔 용접을 수행하며, 용융폭은 상기 1차 용접단계의 용융폭보다 넓게 형성되는 2차 용접단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 용접단계에서 형성되는 용융폭은 4.5mm ~ 5.5mm 인 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재는 동종 또는 이종의 서로 다른 금속재질인 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  4. 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서,
    상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 용융폭이 2.5mm ~ 3.5mm로 전자빔 용접을 수행하는 1차 용접단계;
    상기 모재의 이면에서 용접 깊이 전체의 10% ~ 15% 깊이로 루트(Root)부를 제거하여 요홈을 형성하는 백치핑(Back chipping)단계; 및
    상기 백치핑 단계에서 형성되는 요홈에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW)을 수행하는 2차 용접단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 백치핑(Back chipping)단계에서 형성되는 요홈의 바닥폭은 상기 1차 용접단계에서 형성되는 용융폭과 같거나 넓게 형성되며, 상단으로 갈수록 폭이 넓어지는 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  6. 모재를 서로 맞물려 접합하는 맞대기 전자빔 용접 방법에 있어서,
    상기 모재의 표면에서 용접 깊이 전체의 10% ~ 15% 깊이로 그루브(Groove)를 형성하는 그루브 형성단계;
    상기 그루브(Groove)에 가스 텅스텐 아크용접(GTAW)을 수행하는 1차 용접단계; 및
    상기 모재의 이면에서 용접 깊이 90% ~ 95%의 깊이의 용융폭이 4.0mm ~ 5.0mm 로 전자빔 용접을 수행하는 2차 용접단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 그루브형성단계에서 형성되는 그루브(Groove)는 V형 또는 U형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 백킹재가 없는 전자빔 용접 방법.
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