KR20160019865A - 펄스 아크 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 스패터의 저감 효과를 얻으면서, 팁 마모의 억제를 실현하는 것이 가능한 고전류 펄스 아크 용접 방법을 제공한다. 해결 수단으로서, 실드 가스를 이용하여 펄스 아크 용접을 실행하는 방법으로서, 상기 펄스 아크 용접의 펄스 전류에 있어서, 펄스 피크 전류를 550~950A, 펄스 베이스 전류를 550A 이하, 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이를 200~600A, 또한 펄스 주파수를 50~200㎐로 하여 펄스 아크 용접을 실행한다.

Description

펄스 아크 용접 방법{PULSED ARC WELDING METHOD}
본 발명은 펄스 아크 용접 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고전류로 용접을 실행하는 펄스 아크 용접 방법에 관한 것이다
수송기 및 건설 기계 등의 분야에서 적용되는 용접에서는, 소모 전극식 가스 실드 아크 용접을 이용하여, 필릿이나 개선 내를 1층 또는 다층 용접하는 경우가 많다. 그러한 용접시, 고품질화와 고능률화는 항상 요구되고 있다.
고능률화에 대해서는, 고전류를 이용하여 와이어 용융 속도를 증가시키는 수법이 이용되고 있다. 그러나, 고전류에 수반하여, 스패터가 다량으로 발생하기 때문에, 용접 부위의 외관이 손상되어, 품질의 저하를 초래할 수 있고, 스패터를 제거하는 공정의 수고가 증대하여, 생산 효율을 저하시켜 버린다.
또한, 종래는, 일반적으로 소모 전극으로서 솔리드 와이어가 이용되고 있지만, 상기 고전류를 이용하여 와이어 용융 속도를 증가시키는 수법에 있어서는, 400A 이상의 고전류로 용접하면, 로테이팅 이행(rotating transfer)이라 불리는 용적 이행 형태를 보인다. 이러한 이행은, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 급전 팁으로부터 아크 발생점까지의 와이어 돌출부(1)에 있어서, 줄(Joule) 발열이 과대해지고, 연화·용접된 와이어가 그 선단부로부터 연신하고, 아크 중에 발생하는 아크압 또는 플라즈마 기류에 의해서, 그 선단 용융부(2)가 아크(4)를 따라서 회전하면서 이행한다. 이 때, 이탈한 용적의 대부분이 주위로 비산되게 되고, 이 때 스패터 발생량은 현저하게 된다.
또한, 용적의 이행 형태에는, 로테이팅 이행 이외에도, 예를 들면, 도 1b에 도시하는 바와 같은 와이어 돌출부(1)의 외경보다 큰 용적(3)이 반발하면서 이행하는 글로블러 이행(globular transfer)이 있다. 또한, 도 1c에 도시하는 바와 같은 와이어 돌출부(1)의 외경보다 작은 용적(3)이 이행하는 스프레이 이행(spray transfer) 등이 있다. 글로블러 이행(도 1b 참조)에서는, 대립(大粒) 스패터가 다량으로 발생한다. 스프레이 이행(도 1c 참조)에서는, 스패터의 발생량이 적어지게 된다. 따라서, 스패터 발생량의 저감에는, 스프레이 이행과 같이, 용적의 이행을 안정화시키는 것이 중요해진다.
한편, 고전류를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1 내지 3에서는, 이하와 같은 용접 방법이 제안되고 있다.
특허문헌 1에서는, 솔리드 와이어를 전극 와이어로서 이용하고, 40~70체적%의 아르곤, 25~60체적%의 헬륨, 3~10체적%의 이산화탄소, 0.1~1체적%의 산소를 함유하는 4종 혼합 가스를 실드 가스로서 이용하는 것에 의해서, 고용착량을 얻는 용접 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 2에서는, 슬러그계 플럭스 코어드 와이어를 전극 와이어로서 이용하고, 또한 탄산 가스를 실드 가스로서 이용하고, 300A/㎟ 이상의 전류 밀도로 용접하는 것에 의해서, 고용착량을 얻는 동시에 슬래그에 의한 비드 평활 효과도 얻어지는 용접 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 3에서는, 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 펄스 아크 용접을 실행할 때, 그 펄스 전류에 있어서, 펄스 피크 전류 밀도, 펄스 베이스 전류 밀도, 및 평활 전류 밀도 등을 각각 특정 범위로 하여 용접하는 고전류 밀도 가스 실드 아크 용접 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제 1984-45084 호 공보 일본 특허 공개 제 1991-169485 호 공보 일본 특허 공개 제 2011-218437 호 공보
특허문헌 1에 개시된 용접 방법에 있어서는, 스프레이 이행을 안정화시키는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, 전류 밀도가 더욱 높아진 경우의 로테이팅 이행을 개선할 때까지는 이르지 못하여, 다량의 스패터를 발생시킨다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 용접 방법에 있어서는, 탄산 가스를 실드 가스로서 이용하여, 직류로 용접을 실행하기 때문에, 용적의 이행 형태는 글로블러 이행이 되고, 대립 스패터가 대량으로 발생한다는 문제가 있다.
특허문헌 3에는, 해당 문헌에 개시된 용접 방법에 의해서, 고용착량을 얻으면서, 대폭적인 스패터 저감을 실현하는 것이 가능해지며, 그 결과, 종래 이상의 고능률 용접을 실현할 수 있는 동시에, 용접 공정의 능률이 향상되는 취지가 기재되어 있다
그렇지만, 고전류의 펄스 아크 용접은, 아크 길이의 변동이 커서, 아크가 불안정해지기 쉽다. 이러한 아크가 불안정해지기 쉽다는 실정으로부터, 미세한 스패터나 비드 외관 불량 등이 발생하기 쉬워, 품질의 저하를 초래하는 일이 있다. 또한, 고전류의 펄스 아크 용접 때문에, 소모 전극(이하, 「용접 와이어」라 칭하는 경우가 있음)으로 통전을 실행하는 콘택트 팁의 주변이 고온이 되어, 그 팁의 접촉면이 마모되기 쉬워진다는 실정이 존재한다. 이러한 팁의 접촉면의 마모(이하, 「팁 마모」라 칭하는 경우가 있음)의 양이 많아지면, 용접하는 목표 위치의 어긋남이 발생하거나, 팁의 교환이 빈번해져, 작업 능률의 저하를 초래한다. 상기 실정으로부터, 고전류로 고능률 용접을 실행하는 경우는, 아크를 안정시켜, 스패터, 및 콘택트 팁의 마모를 억제하는 것이 요구된다.
그래서 본 발명은, 스패터의 저감 효과를 얻으면서, 팁 마모의 억제를 실현할 수 있는 고전류 펄스 아크 용접 방법을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.
본 발명은, 실드 가스를 이용하여 펄스 아크 용접을 실행하는 방법으로서, 상기 펄스 아크 용접의 펄스 전류에 있어서, 펄스 피크 전류를 550~950A, 펄스 베이스 전류를 550A 이하, 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이를 200~600A, 및 펄스 주파수를 50~200㎐로 하여 용접하는 펄스 아크 용접 방법을 제공한다.
또한, 이러한 펄스 아크 용접 방법에서는, 상기 펄스 주파수와, 상기 펄스 아크 용접에 이용하는 소모 전극의 송급 속도의 관계가 하기 수학식 1을 만족해도 좋다.
[수학식 1]
1.50(㎜/1펄스) ≤ 송급 속도(㎜/초)/펄스 주파수(펄스 횟수/초) ≤ 9.00(㎜/1펄스)
상기 펄스 아크 용접에 이용하는 용접 전원의 외부 특성의 기울기를, -14.0~-4.0(V/100A)의 범위로 해도 좋다.
상기 실드 가스로서, CO2 : 0~40체적% 및 O2 : 0~10체적%이고, 잔부가 Ar 및 불순물로 이루어지는 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스를 이용해도 좋다.
본 발명에 의하면, 스패터의 저감 효과를 얻으면서, 팁 마모의 억제를 실현하는 것이 가능한 고전류 펄스 아크 용접 방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 용접에 있어서의 용적의 이행 형태의 일종인 로테이팅 이행을 도시하는 모식도,
도 1b는 용접에 있어서의 용적의 이행 형태의 일종인 글로블러 이행을 도시하는 모식도,
도 1c는 용접에 있어서의 용적의 이행 형태의 일종인 스프레이 이행을 도시하는 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에 이용할 수 있는 용접 장치의 일례를 모식적으로 도시하는 구성도,
도 3은 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에 있어서의 펄스 파형의 명칭을 도시하는 모식도,
도 4는 종래의 펄스 MAG 용접의 펄스 주파수와 스패터량의 관계의 일례를 도시하는 모식도(출전 : NSWelding, 기술 정보, 용접 Q&A, [online], [2014년 8월 1일 검색], 인터넷<URL: http:/www.welding.nssmc.com/tech/qa/q026/qa026.html>),
도 5는 아크 길이의 자기 제어 작용을 갖는 정전압 특성을 나타내는 도면(출전 : 일반 사단법인 일본 용접 협회 전기용접기 부회편 「아크 용접의 세계」 산보출판(産報出版), 2008년 4월 15일, p11-13),
도 6은 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에 호적하게 이용되는 수냉 용접 토치를 설명하기 위한 용접 토치의 구성예를 도시하는 모식도,
도 7a는 실시예에 있어서의 시험예 No. 1에 있어서의 시간-아크 전압의 파형도,
도 7b는 실시예에 있어서의 시험예 No. 32에 있어서의 시간-아크 전압의 파형도,
도 8a는 실시예에 있어서의 시험예 No. 1에서 얻어진 비드 외관을 촬영한 도면 대용 사진,
도 8b는 실시예에 있어서의 시험예 No. 32에서 얻어진 비드 외관을 촬영한 도면 대용 사진.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
우선, 본 발명에 따른 펄스 아크 용접 방법에 이용할 수 있는 용접 장치에 대하여 설명한다. 그러한 용접 장치로서는, 펄스 아크 용접을 실행하는 용접 장치이면, 특별히 한정되지 않고, 종래의 가스 실드 아크 용접에 이용되고 있는 용접 장치를 이용할 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이 용접 장치(100)는, 소모 전극(108)과 이 소모 전극(108)의 외주부에 실드 가스를 공급하는 실드 가스 노즐(도시하지 않음)을 선단에 구비하는 용접 토치(106)와, 용접 토치(106)가 선단에 장착되고, 이 용접 토치(106)를 피용접재(107)의 용접선을 따라서 이동시키는 로봇(104)과, 용접 토치(106)에 소모 전극(108)을 공급하는 와이어 공급부(101)와, 와이어 공급부(101)를 거쳐서 소모 전극(108)에 펄스 전류를 공급하여 소모 전극(108)과 피용접재(107) 사이에서 펄스 아크를 발생시키는 용접 전원부(102)와, 용접 전원부(102)의 펄스 전류를 제어하는 전원 제어부(103)를 구비한다. 또한, 용접 장치(100)는 용접 토치(106)를 이동시키기 위한 로봇 동작을 제어하는 로봇 제어부(105)를 추가로 구비해도 좋다. 또한, 전원 제어부(103) 및 로봇 제어부(105)는 CPU, ROM, RAM, HDD, 입출력 인터페이스 등을 구비하고 있다.
본 발명에 따른 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 상술한 용접 장치(100)에 있어서의 용접 전원부(102)와 같은, 용접 전원의 제어부에서의 펄스 전류의 제어를 소정 조건으로 실행한다. 구체적으로는, 펄스 전류의 범위 및 펄스의 주파수를 특정 범위로 규정한다.
이하, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법은, 실드 가스를 이용하여 펄스 아크 용접을 실행하는 방법에 있어서, 이 펄스 아크 용접의 펄스 전류에 대하여, 펄스 피크 전류를 550~950A 및 펄스 베이스 전류를 550A 이하로 하는 동시에, 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이를 200~600A로 하고, 또한 펄스 주파수를 50~200㎐로 하여 용접한다.
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 규정하는 펄스 파형은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 펄스 전원을 이용하여 제작되는 직사각형 또는 사다리꼴의 반복되는 파형이다(도 3에서는 직사각형인 경우를 예시하고 있음). 그리고, 본 발명에서는, 직사각형 또는 사다리꼴의 상저(上底) 부분의 시간을 펄스 피크 기간(Tp), 하저(下底) 부분의 시간을 펄스 베이스 기간(Tb), 각각의 전류를 펄스 피크 전류(Ip) 및 펄스 베이스 전류(Ib)로 하고, 평균 전류(Ia)는 용접 전류의 시간 적분을 시간적으로 평균화한 것으로 한다. 즉, 직사각형파인 경우, Ia=(Ip·Tp+Ib·Tb)/(Tp+Tb)가 된다. 또한, 1초간의 펄스 횟수(1파장이 반복되는 횟수)를 펄스 주파수로 한다.
또한, 상기 펄스 파형은, 상술한 직사각형 또는 사다리꼴의 형태를 반복하는 파형 이외에도, 예를 들어 삼각파 및 톱니파, 및 정현파(여현파) 등의 파형이어도 좋다.
전술과 같이 펄스 아크 용접 방법에서는, 전류가 낮은 펄스 베이스 기간(Tb) 및 펄스 피크 기간(Tp)에 생성된 용적을 펄스 피크 전류(Ip)의 전자력에 의해서 이탈시키는 방법이다. 이러한 펄스 아크 용접 방법은, 부적절한 펄스 조건이거나, 용적의 이탈 타이밍이 정상시로부터 벗어나면, 스패터가 증가되거나, 아크가 편향되어, 비드 외관이 조악해지거나 한다. 예를 들면, 펄스 피크 전류(Ip)가 낮은 경우에는 아크의 경직성이 얻어지지 않고, 펄스 피크 기간(Tp) 중에 아크가 편향되는 일이 있다. 또한, 펄스 베이스 전류(Ib)가 높은 경우에는, 펄스 베이스 전류(1b)의 아크압에 의해서, 용적이 비산하여, 스패터가 증가하는 일이 있다. 특히 고전류 용접의 경우는, 로테이팅 이행이 되기 쉽기 때문에, 적정한 펄스 조건을 얻는 것이 곤란하며, 또한 팁의 마모 속도도 빠르다.
본 발명자들은, 상술한 펄스 파형과 그것에 대응하는 현상을 감안하여, 고전류의 펄스 아크 용접에 있어서, 스패터를 저감하고, 또한 팁 마모를 억제할 수 있는 방법을 예의 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은, 다음에 설명하는 지견을 얻어, 적정한 펄스 조건을 얻기 위한 인자로서, 펄스 주파수에 주목하여, 펄스 주파수 등의 적정 범위를 발견했다.
종래의 펄스 MAG 용접의 펄스 주파수는, 도 4에 예시되는 바와 같이, 펄스 주파수가 높아질수록, 스패터량이 낮아지는 경향이 있으므로, 일반적으로 250~350㎐의 펄스 주파수를 채용하고 있었다.
그러나, 고전류로 용접을 실행하는 경우, 일반적인 펄스 주파수로 실행하면, 매우 높은 펄스 피크 전류(Ip)와 낮은 펄스 베이스 전류(Ib)가 고속으로 교대되기 때문에, 종래보다 아크 길이가 변동하기 쉬워서, 선단 용융부에 가해지는 아크압의 변동이 커진다. 그 때문에, 로테이팅 이행이 조장되어, 아크 편향이 발생한다. 또한, 단순히 펄스 피크 전류(Ip)를 낮추고, 펄스 베이스 전류(Ib)를 높이는 것에 의해, 평균 전류를 맞춰도 펄스 피크 전류(Ip)시의 아크의 경직성이 요구되지 않아, 아크가 편향되거나, 용적 이행 주기가 불규칙하게 되어, 용적의 이탈 타이밍을 목표로 하는 경우도 있으므로, 호적한 방법이라고는 말할 수 없다. 또한, 아크의 경직성이란, 아크에 작용하는 전자 압력차에 의해서 발생하는 플라즈마 기류의 영향에 의해, 아크가 지향성을 가지는 현상이며, 전류가 높을수록 강한 지향성을 나타낸다.
또한, 콘택트 팁의 마모 형태는, 펄스 피크 전류(Ip)시에 용접 와이어와 콘택트 팁의 접촉점의 저항열에 의해서, 팁의 면이 용해되어, 펄스 베이스 전류(Ib)시에 용접 와이어에 응착되어 마모되는 「응착 마모」이다. 따라서, 콘택트 팁은 콘택트 팁 자체의 온도, 펄스 피크 전류값, 펄스 주파수(펄스 피크 전류(Ip)의 횟수)가 높을수록 마모되기 쉬운 경향이 있기 때문에, 고전류의 용접에서, 종래의 일반적인 주파수로 실행하면 특히 마모가 커진다.
한편, 고전류 용접을 200㎐ 이하의 주파수로 실행하면, 펄스 베이스 기간(Tb)을 길게 보증할 수 있기 때문에, 아크 길이의 급격한 변동을 억제할 수 있어, 아크 편향을 억제할 수 있다. 또한, 펄스 베이스 기간(Tb) 내에서는, 용적에 가해지는 아크압이 작기 때문에, 펄스 피크 기간(Tp)에 커진 용적의 움직임을 억제할 수 있고, 결과적으로 로테이팅 이행을 억제할 수 있다. 또한, 팁 마모에 관해서도, 펄스 주파수가 낮고, 또한 펄스 베이스 기간(Tb)에 팁의 냉각 효과가 기대되기 때문에, 팁 마모가 작아진다.
그래서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 펄스 주파수를 200㎐ 이하로 규정한다. 이하, 펄스 주파수 등의 규정 범위에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
[펄스 주파수 : 50~200㎐]
펄스 주파수가 200㎐를 초과하면, 아크 길이가 변동하여, 스패터의 증가, 비드 외관의 불량, 및 팁 마모의 증가를 초래할 우려가 있다. 한편, 펄스 주파수가 50㎐ 미만이면, 펄스 피크 기간(Tp)이 길어져, 이러한 기간에, 스패터의 증가 또는 비드 외관의 불량이 발생할 우려가 있다.
따라서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 펄스 주파수는 50~200㎐의 범위로 규정된다.
또한, 이러한 펄스 주파수에 있어서의 전류 범위에 대해서는, 펄스 피크 기간(Tp)의 펄스 피크 전류(Ip)를 550~950A, 및 펄스 베이스 기간(Tb)의 펄스 베이스 전류(Ib)를 550A 이하로 규정하는 동시에, 펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이를 200~600A로 규정한다. 이와 같은 전류 범위에서 용접을 실행하는 것에 의해서, 펄스 피크 기간(Tp)의 아크가 경직성을 가지며, 아크의 편향이 생기기 어려워진다. 이것에 의해, 전자력(핀치력)이 와이어 용융 선단부를 매끄럽게 이탈시키는 안정된 용적 이행이 되기 때문에, 스패터의 발생량을 극히 작게 할 수 있다. 또한, 펄스화에 의한 용착량의 향상 효과도 얻어진다.
[펄스 피크 전류 : 550~950A]
펄스 피크 전류(Ip)가 550A 미만이면, 아크 경직성이 불충분할 뿐만 아니라, 펄스화에 의한 용착량 향상 효과를 얻기 어렵다. 또한, 펄스 피크 전류(Ip)가 950A를 초과하면, 과대한 전류에 의해, 와이어 용융 선단부에 가해지는 아크압이 커져, 용융부가 변형하는 것에 의해, 아크 편향이 발생한다. 그 결과, 아크가 불안정하게 되어, 스패터의 발생량이 증가하는 일이 있다. 또한, 팁 마모가 증가하는 일이 있다. 따라서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 펄스 피크 전류(Ip)는 550~950A의 범위로 규정된다.
본 실시형태에 있어서는, 용착량의 향상을 기대할 수 있는 관점에서, 펄스 피크 전류(Ip)는 바람직하게는 600A 이상으로 한다. 또한, 아크를 안정시켜, 스패터의 발생량을 제어하는 관점에서, 펄스 피크 전류(Ip)는 바람직하게는 900A 이하, 보다 바람직하게는 850A 이하로 한다.
[펄스 베이스 전류 : 550A 이하]
펄스 베이스 전류(Ib)가 550A를 초과하면, 펄스 베이스 기간(Tb)에 있어서의 용적으로의 아크압이 과대해지므로, 아크가 불안정하게 되어, 스패터의 발생량이 증가하는 일이 있다. 따라서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 펄스 베이스 전류(Ib)는 550A 이하로 규정된다.
본 실시형태에서는, 아크를 안정시켜, 스패터의 발생을 억제하는 관점에서, 펄스 베이스 전류(Ib)는 바람직하게는 500A 이하로 한다. 펄스 베이스 전류(Ib)의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이가 후술하는 규정 범위 내로 되기 쉽도록, 펄스 베이스 전류(Ib)는 바람직하게는 50A 이상, 보다 바람직하게는 100A 이상으로 한다.
[펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이 : 200~600A]
펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이가 200A 미만이면, 펄스 베이스 기간(Tb)에 있어서의 용적으로의 아크압이 과대해지므로, 불안정한 아크를 유발하여, 스패터의 발생량이 증가하는 일이 있다. 또한, 펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이가 600A를 초과하면, 와이어의 용융 선단부에 가해지는 아크압이 커지게 되어, 용융부가 변형하는 것에 의해서, 아크 편향이 발생한다. 그 결과, 아크가 불안정하게 되어, 스패터의 발생량이 증가하는 일이 있다.
본 실시형태에서는, 아크 안정성의 관점에서, 펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이는 바람직하게는 220A 이상으로 한다. 또한, 스패터의 발생량을 억제하는 관점에서, 펄스 피크 전류(Ip)와 펄스 베이스 전류(Ib)의 차이는 바람직하게는 550A 이하, 보다 바람직하게는 500A 이하로 한다.
(송급 속도/펄스 주파수)
또한, 전술과 같이, 펄스 아크 용접은 용적의 이탈 타이밍이 어긋나면, 스패터 발생량의 증가나, 비드 외관의 불량을 초래할 우려가 있다. 따라서, 전술한 규정 용접 조건에 부가하여, 펄스 아크 용접에 이용하는 소모 전극(용접 와이어)의 송급 속도(㎜/초)를 호적한 범위로 하는 것에 의해서, 용적 이행의 제어, 스패터 발생량의 저감 및 아크의 안정을 도모할 수 있는 것으로 고려된다.
그러나, 호적한 송급 속도는 펄스 주파수에 의해서 변경되기 때문에, 해당 송급 속도(㎜/초)를 펄스 주파수(펄스 횟수/초)로 나눈 송급 속도(㎜/초)/ 펄스 주파수(횟수/초)로 하고, 1파장당의 송급 속도로서 호적한 범위를 규정한다.
송급 속도(㎜/초)/펄스 주파수(펄스 횟수/초)의 관계가 1.50(㎜/1펄스) 이상이면, 아크 길이를 일정하게 유지할 수 있어, 보다 아크의 안정화에 기여할 수 있다. 한편, 송급 속도(㎜/초)/펄스 주파수(펄스 횟수/초)의 관계가 9.00(㎜/1펄스) 이하이면, 과도하게 단락(短絡)되는 일없이, 아크 길이를 일정하게 유지할 수 있어, 스패터의 증가를 회피하는 것이 가능해진다
따라서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 펄스 주파수와, 소모 전극의 공급 속도는 하기 수학식 1을 만족하는 관계인 것이 바람직하다.
[수학식 1]
1.50(㎜/1펄스) ≤ 송급 속도(㎜/초)/펄스 주파수(펄스 횟수/초) ≤ 9.00(㎜/1펄스)
송급 속도/ 펄스 주파수는, 아크를 안정시키는 관점에서, 1.70(㎜/1펄스) 이상인 것이 보다 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2.00(㎜/1펄스) 이상으로 한다. 또한, 스패터의 발생량을 억제하는 관점에서, 송급 속도/펄스 주파수는 8.80(㎜/1펄스) 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
(외부 특성)
고전류의 펄스 용접의 경우, 펄스 피크 전류(Ip)의 아크압에 의해서, 용융지(溶融池)의 요동이 격렬해지기 때문에, 아크 길이가 크게 변동한다. 아크 길이의 변동을 억제하기 위해, 아크 용접기의 용접 전원의 부하 전압과 부하 전류의 관계를 나타내는 외부 특성의 기울기를 완만하게 함으로써, 전류의 변화를 둔감하게 하여, 아크 길이의 변동을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 한편, 외부 특성의 기울기를 과잉으로 크게 하면, 아크 길이의 자기 제어 작용이 손실될 우려가 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 그 용접에 이용하는 용접 전원의 외부 특성(출력 특성)을 정전압 특성으로 하는 것이 바람직하며, 또한 그 외부 특성의 기울기를 후술하는 소정의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또한, 아크 길이의 자기 제어 작용이란, 도 5에 도시되는 바와 같이, 아크 길이가 lO로부터 lS로 짧아지면, 전류는 IO로부터 IS로 증대되기 때문에, 소모 전극(용접 와이어)의 용융 속도가 증가하여 아크 길이를 길게 하도록 작용하고, 아크 길이는 원래의 길이 lO로 되돌려진다. 반대로 아크 길이가 lO로부터 lL로 길어지면, 전류는 IO로부터 IL로 감소하여, 소모 전극(용접 와이어)의 용융 속도를 저하시키기 때문에, 아크 길이는 역시 원래의 길이 lO로 되돌아가는 것과 같은 아크 길이가 자동으로 제어되는 현상을 가리킨다. 이것은, 외부 특성의 기울기가 완만할수록 효과가 나타난다. 이하에, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에 있어서의 외부 특성의 기울기의 호적한 범위와 그 이유를 설명한다.
외부 특성의 기울기가 -4.0(V/100A) 이하인 경우, 고전류의 펄스 아크 용접시의 큰 전류 변화를 제어하여, 아크 길이의 변동을 억제하기 쉽다. 또한, 외부 특성의 기울기가 -14.0(V/100A) 이상인 경우, 아크의 자기 제어 작용을 가져서, 아크 길이의 변동을 억제할 수 있다.
따라서, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 외부 특성의 기울기는 -14.0~-4.0(V/100A)의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 외부 특성의 조건은, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 채용하는 전술한 펄스 조건에 있어서, 특히 효과를 갖는다. 이것은, 상술한 바와 같이, 펄스시의 전류 변화에 의한 아크 길이 변동을 억제시키는 것이 특징이다. 그러나, 본 실시형태에서 채용하는 펄스 주파수 범위의 경우, 용융지의 요동이 격렬해지기 때문에, 외부 특성의 기울기를 종래보다 급격하게 하는 것이 바람직하다.
(실드 가스)
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 이용되는 실드 가스는, 특별히 한정되지 않고, Ar 가스, 탄산 가스 및 그들의 혼합 가스 등을 이용할 수 있다. 실드 가스로서 100% CO2를 이용한 펄스 아크 용접에 있어서도, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 채용하는 전술한 펄스 조건에 의해서, 스패터의 저감 효과 및 팁 마모에 대한 억제 효과는 얻어진다. 실드 가스로서 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스를 이용함으로써, 용적의 이행 형태가 스프레이 이행이 되어, 스패터의 발생량을 보다 저감하는 것이 가능해진다. 따라서, 실드 가스로서, Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스를 이용하는 것이 바람직하다.
Ar을 주체로 한 실드 가스 중의 CO2 함유량이 40체적% 이하이면, 용적에 가해지는 아크압을 제어할 수 있어, 용적 이행이 안정된다. 또한, O2 함유량이 10체적% 이하이면, 슬래그의 발생을 억제할 수 있다.
따라서, 실드 가스로서, CO2 : 0~40체적%(0체적%이어도 좋음) 및 O2 : 0~10체적%(0체적%이어도 좋음)를 포함하고, 잔부가 Ar 및 불순물로 이루어지는 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
(용접 재료)
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 상술한 바와 같이, 펄스 주파수 및 전류를 규정하면, 고전류의 용접에 있어서도, 용적의 이행이 안정되기 때문에, 사용하는 용접 재료는 특별히 한정되지 않는다.
소모 전극으로서, 고전류 용접시의 로테이팅 이행을 보다 억제할 수 있으므로, 플럭스 코어드 와이어를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 플럭스 코어드 와이어는, 통형상으로 형성된 외피부와, 그 내통에 충전된 플럭스를 구비하여 구성되는 것이다. 따라서, 플럭스 코어드 와이어는, 중심에 플럭스가 존재하는 불균일 단면이기 때문에, 와이어 단면의 온도 분포가 불연속하게 되어, 고전류시에도 돌출부가 솔리드 와이어에 비하여, 연화·용융하여 선단이 연신되는 현상을 저감할 수 있다.
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는 조성에 의해서 거동이 거의 변화하지 않으므로, 소모 전극(용접 와이어) 및 모재(피용접재)의 조성은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법은, 수송기 및 건설 기계 등의 분야에 있어서 호적하게 채용될 수 있는 관점에서, 소모 전극(소모 전극으로서 전술한 플럭스 코어드 와이어가 이용되는 경우는, 상기 외피부) 및 모재(피용접재)는 강재인 것이 바람직하고, 탄소강인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 이용되는 용접 토치는, 특별히 한정되지 않지만, 냉각 효과에 의해 팁 마모를 제어 가능한 관점에서, 수냉되는 용접 토치(이하, 「수냉 용접 토치」라고도 칭함)를 이용하는 것이 바람직하다. 도 6은 그러한 수냉 용접 토치를 설명하기 위한 아크 용접에 일반적으로 이용되고 있는 용접 토치(106)의 구성예를 도시하는 모식도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 용접 토치(106)는, 급전부인 콘택트 팁(6a), 토치 본체(6b), 및 콘택트 팁(6a)을 착탈 가능하게 보지하는 팁 기부(6c)로 구성된다. 본 실시형태에서는, 이러한 용접 토치(106)에 있어서, 도 6 중의 토치 본체(6b)의 상측으로부터 팁 기부(6c)까지 수냉되는 용접 토치를 이용하는 것이 바람직하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법은, 펄스 아크 용접의 펄스 피크 전류, 펄스 베이스 전류, 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이, 및 펄스 주파수를 각각 전술한 특정 범위로 하여 용접한다. 이러한 펄스 조건으로 용접하는 것에 의해, 본 실시형태에서는 조작성이 우수한 단 전극의 고전류 펄스 아크 용접에 있어서, 종래의 고전류 용접 방법과 비교하여, 용적 이행 및 아크 길이가 안정되고, 또한 팁의 냉각 효과가 얻어지기 때문에, 스패터를 저감할 수 있는 동시에, 팁 마모를 억제하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 용접하는 공정에 있어서, 스패터를 제거하는 공정의 수고를 저감할 수 있어, 용접 공정의 작업 능률이 더욱 향상된다. 또한, 콘택트 팁의 마모도 제어 가능하므로, 팁의 교환 빈도를 저감할 수 있으며, 그것에 의해 작업 능률의 향상 및 저비용화를 실현하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 소모 전극의 송급 속도/펄스 주파수를 특정 범위로 용접함으로써, 용적 이행 및 아크 길이가 안정되어, 스패터를 보다 저감시키는 것이 가능해져서, 콘택트 팁의 마모를 보다 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서는, 용접 전원의 외부 특성의 기울기를 -14.0~-4.0(V/100A)의 범위로 하여 완만하게 해서(극도의 정전압 특성으로 해서) 용접함으로써, 아크 길이의 변동을 억제하여, 스패터를 보다 저감하는 것이 가능해져서, 콘택트 팁의 마모를 보다 억제하는 것이 가능하다.
본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법에서 이용하는 실드 가스로서, Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스를 이용함으로써, 소모 전극(용접 와이어)의 선단에 가해지는 전자 핀치 효과가 커져서, 용적의 이탈이 용이해지기 때문에, 스패터의 발생을 보다 억제하여 용접할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 펄스 아크 용접에 있어서, 수냉 용접 토치를 이용함으로써, 냉각 효과에 의해, 더욱 팁 마모를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 펄스 아크 용접 방법은 수송기 및 건설 기계 등의 분야에 있어서의 필릿이나 개선 내를 1층 또는 다층 용접하는 경우 등에 호적하게 채용할 수 있다.
[실시예]
이하, 시험예를 들어, 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.
우선, 본 시험예에 있어서의 펄스 아크 용접에서는, 소모 전극으로서, 이하의 표 1에 나타내는 조성 및 선경을 갖는 4종류의 플럭스 코어드 와이어(F1~F4)를 이용했다.
[표 1]
Figure pat00001
아크 용접의 각 조건은 이하의 범위에서 선택하여 결정하고, 각 시험예에 있어서, 하기 표 2에 나타내는 실드 가스 및 펄스 파라미터를 이용하여, 펄스 아크 용접을 실행했다.
· 펄스 피크 전류 : 450~1000A
· 펄스 베이스 전류 : 50~600A
· 펄스 주파수 : 30~310㎐
· 평균 전류 : 400~600A
· 용접 와이어의 송급 속도 : 18~30m/분
· 아크 전압 : 적정 전압(30~50V)
· 실드 가스 : Ar 및 CO2의 혼합 가스(CO2 함유량 : 0~20체적%) 또는 Ar 및 O2(O2 함유량 : 0~10체적%)의 혼합 가스.
또한, 하기 시험예 No. 48에서는, 종래 방법으로서, 펄스 파형을 이용하지 않는 정전압 용접에서 평균 전류 550A로 아크 용접을 실행했다.
모재(피용접재)로서, JIS G3101 SS400의 강판(사이즈 : 두께 12㎜×폭 50㎜×길이 500㎜)를 이용했다. 또한, 각 조사는 비드온 플레이트(bead-on-plate)의 하향 용접으로 평가를 실행했다.
또한, 상기의 펄스 아크 용접의 각 조건은 하기의 각 평가에서 공통의 용접 조건으로 했다.
(1) 아크 길이의 변동(아크 안정성)의 평가
아크 길이의 변동은 차광면을 이용한 육안과 전류 파형으로부터 판단했다. 60초간에 설정 피크 전류에 대하여 +50A를 초과한 경우, 및 베이스 전류에 대하여, -50A를 하회한 경우를 카운트하고, 그 때의 카운트수가 500 이상인 경우는, 육안으로 아크가 불안정하다는 것을 확인할 수 있어, 아크 길이의 변동이 큰 것으로 판단하여 「×」(불량)라고 평가했다. 또한, 해당 카운트수가 250 이상 500 미만인 경우를 아크 길이의 변동에 대한 억제 효과는 거의 보이지 않는 것으로 판단하여 「△」(불가)라고 평가했다. 해당 카운트수가 250 미만인 경우는, 육안으로 아크가 안정된 상황을 확인할 수 있는 일이 있어, 아크 길이의 변동에 대하여 양호한 억제 효과가 있는 것으로 판단하여 「○」(양호)라고 평가했다.
또한, 참고로서, 도 7a에 하기 시험예 No. 1에 있어서의 시간-아크 전압의 파형도, 도 7b에 하기 시험예 No. 32에 있어서의 시간-아크 전압의 파형도를 도시한다.
(2) 스패터의 발생량의 측정과 평가
발생한 스패터의 측정은, 각 예 모두 공통으로, 용접부의 양 측면에 강판으로 제작한 상자를 설치하고, 용접을 실행하여, 1분간에 발생한 스패터 전체를 상자 안(상자 내)으로부터 채취하고, 모인 스패터의 전체 질량을 측정하여 스패터량(g/min)으로 했다. 스패터량은, 1.50g/분을 초과하면, 종래의 정전압 용접의 스패터량보다도 나빠진 것으로 판단하여 「×」(불량)라고 평가했다. 스패터량이 1.50g/분의 절반만큼인 0.75g/분 이하가 되면, 스패터의 저감 효과가 현저하게 양호한 것으로 판단하여 「○」(양호)라고 평가했다. 스패터량이 0.75g/분을 초과하고, 1.50g/분 이하인 경우는, 스패터의 저감 효과가 있는 것으로 판단하여 「△」(가능)라고 평가했다.
(3) 비드 외관
비드의 사행(蛇行), 험핑(humping), 및 언더컷의 용접 결함 등의 비드 표면에 대하여, 육안으로 판단했다. 이들 중 어느 하나의 용접 결함이 하나라도 확인된 경우를 「×」(불량)라고 평가하고, 용접 결함이 확인되지 않은 경우를 「○」 (양호)라고 평가했다.
또한, 참고로서, 도 8a에 하기 시험예 No. 1에서 얻어진 비드 외관을 촬영한 도면 대용 사진을 도시하고, 도 8b에 하기 시험예 No. 32에서 얻어진 비드 외관을 촬영한 도면 대용 사진을 도시한다.
(4) 팁 마모
팁 마모는, 사방 650㎜이고 두께 25㎜의 사이즈의 큰 판상을 비드온 플레이트 용접으로 실행하고, 용접 전의 팁 구멍 면적과 30분 용접 후의 팁 구멍 면적의 차이를 팁의 마모 면적으로서 판단했다. 팁의 마모 면적이 1.00㎟ 이상인 경우를, 팁 마모에 대한 억제 효과가 없는 것으로 판단하여 「×」(불량)라고 평가하고, 팁의 마모 면적이 0.65㎟를 하회하는 경우를, 펄스를 가해도 종래의 정전류 용접과 동등 이상으로, 팁 마모에 대한 억제 효과가 있는 것으로 판단하여 「○」(양호)라고 평가했다. 또한, 팁 마모 면적이 0.65㎟ 이상 1.00㎟ 미만인 경우를 내마모 효과가 거의 보이지 않는 것으로 판단하여 「△」(불가)라고 평가했다.
이상의 평가 결과를 펄스 아크 용접의 조건과 함께 표 2 및 표 3에 나타낸다.
또한, 표 2 및 표 3 중에 나타낸 표기는 각각 이하를 의미한다.
· f.rate : 용접 와이어의 송급 속도
· Ip : 펄스 피크 전류
· Tp: 펄스 피크 기간
· Ib : 펄스 베이스 전류
· Ip-Ib : 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이
· Ia : 평균 전류
· Fp : 펄스 주파수
[표 2]
Figure pat00002
[표 3]
Figure pat00003
시험예 No. 1~31에서는, 펄스 피크 전류, 펄스 베이스 전류, 및 이들의 차이, 및 펄스 주파수가 모두 본 발명에서 규정하는 범위 내이며, 또한 송급 속도/펄스 주파수, 및 외부 특성의 기울기도 호적한 범위이기 때문에, 아크가 안정되고, 스패터의 발생은 적어, 팁의 마모를 억제하는 효과가 있는 것이 시사되었다. 또한, 시험예 No. 1~31에서는, 비드 외관도 양호했다(도 8a 참조).
한편, 시험예 No. 32 및 No. 33은, 펄스 주파수가 너무 높았기 때문에, 아크가 불안정하게 되고, 스패터가 많이 발생하여, 팁 마모에 대한 억제 효과도 인정되지 않았다. 또한, 시험예 No. 1~31에 비해, 비드 외관도 나쁜 것이었다(도 8b 참조).
시험예 No. 34 및 No. 35는, 펄스 주파수가 너무 낮았기 때문에, 아크가 불안정하게 되어, 비드 사행이 발생했다.
시험예 No. 36은, 펄스 피크 전류가 너무 높았기 때문에, 펄스 피크 전류의 범위에 있어서, 팁의 접촉면이 녹기 쉬워져, 팁 마모가 증가했다.
시험예 No. 37은, 펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이가 커져서, 아크가 불안정하게 되어, 스패터나 팁 마모가 증가했다.
시험예 No. 38~47은, 펄스 주파수가 본 발명에서 규정하는 범위 밖이었기 때문에, 아크가 불안정하게 되어, 스패터가 많이 발생했다. 시험예 No. 42 및 No. 43은, 선경 1.2㎜의 용접 와이어를 이용한 경우이지만, 시험예 No. 42는 펄스 주파수가 너무 낮았기 때문에, 시험예 No. 43은 펄스 주파수가 너무 높았기 때문에, 아크가 불안정하게 되어, 스패터의 저감 효과가 얻어지지 않았다. 시험예 No. 44~47은, 조성이 다른 용접 와이어를 이용한 경우이지만, 펄스 주파수가 본 발명에서 규정하는 범위 밖이었기 때문에, 아크가 안정되지 않아, 스패터의 저감 효과가 얻어지지 않았다.
이상에서 설명한 시험 결과로부터, 펄스 아크 용접의 펄스 전류에 있어서, 펄스 피크 전류, 펄스 베이스 전류, 및 이들의 차이, 및 펄스 주파수 모두를, 본 발명에서 규정하는 범위 내에서 용접을 실행하는 것에 의해, 아크가 안정되고, 스패터를 저감시킬 수 있어, 팁 마모에 대한 억제 효과 및 양호한 비드 외관이 얻어지는 것이 뒷받침되었다.
1 : 와이어 돌출부 2 : 선단 용융부
3 : 용적 4 : 아크
Tp : 펄스 피크 기간 Tb : 펄스 베이스 기간
Ip : 펄스 피크 전류 Ib : 펄스 베이스 전류

Claims (6)

  1. 실드 가스를 이용하여 펄스 아크 용접을 실행하는 방법에 있어서,
    상기 펄스 아크 용접의 펄스 전류에 있어서,
    펄스 피크 전류를 550~950A,
    펄스 베이스 전류를 550A 이하,
    펄스 피크 전류와 펄스 베이스 전류의 차이를 200~600A, 및
    펄스 주파수를 50~200㎐로 하여 용접하는
    펄스 아크 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 주파수와, 상기 펄스 아크 용접에 이용하는 소모 전극의 송급 속도의 관계가 하기 수학식 1을 만족하는
    펄스 아크 용접 방법.
    [수학식 1]
    1.50(㎜/1펄스) ≤ 송급 속도(㎜/초)/펄스 주파수(펄스 횟수/초) ≤ 9.00(㎜/1펄스)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펄스 아크 용접에 이용하는 용접 전원의 외부 특성의 기울기가 -14.0~-4.0(V/100A)의 범위인
    펄스 아크 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서
    상기 실드 가스는, CO2 : 0~40체적% 및 O2 : 0~10체적%이고, 잔부가 Ar 및 불순물로 이루어지는 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스인
    펄스 아크 용접 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 실드 가스는, CO2 : 0~40체적% 및 O2 : 0~10체적%이고, 잔부가 Ar 및 불순물로 이루어지는 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스인
    펄스 아크 용접 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 실드 가스는, CO2 : 0~40체적% 및 O2 : 0~10체적%이고, 잔부가 Ar 및 불순물로 이루어지는 Ar 가스 또는 Ar 함유 혼합 가스인
    펄스 아크 용접 방법.
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