KR20170015522A - 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 - Google Patents

일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 Download PDF

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Abstract

효율적으로 슬래그를 배출할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공한다. 용접 와이어(5)에, 강제 외피 내에 플럭스가 충전되고, C, Si, Mn, Mo, Ti 및 SiO2를 특정량 함유하는 동시에, Al, S, P, TiO2 및 Al2O3을 특정량 이하로 규제하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 하기 수식 (A)를 만족하는 조성의 플럭스 코어드 와이어를 사용하고, 슬라이딩 구리 슈(2)에는, 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈을 갖고, 개선의 폭을 a로 했을 때, 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜, 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜, 홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0의 것을 사용하고, 용접 와이어(5)의 송급 속도를 일정하게 하여, 용접 와이어(5)의 돌출 길이가 일정하게 되도록, 용접 전류에 근거하여 용접 토치(4)의 상승 속도를 제어하면서, 일렉트로 가스 아크 용접한다.
Figure pct00010

Description

일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치{ELECTROGAS ARC WELDING METHOD AND ELECTROGAS ARC WELDING APPARATUS}
본 발명은 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서의 슬래그 배출 기술에 관한 것이다.
일렉트로 가스 아크 용접법은, 예를 들어 모재의 표면(개선면)측에 수냉의 슬라이딩 슈(sliding shoe)를 배치하고, 그 반대면에 백킹 슈(backing shoe)를 배치한다. 그리고, 모재, 슬라이딩 슈 및 백킹 슈에 의해 둘러싸이는 공간 내에, 탄산 가스 등의 실드 가스를 공급하고, 용접 토치로부터 용접 와이어를 조출(繰出)하여 아크 용접을 실행한다. 그 때, 용접 자세는, 일반적으로, 아래로부터 위를 향하여 용접을 실행하는 수직 자세가 채용된다.
또한, 일렉트로 가스 아크 용접에서는, 일반적으로 용접 재료로서, 강제(鋼製) 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어(flux-cored wire)가 이용되고 있다. 플럭스 코어드 와이어가 이용되고 있는 이유는, 용접 시에 플럭스 중에 배합되어 있는 슬래그 형성제가 용융되어, 비드의 외관을 양호하게 유지하는 작용을 하기 위해서이다. 그렇지만, 플럭스 코어드 와이어는 용접 시에 슬래그 형성제가 용융되어, 용융 금속 바로 위에 다량의 용융 슬래그가 체류한다. 용융 금속 바로 위의 용융 슬래그가 두꺼워지면, 와이어가 슬래그에 매립되어 버려, 아크의 불안정화나 비드 외관의 열화를 초래한다. 또한, 용융 금속 바로 위의 용융 슬래그가 두꺼워지면, 용접 금속의 성분이 변동되어, 강도 과다나 인성 열화의 문제도 생긴다.
그래서, 종래에, 일렉트로 가스 아크 용접에서는, 슬라이딩 슈의 하부로부터 슬래그를 강제적으로 배출하는 방법이 채용되고 있다(특허문헌 1 내지 4 참조). 예를 들면, 특허문헌 1에 기재된 용접 방법에서는, 슬래그의 배출을 확보하기 위해서, 비드와의 간극이 아래로 갈수록 넓어지는 테이퍼가 마련된 수냉 슬라이딩 구리 슈(water-cooled sliding copper shoe)를 이용하고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 개선측이 되는 면에, 슬라이딩 슈의 표면으로부터 내부에 걸쳐서 점차 감소되는 폭의 홈이 용접 진행 방향으로 새겨지고, 이러한 홈에서 용융 금속과 슬래그를 포함하는 용융지로부터 슬래그를 선택적으로 흡인하는 슬라이딩 슈가 제안되어 있다.
한편, 특허문헌 3에는, 모재와 대향하는 면을 만곡 오목부로 하고, 그 상단 부근에 실드 가스를 공급하기 위한 개구부를 형성하는 동시에, 만곡 오목부의 좌우 양측에 평탄한 수직면으로 이루어지는 슬라이딩 가장자리부를 마련하고, 그 한쪽의 하방에 모재 표면과의 사이에 소정 폭의 간극을 형성하기 위한 절결부를 형성한 슬라이딩 슈가 제안되어 있다. 이 특허문헌 3에 기재된 슬라이딩 슈에는, 용융지의 용융 금속 상에 체류하는 용융 슬래그가, 만곡 오목부와, 용융 금속의 간극으로부터 하방을 향하여 유출되는 동시에, 절결부와 모재 표면의 사이에 형성되는 간극으로부터 슬라이딩 슈의 궤도의 측방으로도 유출되기 때문에, 종래의 슬라이딩 슈보다 용융 슬래그의 배출량을 증가시키는 것이 가능해진다.
또한, 특허문헌 4에는, 수냉 슬라이딩 구리 슈의 피용접재 개선부에 대한 면에, 상방으로부터 하방으로 순차적으로, 용접 비드 형성용의 제 1 홈과, 용융 슬래그를 배출용의 제 2 홈을 마련한 슬라이딩 슈가 제안되어 있다. 특허문헌 4의 슬라이딩 슈에는, 제 1 홈은 피용접재 표면에 평행하게 형성되어 있으며, 제 2 홈은 제 1 홈의 하부에 연속하고 피용접재 표면에 대하여 경사지고, 홈 폭이 상방으로부터 하방으로 순차적으로 넓어지고, 또한 홈 깊이가 상방으로부터 하방으로 순차적으로 깊어지도록 형성되어 있다.
일본 특허 공개 평 11-285826 호 공보 일본 특허 공개 제 2007-90398 호 공보 일본 특허 공개 제 2010-142814 호 공보 일본 특허 공개 제 2012-166204 호 공보
그렇지만, 전술한 종래의 기술에는, 이하에 나타내는 문제점이 있다. 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 홈 깊이가 상방으로부터 하방을 향하여 깊어지는 슬라이딩 슈나, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같은 홈 폭이 상방으로부터 하방을 향하여 넓어지고, 또한 홈 깊이가 상방으로부터 하방을 향하여 깊어지는 슬라이딩 슈를 이용한 경우, 아크 전압이나 슬래그 물성에 따라서는 과도한 슬래그 배출이 되어, 용락(溶落), 슬래그 혼입 또는 기공 등의 용접 결함이 발생한다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 슬라이딩 슈는, 새겨진 홈에서 용융 슬래그를 흡인하고, 배출하는 것이지만, 표면 장력이 낮은 슬래그 조성인 경우는, 흡인 효과가 충분히 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 반복 사용하면, 홈에 인입된 슬래그가 응고되어, 용접 도중에 흡인에 의한 배출 효과가 얻어지지 않는다는 문제점이 있다. 또한, 특허문헌 3에 기재된 슬라이딩 슈는, 수냉 슬라이딩 구리 슈의 절결부에 용융 슬래그뿐만 아니라, 용융 금속도 흘러내려, 비드 형상이 열화된다는 문제점이 있다.
그래서, 본 발명은 효율적으로 슬래그를 배출할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공하는 것을 주 목적으로 한다.
전술한 바와 같이, 슬래그 배출의 촉진은, 종래에, 수냉 슬라이딩 구리 슈의 구조에 따라서 고안되어 왔다. 그렇지만, 슬래그의 배출량은, 아크 안정성이나 용접 와이어의 슬래그 조성에 의해 변경되기 때문에, 수냉 슬라이딩 구리 슈의 구조만으로는 충분히 제어할 수 없다. 특히, 용접 와이어의 조성은, 슬래그의 용융 물성에 영향을 주어, 용접 금속의 용락이나 용접 결함, 비드 형상의 열화에도 관계하지만, 종래에, 용접 와이어의 슬래그 물성과 수냉 슬라이딩 구리 슈 형상에 대하여 최적의 접근은 이루어져 있지 않다.
그래서, 본 발명자는, 슬래그 조성에 대하여 가미한 용접 재료와 용접 장치의 조합에 대하여 검토를 실행하고, 장시간 또한 반복 사용해도 효율적인 슬래그의 배출을 유지할 수 있어, 용접 결함, 비드 형상의 열화, 인성의 열화를 방지할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 발견하여, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법은, 피용접재의 개선 표면에 슬라이딩 구리 슈를 접촉하고, 상기 슬라이딩 구리 슈 및 용접 토치를 상승시키면서 아크 용접을 실행하는 일렉트로 가스 아크 용접 방법으로서, 상기 용접 와이어로서, 강제 외피 내에 플럭스가 충전되고, 와이어 전체 질량당, C : 0.01~0.50 질량%, Si : 0.10~1.00 질량%, Mn : 0.50~4.00 질량%, Mo : 0.10~1.00 질량%, Ti : 0.05~0.40 질량%, SiO2 : 0.10~1.00 질량%를 함유하는 동시에, Al : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함), S : 0.050 질량% 이하(0%를 포함함), P : 0.050 질량% 이하(0%를 포함함), TiO2 : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함), Al2O3 : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함)로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, SiO2 함유량을 [SiO2], Si 함유량을 [Si], Al2O3 함유량을 [Al2O3], Al 함유량을 [Al], TiO2 함유량을 [TiO2], Ti 함유량을 [Ti]로 했을 때, 하기 수식 (A)를 만족하는 조성을 갖는 플럭스 코어드 와이어를 사용하고, 상기 슬라이딩 구리 슈는, 상기 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈을 가지고, 상기 개선의 폭을 a로 했을 때, 상기 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜, 상기 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜, 상기 홈 폭(W)과 상기 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0인 것으로 하고, 상기 용접 와이어의 송급 속도는 일정하게 하고, 상기 용접 와이어의 돌출 길이가 일정하게 되도록, 용접 전류에 근거하여 상기 용접 토치의 상승 속도를 제어한다.
[수학식 1]
Figure pct00001
상기 플럭스 코어드 와이어는, 또한, 와이어 전체 질량당, Mg : 0.50 질량% 이하, Ni : 2.0 질량% 이하, Cr : 1.0 질량% 이하, B : 0.005 질량% 이하를 함유하고 있어도 좋다.
또한, 상기 플럭스 코어드 와이어는, 또한, 와이어 전체 질량당, MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO 중 적어도 1종의 산화물을, 합계로 0.80 질량% 이하 함유할 수도 있다.
또한, 상기 플럭스 코어드 와이어에는, 직경이 1.5~3.5㎜이고, 플럭스 충전율이 15~30 질량%인 것을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법에는, 상기 용접 토치의 상승 속도의 제어는, 로우 패스 필터(low-pass filter)에 의해 검출된 용접 전류로부터 고주파 성분을 제거하는 공정과, 상기 로우 패스 필터를 통과한 용접 전류값과, 사전설정된 용접 전류 지령값을 비교하는 공정을 갖고, 상기 로우 패스 필터의 컷오프 주파수를 0.98~2.93㎐로 설정해도 좋다.
또한, 아크 전압을 주기적으로 변동시키면서 용접을 실행할 수도 있다.
본 발명에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치는, 피용접재의 개선 표면에 접촉되는 슬라이딩 구리 슈와, 상기 개선 내에 용접 와이어를 송급하는 용접 토치와, 상기 용접 토치를, 용접선에 대하여 전후 방향, 상하 방향 및 좌우 방향으로 이동시키는 토치 이동 기구와, 용접 전류에 근거하여 상기 용접 토치의 상승 속도를 제어하는 제어부를 갖고, 상기 슬라이딩 구리 슈는 상기 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈을 갖고, 상기 개선의 폭을 a로 했을 때, 상기 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜, 상기 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜, 상기 홈 폭(W)과 상기 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0이다.
본 발명에 의하면, 슬라이딩 구리 슈의 구조에 부가하여, 용접 재료의 조성을 특정하고 있기 때문에, 효율적으로 슬래그를 배출하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 모식적으로 도시하는 단면도,
도 2는 개선 형상을 도시하는 단면도,
도 3a는 도 1에 도시하는 슬라이딩 구리 슈(2)의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도,
도 3b는 도 3a에 도시하는 Z-Z선에 따른 단면도,
도 4는 돌출 길이가 일정하게 되도록 제어하는 방법을 도시하는 블록도,
도 5는 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서 이용하는 용접 장치의 구성예를 도시하는 도면,
도 6은 필릿 용접에 적용하는 경우의 용접 방법을 도시하는 단면도.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여, 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 모식적으로 도시하는 단면도이며, 도 2는 개선 형상을 도시하는 단면도이다. 또한, 도 3a는 도 1에 도시하는 슬라이딩 구리 슈(2)의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이며, 도 3b는 도 3a에 도시하는 Z-Z선에 의한 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법은, 피용접재(모재(1))에 형성된 개선의 한쪽의 면측에 슬라이딩 구리 슈(2)를 접촉하는 동시에, 다른쪽의 면 측에 백킹재(3)를 접촉한다. 여기서, 개선 형상으로서는, 예를 들어 도 2에 도시하는 V 개선을 적용할 수 있다. 그리고, 모재(1), 슬라이딩 구리 슈(2) 및 백킹재(3)에 의해 둘러싸이는 개선 내에, 실드 가스를 공급하면서 용접 토치(4)로부터 용접 와이어(5)를 송급하고, 용접 토치(4) 및 슬라이딩 구리 슈(2)를 상승시키면서 아크 용접을 실행한다.
이 때, 용접 와이어(5)에는, 강제 외피 내에 플럭스가 충전되고, C, Si, Mn, Mo, Ti 및 SiO2를 특정량 함유하는 동시에, Al, S, P, TiO2 및 Al2O3를 특정량 이하로 규제하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 하기 수식 (A)를 만족하는 조성의 플럭스 코어드 와이어를 사용한다. 또한, 하기 수식 (A)에 있어서의 [SiO2]는 SiO2 함유량, [Si]는 Si 함유량, [Al2O3]는 Al2O3 함유량, [Al]는 Al 함유량, [TiO2]는 TiO2 함유량, [Ti]는 Ti 함유량이다.
또한 본 명세서에 있어서, [Si]로 나타내는 Si 함유량은 SiO2 중의 Si를 제외하는 Si 함유량이다. 또한, [ ]로 나타내는 함유량은 질량비로 나타난 함유량이다.
[수학식 2]
Figure pct00002
또한, 도 3a 및 도 3b에 도시하는 바와 같이, 슬라이딩 구리 슈(2)는, 개선에 접촉하는 면에 곡률을 갖는 홈(12)을 갖고, 개선의 폭을 a로 했을 때, 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜, 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜, 홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0의 것을 사용한다. 또한, 용접 시는, 용접 와이어(5)의 송급 속도를 일정하게 하고, 용접 전류에 근거하여 용접 토치의 상승 속도를 제어한다.
다음에, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 있어서의 각종 조건 설정의 이유에 대하여 설명한다.
[용접 와이어(5)]
본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 이용되는 용접 와이어(5)는 통 형상의 강제 외피와, 이 외피의 내측에 충전된 플럭스로 구성되는 플럭스 코어드 와이어이다. 또한, 플럭스 코어드 와이어의 형태는, 외피에 이음매가 없는 심리스 타입(seamless type), 외피에 이음매가 있는 심 타입 중 어느 하나라도 좋다. 또한, 플럭스 코어드 와이어에는, 표면(외피의 외측)에 구리 도금이 실시되어 있는 것과, 실시되어 있지 않은 것이 있지만, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서는, 어느 쪽도 사용할 수 있다.
이하, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서 이용하는 플럭스 코어드 와이어의 성분 조성의 수치 한정 이유를 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 성분량은 외피와 플럭스를 합한 와이어 전체 질량에 대한 비율이다.
＜C : 0.01~0.50 질량%＞
C는 용접 금속의 강도를 높이는 효과가 있다. 그렇지만, 용접 와이어의 C 함유량이 0.01 질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도가 부족하다. 한편, 용접 와이어 중에 C가 0.50 질량%를 초과하여 다량으로 포함되어 있으면, 용접 중에 산소와 결합하여 CO 가스가 되고, 용적 표면에 거품이 발생한다. 그리고, 이 거품이 비산하는 것에 의해, 아크가 불안정하게 되어, 스패터가 발생한다. 따라서, 용접 와이어의 C 함유량은 0.01~0.50 질량%로 한다.
＜Si : 0.10~1.00 질량%＞
Si는, 탈산 작용이 있는 원소이며, 용접 금속의 강도나 인성을 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 그렇지만, 용접 와이어의 C 함유량이 0.10 질량% 미만인 경우, 탈산 부족에 의해, 용접 금속에 블로우홀(blowhole)이 발생한다. 한편, 용접 와이어에, 1.00 질량%를 초과하여 다량으로 Si가 포함되어 있으면, 용접 중에 용융 금속(7) 위에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Si 함유량은 0.10~1.00 질량%로 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 용접 와이어의 Si 성분량이라고 하는 경우, SiO2 중의 Si는 포함하지 않는다. SiO2 성분량에 대해서는 별도로 규정하고 있기 때문이다.
＜Mn : 0.50~4.00 질량%＞
Mn은 전술한 Si와 마찬가지로, 탈산소제 또는 유황 포착제로서 작용하기 때문에, 용접 금속의 강도나 인성의 확보에 필요한 원소이다. 그렇지만, 용접 와이어의 Mn 함유량이 0.50 질량% 미만인 경우, 탈산 부족에 의해 용접 금속에 용접 결함(블로우홀)이 발생하거나 용접 금속의 인성이 부족해진다. 한편, 용접 와이어에, 4.00 질량%를 초과하여 다량으로 Mn이 포함되어 있으면, 용접 중에 박리되기 어려운 슬래그가 대량 발생하여, 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생하는 동시에, 용접 금속의 강도가 너무 증가하여 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, 용접 와이어의 Mn 함유량은 0.50~4.00 질량%로 한다.
＜Mo : 0.10~1.00 질량%＞
Mo는 용접 금속의 강도나 인성을 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 그렇지만, 용접 와이어의 Mo 함유량이 0.10 질량% 미만인 경우, 용접 금속의 강도나 인성이 부족하다. 한편, 용접 와이어에, 1.00 질량%를 초과하여 Mo이 포함되어 있으면, 용접 금속이 강도 과다가 되어, 균열 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, 용접 와이어의 Mo 함유량은 0.10~1.00 질량%로 한다.
＜Ti : 0.05~0.40 질량%＞
Ti는 용접 금속 중의 페라이트 입자를 미세화하여, 인성을 향상시키는 효과가 있다. 그렇지만, 용접 와이어의 Ti 함유량이 0.05 질량% 미만인 경우, 용접 금속의 인성이 부족하다. 한편, Ti는 강탈산 원소이기 때문에, 용접 와이어에 0.40 질량%를 초과하여 Ti이 포함되어 있으면, 점성이 높은 TiO2 슬래그의 발생이 과다해진다. 그 결과, 슬래그 배출이 억제되어, 용융 금속(7) 위에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Ti 함유량은 0.05~0.40 질량%로 한다.
＜SiO2 : 0.10~1.00 질량%＞
SiO2는 플럭스에 함유되는 산화물이며, 비교적 유동성이 양호한 용융 슬래그를 형성한다. 또한, SiO2와 함께, 후술하는 MgO나 CaO를 첨가하면, 용융 슬래그의 유동성이 더욱 양호해진다. 이 때문에, 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서, SiO2를 주체로 한 슬래그 조성으로 하면, 슬래그의 배출이 촉진된다. 또한, SiO2를 주체로 한 슬래그 조성은 유리질이고 박리도 하기 쉽고, 비드 전면에 퍼지기 때문에, 비드 외관도 양호해진다. 이러한 SiO2를 주체로 한 슬래그 조성을 형성하기 위해서는, 용접 와이어에 SiO2를 0.10 질량% 이상 함유시킬 필요가 있다.
한편, 용접 와이어에, SiO2를 1.00 질량%를 초과하여 함유시키면, 슬래그량이 과다하게 되어, 배출 효과보다 산화물 생성이 상회하고, 용융 금속(7) 위에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어에 있어서의 SiO2 함유량은 0.10~1.00 질량%로 한다. 또한, 슬래그 배출 효율 향상의 관점에서, 용접 와이어의 SiO2 함유량은 0.20~0.60 질량%인 것이 바람직하다.
＜Al : 0.30 질량% 이하＞
Al은, 전술한 Ti와 마찬가지로, 용접 금속 중의 페라이트 입자를 미세화하여, 인성을 향상시키는 효과가 있지만, 페라이트 입자의 미세화 효과는 Ti이 가장 효과적이며, 또한 Al 산화물은 점성이 높기 때문에, 슬래그 박리성을 저하시켜, 비드 외관에 영향을 미친다. 이 때문에, 용접 와이어에 Al은 극력 첨가하지 않는 것이 바람직하며, 0 질량%인 것이 보다 바람직하다.
한편, Al은 강탈산 원소이기 때문에, 용접 와이어에 0.30 질량%를 초과하여 Al이 포함되어 있으면, 슬래그의 발생이 과다해진다. 그 결과, 슬래그 배출이 억제되어, 용융 금속(7) 위에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어의 Al 함유량은 0.30 질량% 이하로 규제한다.
＜S : 0.050 질량% 이하, P : 0.050 질량% 이하＞
S(유황) 및 P(인)는, 모두 불가피적 불순물이며, 용접 와이어에 있어서의 이들 원소의 함유량이 각각 0. 050 질량%를 초과하면, 용접 금속에 균열 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, S 함유량 및 P 함유량은 모두 0.050 질량% 이하로 규제한다. 또한, 용접 와이어의 S 함유량 및 P 함유량은, 가능한 한 적은 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0 질량%이지만, 각각 0.050 질량% 이하이면, 본 발명의 효과에는 영향을 주지 않는다.
＜TiO2 : 0.30 질량% 이하, Al2O3 : 0.30 질량% 이하＞
TiO2 및 Al2O3는, 플럭스에 함유되는 산화물이지만, 점성이 높은 용융 슬래그를 형성하기 때문에, 이들 함유량은 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하며, 0 질량%인 것이 보다 바람직하다. 특히, 용접 와이어에 있어서의 TiO2 함유량 및 Al2O3 함유량이 각각 0.30 질량%를 초과하면, 슬래그 배출이 억제되어, 용접 금속의 인성이 열화되거나 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, TiO2 함유량 및 Al2O3 함유량은 각각 0.30 질량% 이하로 규제한다.
＜(SiO2＋2.1 Si)/(Al2O3＋1.9Al＋TiO2＋1.7Ti)＞
전술한 바와 같이, 플럭스에 유래하는 TiO2나 Al2O3, 강탈산 원소인 Ti 및 Al은 슬래그의 배출을 억제한다. 이 때문에, ([SiO2 ]＋2.1×[Si])/([Al2O3]+1.9×[Al]+[TiO2]+1.7×[Ti])가 1.0 미만인 경우, 즉, 용접 와이어에 있어서의 이들 성분의 함유량이 상기 수식 (A)를 만족하지 않는 경우는, TiO2나 Al2O3 주체의 슬래그 조성이 되고, 용접 금속의 인성 저하나 용접 결함의 발생을 초래한다.
이에 반하여, ([SiO2]+2.1×[Si])/([Al2O3]+1.9×[Al]+[TiO2]+1.7×[Ti])가 1.0 이상인 경우, 즉, 용접 와이어에 있어서의 이들 성분의 함유량이 상기 수식 (A)를 만족하는 경우는, SiO2 주체의 슬래그 조성이 되고, 슬래그 배출이 촉진되어, 용접 결함이 없는 양호한 비드 외관이 된다. 또한, 상기 수식 (A)에 있어서의 Si, Al, Ti의 계수는, 원소와 산화물의 몰 질량비로서, 첨가 원소가 모두 산화물이 된 경우를 상정하여 규정하고 있다.
＜Mg : 0.50 질량% 이하＞
Mg은, 강탈산 원소로서, 용접 금속의 산소량을 저감하여 인성을 향상시키는 효과가 있기 때문에, 필요에 따라서 용접 와이어에 첨가할 수 있다. 또한, 용접 금속의 인성 향상의 관점에서, 용접 와이어에 Mg을 첨가하는 경우는 0.05 질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
한편, Mg은 강탈산 원소이기 때문에, 용접 와이어가 0.50 질량%를 초과하여 Mg을 함유하면, MgO 슬래그가 과다해진다. 적당량의 MgO는 SiO2와 결합되어, 유동성이 양호한 용융 슬래그가 되지만, MgO가 과도하게 증가하면, 용접 중에 박리하기 어려운 슬래그가 대량 발생하여, 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, 용접 와이어에 Mg을 첨가하는 경우는, 0.50 질량% 이하로 한다.
＜Ni : 2.0 질량% 이하, Cr : 1.0 질량% 이하, B : 0.005 질량% 이하＞
용접 와이어에 이용하는 플럭스 코어드 와이어는, 용접 금속의 강도 또는 인성 향상을 위해, Ni, Cr 및 B를 함유하고 있어도 좋다. 단, 이들 원소는, 과잉으로 첨가하면, 용접 금속에 균열이 발생하기 쉬워진다. 구체적으로는, 용접 와이어에, Ni을 2.0 질량%를 초과하여 첨가하거나 Cr을 1.0 질량%를 초과하여 첨가하거나 B를 0.005 질량%를 초과하여 첨가하면, 용접 금속에 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Ni, Cr 및 B를 첨가하는 경우는, 각각 Ni : 2.0 질량% 이하, Cr : 1.0 질량% 이하, B : 0.005 질량% 이하로 한다.
＜MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO, BaO : 합계로 0.80 질량% 이하＞
MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO는, SiO2와 융합하여, 슬래그의 점성을 저하시켜, 유동성을 향상시키는 효과가 있다. 단, MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO의 총 함유량이 0.80 질량%를 초과하면, 슬래그량이 과다하게 되어, 배출 효과보다 산화물 생성이 상회한다. 이 때문에, 용융 금속(7) 상에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 따라서, 용접 와이어에, MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO를 첨가하는 경우는, 총 함유량이 0.80 질량% 이하가 되도록 한다. 또한, 용접 와이어는 이들 산화물 중 1종만을 함유하고 있어도 좋고, 또한 2종 이상을 함유하고 있어도 좋다.
＜잔부 : Fe 및 불가피적 불순물＞
본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서 사용하는 용접 와이어(플럭스 코어드 와이어)의 성분 조성에 있어서의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.
＜직경 : 1.5~3.5㎜＞
용접 와이어에 이용하는 플럭스 코어드 와이어의 직경은 1.5~3.5㎜인 것이 바람직하다. 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서, 직경 1.5㎜ 미만의 와이어를 이용하면, 용착량이 많아져, 용융 금속 위치가 높아지기 때문에, 슬래그 배출이 억제된다. 한편, 직경이 3.5㎜를 초과하는 와이어를 이용하면, 용접 전류가 높아져, 대입열(大入熱)이 되기 때문에, 얻어지는 용접 금속의 인성이 열화되기 쉬워진다.
＜플럭스 충전율 : 15~30 질량%＞
용접 와이어에 이용하는 플럭스 코어드 와이어는 플럭스 충전율이 15~30 질량%인 것이 바람직하다. 플럭스 충전율이 15 질량% 미만인 와이어를 이용하면, 용착량의 향상 효과를 얻지 못하고, 와이어가 슬래그욕에 매립되기 쉬워진다. 한편, 플럭스 충전율이 30 질량%를 초과하는 와이어를 이용하면 줄열 효과가 높아져, 용적 이행이 불안정하게 되기 때문에, 돌출 제어가 곤란해진다. 또한, 여기에서 말하는 「플럭스 충전율」은, 외피 내에 충전되는 플럭스의 질량을, 와이어 전체(외피와 플럭스의 합계)의 질량에 대한 비율로 규정한 것이다.
＜외피＞
용접 와이어에 이용하는 플럭스 코어드 와이어의 외피의 재질은 와이어 전체의 조성이 전술한 범위 내이면 좋고, 연강 및 스테인리스강 중 어느 것이라도 좋다.
＜제법＞
본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서 사용하는 용접 와이어(플럭스 코어드 와이어)의 제조 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니며, 일반적인 제조 방법에 의해 제조한 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 연강 또는 스테인리스로 이루어지는 외피를 U자 형상으로 성형한 것에 플럭스를 충전한 후, 통 형상으로 성형하여, 목적 직경까지 신선하는 것에 의해 제조할 수 있다.
[슬라이딩 구리 슈(2)]
본 실시형태의 일렉트로 아크 용접에 이용하는 슬라이딩 구리 슈(2)는 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈(12)이 마련되어 있다. 이 슬라이딩 구리 슈(2)의 홈 형상은 용융 슬래그의 배출에 의존한다. 홈 폭(W) 및 홈 깊이(D)가 크면 슬래그의 배출은 촉진되지만, 용융 금속의 용락, 및 슬래그에 의해 비드가 균일하게 피복되지 않는 것에 의한 비드 형상 불량이나 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생한다.
한편, 홈 폭(W) 및 홈 깊이(D)가 작으면 슬래그의 배출이 막혀, 용융 금속(7) 상에 모이는 용융 슬래그(8)가 두꺼워져서, 용접 와이어(5)가 용융 슬래그(8)에 매립되어, 용접 금속(9)의 수율이 변동되어서 인성이 열화된다. 이 때문에, 비드를 슬래그로 균일하게 피복하는 것에 의해, 비드 형상 불량 및 용접 결함의 발생을 방지하기 위해서는, 홈은 과도하게 크게 하지 않는 것이 좋다.
한편, 홈 형상을 작게 하면, 슬래그를 배출하기 어려워진다. 그래서, 본 실시형태의 일렉트로 아크 용접 방법에서는, 전술한 조성의 용접 와이어(플럭스 코어드 와이어)를 이용하는 것에 의해, SiO2를 주체로 한 용융 슬래그를 형성한다. SiO2를 주체로 한 용융 슬래그는 점성이 낮기 때문에, 유동성이 양호하며, 또한 구리 슈와의 습윤성도 양호한 용융 물성을 갖고 있기 때문에, 과도한 홈 가공을 필요로 하지 않아도, 슬래그에 의해 비드를 균일하게 피복하여, 양호한 형상의 비드를 형성할 수 있다.
전술한 조성의 플럭스 코어드 와이어와의 조합에 적절한 홈 형상은, 개선의 폭을 a로 했을 때, 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜, 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜, 홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0이다.
＜홈 폭(W) : (1.1×a)~(2.5×a)㎜＞
홈 폭(W)은 개선 폭(a)에 의존한다. 홈 폭(W)이 개선 폭(a)의 1.1배 미만인 경우, 비드 형상이 불량하게 되고, 또한 2.5배를 초과하면, 용접 금속의 용락이나 비드 형상 불량이 발생한다. 따라서, 홈 폭(W)은 개선 폭(a)의 1.1~2.5배의 범위로 한다.
＜홈 깊이(D) : 0.5~5.5㎜＞
홈 깊이(D)가 0.5㎜ 미만인 경우, 용접 금속의 수율이 변동되어, 인성이 열화된다. 또한, 홈 깊이(D)가 5.5㎜를 초과하면, 슬래그가 비드 상에 균일하게 올라가지 않아, 비드 형상 불량이나 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, 홈 깊이(D)는 0.5~5.5㎜의 범위로 한다.
＜홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D) : 5.0~80.0＞
홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0 미만인 경우, 전술한 조성의 플럭스 코어드 와이어를 사용하여도, 슬래그의 배출이 막혀, 용접 금속의 수율이 변동되어서, 인성이 열화된다. 한편, 홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 80.0을 초과하면, 비드 형상 불량이나 슬래그 혼입 등의 용접 결함이 발생한다. 따라서, 홈 폭(W)과 홈 깊이(D)의 비(W/D)는 5.0~80.0으로 한다.
＜홈 형상＞
슬라이딩 구리 슈(2)의 홈(12)의 형상은 곡률을 가진 형상으로 한다. 이에 의해, 양호한 비드 형상을 유지할 수 있다. 홈(12)의 곡률 반경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 30~180㎜인 것이 바람직하다. 이에 의해, 슬래그에 의해 균일하게 피복하여, 비드 형상을 더욱 향상시킬 수 있다.
[용접 와이어(5)의 돌출 길이 제어]
용접 시의 용접 와이어(5)의 돌출 길이는 20~60㎜로 하는 것이 바람직하다. 일렉트로 가스 아크 용접에 있어서, 용접 와이어(5)의 돌출 길이가 20㎜ 미만인 경우, 용접 전류가 높아져, 대입열이 되므로, 용접 금속의 인성이 열화된다. 한편, 용접 와이어(5)의 돌출 길이가 60㎜를 초과하면, 줄열 효과가 높아져, 용적 이행이 불안정하게 되기 때문에, 후술하는 돌출 길이를 일정하게 하는 제어가 곤란해진다.
그리고, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접에서는, 전술한 용접 와이어(5)의 돌출 길이(l)가 일정하게 되도록, 용접 토치의 상승 속도를 제어하면서 용접을 실행한다. 돌출 길이를 일정하게 하면, 아크가 안정되어, 용융 슬래그(8)의 요동을 저감할 수 있기 때문에, 슬래그 배출량의 경시 변화가 작아져, 항상 균일량의 슬래그 배출이 가능해진다. 그 결과, 비드 형상 불량이나 슬래그 혼입과 같은 용접 결함을 방지할 수 있다.
특히, 유동성이 양호한 용융 슬래그가 형성되는 용접 와이어를 이용한 경우는, 용융 슬래그(8)의 요동이 보다 커지기 때문에, 전술한 돌출 길이를 일정하게 하는 제어는 필수가 된다. 이하, 용접 와이어(5)의 돌출 길이를 일정하게 하기 위한 구체적 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 돌출 길이를 일정하게 하는 제어 방법을 도시하는 블록도이다.
용접 와이어(5)의 돌출 길이가 짧아지면 용접 전류는 커지고, 돌출 길이가 길어지면 용접 전류는 작아진다. 그래서, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접에서는, 용접 전류를 검출하고, 그 값에 근거하여 용접 토치(5) 상승 속도, 즉 용접 속도를 제어한다. 그 때, 용접 와이어(5)의 송급 속도는 변경하지 않고, 일정하게 한다.
용접 전류에 근거하여 용접 토치의 상승 속도를 제어하는 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 도 4에 도시하는 바와 같이, 로우 패스 필터(F1)에 의해 고주파 성분을 제거한 용접 전류(X1)를 전류 검출값 변환기(G1)에 입력한다. 그리고, 이러한 전류 검출값 변환기(G1)의 전류값과, 수동 조작(X2)에 의해 설정된 용접 전류 지령값을 전류 설정기(G2)에서 반전시킨 값을 비교한다. 그 결과, 용접 전류값이 용접 전류 지령값보다 큰 경우는, 용접 토치(4)의 상승 속도를 빠르게 하고, 용접 전류 지령값보다 작은 경우는, 용접 토치(4)의 상승 속도를 느리게 한다.
용접 토치(4)의 속도의 제어는, 예를 들어 대차 주행 모터 속도 지령 연산기(G3)에서 연산을 실행하고, 대차 주행 모터 구동 회로(20)를 통하여, 용접 토치(4)를 이동시키는 대차의 주행 모터(21)를 자동 제어하는 것에 의해 실행할 수 있다. 이러한 제어에 의해, 용접 와이어(5)의 돌출 길이를 일정하게 할 수 있다.
이 때, 용접 와이어(5)의 돌출 길이 제어의 정밀도 향상의 관점에서, 로우 패스 필터(F1)의 컷오프 주파수를 0.98~2.93㎐의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 로우 패스 필터의 컷오프 주파수가 0.98㎐ 미만인 경우, 용접 토치(4)의 상승 속도 제어의 감도가 저하되어, 용접 와이어(5)의 돌출 길이의 변화에 추종할 수 없는 경우가 있다. 또한, 컷오프 주파수가 2.93㎐를 초과하면, 용접 토치(4)의 상승 속도 제어의 감도가 너무 높아져, 약간의 전류 변화로 상승 속도가 변경되어, 용접 와이어(5)의 돌출 길이가 변경되기 때문에, 아크가 불안정하게 되는 경우가 있다. 아크가 불안정하게 되면, 주변의 공기를 혼입하여, 질소가 용접 금속 중에 혼입하기 때문에, 인성이 열화되는 경우가 있다.
[용접 장치의 구성]
도 5는 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서 이용하는 용접 장치의 구성예를 도시하는 도면이다. 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법은, 전술한 슬라이딩 구리 슈(2)와, 용접 토치(4)와, 토치 이동 기구와, 제어부를 구비하는 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 의해 실시할 수 있다. 일렉트로 가스 아크 용접 장치에는, 일반적으로 용접 전원(25), 와이어 송급 장치(26) 및 실드 가스 공급 기구 등이 마련된다.
토치 이동 기구는, 용접 토치(4)를 용접선에 대하여, 전후 방향, 상하 방향 및 좌우 방향으로 이동시키는 것으로서, 예를 들어 대차(22) 및 주행용 레일(23) 등에 의해 구성되어 있다. 착탈형의 용접 대차(22)에는, 용접 토치(4) 및 슬라이딩 구리 슈(2)가 장착되어 있으며, 주행용 레일(23)을 가이드로 하여 이동시키고, 용접선에 대하여 상하, 전후, 좌우 방향으로 위치 조정 가능하게 구성되어 있다. 또한, 용접 대차(22)는 20kg 이하이며, 또한 용접 대차(22)에 마련되어 있는 가이드 롤러 사이의 폭과 주행 레일(23)의 폭을 상대적으로 변화시키는 것에 의해 용접 대차(22)를 주행 레일(23)의 소정 위치로부터, 용이하게 착탈 가능하게 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 제어부는, 용접 와이어(5)의 돌출 길이가 일정하게 되도록, 용접 전류에 근거하여 용접 토치(4)의 상승 속도를 제어하는 것으로서, 예를 들어 조작 상자(24) 내에 마련되어 있다. 이 조작 상자(24)는, 용접 전원(25)에 접속되어 있으며, 용접 개시 및 정지를 위한 스위치, 용접 전류 조정, 용접 전압 조정, 돌출 길이 조정, 주행 속도 조정 및 와이어 인칭(wire inching) 등을 제어한다.
[기타 용접 조건]
피용접재(모재(1))의 판 두께는 특별히 한정되는 것이 아니며, 용도 등에 따라서 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 모재(1)가 판 두께 32㎜를 초과하는 후판인 경우는, 용접 토치(4)를 오실레이트하여 용접해도 좋다. 그 경우, 위버 각도 설정 기구(weaver-angle setting mechanism), 설정 각도로 유지할 수 있는 위버 회전 전달 구동 기구, 토치와 용접 대차가 이루는 각도를 항상 일정하게 보지하는 토치 회전 전달 기능, 위빙 동작 전달 기구를 갖고 있는 것이 바람직하다.
용접에 이용하는 전원(용접 전원)의 특성은 특별히 한정되는 것이 아니며, 직류 전류의 용접 전원이어도 좋고, 교류 전원이어도 좋다. 단, 돌출 길이가 일정하게 되도록 제어하므로, 용접 전원에는, 정전압 특성을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 백킹재(3)의 종류나 재질도 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 수냉식 구리 슈라도 좋고, 세라믹재나 모재(1)와 근접한 조성의 강재라도 좋다.
아크 전압이 높을수록, 광범위하게 아크압이 가해지기 때문에, 슬래그의 배출에는 효과적이다. 그렇지만, 아크 전압이 높은 상태를 장시간 계속하면, 아크가 불안정하게 된다. 그래서, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서는, 슬래그 배출의 촉진 때문에, 임의의 시간마다 아크 전압값이 높아지도록 하는 것이 바람직하다. 아크 전압을 높이는 타이밍은, 일정 간격으로 실행하여도 좋고, 부정기라도 좋다. 또한, 아크 전압을, 펄스와 같이 주기적으로 변화시키는 경우, 그 파형은 특별히 한정되지 않으며, 직사각형파, 삼각파 및 파형(wave shape) 등의 각종 펄스 파형을 채용할 수 있다. 또한, 펄스 주파수의 범위도, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1~500㎐가 바람직하며, 이에 의해 슬래그 배출이 효과적으로 얻어진다.
또한, 실드 가스는, 100 체적% CO2, 100 체적% Ar 이외, Ar과 CO2 또는 O2의 혼합 가스 등을 사용할 수 있다. 이들 실드 가스 중에서도, 특히, 용입 효과가 크므로, 100 체적% CO2가 바람직하다. 또한, 실드 가스 불량의 방지의 관점에서, 가스 유량은 15~40L/분으로 하는 것이 바람직하다.
[이음매 형상]
본 발명의 일렉트로 가스 아크 용접은, 모재(1)의 형상이 전술한 V 개선인 경우 이외에도, 필릿 용접에도 적용할 수 있다. 도 6은 필릿 용접에 적용하는 경우의 용접 방법을 도시하는 단면도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 필릿 용접을 실행하는 경우는 백킹재는 불필요하다. 그리고, 모재(1)의 표면에 슬라이딩 구리 슈(2)를 접촉하고, 모재(1)와 슬라이딩 구리 슈(2)에 의해 둘러싸이는 개선 내에, 실드 가스를 공급하면서 용접 토치로부터 용접 와이어를 송급하고, 용접 토치 및 슬라이딩 구리 슈를 상승시키면서 아크 용접을 실행하면 좋다. 기타 조건은 V 개선인 경우와 마찬가지이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서는, 용융 슬래그 배출에 가장 효과적인 물성의 용융 슬래그를 형성할 수 있는 플럭스 코어드 와이어와 특정의 홈 형상을 갖는 슬라이딩 슈를 사용하고, 용접 와이어의 돌출 길이가 일정하게 되도록 제어하면서 용접하고 있기 때문에, 장시간 반복하여 사용하여도 효율적인 슬래그의 배출을 유지할 수 있다. 그 결과, 용접 결함, 비드 형상의 열화, 용접 금속의 인성의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 일렉트로 가스 아크 용접 방법은, Mg, Ni, Cr 및 B를 특정량 함유하는 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 것에 의해, 용접 금속의 인성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO 중 적어도 1종의 산화물을 함유하는 플럭스 코어드 와이어를 사용하면, 이들이 SiO2와 복합되는 것에 의해, 용융 슬래그 점성이 저하되기 때문에, 용융 금속 상에 모이는 용융 슬래그의 배출을 더욱 촉진시킬 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예로 들어, 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는, 하기 표 1 내지 표 4에 나타내는 플럭스 코어드 와이어(W1 내지 W70)와, 하기 표 3, 표 4에 나타내는 슬라이딩 구리 슈를 사용하고, 용접 와이어의 송급 속도를 일정하게 하고, 용접 전류에 근거하여 용접 와이어의 돌출 길이가 일정하게 되도록 용접 토치의 상승 속도를 조절하면서, 일렉트로 가스 아크 용접을 실행했다. 또한, 하기 표 1, 표 2에 나타내는 플럭스 코어드 와이어의 성분 조성에 있어서의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 또한, 하기 표 1, 표 2에서의 「-」는, 적극적으로 첨가되어 있지 않은 것을 나타내고 있지만, 이들 성분에 대해서도 불가피적 불순물로 함유되어 있는 경우가 있다.
[표 1]
Figure pct00003
[표 2]
Figure pct00004
[표 3]
Figure pct00005
[표 4]
Figure pct00006
일렉트로 가스 아크 용접은 하기의 조건으로 실행했다.
용접 전류 : 380A
아크 전압 : 35V
용접 속도 : 8cm/분
입열량 : 9.9kJ/㎜
모재 판 두께 : 19㎜
개선 형상 : V 개선
개선 각도 : 40°
갭 : 5~10㎜(갭은 개선 폭의 조정으로 5~10㎜로 변화시켰음)
실드 가스 : 100% CO2
평가는, 이하에 나타내는 방법으로, 비드 외관, 아크 안정성, 용접 결함의 유무, 샤르피(Charpy) 값에 대하여 실행했다.
＜비드 외관＞
비드 외관은 용접 종료 후의 비드를 육안으로 판단했다. 비드 사행, 험핑(humping) 및 오버랩(overlap) 등의 비드 형상 불량이 있는 경우는 ×로 하고, 정상적인 경우는 ○로 했다.
＜아크 안정성＞
아크 안정성은 용접중의 아크 전압값을 데이터 로거(data logger)로 측정하여, 판단했다. 구체적으로는, 설정 전압값에 대하여, ±5V 이상으로, 5초간 연속으로 전압이 변동된 경우는 아크 불안정으로 하여 ×로 하고, 5초 이내에 들어가 있는 경우는 ○로 했다. 또한, ±5V 이상의 변동이 없는 경우는 더욱 양호로 하여 ◎로 했다.
＜용접 결함＞
용접 결함은 방사선 투과 시험(RT : JIS Z 3104 참조)에 준거한 방법으로 실행했다. 결함을 확인할 수 있는 경우는 ×, 없는 경우는 ○로 했다.
＜인성＞
용접 금속의 인성은, JIS Z 3128에 근거하여, -20℃의 샤르피 흡수 에너지(J)로 평가했다. 구체적으로는, 비드 단면 중앙으로부터 시료를 추출하여, 3회의 평균값을 취했다. JIS Z 3319의 일렉트로 가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 규격에서는, -20℃의 샤르피 흡수 에너지(J)가 40J 이상이므로, 40J 미만 이하인 경우는 ×, 40J을 상회하는 경우는 ○, 2배인 80J을 상회하는 경우는 더욱 양호라고 판단하여, ◎로 했다.
＜용접 장치의 조작＞
용접은 도 5에 도시하는 장치를 이용하여 실행했다. 우선, 용접 대차를 레일에 장착하고, 모재에 백킹재를 장착했다. 플럭스 코어드 와이어를 와이어 송급 장치에 장착하고, 토치 선단까지 송급했다. 용접 시단부에 용접 대차를 이동시켜서, 슬라이딩식 구리 슈를 모재에 접촉시켜, 슬라이딩식 구리 슈의 센터링을 실행했다. 토치 조정부에 의해, 와이어의 목표 각도, 목표 위치를 조정했다.
조작 상자 패널로 용접 전압 및 용접 전류 주행 속도를 설정하고, 냉각수량과 가스 유량을 확인한 후, 조작 상자 패널 상의 용접 개시 버튼을 누르는 것에 의해, 아크 스타트와 동시에, 대차를 주행시켰다. 조작 상자 패널 상의 돌출 길이 조정에 의해, 임의의 돌출 길이로 조정하고, 자동 상승 제어를 시키면서 용접을 실행했다. 용접 종단부에서 조작 상자 패널 상의 용접 정지 버튼을 눌러 용접을 정지했다. 이상의 결과를 하기 표 5, 표 6에 나타낸다.
[표 5]
Figure pct00007
[표 6]
Figure pct00008
상기 표 5에 나타내는 No.1 내지 No.75는, 본 발명의 범위 내의 실시예로서, 표 6에 나타내는 No.76 내지 No.119는 본 발명의 범위에서 벗어나는 비교예이다. 표 5에 나타내는, 실시예의 No.1 내지 No.75는, 슬래그의 배출이 촉진되어, 아크 안정성, 비드 외관, 인성이 양호하며, 용접 결함도 보이지 않았다.
이에 반하여, 비교예의 No.76, No.77, No.80, No.81은, 슬라이딩 구리 슈의 홈의 깊이가 작고, W/D도 적정한 범위가 아니었기 때문에, 슬래그의 배출이 억제되어, 슬래그욕이 두꺼워졌다. 그 결과, 와이어가 매립되어, 아크 불안정, 비드 외관 불량, 수율 변화에 의한 용접 금속의 인성 저하를 일으켰다. 또한, No.78, No.79, No.82 내지 No.85는 슬라이딩 구리 슈의 홈의 깊이가 너무 큰 것이 원인으로, 용융 금속의 일부 용락이 발생하고, 비드 외관도 조악했다.
No.86, No.87은, 개선폭에 대하여 슬라이딩 구리 슈의 폭이 너무 좁기 때문에, 비드 시에 슬래그가 균일하게 오르지 않아 비드 형상 불량이 발생했다. No.88, No.89는, 개선 폭에 대하여 슬라이딩 구리 슈의 폭이 너무 넓기 때문에, 비드 시에 용융 금속의 용락이 발생하여, 비드 형상 불량이 발생했다. No.90 내지 No.93은, 돌출의 제어를 실행하지 않았기 때문에, 아크가 불안정하게 되고, 또한 슬래그욕이 요동쳤던 것이 원인으로 비드 외관 불량이 발생했다.
No.94는 직경이 3.2㎜의 용접 와이어를 이용한 예이지만, 본 시험 전류 380A에 대하여 용착 밸런스가 상이하기 때문에, 아크 불안정이 되었다. No.95는 직경이 1.4㎜의 용접 와이어를 이용한 예이지만, 본 시험 전류 380A에 대하여 최적량보다 용착량이 많아지기 때문에, 용융 금속의 위치가 상승하여, 매립 기미가 보이는 것에 의해 아크 불안정이 되었다.
No.96, No.97은 플럭스 충전율이 12 질량% 또는 33 질량%의 예이지만, 본 시험 전류 380A에 대하여 용착 밸런스가 상이하기 때문에, 아크 불안정이 되었다. No.98은, 용접 와이어 중의 C 함유량이 너무 많기 때문에, 아크 불안정과, 강도 과다 때문에 인성이 열화되었다. No.99는, Si량이 과잉인 용접 와이어를 사용하고 있기 때문에, 용융 슬래그량이 많아져, 슬래그 혼입이 발생했다. No.100은 Si량이 적은 플럭스 코어드 와이어를 사용하고 있기 때문에, 탈산 작용이 작아져, 기공 결함이 발생했다. No.101은, Mn량이 적은 플럭스 코어드 와이어를 사용하고 있기 때문에, 용접 금속의 인성이 열화되었다.
No.102는, Mn량을 과잉으로 함유하는 플럭스 코어드 와이어를 사용하고 있기 때문에, 용접 금속이 강도 과다가 되어, 인성이 열화되었다. No.103은, Mo량이 많은 플럭스 코어드 와이어를 사용하고 있기 때문에, 용접 금속이 강도 과다가 되어, 인성이 열화되었다. No.104는 P이 과잉으로 첨가되어 있는 플럭스 코어드 와이어, No.105는 B가 과잉으로 첨가되어 있는 플럭스 코어드 와이어, No.106은 S이 과잉으로 첨가되어 있는 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, 용접 금속에 균열이 발생했다.
No.107은 Mo을 함유하고 있지 않는 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, 용접 금속의 인성 부족이 되었다. No.108은, TiO2 및 Al2O3를 주 성분으로 하는 용융 슬래그가 형성되어, 슬래그 배출이 억제되었기 때문에, 슬래그 혼입 및 비드 형상 불량이 발생했다. No.109 내지 No.115는, 산화물의 첨가량이 과잉인 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, 슬래그 배출이 억제되어, 슬래그 혼입이 발생했다.
No.116은, Mg이 과잉으로 첨가되어 있는 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, 슬래그 배출이 억제되어, 슬래그 혼입이 발생했다. No.117은, SiO2가 과잉으로 첨가되어 있는 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, 슬래그 배출이 억제되어, 슬래그 혼입이 발생했다. No.118은, SiO2의 첨가량이 부족한 플럭스 코어드 와이어를 사용했기 때문에, TiO2 및 Al2O3가 주 성분인 용융 슬래그가 형성되어, 슬래그 배출이 억제되었기 때문에, 슬래그 혼입 및 비드 형상 불량이 발생했다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 일렉트로 가스 아크 용접 시의 슬래그 배출을 촉진할 수 있으므로, 최선의 아크 안정성, 비드 형상, 인성을 유지하고, 용접 결함을 억제할 수 있는 것이 확인되었다
본 출원은 출원일이 2014년 7월 25일인 일본 특허 출원 제 2014-152266 호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 일본 특허 출원 제 2014-152266 호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 도입된다.
1 : 모재(피용접재) 2 : 슬라이딩 구리 슈
3 : 백킹재 4 : 토치
5 : 와이어 6 : 용접 금속
7 : 용융 금속 8 : 용융 슬래그
9 : 고착 슬래그 12 : 홈
20 : 대차 주행 모터 구동 회로 21 : 주행 모터
22 : 대차 23 : 주행용 레일
24 : 조작 상자 25 : 용접 전원
26 : 와이어 송급 장치 27 : 실드 가스

Claims (7)

  1. 피용접재의 개선 표면에 슬라이딩 구리 슈를 접촉하고, 상기 슬라이딩 구리 슈 및 용접 토치를 상승시키면서 아크 용접을 실행하는 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 있어서,
    상기 용접 와이어로서,
    강제 외피 내에 플럭스가 충전되고,
    와이어 전체 질량당,
    C : 0.01~0.50 질량%
    Si : 0.10~1.00 질량%
    Mn : 0.50~4.00 질량%
    Mo : 0.10~1.00 질량%
    Ti : 0.05~0.40 질량%
    SiO2 : 0.10~1.00 질량%
    를 함유하는 동시에,
    Al : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함)
    S : 0.050 질량% 이하(0%를 포함함)
    P : 0.050 질량% 이하(0%를 포함함)
    TiO2 : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함)
    Al2O3 : 0.30 질량% 이하(0%를 포함함)
    로 규제되고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며,
    SiO2 함유량을 [SiO2], Si 함유량을 [Si], Al2O3 함유량을 [Al2O3], Al 함유량을 [Al], TiO2 함유량을 [TiO2], Ti 함유량을 [Ti]로 했을 때, 하기 수식 (A)를 만족하는 조성을 갖는 플럭스 코어드 와이어를 사용하고,
    Figure pct00009

    상기 슬라이딩 구리 슈는,
    상기 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈을 갖고,
    상기 개선의 폭을 a로 했을 때,
    상기 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜,
    상기 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜,
    상기 홈 폭(W)과 상기 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0이며,
    상기 용접 와이어의 송급 속도는 일정하게 하고, 상기 용접 와이어의 돌출 길이가 일정하게 되도록, 용접 전류에 근거하여 상기 용접 토치의 상승 속도를 제어하는
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어는, 또한, 와이어 전체 질량당,
    Mg : 0.50 질량% 이하
    Ni : 2.0 질량% 이하
    Cr : 1.0 질량% 이하
    B : 0.005 질량% 이하를 함유하는
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어는, 또한, 와이어 전체 질량당, MgO, Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO 및 BaO 중 적어도 1종의 산화물을, 합계로 0.80 질량% 이하 함유하는
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플럭스 코어드 와이어는 직경이 1.5~3.5㎜이고, 플럭스 충전율이 15~30 질량%인
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용접 토치의 상승 속도의 제어는,
    로우 패스 필터에 의해 검출된 용접 전류로부터 고주파 성분을 제거하는 공정과,
    상기 로우 패스 필터를 통과한 용접 전류값과, 사전설정된 용접 전류 지령값을 비교하는 공정을 갖고,
    상기 로우 패스 필터의 컷오프 주파수를 0.98~2.93㎐로 설정하는
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    아크 전압을 주기적으로 변동시키면서 용접을 실행하는
    일렉트로 가스 아크 용접 방법.
  7. 피용접재의 개선 표면에 접촉되는 슬라이딩 구리 슈와,
    상기 개선 내에 용접 와이어를 송급하는 용접 토치와,
    상기 용접 토치를, 용접선에 대하여 전후 방향, 상하 방향 및 좌우 방향으로 이동시키는 토치 이동 기구와,
    용접 전류에 근거하여 상기 용접 토치의 상승 속도를 제어하는 제어부를 갖고,
    상기 슬라이딩 구리 슈는,
    상기 개선에 접촉하는 면에 곡률을 가진 홈을 갖고,
    상기 개선의 폭을 a로 했을 때,
    상기 홈 폭(W)이 (1.1×a)~(2.5×a)㎜,
    상기 홈 깊이(D)가 0.5~5.5㎜,
    상기 홈 폭(W)과 상기 홈 깊이(D)의 비(W/D)가 5.0~80.0인
    일렉트로 가스 아크 용접 장치.
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