KR20180086442A - 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법 및 아크 용접부 - Google Patents

소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법 및 아크 용접부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소모 전극을 갖는 용접 토치를 사용하여 2매의 강판을 아크 용접하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법이며, 산소 포텐셜 α가 1.5％ 내지 5％인 실드 가스를, 상기 용접 토치로부터 상기 소모 전극을 향해 공급하면서 아크 용접을 행하고, 상기 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부에 대하여, 산소 포텐셜 β가 15％ 내지 50％인 산화 촉진 가스를, 1 내지 3m/초의 유속으로 분사하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법을 제공한다.

Description

소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법 및 아크 용접부
본 발명은 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법과, 이 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에 의해 얻어지는 아크 용접부에 관한 것이다.
본원은 2016년 1월 20일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2016-008695호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
가스 실드 아크 용접은 여러 분야에서 널리 사용되고 있고, 예를 들어 자동차 분야에서는 서스펜션 부재 등의 용접에 사용되고 있다.
솔리드 와이어를 사용하여 강 부재를 가스 실드 아크 용접할 때의 실드 가스에는 CO2 100％의 가스, 또는 Ar과 CO2의 혼합 가스가 사용되고 있다. 그러나, CO2와 같은 산화성 가스를 포함하는 실드 가스를 사용하여 용접하면, 실드 가스 중의 산화성 가스에 포함되는 산소가 강재나 와이어에 포함되는 Si나 Mn 등의 원소와 반응하여, Si 산화물이나 Mn 산화물을 주체로 하는 Si, Mn계 슬래그가 생성된다. 그 결과, 용융 응고부인 용접 비드의 표면 등에 Si, Mn계 슬래그가 많이 잔존하게 된다.
자동차의 서스펜션 부재 등, 내식성이 요구되는 부재에서는 용접 조립 후에 전착 도장이 실시된다. 이 전착 도장을 행할 때에, 아크 용접부의 표면에 Si, Mn계 슬래그가 잔존하고 있으면, 그 부분의 전착 도장성이 나빠진다. 그 결과, 도장이 붙지 않고, Si, Mn계 슬래그가 표면에 나타나는 개소가 발생하여 내식성이 저하되게 된다(도 8 참조).
Si, Mn계 슬래그의 잔존부에서 전착 도장성이 저하되는 이유는, Si 산화물이나 Mn 산화물이 절연체이고, 도장 시에 통전하지 못하여, 도장이 전체면에 부착되지 않기 때문이다.
이 Si, Mn계 슬래그는 용접부의 탈산 과정의 부산물이고, 또한 아크 그 자체를 안정화시키는 효과도 있기 때문에, 솔리드 와이어 등을 사용한 가스 실드 아크 용접에서는, 이 Si, Mn계 슬래그를 발생시키지 않도록 하는 것은 어렵다. 그 결과, 전착 도장한 부재에서도 용접부의 부식은 불가피했다.
그로 인해, 자동차의 서스펜션 부재 등의 설계에 있어서는, 부식에 의한 두께 감소를 고려하여, 두꺼운 판 두께 설계가 이루어지고 있고, 이것이 고장력 강재의 사용에 의한 박판화에 대한 장해가 되고 있다.
이와 같은 문제에 대하여, 가스 실드 아크 용접에 있어서 발생하는 Si, Mn계 슬래그의 양을 줄이고, 전착 도장성을 개선하기 위해, 종래, 이하와 같은 대책이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1은 산소의 공급원인 실드 가스 중의 산화성 가스(CO2, O2)의 양을 제한함으로써 산화물인 슬래그의 양을 줄이는 방법을 제안하고 있다.
특허문헌 2는 불활성 가스로 이루어지는 실드 가스를 소모 전극으로 향하게 하여 공급하고, 산화성 가스와 불활성 가스의 혼합 가스로 이루어지는 첨가 가스를 용융 풀 외연으로 향하게 하여 공급하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법을 제안하고 있다. 이 용접 방법에 의하면, 아크를 안정화시키면서, 용접 금속 중의 용존 산소 농도를 극히 낮게 억제할 수 있다.
특허문헌 3은 모재와 용접 와이어의 합계 Si양이 0.04 내지 0.2％로 제한된 성분 조성의 용접 와이어를 사용하는 가스 실드 메탈 아크 용접 방법을 제안하고 있다.
일본 특허 공개 2012-213801호 공보 일본 특허 공개 2007-044736호 공보 일본 특허 공개 평8-33997호 공보
그러나, 특허문헌 1 내지 3의 기술에서는, 절연성의 슬래그의 발생량을 없앤다는 관점에서는 충분하다고는 할 수 없다. 특히, Si나 Mn의 함유량이 많은 고장력 강판에서는, 모재에 포함되는 Si나 Mn에 기인하는 Si, Mn계 슬래그가 많이 발생한다는 문제가 있다. 또한, 특허문헌 1과 같이 실드 가스 중의 CO2나 O2의 양을 줄이면, Ar의 비율이 높아지기 때문에, 비용이 높아지고, 또한 용접 시에 아크가 불안정하여, 비드 형상이 악화된다는 문제가 있다. 또한, 특허문헌 3과 같이, 탈산 원소가 적으면, 용접 금속의 탈산이 충분하지 않고, 블로우 홀이 발생하기 쉽다는 문제도 있다.
그래서, 본 발명은 Si, Mn계 슬래그에 의한 전착 도장 불량부가 발생하지 않는 용접부를 형성할 수 있는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법 및 아크 용접부를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 요지는 하기와 같다.
(1) 본 발명의 제1 양태는, 소모 전극을 갖는 용접 토치를 사용하여 2매의 강판을 아크 용접하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법이며, 하기 (A) 식으로 나타나는 산소 포텐셜 α가 1.5％ 내지 5％인 실드 가스를, 상기 용접 토치로부터 상기 소모 전극을 향해 공급하면서 아크 용접을 행하고, 상기 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부에 대하여, 하기 (B) 식으로 나타나는 산소 포텐셜 β가 15％ 내지 50％인 산화 촉진 가스를, 1 내지 3m/초의 유속으로 분사하는, 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
여기서,
[V1(X)]는 실드 가스에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
[V1(O2)]는 실드 가스에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
[V1(CO2)]는 실드 가스에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이고,
[V2(X)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
[V2(O2)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
[V2(CO2)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에서는, 상기 산화 촉진 가스는, 상기 용접 토치와, 그 외주면으로부터 외측으로 이격하여 설치되는 외주벽의 사이에 형성된 공간을 통해 분사되어도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에서는, 상기 산화 촉진 가스는 700℃ 이상의 상태에 있는 상기 용접 비드와 용접 지단부의 적어도 일부의 상방 영역이 포위된 상태에서, 상기 상방 영역 내에 분사되어도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3)의 어느 한 항에 기재된 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에서는, 상기 용접 비드와 용접 지단부 중 상기 산화 촉진 가스가 분사되는 부위와, 상기 소모 전극의 선단 위치의 수평 방향의 최단 이격 거리가 35㎜ 이하여도 된다.
(5) 본 발명의 제2 양태는, 상기 (1) 내지 (4)의 어느 한 항에 기재된 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에 의해 형성되는 아크 용접부이며, 용접 비드의 표면 및 상기 용접 비드의 용접 지단부의 표면이, 마그네타이트 및 우스타이트의 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 도전성의 철산화물 슬래그로 덮이는 아크 용접부이다.
(6) 상기 (5)에 기재된 아크 용접부에서는, 상기 도전성의 철산화물 슬래그의 두께가 10㎛ 내지 50㎛여도 된다.
(7) 상기 (5) 또는 (6)에 기재된 아크 용접부에서는, 상기 용접 비드의 표면 및 상기 용접 비드의 용접 지단부의 표면의 전체면이 상기 도전성의 철산화물 슬래그로 덮여 있어도 된다.
상기 (1) 내지 (4)에 기재된 방법에 의하면, 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부의 표면은 산소 포텐셜 β가 높은 산화 촉진 가스에 노출되게 된다. 따라서, 용접 비드 및 용접 비드 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있기 때문에, 절연성의 Si, Mn계 슬래그가 표면에 출현하는 경우가 없다. 따라서, 용접부를 포함하는 구조 부재를 전착 도장해도 용접부에 전착 도장 불량이 발생하지 않고, 이로 인해 구조 부재의 내식성을 높일 수 있다.
특히, 상기 (2)에 기재된 방법에 의하면, 용접 토치의 외주에 형성된 공간을 통해 산화 촉진 가스가 용접 비드와 용접 지단부에 분사된다. 따라서, 더 확실하게, 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부에 대하여, 산화 촉진 가스를 분사할 수 있어, 용접 비드 및 용접 비드 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있다. 또한, 용접의 시공성도 높일 수 있다.
또한, 상기 (3)에 기재된 방법에 의하면, 용접 토치의 진행 방향 후방에 있는 용접 비드와 용접 지단부의 상방 영역을 포위한 상태에서 그 영역 내에 산화 촉진 가스를 분사하기 때문에, 산화 촉진 가스를 높은 농도로 유지한 상태에서 용접 비드와 용접 지단부에 분사할 수 있다. 따라서, 더 확실하게, 용접 비드 및 용접 비드 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있다.
또한, 상기 (4)에 기재된 방법에 의하면, 이격 거리 D를 35㎜ 이하로 설정함으로써, 더 확실하게, 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부에 대하여, 산화 촉진 가스를 분사할 수 있어, 용접 비드 및 용접 비드 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있다.
상기 (5) 내지 (7)에 기재된 아크 용접부에서는, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면이 도전성의 철산화물 슬래그로 덮이기 때문에, 절연성의 Si, Mn계 슬래그가 표면에 출현하는 경우가 없다. 따라서, 용접부를 포함하는 구조 부재를 전착 도장해도 용접부에 전착 도장 불량부가 발생하지 않고, 이로 인해 구조 부재의 내식성을 높일 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법을 설명하기 위한 종단면도이다.
도 1b는 상기 실시 형태에 관한 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법을 설명하기 위한 상면도이다.
도 2는 상기 실시 형태에 관한 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에서 사용하는 산화 촉진 가스 분사 수단을 그 하방에서 본 도면이다.
도 3a는 제1 변형예에 관한 산화 촉진 가스 분사 수단을 설명하기 위한 종단면도이다.
도 3b는 상기 변형예에 관한 산화 촉진 가스 분사 수단을 설명하기 위한 상면도이다.
도 4는 제2 변형예에 관한 산화 촉진 가스 분사 수단을 설명하기 위한 용접 토치의 단면도이다.
도 5는 산화 촉진 가스 G2를 사용하지 않은 비교예(실험예 16), 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 한 비교예(실험예 19) 및 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 15.0％로 한 발명예(실험예 2)에 대하여, 용접 후 외관, 도장 후 외관 및 부식 후 외관을 나타내는 사진이다.
도 6은 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 한 비교예(실험예 19)에 대하여, Si, Mn계 슬래그의 일부가 Fe계 산화물로 치환되어 있는 상태를 나타내는 외관 사진(좌)과 SEM 사진을 나타낸다.
도 7은 발명예에서의 효과를 특허문헌 1 내지 3의 기술과 비교하여 나타내는 개략 설명도이다.
도 8은 종래의 용접 방법에 의한 용접부의 구조를 설명하기 위한 도면으로, 강판에 수직인 단면도이다.
소모 전극식 가스 실드 아크 용접에서는, 아크 안정성의 관점에서, 실드 가스 중에 소정량의 산화성 가스를 혼합할 수 밖에 없다. 전착 도장 불량을 억제하기 위한 종래 대책으로서, 실드 가스 중의 산화성 가스의 양을 줄이는 대책, 또는 소모 전극(용접 와이어) 중의 산화 성분을 줄여 Si, Mn계 슬래그의 양을 줄이는 대책을 채용하는 경우, 용접 품질에 악영향이 발생할 우려가 있다.
그래서, 본원 발명자들은, 통상의 실드 가스 및 용접 와이어를 사용하여, 다양한 용접 조건에서 용접부의 슬래그 발생 상황 및 전착 도장성을 평가한 결과, 용접 입열을 과도하게 높게 한 조건에 있어서 Si, Mn계 슬래그가 감소하고, 전착 도장성이 향상되는 경향을 알아내었다. 또한, 이것들의 용접 조건에 있어서의 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 관찰한바, 용접 비드의 표층에 도전성을 갖는 철산화물(FeO, Fe3O4)이 형성되어 있음을 확인했다.
고입열의 용접 조건에서는 용접 금속의 냉각 속도가 느려지기 때문에, 용융·응고 후의 고온 상태의 용접 비드와 용접 지단부가 실드 가스로 보호된 영역으로부터 벗어나기 쉬워진다. 그 결과, 고온의 용접 비드와 용접 지단부가 대기 분위기에 노출되어 산화가 촉진되어, 용접 비드와 용접 지단부의 표층이 철산화막으로 덮였다고 생각되었다.
이상의 지견을 기초로, 본원 발명에서는, 용접부의 산화를 방지하는 것이 아니라, 응고한 용접 비드 및 용접 지단부의 표면을 적극적으로 산화시킴으로써, 도전성을 갖는 철산화물(FeO, Fe3O4)을 생성시켜 Si 산화물이나, Mn 산화물을 철산화물로 덮어, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면에 도전성을 부여한다는 것을 착상했다.
이와 같은 경향은 용접 속도를 빠르게 하고, 용융 풀을 진행 방향 후방으로 넓힘으로써도 확인되었지만, 일반적으로 용접 조건은, 적용되는 강판의 판 두께나 조인트의 형식에 따라 일의적으로 결정되는 것으로, 슬래그 생성량의 제어를 목적으로 자유롭게 설정하지 못한다. 과도한 입열의 증가는 강판의 용락을 초래하고, 용접 속도의 고속화는 용접 비드 형상의 불량으로 연결된다.
그래서, 본원 발명자들은 용접 입열이나 속도에 의존하지 않고, 용접 비드의 표면에 안정된 철산화막을 형성시키는 것을 목적으로, 검토를 진행시켰다.
그 결과, 통상의 아크 용접 토치의 용접 진행 방향의 후방에 있어서의 고온 상태의 용접 비드 및 용접 지단부에 대하여, 산소 포텐셜 β가 높은 산화 촉진 가스 G2를 분사하면, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면에 잔존하는 산소 포텐셜 α가 낮은 실드 가스 G1을 배제할 수 있고, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면의 철의 산화가 촉진되어, 실드 가스 중의 산화성 가스와의 반응에서 형성된 Si나 Mn 산화물을 포함하고, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면을 도전성이 있는 철산화물로 덮을 수 있음을 새롭게 지견하여, 본 발명에 이르렀다.
이하, 상술한 지견에 기초하여 이루어진 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1a, 도 1b는 본 실시 형태에 관한 가스 실드 아크 용접 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
본 실시 형태에 관한 가스 실드 아크 용접 방법에서는, 도 1a, 1b에 도시한 바와 같이 소모 전극을 갖는 용접 토치(1)와, 상기 용접 토치(1)의 용접 진행 방향의 반대측을 향해 연장되는 산화 촉진 가스 분사 노즐(22)[후드 노즐(22A)]을 사용하여, 2매의 강판을 용접한다.
본 실시 형태에서는, 소모 전극식 가스 실드 아크 용접의 과정에서 생성되는 도전성의 철산화물 슬래그(9)에 의해, 용접 비드(81)의 표면 및 용접 비드(81)와 강재(모재)의 경계부인 용접 지단부(82)의 표면을 덮는다. 이에 의해, 용접 시에 생성된, 절연성의 Si, Mn계 슬래그를 도전성의 철산화물 슬래그(9) 내에 가두도록 한다.
용접 시에 생성할 수 있을 가능성이 있는 슬래그이고, 도전성을 갖는 것으로서, 마그네타이트(Fe3O4)나 우스타이트(FeO)가 있음이 알려져 있다.
그래서, 용융 풀(8)의 표면 상, 혹은 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면 상에서 철의 산화를 촉진하여, 마그네타이트나 우스타이트 주체의 도전성 철산화물 슬래그(9)에 의해 덮인 아크 용접부를 얻는 것이 필요해진다.
용접 시에, 고온 상태의 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면을 산화성 분위기에 노출시킴으로써, 철산화물인 마그네타이트나 우스타이트를 형성할 수 있어, 용접 비드(81)의 표면 및 용접 지단부(82)의 표면을, 마그네타이트 및 우스타이트의 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있다.
또한, 용접 비드(81)의 표면과 용접 지단부(82)의 표면뿐만 아니라, 용접 토치(1)로부터의 실드 가스 G1에 의해 형성되는 실드 영역보다도 밖에 있는 용융 풀(8)의 표면도, 산화성 분위기에 노출시키는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 적어도 용접 비드(81)의 표면과 용접 지단부(82)의 표면을 향해 산소 포텐셜 β가 높은 산화 촉진 가스 G2를 실드 가스 G1과는 별도로 분사함으로써 철의 산화를 촉진하여, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그(9)에 의해 덮는다.
본 실시 형태에 관한 가스 실드 아크 용접 방법에 의하면, 소모 전극식 가스 실드 아크 용접을 할 때, 불활성 가스 혹은 산화성 가스와 불활성 가스로 이루어지는 산소 포텐셜 α가 낮은 실드 가스를 소모 전극으로 향하게 하여 공급하고, 그 직후에, 산화성 가스와 불활성 가스의 혼합 가스로 이루어지는, 산소 포텐셜 β가 높은 산화 촉진 가스 G2를 적어도 고온 상태의 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)로 향하게 하여 분사한다. 이에 의해, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)가 모두 도전성의 철산화물 슬래그(9)에 덮여, 절연성의 Si, Mn계 슬래그가 도전성의 철산화물 슬래그(9) 중에 매몰된 용접부를 얻을 수 있다.
도전성의 철산화물 슬래그(9)가 형성되어 있는지 여부는, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면의 조성을 EPMA에 의한 원소 매핑에 의해 조사하거나, 도전성을 조사함으로써 확인할 수 있다.
상기와 같이 산화 촉진 가스 G2를 사용하여 용접한 후의 용접 비드(81)와 그 용접 지단부(82)의 범위를 절단하고, 절단면을 연마하고, EPMA에 의한 원소 매핑을 함으로써, 용접 비드(81)와 그 용접 지단부(82)의 단면에서 관찰한 표면 부근이, 도전성의 철산화물 슬래그(9)로 덮여 있다는 것, 이 도전성의 철산화물 슬래그(9)의 최표면은 거의 철산화물이 되어 있다는 것, 절연성의 Si, Mn계 슬래그를 형성하는 Si 산화물이나 Mn 산화물은 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 최표면에는 거의 존재하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 시판의 테스터를 사용하여 철산화물 슬래그(9)의 표면과, 용접 비드(81), 용접 지단부(82)의 외측의 강판 표면 사이의 도통을 측정한바, 40 내지 1000Ω의 저항값에서의 도전성을 확인했다. 또한, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면에 절연성의 Si, Mn계 슬래그가 존재하면, 전기 저항이 무한대 혹은 통상의 도전체의 계측 범위 외가 되어 일반적인 시판의 테스터로는 계측하지 못한다.
[용접 토치(1)]
용접 토치(1)는 소모 전극(5)과 그것을 둘러싸는 주위벽부의 사이가 실드 가스 G1의 통로가 되도록 구성된다. 이 용접 토치(1)로부터 실드 가스 G1이 소모 전극(5)을 향해 공급되면서, 용접 위치에 배치된 강 부재 사이에 형성된 용접선을 따라, 아크 용접이 행해진다.
[소모 전극(5)]
소모 전극(5)은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 용융 풀(8)에서의 Si, Mn계 슬래그의 발생을 최대한 적게 하기 위해, Si 함유량이 1질량％ 이하, Mn 함유량이 2질량％ 이하인 것이 바람직하다.
(실드 가스 G1)
실드 가스 G1은 Ar이나 He 등의 불활성 가스를 주체로 하여 O2 및/또는 CO2를 혼합시킨 혼합 가스이고, 용접 토치(1)로부터 소모 전극(5)(용접 와이어) 및 아크 플라스마를 둘러싸는 영역을 향해 유출된다. 실드 가스 G1의 역할은 아크 플라스마의 발생 영역의 분위기를 대기와 치환하는 것에 더하여, 아크의 안정성을 확보하는 것이기 때문에, 하기 (1) 식으로 나타내는 산소 포텐셜 α가 1.5％ 이상, 바람직하게는 2.0％, 더욱 바람직하게는 4.0％가 되도록 불활성 가스, O2, CO2의 혼합률이 조정된다.
Figure pct00003
상기 (1) 식에 있어서,
[V1(X)]는 실드 가스 G1에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
[V1(O2)]는 실드 가스 G1에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
[V1(CO2)]는 실드 가스 G1에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이다.
한편, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α가 5％를 초과하는 경우에는, 용융 풀(8)의 표면에 과잉의 Si, Mn계 슬래그가 생성되기 때문에, 나중에 산화 촉진 가스 G2를 분사해도, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면을 도전성의 철산화물로 덮을 수 없게 된다.
따라서, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α가 5％ 이하, 바람직하게는 4.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 4.0％ 이하가 되도록, O2 및/또는 CO2의 함유량이 조정된다.
(산화 촉진 가스 G2)
산화 촉진 가스 G2는 불활성 가스(질소나 아르곤이나 He 등), O2 및 CO2의 2종 이상을 혼합시킨 혼합 가스이고, 공기(O2:15％ 내지 25％, 질소:75％ 내지 85％)를 사용하는 것이 간편하다. 또한, 공기를 사용한 경우에도, 산소 가스를 더 추가하여 산화의 진행 정도를 조정할 수도 있다.
산화 촉진 가스 G2는 용융 풀(8)의 후방의, 700℃ 이상의 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 영역에 분사된다. 산화 촉진 가스 G2의 역할은 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면의 철의 산화를 촉진시켜, 용융 풀(8)에서 형성된 절연성의 Si, Mn계 슬래그를 도전성의 철산화물(FeO, Fe3O4)로 치환하는 것이기 때문에, 하기 (2) 식으로 나타내는 산소 포텐셜 β가 15％, 바람직하게는 20％ 이상, 더욱 바람직하게는 25％ 이상이 되도록, 불활성 가스, O2, CO2의 혼합률이 조정된다.
Figure pct00004
상기 (2) 식에 있어서,
[V2(X)]는 산화 촉진 가스 G2에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
[V2(O2)]는 산화 촉진 가스 G2에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
[V2(CO2)]는 산화 촉진 가스 G2에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이다.
또한, 실드 가스 G1과 산화 촉진 가스 G2에서는 CO2의 작용이 상이하다.
아크 플라스마가 발생하는 영역에서 사용되는 실드 가스 G1에 포함되는 CO2는 플라스마의 열로 해리되기 때문에 산화성 가스로서 작용한다.
한편, 철의 융점(약 1500℃) 이하의 영역에서 사용되는 산화 촉진 가스 G2에 포함되는 CO2는 안정된 CO2로서 존재하기 때문에 불활성 가스로서 작용한다.
이로 인해, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β는 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α와는 달리 계산식의 분자에 CO2가 포함되지 않는다.
산화 촉진 가스에 의해 형성된 철산화물의 두께는 10 내지 50㎛이고, 통상의 실드 가스 G1만에 의한 용접 비드(81)의 표면에 형성되는 철산화막의 두께, 즉, Si, Mn계 슬래그 생성부의 영역 외에 형성되는 산화막의 두께(최대라도 5㎛ 정도)보다도 두껍다.
[산화 촉진 가스 분사 수단(20)]
본 실시 형태에 관한 가스 실드 아크 용접에서는, 실드 가스 G1을 공급하면서 가스 실드 아크 용접에 의해 강 부재를 용접할 때, 산화 촉진 가스 분사 수단(20)에 의해, 소모 전극(5) 및 용접 토치(1)의 후방의 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면에, 산화성 가스를 포함하는 산화 촉진 가스 G2를 분사한다. 이에 의해, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면을 도전성의 철산화물층으로 덮도록 한다. 산화 촉진 가스 G2는 비드 외관을 악화시키지 않으면 소모 전극(5) 및 용접 토치(1)의 후방의 용융 풀(8)에도 분사해도 된다.
용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면에 산화 촉진 가스 G2를 분사하는 산화 촉진 가스 분사 수단(20)은 산화 촉진 가스 G2를 공급하는 산화 촉진 가스 공급부(21)와, 산화 촉진 가스 G2를 분사하는 산화 촉진 가스 분사 노즐(22)을 갖는다.
산화 촉진 가스 분사 노즐(22)로서는, 도 1a, 도 1b, 도 2에 도시한 바와 같은 후드 노즐(22A)이 예시된다. 이 후드 노즐(22A)은 직사각형 상면 및 그 테두리부로부터 수하되는 측면을 갖고, 용접 토치(1)의 주변의 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 상방 영역을 포위하는 형상으로 되어 있다. 후드 노즐(22A)의 상면에는 길이 방향의 일단측에 산화 촉진 가스 공급부(21)가 설치됨과 함께, 길이 방향의 타단측에 용접 토치(1)가 삽입 관통 가능한 토치 삽입 관통 구멍(30)이 형성된다.
산화 촉진 가스 G2는 용접 토치(1)가 토치 삽입 관통 구멍(30)에 삽입 관통되어 일체로 된 상태의 후드 노즐(22A) 내에, 산화 촉진 가스 공급부(21)로부터 공급되고, 용융 풀(8)의 표면이나 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면에, 높은 산소 포텐셜 β를 유지한 상태로 분사된다.
또한, 후드 노즐(22A)은 산화 촉진 가스 공급부(21)의 선단에 일체화된 양태로 해도 되고, 제거 가능한 양태로 해도 된다.
또한, 후드 노즐(22A)은 도 2와 같이 하방이 해방된 것, 상자형이고 하면에 다수의 가스 분출 구멍이 형성된 것의 어느 것이라도 채용이 가능하다. 또한, 하방이 해방된 것이라도, 해방 단부 근방에 금속망 등의 가스 렌즈(10)가 설치된 것이어도 된다. 또한, 용접 토치(1)의 근방의 내부에 구획벽을 설치하여, 산화 촉진 가스 G2가 실드 가스 G1의 흐름을 방해하지 않도록 할 수도 있다.
용접에 있어서는, 용접 토치(1)로부터 실드 가스 G1이 방류되고, 소모 전극(5)으로부터 발생하는 아크(6)의 주위와 용융 풀(8)의 주위가 실드되면서, 용접 토치(1)를 용접선(11)을 따라 화살표 방향으로 이동시킨다. 그때, 후드 노즐(22A)의 후방부에 설치된 산화 촉진 가스 공급부(21)로부터, 산화성 가스를 포함하는 산화 촉진 가스 G2가 후드 노즐(22A) 내에 공급되어, 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면에 산화 촉진 가스 G2가 분사된다.
(산화 촉진 가스 G2를 분사하는 범위)
용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면 온도가 700℃ 이상인 경우에는, 산화 촉진 가스 G2 중 산화성 가스와 Fe의 산화 반응이 현저하게 일어난다. 따라서, 도전성의 철산화물 슬래그(9)를 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면에 형성시키기 위해, 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면 온도가 700℃ 이상인 부위, 보다 바람직하게는 750℃ 이상인 부위, 더욱 바람직하게는 800℃ 이상인 부위에 대하여, 산화 촉진 가스 G2를 분사한다.
또한, 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면 온도는 방사 온도계로 측정할 수 있다. 또한, 철의 색과 온도의 관계로부터, 700℃ 이상에 있다는 것을 확인해도 된다.
상술한 바와 같이, 산화 촉진 가스 G2는 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면 온도가 700℃ 이상인 부위에 분사될 필요가 있다. 따라서, 용접 비드(81)와 용접 지단부(82) 중 산화 촉진 가스 G2가 분사되는 부위와, 소모 전극(5)의 선단 위치의 수평 방향의 최단 이격 거리 D는 35㎜ 이하인 것이 바람직하고, 30㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 최단 이격 거리 D가 10㎜ 이상인 경우, 용접 토치(1)의 아크 발생 영역의 실드 가스 G1에, 산화 촉진 가스 G2의 O2 또는 CO2가 혼입되는 것을 억제할 수 있고, 따라서, 아크 방전의 형태를 안정화시켜, Si, Mn계 슬래그의 증가를 억제할 수 있다. 이로 인해, 최단 이격 거리 D는 10㎜ 이상인 것이 바람직하다.
(산화 촉진 가스 G2의 유량)
산화 촉진 가스 G2의 유량으로서는, 철의 산화의 진행에 필요한 5L/min 이상이 바람직하고, 7L/min 이상인 것이 더욱 바람직하다. 산화 촉진 가스 G2의 유량은 실드 가스 G1에 의한 실드를 흩뜨리지 않도록, 실드 가스 G1의 유량 이하인 것이 바람직하다.
(산화 촉진 가스 G2의 유속)
산화 촉진 가스 G2의 노즐 출구에서의 가스 유속은 1m/초 이상 3m/초 이하로 한다. 산화 촉진 가스 G2의 유속은 산화 촉진 가스 G2의 유량(L/min)을, 노즐 출구 중 산화 촉진 가스 G2가 배출되는 부위의 단면적으로 나눈 값이다.
산화 촉진 가스 G2에 의한 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면의 산화를 촉진시키기 위해서는, 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)의 표면의 분위기를 실드 가스 G1의 성분으로부터 산화 촉진 가스 G2의 성분으로 치환할 필요가 있다.
산화 촉진 가스 G2의 유속이 1m/초 이하면, 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면의 상방 영역을 실드 가스 G1이 주체인 분위기로부터 산화 촉진 가스 G2가 주체인 분위기로 충분히 치환하지 못한다. 한편, 산화 촉진 가스 G2의 유속이 3m/초를 초과하면, 아크 발생부의 실드 가스 G1에 산화 촉진 가스 G2의 성분이 혼입되는 것에 의해, 용융 풀 표면에 과잉의 Si, Mn계 슬래그가 생성될 우려가 있다. 또한, 실드 가스 G1에 의한 실드가 흩뜨려지는 것에 의해 아크가 불안정이 되어, 용접 비드의 형성을 방해할 우려가 있다.
따라서, 산화 촉진 가스 G2의 유속은 1m/초 이상 3m/초 이하로 하고, 보다 바람직하게는 1.5m/초 이상 2.5m/초 이하로 한다.
전착 도장성을 확보하기 위해서는, 용접 비드(81)와 그 용접 지단부(82)의 표면의 전체면이 도전성의 철산화물 슬래그(9)만으로 덮여 있는 것이 바람직하다.
용접 비드(81)와 용접 지단부(82)가 도통되기 위해서는, 표면으로부터 10㎛ 이상의 두께로 철산화물 슬래그(9)에 의해 덮여 있는 것이 바람직하다. 철산화물 슬래그(9)의 두께는 15㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 용접 비드(81)와 그 용접 지단부(82)의 표면에 과잉의 두께의 철산화물 슬래그(9)가 형성되는 경우, 도장 박리가 발생할 우려가 있다. 따라서, 철산화물 슬래그(9)의 두께는 50㎛ 이하인 것이 바람직하고, 40㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 아크 용접 방법은 잘 알려져 있는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접(가스 메탈 아크 용접이라고도 칭해짐)에 적용된다. 용접 조건은 특별히 제한은 없고, 통상의 조건을 사용할 수 있다.
단, 서브머지드 아크 용접은 실드 가스를 사용하지 않는 용접이기 때문에 본 발명에 속하지 않는다. 또한, 서브머지드 아크 용접에서는 용접 전에 살포하는 플럭스가 용접 시에 용융·응고되기 때문에, 5 내지 10㎜ 정도의 두꺼운 슬래그가 용접 비드를 덮는다. 이 두꺼운 슬래그를 제거한 후의 용접 비드 표면에는 Si, Mn계 슬래그는 거의 존재하지 않고, 용접 비드 표면은 5㎛ 정도 이하의 얇은 철산화막으로 덮여 있다. 즉, 산화 촉진 가스로 용접 비드 및 지단부 표면에 15 내지 50㎛의 철산화물을 형성시키는 본원은, 서브머지드 아크 용접에서는 용접 비드 및 지단부의 형태가 상이하다.
용접은 겹침 용접이어도 되고, 맞대기 용접이어도 된다.
강판의 판 두께 및 인장 강도는 특별히 제한되지 않지만, 판 두께 1.6 내지 3.2㎜, 인장 강도 440 내지 980㎫이 표준적으로 적용된다. 또한, 용융 아연 도금 강판, 합금화 용융 아연 도금 강판, 알루미늄 도금 강판 등을 사용할 수도 있다.
강판 성분 및 용접 재료 성분도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 용융 풀에서의 Si, Mn계 슬래그의 발생을 최대한 적게 하기 위해, 강판 또는 용접 재료는 각각, Si 함유량이 1질량％ 이하, Mn 함유량이 2질량％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 동종 강판끼리를 용접해도 되고, 이종 강판끼리를 용접해도 된다.
이상, 본 발명에 대하여 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명했지만, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하는 데 있어서의 구체화의 예를 나타낸 것에 지나지 않고, 이것들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어는 안된다.
예를 들어, 상기한 설명에 있어서는, 산화 촉진 가스 분사 노즐(22)로서, 도 1a, 도 1b, 도 2에 도시한 바와 같은 후드 노즐(22A)을 사용하여 산화 촉진 가스 G2를 분사하고 있지만, 하기의 변형예를 채용해도 된다.
제1 변형예로서, 도 3a, 도 3b에 도시한 바와 같이, 산화 촉진 가스 공급부(21')가 접속된 애프터 노즐(22B)로부터 직접, 산화 촉진 가스 G2를 분사하는 산화 촉진 가스 분사 수단(20')을 채용해도 된다.
이 산화 촉진 가스 분사 수단(20')에서는, 평면으로 볼 때 직사각형 애프터 노즐(22B)을, 용접 토치(1)의 후방에 용접 토치(1)와 함께 이동하도록 배치한다. 그리고, 이 애프터 노즐(22B)의 상면에 설치된 산화 촉진 가스 공급부(21')로부터 산화 촉진 가스 G2를 공급하고, 이 애프터 노즐(22B)의 하단으로부터 산화 촉진 가스 G2를 주로 용접 비드(81)와 용접 지단부(82)의 표면에 분사한다. 이에 의해, 철의 산화를 진행시켜 용접 비드(81) 및 용접 지단부(82)를 도전성의 철산화물 슬래그(9)로 덮도록 할 수 있다.
애프터 노즐(22B)의 형상은, 도 3a, 도 3b와 같이 평면으로 볼 때 원형의 것이어도 된다. 애프터 노즐(22B)은 하방이 해방된 것이어도 되고, 상자형이고 하면에 다수의 가스 분출 구멍이 형성된 것이어도 된다. 또한, 하방이 해방된 것이라도, 해방 단부 근방에 금속망 등의 가스 렌즈(10)가 설치된 것이어도 된다.
제2 변형예로서는, 산화 촉진 가스 분사 수단(20")으로서, 도 4에 도시한 바와 같은 동축 노즐(22C)을 사용해도 된다. 이 동축 노즐(22C)은 용접 토치(1)의 외주면으로부터 외측으로 이격시켜 외주벽을 설치함으로써 구성된다. 이 구조에 있어서는, 산화 촉진 가스 공급부(21")로부터 공급되는 산화 촉진 가스 G2가, 외주면과 외주벽의 사이에 형성된 공간을 통해 분사된다.
(실시예)
이하 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 가능성 및 본원 발명의 효과의 실현성에 대하여 설명한다.
표 1에 나타내는 성분, 판 두께, 인장 강도를 갖는 강판(A)끼리, 또는 강판(B)끼리의 단부를 중첩하여, 가스 실드 아크 용접에 의한 반복 필렛 용접을 행하였다. 그때, 표 2에 나타내는 성분과 직경을 갖는 솔리드 와이어(JIS Z3312, YGW16)를 사용하여, 펄스 머그 용접을 행하였다. 표 3에 구체적인 용접 조건을 나타낸다.
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
표 4는 실험예 1 내지 19의 각각에 대하여, 실험 조건과 평가 결과를 나타낸다.
실드 가스 G1은 Ar, O2, CO2의 양을 조정함으로써 산소 포텐셜 α를 조정했다.
표 4에 있어서, α는 상기한 (1) 식에 의해 계산되는 실드 가스 G1의 산소 포텐셜을 나타내고, β는 상기한 (2) 식에 의해 계산되는 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜을 나타낸다. 실드 가스 G1과 산화 촉진 가스 G2의 가스 유량은 노즐 출구 중 산화 촉진 가스 G2가 배출되는 부위의 단면적으로 나눈 값이다.
산화 촉진 가스 G2에 관해서는, 노즐 타입, 분사 위치 및 가스 유속에 대해서도 나타내고 있다.
노즐 타입은, 도 3a, 도 3b에 도시한 바와 같은 애프터 노즐을 사용한 경우에는 Aft.N(After Nozzle)이라고 표기하고, 도 4에 도시한 바와 같은 동축 노즐을 사용한 경우에는 C.N(Co-axial nozzle)이라고 표기하고 있다.
또한, 애프터 노즐을 사용한 실험예에서는, 용접 토치로부터 실드 가스 G1을 흘림과 동시에 애프터 노즐 내에 산화 촉진 가스 G2를 공급하면서 용접을 행하였다.
애프터 노즐은 용접 비드(용융 응고부)의 지단부 표면도 철산화물로 덮을 수 있도록, (용접선에 대한) 폭을 25㎜로 했다.
이 실험예에서는, 아크 바로 아래로부터 애프터 노즐의 최후방까지 약 50㎜이고, 그 위치에 있어서의 비드 표면 온도는 약 700℃였다.
용접 토치는 실드 가스 G1의 통로의 단면 형상이 내경 16㎜(외경 20㎜)의 원형의 것을 사용했다.
표 4의 「분사 위치」의 란에는, 용접 비드와 용접 지단부 중 산화 촉진 가스가 분사되는 부위와, 소모 전극의 선단 위치의 수평 방향의 최단 이격 거리 D를 기재하고 있다. 도 3a, 도 3b에 도시한 바와 같은 애프터 노즐을 사용한 경우에는 소모 전극(5)의 선단과, 산화 촉진 가스 분사 수단(20') 중 산화 촉진 가스 G2가 배출되는 출구와의 수평 방향의 이격 거리이고, 도 4에 도시한 바와 같은 이중 실드 구조의 동축 노즐을 사용한 경우에는 소모 전극(5)의 선단과 산화 촉진 가스 분사 수단(20") 중 산화 촉진 가스 G2가 배출되는 출구의 수평 방향의 이격 거리이다.
가스 유속은 노즐 선단에 있어서의 유속이다.
평가 결과로서,
(1) Si, Mn계 슬래그의 부착 면적률
(2) 도전성
(3) 도장 불량의 면적률
(4) 단면 조사에 의한 철산화물의 유무
에 대하여 표 4에 나타내고 있다. 평가 방법을 이하에 설명한다.
(1) Si, Mn계 슬래그의 부착 면적률
용접 비드와 용접 지단부의 표면을 사진 촬영하고, 그 화상으로부터, 다갈색의 유리질의 슬래그를 Si, Mn계 슬래그라고 간주하고, 용접 비드 면적에 대한 슬래그 면적의 비율을 측정했다.
(2) 도전성
용접 비드와 용접 지단부의 표면의 슬래그와 강판 사이의 저항을 10개소에 걸쳐서, 범용 테스터(POCKET TESTER MODEL:CDM-03D)를 맞대어 도통을 측정했다. 저항값이 무한대인 경우를 절연이라고 판단하여 ×로 했다. 산화철로 덮인 비드 표면은 40 내지 1000Ω의 저항값을 나타냈다.
(3) 도장 불량의 면적률
용접 시험편을 탈지, 화성 처리한 후에, 막 두께 20㎛ 목표의 전착 도장을 실시했다. 슬래그 면적률의 측정과 마찬가지로, 용접 비드 도장부를 사진 촬영하고, 그 화상으로부터, 용접 비드 면적에 대한 도장 불량 면적의 비율을 측정했다.
(4) 단면 조사에 의한 철산화물의 유무
EPMA에 의한 단면 관찰로 철 농도 30％ 이상, 두께 10㎛ 이상의 철계 산화물이 확인된 경우를 ○로 했다.
Figure pct00008
발명예에 속하는 실험예 1 내지 8에서는, 산화 촉진 가스 G2가 적절한 조건에서 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 분사된 것에 의해, 용접 비드와 용접 지단부를 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 있었다. 따라서, 용접 비드와 그 지단부의 최표면에 있어서의 Si, Mn계 슬래그의 부착 면적률이 억제되어, 전착 도장을 행한 경우의 도장 불량이 발생하지 않았다.
실험예 9에서는, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β가 과잉의 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 도전성의 철산화물 슬래그가 과잉으로 형성되었다. 이로 인해, 도장 박리가 발생했다.
실험예 10에서는, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β가 과소인 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 도전성의 철산화물 슬래그가 충분히 형성되지 않았다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 11에서는, 산화 촉진 가스 G2의 유속이 과대인 것에 기인하여, 아크 발생부의 실드 가스에 산화 촉진 가스 G2의 성분이 혼입되어 버렸다. 따라서, 용융 풀 표면에 형성되는 Si, Mn계 슬래그가 과잉으로 생성되기 때문에, 나중에 산화 촉진 가스 G2를 적정 범위로 해도, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 12에서는, 산화 촉진 가스 G2의 유속이 과소인 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면의 분위기를 산화 촉진 가스 G2로 치환하지 못하였다. 따라서, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 충분히 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 13에서는, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α가 과대인 것에 기인하여, 용융 풀 표면에 형성되는 Si, Mn계 슬래그가 과잉으로 생성되기 때문에, 나중에 산화 촉진 가스 G2를 적정 범위로 해도, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 14에서는, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α가 과소인 것에 기인하여, 아크 용접 상태가 불안정하게 되었다. 이로 인해, 비드 형성 불량이 발생했다.
실험예 15에서는, 산화 촉진 가스 G2의 분사 위치가, 소모 전극(5)으로부터 지나치게 이격되어 있는 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면이 700℃ 미만으로 된 위치에 산화 촉진 가스 G2가 분사되었기 때문에, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 16에서는, 산화 촉진 가스 G2를 사용하지 않은 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성의 철산화물 슬래그로 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 17 및 실험예 18도, 실험예 16과 마찬가지로, 산화 촉진 가스 G2를 사용하고 있지 않은 실험예이지만, 특허문헌 1의 조건을 상정하고, 실드 가스 G1을 Ar＝97％, O2＝3％, 또는 Ar＝88％, CO2＝12％로 하고 있다. 이들의 실험예에서도 마찬가지로, 용접 직후의 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 잔존하는 실드 가스 성분이 산화 촉진 가스 G2에 의해 치환되지 않은 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면을 도전성이 있는 철산화물 도전성이 있는 철산화물로 덮지 못하였다. 이로 인해, 도장 불량이 발생했다.
실험예 19에서는, 특허문헌 2, 실험예 3의 조건을 상정하고, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α를 0.0％로 하고, 동축 노즐로부터 공급하는 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 했다.
이 실험예에서는, 실드 가스 G1의 산소 포텐셜 α가 과소인 것에 기인하여, 아크 용접 상태가 불안정이 되어, 비드 형성 불량이 발생했다. 나아가, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β가 과소인 것에 기인하여, 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 도전성의 철산화물 슬래그가 충분히 형성되지 않아, 도장 불량이 발생했다.
도 5는 산화 촉진 가스를 사용하지 않은 비교예(실험예 16), 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 한 비교예(실험예 19) 및 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 15.0％로 한 발명예(실험예 2)에 대하여, 용접 후 외관, 도장 후 외관 및 부식 후 외관을 도시하는 사진이다.
이 도 5에 도시된 바와 같이, 적절한 산화 촉진 가스 G1을 사용함으로써 용접 비드와 용접 지단부의 표면에 도전성의 철산화물 슬래그를 형성할 수 있고, 도장 불량을 회피할 수 있다는 것, 또한, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 높임으로써 더욱 높은 효과가 얻어진다는 것이 확인되었다.
또한, 도 6은 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 한 비교예(실험예 19)에 대하여, Si, Mn계 슬래그의 일부가 Fe계 산화물로 치환되어 있는 상태를 도시하는 외관 사진(좌)과 SEM 사진을 나타낸다. 이 도 6에 도시한 바와 같이, 산화 촉진 가스 G2를 사용함으로써 Si 산화물이나 Mn 산화물을 Fe 산화물로 치환하는 것이 가능하지만, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β가 낮은 경우에는 Si 산화물이나 Mn 산화물이 표면에 남아, 도장 불량이 발생하는 원인이 됨을 알았다.
또한, 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 10.0％로 한 비교예(실험예 19) 및 산화 촉진 가스 G2의 산소 포텐셜 β를 15.0％로 한 발명예(실험예 2)에 대하여, 용접 후 전착 도장 전의 용접 비드를 용접선에 대하여 수직인 선으로 절단하고, 수지에 묻고, 연마한 후, EPMA로 원소 매핑(Fe, C, O, Si, Mn)을 행하였다. 그 결과, 비교예(실험예 19)의 Si, Mn계 슬래그의 관찰에서는, Fe 농도가 대략 3 내지 7％로 낮았던 것에 비해, 발명예(실험예 2)의 Fe계 산화물의 관찰에서는 Fe 농도가 40 내지 70％로 증가하고 있고, 그 두께도 30㎛로 두꺼웠던 점을 확인하였다. 또한, 비교예(실험예 19)의 용접 비드 표면에 있어서도, Si, Mn계 슬래그 생성 영역 외의 비드 표면에는 철의 산화막이 형성되지만, 두께가 5㎛ 정도로 얇고, 발명예(실험예 2)의 철산화물과는 생성 형태가 상이한 점을 확인하였다.
도 7은 발명예의 효과를 특허문헌 1 내지 3의 기술과 비교하여 도시하는 개략 설명도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 특허문헌 1 내지 3의 기술, 산화 촉진 가스 G2의 분사를 행하지 않은 가스 실드 아크 용접에서는, 고온 상태의 용접 비드와 용접 지단부는 실드 가스 G1에 접촉한 상태로 되기 때문에, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면에 도전성의 철산화물 슬래그로 덮을 수 없다.
한편, 본 발명예에 의하면, 산화 촉진 가스 G2가 700℃ 이상인 고온 상태의 용접 비드와 용접 지단부에 대하여 1m/초 이상의 유속으로 분사되기 때문에, 용접 토치로부터 용접 비드 위로 유입되려고 하는 실드 가스 G1이 배제된다. 따라서, 고온 상태의 용접 비드와 용접 지단부는 산화 촉진 가스 G2에 접촉한 상태가 된다. 산화 촉진 가스 G2는 산소 포텐셜 β가 15％ 이상으로 높여져 있기 때문에, 용접 비드 및 용접 지단부의 표면의 산화 반응이 촉진되어, 도전성의 철산화물 슬래그를 충분히 형성할 수 있다. 따라서, 도장 불량을 방지하는 효과가 얻어진다. 또한, 후드 노즐, 애프터 노즐, 동축 노즐을 사용하여 산화 촉진 가스 G2를 분사하는 경우에는, 필요 개소에 산화 촉진 가스 G2를 모을 수 있기 때문에, 그 효과를 높이는 것이 가능해진다.
본 발명에 따르면, Si, Mn계 슬래그에 의한 전착 도장 불량부가 발생하지 않는 용접부 및 이 용접부를 형성할 수 있는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법을 제공할 수 있다.
1 : 용접 토치
5 : 소모 전극
6 : 아크
8 : 용융 풀
81 : 용접 비드
82 : 용접 지단부
9 : 도전성의 철산화물 슬래그
10 : 가스 렌즈
11 : 용접선
20, 20', 20" : 산화 촉진 가스 분사 수단
21, 21', 21" : 산화 촉진 가스 공급부
22 : 산화 촉진 가스 분사 노즐
22A : 후드 노즐
22B : 애프터 노즐
22C : 동축 노즐
30 : 토치 삽입 관통 구멍
G1 : 실드 가스
G2 : 산화 촉진 가스

Claims (7)

  1. 소모 전극을 갖는 용접 토치를 사용하여 2매의 강판을 아크 용접하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법이며,
    하기 (1) 식으로 나타나는 산소 포텐셜 α가 1.5％ 내지 5％인 실드 가스를, 상기 용접 토치로부터 상기 소모 전극을 향해 공급하면서 아크 용접을 행하고,
    상기 아크 용접에 의해 형성된, 700℃ 이상의 상태에 있는 용접 비드와 용접 지단부에 대하여, 하기 (2) 식으로 나타나는 산소 포텐셜 β가 15％ 내지 50％인 산화 촉진 가스를, 1 내지 3m/초의 유속으로 분사하는
    것을 특징으로 하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법.
    Figure pct00009

    Figure pct00010

    여기서,
    [V1(X)]는 실드 가스에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
    [V1(O2)]는 실드 가스에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
    [V1(CO2)]는 실드 가스에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이고,
    [V2(X)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 불활성 가스의 혼합률(체적％)이고,
    [V2(O2)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 산소의 혼합률(체적％)이고,
    [V2(CO2)]는 산화 촉진 가스에 포함되는 이산화탄소의 혼합률(체적％)이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화 촉진 가스는, 상기 용접 토치와, 그 외주면으로부터 외측으로 이격하여 설치되는 외주벽의 사이에 형성된 공간을 통해 분사되는
    것을 특징으로 하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화 촉진 가스는 700℃ 이상의 상태에 있는 상기 용접 비드와 용접 지단부의 적어도 일부의 상방 영역이 포위된 상태에서, 상기 상방 영역 내에 분사되는
    것을 특징으로 하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 비드와 용접 지단부 중 상기 산화 촉진 가스가 분사되는 부위와, 상기 소모 전극의 선단 위치의 수평 방향의 최단 이격 거리가 35㎜ 이하인
    것을 특징으로 하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법에 의해 형성되는 아크 용접부이며,
    용접 비드의 표면 및 상기 용접 비드의 용접 지단부의 표면이, 마그네타이트 및 우스타이트의 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유하는 도전성의 철산화물 슬래그로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 아크 용접부.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도전성의 철산화물 슬래그의 두께가 10㎛ 내지 50㎛인
    것을 특징으로 하는 아크 용접부.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 용접 비드의 표면 및 상기 용접 비드의 용접 지단부의 표면의 전체면이 상기 도전성의 철산화물 슬래그로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 아크 용접부.
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