KR20180111902A

KR20180111902A - 용접용 토치

Info

Publication number: KR20180111902A
Application number: KR1020187025320A
Authority: KR
Inventors: 나오키 무카이; 레이이치 스즈키; 도쿠지 마루야마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-10-11
Also published as: EP3424634B1; US11484962B2; CN108698155A; KR102118315B1; EP3424634A1; RU2697431C1; US20190047072A1; FI3424634T3; JP6661415B2; EP3424634A4; CN108698155B; JP2017154171A; WO2017150429A1

Abstract

실드 가스의 분위기 중에서 아크 용접을 실행하는 용접용 토치(100)는, 용접 와이어(13)를 송급하는 콘택트 팁(25)과, 용접 와이어의 주위를 둘러싸고, 용접 와이어와의 사이에 형성되는 공간으로부터 가스를 흡인하는 흡인 노즐(23)과, 흡인 노즐(23)의 외주에 마련되며, 흡인 노즐(23)과의 사이에 형성되는 공간으로부터 실드 가스를 용접부에 공급하는 실드 가스 공급 노즐(21)을 갖는다. 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 실드 가스 공급 노즐(21)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Lts[㎜]로 하고, 또한 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 흡인 노즐(23)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Ltk[㎜]로 했을 때에, 7≤Ltk≤17, 0≤Lts≤18을 만족한다.

Description

용접용 토치

본 발명은 용접용 토치에 관한 것이다.

용접 산업에 있어서, 용접 금속 중의 확산성 수소[수소 원자(H)]에 의한 용접 금속의 수소 취화 및 수소 균열이 문제가 되어 있다. 용접 금속 중의 확산성 수소는, 강 조직의 입계 및/또는 미소 공간에 모여서 수소 분자(H₂)가 되고, 체적을 팽창시킨다. 이러한 팽창 압력은 용접 금속에 균열을 일으켜서, 구조물의 파괴를 초래한다. 이와 같은 수소 균열에 대해서는, 강의 강도가 증가함에 따라서 수소 균열 감수성이 높아지지만, 최근, 용접에서 강도가 높은 고장력강이 사용되는 경향이 있다.

도 11은 확산성 수소가 용접 금속에 흡수되는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. 도 11에 있어서, 용접 와이어는 플럭스 코어드의 용접 와이어인 플럭스 코어드 와이어가 이용되는 것으로서 설명한다. 또한, 도 12는 플럭스 코어드 와이어의 단면을 도시하는 도면이다.

플럭스 코어드 와이어인 용접 와이어(201)는 외주를 구성하는 강제 후프(202)와 중심부(203)로 구성되어 있다. 플럭스 코어드 와이어인 경우, 중심부(203)에는, 금속 또는 합금 등의 금속 분말 및 플럭스가 포함된다. 그리고, 용접 와이어(201)가 콘택트 팁(208)을 통하여 이송되는 동시에, 용접 전류가 콘택트 팁(208)으로부터 용접 와이어(201)로 흘러, 용접 와이어(201) 선단의 아크(209)에 의해 용접 와이어(201)가 녹아 용접 금속(210)이 된다. 이 때, 콘택트 팁(208)으로부터 돌출된 용접 와이어(201)의 와이어 돌출부(211)에는 용접 전류가 흐르기 때문에, 저항 발열이 생겨 온도가 상승한다. 이 상승 온도는, 예를 들어 콘택트 팁(208)의 선단으로부터 5㎜ 정도에서 100℃에 도달하고, 콘택트 팁(208)의 선단으로부터 20㎜의 와이어 선단 근방에서는 약 600℃까지 상승하는 경우가 있다.

와이어 돌출부(211)의 온도가 100℃을 초과하여 상승하면, 우선, 와이어 표면의 수소원(205)이 기화되어 용접 와이어(201)로부터 방출된다. 이어서 가열된 강제 후프(202)로부터의 열전도에 의해 중심부(203)가 가열되고, 플럭스 내 및 금속 분말 내의 수소원(205)도 기화되어, 이음매인 시임(204)을 통하여 용접 와이어(201) 외부로 방출된다. 용접 와이어(201)로부터 방출된 수소원(205)의 일부는, 아크 플라스마 기류, 및 가스 실드 아크 용접인 경우에 노즐(206)로부터 용접부에 공급되는 실드 가스의 흐름[화살표(207)로 나타내는 방향]에 의해, 화살표(213)로 나타내는 방향으로 흘러, 아크(209)로 인도된다. 아크(209)는 수천 도의 고온이기 때문에, 수소원(205), 예를 들어 H₂O는, 해리되어 확산성 수소(212)가 되고, 아크 기둥 내의 용적 및 용접 금속(210)에 흡수되어 용접 금속(210) 내에 인입된다.

이와 같이 하여, 와이어 표면에 존재하는 수소원, 및/또는 용접 와이어에 사용되는 플럭스 및 금속 분말에 포함되는 수소원이 고온으로 가열된 와이어 돌출부에서 기화된다. 그리고, 기화한 수소원은, 아크 플라스마 기류 및 가스 실드 아크 용접인 경우에 공급되는 실드 가스의 흐름에 의해, 아크 기둥 내 및 그 근방으로 운반된다. 운반된 수소원은 해리되어 수소 원자(즉, 확산성 수소)가 되고, 용접 금속 중에 흡수된다.

확산성 수소에 의해 발생하는 수소 취화 및 수소 균열의 대책으로서는, 확산성 수소가 용접 금속으로부터 외부로 방출되는 것을 촉진시키기 위해, 예열(용접 전에 용접 강재를 가열하는 것) 및/또는 후열(용접 후에 용접부를 가열하는 것)이 실행되는 경우가 있다. 또한, 용접에서 플럭스 코어드 와이어를 사용하는 경우에는, 플럭스에 CaF₂ 및/또는 Na₃AlF₆ 등의 불화물을 첨가하는 것에 의해, 확산성 수소를 저감시키는 방법도 이용되고 있다. 또한, 가스 실드 아크 용접에서 공급되는 실드 가스에 CF₄를 미량으로 혼합하는 수법도 제안되고 있다.

일본 특허 공표 제 2002-506736 호 공보

용접 와이어에 있어서의 수소원은, 와이어 표면에 부착되어 있는 오일 및 수분, 플럭스 코어드 와이어 및/또는 메탈 코어드 와이어에 내포되는 플럭스 및 금속 분말에 부착되어 있는 수분 및 유기물이다. 일반적으로, 용접 와이어 표면에 부착되어 있는 수소원보다, 플럭스 및/또는 금속 분말에 부착되어 있는 수소원이 비교적 많다. 그 때문에, 플럭스 및 금속 분말에 부착되는 수소원을 줄이기 위해, 용접 와이어를 제조하기 전에, 플럭스 및 금속 입자를 고온으로 가열하여, 수소원을 제거하는 수법이 채용되는 경우가 있다. 또한, 제조 공정 중에서 흡습되는 것을 방지하는 것도 필요하지만, 다대한 비용이 든다. 또한, 제품화된 후에도, 보관 중 및 습도가 높은 용접 현장에서의 작업 중에도 공기 중에서 수분이 흡착되므로, 수소원을 감소시키는 것에는 여러 가지 장해가 존재한다.

또한, 수소 취화 및 수소 균열의 대책으로서, 예열 및/또는 후열을 실행하는 경우에는, 150℃ 내지 250℃의 가열을 실행하게 되어, 많은 에너지 비용 및 노력이 든다. 또한, 고온의 작업이며 용접 작업자에게 가혹한 부담을 준다라는 문제가 있다. 플럭스에 불화물을 첨가하는 경우에는, 첨가물의 양을 증가시킴에 따라서 아크의 안정성을 열화시키기 위해, 확산성 수소가 충분히 저감되지 않는 경우가 있다. 또한, 실드 가스에 CF₄를 혼합하는 수법에 있어서도, 안전성의 문제와 아크의 안정성이 열화되는 문제가 있어, 보급하는데에는 장해가 있다고 말할 수 있다.

특허문헌 1에 나타내는 토치는, 콘택트 팁으로부터 돌출된 용접 와이어의 주위를 둘러싸고 와이어 선단부를 향한 개구부로부터 흄(fume)을 흡인한다. 특허문헌 1에는 나타나 있지 않지만, 이 토치에서는, 용접 중에 용접 와이어로부터 이탈한 수소원을 흄과 동시에 흡인하고, 용접부 외부로 배출하여, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감한다고 이해된다. 그러나, 특허문헌 1에는, 대략적인 토치의 구성이 도시되어 있을 뿐, 각 노즐 및 팁의 사이즈 및 상대 위치의 상세한 구성은 기재되어 있지 않다. 확산성 수소량 저감에의 시스템의 실용성과 유효성을 고려하면, 토치에는, 수소 흡인 성능, 용접 금속의 기공 결함 방지, 및 토치 부품의 보호의 관점에서 최적인 구성이 있다고 고려되지만, 그것에는 언급되어 있지 않다. 수소 흡인 성능을 추구하면, 장시간 사용에 견딜 수 없는 구조가 되어 버리기 때문에, 적절한 설계가 필요하게 된다. 또한, 흡인 노즐의 구조에 따라서는, 실드 가스의 흐름 상태를 악화시키기 때문에, 실드성이 악화되어, 대기를 혼입시키는 것에 의해 기공 결함의 발생으로 이어지는 경우가 있다. 본 개시는 상기 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 용접용 토치를 보호하면서 높은 수소 흡인 성능을 발휘하여, 용접 품질을 향상시킬 수 있는 용접용 토치를 제공한다.

본 발명의 일 예는 하기 구성으로 이루어진다.

실드 가스의 분위기 중에서 아크 용접을 실행하는 용접용 토치에 있어서, 용접 전류가 공급되는 용접 와이어를 선단부를 향하여 송급 가능하게 지지하는 콘택트 팁과, 상기 콘택트 팁의 선단부로부터 돌출된 상기 용접 와이어의 주위를 둘러싸고, 상기 용접 와이어와의 사이에 형성되는 공간(간극)으로부터 가스를 흡인하는 흡인 노즐과, 상기 흡인 노즐의 외주에 마련되며, 상기 흡인 노즐과의 사이에 형성되는 공간(간극)으로부터 상기 실드 가스를 상기 용접 와이어의 선단의 용접부를 향하여 공급하는 실드 가스 공급 노즐을 갖고, 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 실드 가스 공급 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Lts[㎜], 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 흡인 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Ltk[㎜]로 했을 때에, 하기 (1) 식, 7≤Ltk≤17, 0≤Lts≤18 … (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

본 개시에 의하면, 용접용 토치를 보호하면서 높은 수소 흡인 성능을 발휘하여, 용접 금속의 기공 결함 등의 발생을 방지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시형태에 따른 용접 장치의 개략 구성의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 용접용 토치의 선단부의 요부 확대도이다.
도 4는 흡인 노즐이 테이퍼를 갖는 변형예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.
도 5는 흡인 노즐의 선단부의 형상을 변경한 변형예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.
도 6은 흡인 노즐이 팁 바디와의 접합부에 내열성 절연 부재를 갖는 제 2 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.
도 7은 흡인 노즐이 흡인 노즐의 선단부에 내열성 절연 부재를 갖는 제 3 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.
도 8은 흡인 노즐의 노즐 전체가 내열성 절연 소재로 형성되는 제 4 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.
도 9는 기공 결함의 시험에 이용한 시험판의 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시한 시험판의 평면도이다.
도 11은 확산성 수소가 용접 금속에 흡수되는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 플럭스 코어드 와이어의 단면을 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

＜용접 시스템의 구성＞

본 구성예에 따른 용접 장치(10)는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접에 의해 용접을 실행하는 장치이다. 소모 전극이란, 아크 용접에 있어서, 아크 열에 의해 용융되는 전극을 나타낸다. 또한, 가스 실드 아크 용접이란, 분사한 실드 가스에 의해 용접부를 외기로부터 차단하여 용접을 실행하는 용접법이다. 그리고, 용접 장치(10)는 용접부에 분사한 실드 가스 중 와이어 돌출부의 근방에 있어서의 수소원(11)을 포함하는 실드 가스를 흡인하면서 용접을 실행한다.

도 1은 실시형태에 따른 용접 장치(10)의 개략 구성의 일 예를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 구성예의 용접 장치(10)는, 용접 와이어(13)를 이용하여 워크(W)를 용접하는 용접용 토치(100)와, 실드 가스를 흡인하는 흡인 장치(15)를 구비한다. 또한, 용접용 토치(100)와 흡인 장치(15)를 접속하는 흡인 실드 가스 경로(17)를 구비한다.

용접용 토치(100)는 용접 전원(미도시)으로부터 공급되는 용접 전류에 의해 용접 와이어(13)를 급전하여 워크(W)를 용접한다. 용접 와이어(13)로서는, 예를 들어 중심부에 금속 분말 및 플럭스가 첨가된 플럭스 코어드 와이어, 중심부에 주로 금속 분말이 첨가된 메탈 코어드 와이어, 또는 강 등의 합금으로 구성되는 솔리드 와이어가 이용된다.

용접용 토치(100)는 실드 가스 공급 노즐(21)과, 흡인 노즐(23)과, 콘택트 팁(25)과, 흡인 경로(27)와, 팁 바디(29)를 구비하며, 또한 실드 가스 공급 노즐(21)과 팁 바디(29) 사이에는, 쌍방을 절연하는 절연용 부품(28)이 마련되어 있다.

흡인 장치(15)는 유량 제어 밸브(31)와, 이젝터(33)를 구비하고, 용접용 토치(100)의 흡인 노즐(23)로부터 실드 가스를 흡인한다. 실드 가스는, 실드 가스 봄베 등의, 미도시의 외부의 실드 가스 공급 장치로부터 실드 가스 공급 노즐(21)에 공급된다. 흡인 장치(15)로서는, 예를 들어 25L/min 정도의 흡인 능력이 있으면 좋고, 소형이며 큰 에너지를 필요로 하는 일 없이 염가로 공급되어 있는 것을 채용하는 것이 가능하다.

흡인 실드 가스 경로(17)는 용접용 토치(100)의 흡인 경로(27)와 흡인 장치(15)를 접속하고, 흡인한 실드 가스가 흐르는 경로가 된다. 흡인 실드 가스 경로(17)는, 예를 들어 고무 튜브로 형성된다.

다음에, 용접용 토치(100)의 구성에 대하여 설명한다.

실드 가스 공급 노즐(21)은 통형의 형상을 갖고 있으며, 통형상으로 형성된 팁 바디(29)에 도 1의 하측으로부터 끼워져 고정된다. 팁 바디(29)의 도면 중 상방의 외주면(29a)에는, 절연용 수지 부품(28)이 마련되며, 실드 가스 공급 노즐(21)과 팁 바디(29)는 절연된다. 이 실드 가스 공급 노즐(21)은 용접부에 대하여 실드 가스를 공급한다. 또한, 실드 가스 공급 노즐(21)은 통형상으로 형성되어 있기 때문에, 실드 가스는 용접부를 포위하여 외기로부터 차단하도록 공급된다.

흡인 노즐(23)은 실드 가스 공급 노즐(21)의 내부에 배치되며, 통형의 형상을 갖는다. 이 흡인 노즐(23)은 팁 바디(29)에 있어서의 도 1의 하측으로 돌출되는 통형상부의 외주면(29b)에 끼워져 고정된다. 실드 가스 공급 노즐(21)과, 흡인 노즐(23)에 접속되는 팁 바디(29)의 외주면(29b) 사이에는, 미도시의 실드 가스 공급 장치로부터 이송되는 실드 가스를 균일하게 하기 위한 스로틀부인 오리피스(30)가 배치된다.

또한, 흡인 노즐(23)은, 콘택트 팁(25)으로부터 돌출된 용접 와이어(13)의 와이어 돌출부(37)의 주위를 둘러싸는 구조를 갖고, 또한 용접 와이어(13)의 선단부를 향하여 개구부(39)를 갖는다. 도 2는 용접 장치(10)에 있어서의 도 1의 A-A선의 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 콘택트 팁(25)의 중심에 용접 와이어(13)가 마련되며, 콘택트 팁(25)의 주위를 둘러싸도록 흡인 노즐(23)이 존재하고 있다. 또한, 흡인 노즐(23)의 주위를 둘러싸도록 실드 가스 공급 노즐(21)이 마련되어 있다.

여기서, 흡인 노즐(23)은, 용접 와이어(13)의 선단 방향, 즉 아크(41)가 발생하는 방향을 향하여 개구되어 있으며, 와이어 선단부의 근방에서 방출된 수소원(11)을 포함하는 실드 가스를 흡인하도록 구성된다. 흡인 노즐(23)의 흡인에 의해, 수소원(11)을 포함하는 실드 가스는 용접부 외부를 향하는 방향인 화살표(43)의 방향으로 흘러, 용접부 외부로 배출된다.

와이어 선단부의 근방에서 방출된 수소원(11)을 흡인하기 위해서는, 흡인 노즐(23)을 길게 하여 와이어 선단부까지 둘러싸도록 구성하면 좋지만, 아크 열에 의해 흡인 노즐(23)이 용융될 가능성이 있다. 그 때문에, 흡인 노즐(23)은 아크 열의 영향을 고려한 길이로, 와이어 선단부를 향하여 개구되어 구성된다. 흡인 노즐(23)로서는, 예를 들어 열전도가 뛰어난 구리 합금, 또는 내열이 우수한 세라믹스가 이용된다. 또한, 스패터의 부착을 방지하기 위해서 크롬 도금 등이 실시된 것을 이용하여도 좋다.

콘택트 팁(25)은 흡인 노즐(23)의 내경부에 배치되며, 통형의 형상을 갖는다. 콘택트 팁(25)은 팁 바디(29)에 있어서의 도 1의 하측의 내경부(29c)에 콘택트 팁 상부가 끼워지는 것에 의해 고정된다. 이 콘택트 팁(25)은 용접 와이어(13)를 안내하는 동시에 용접 와이어(13)에 용접 전류를 공급한다. 콘택트 팁(25)의 내부에는, 용접 와이어(13)에 접촉 가능한 직경의 와이어 송급로가 형성되어 있으며, 용접 와이어(13)에 급전된다. 또한, 콘택트 팁(25)은, 팁 바디(29)에 착탈 가능하게 장착되어 있으며, 장시간의 사용으로 소모된 경우는 교환된다.

흡인 경로(27)는 흡인 노즐(23)에 의해 흡인된 실드 가스를 흡인 장치(15)로 인도한다. 이 흡인 경로(27)는, 팁 바디(29)에, 예를 들어 직경 1.5㎜ 정도의 구멍을 4개소 드릴로 천공하여 형성된 통로이며, 4개소의 구멍에 의한 통로를 원주방향의 합류 홈(45)에서 합류시키고, 그 후, 흡인 실드 가스 경로(17)를 거쳐서 흡인 장치(15)에 접속되어 있다. 단, 흡인 경로(27)로서는 이와 같은 구성에 한정되는 것이 아니라, 흡인 노즐(23)로부터 흡인 장치(15)에 실드 가스 및/또는 수소원(11)을 인도하는 경로를 구성하는 것이면, 어떠한 것이어도 좋다.

팁 바디(29)는 용접용 토치(100)의 본체부가 된다. 팁 바디(29)는, 통형의 형상을 갖고, 절연용 수지 부품(28)을 거쳐서 접속되는 실드 가스 공급 노즐(21), 흡인 노즐(23), 콘택트 팁(25)을 지지한다.

다음에, 흡인 장치(15)의 구성에 대해 설명한다.

유량 제어 밸브(31)는, 예를 들어 니들 밸브에 의해 구성되고, 미도시의 모터 등의 액추에이터를 구비하며, 흡인 유량을 제어한다. 유량 제어 밸브(31)는 후술하는 이젝터(33)의 흡인 포트(47)와 흡인 실드 가스 경로(17) 사이에 마련된다.

이젝터(33)는 T자관으로 되어 있으며, 일반적인 이젝터의 기능을 갖는다. 즉, 수평방향으로 압축 에어 등의 구동 가스를 흘리는 것에 의해 관 내의 세경이 된 부분에서 유속이 증가하여, T자의 수직선에 해당하는 관이 흡입구가 되고, 흡인 노즐(23)을 거쳐서 실드 가스의 흡인이 실행된다. 이젝터(33)는 구동 노즐(52), 가스 공급 포트(51), 흡인 포트(47), 배기 포트(35)를 구비한다.

이 이젝터(33)에서, 가스 공급 포트(51)에는 압축 에어 등의 구동 가스가 공급된다. 또한, 가스 공급 포트(51)로부터 구동 노즐(52)로 인도된 구동 가스는 배기 포트(35)를 향하여 분출된다. 이 때, 흡인 포트(47)에는 흡인력이 작용하며, 흡인 실드 가스 경로(17), 흡인 경로(27)를 거쳐서 접속된 흡인 노즐(23)로부터, 수소원(11)을 포함하는 실드 가스가 흡인 포트(47)로 인도된다. 그리고, 흡인된 흡인 포트(47)의 수소원(11)을 포함하는 실드 가스는 배기 포트(35)로 이송된다.

이와 같이 하여, 본 구성예에 따른 용접 장치(10)에 있어서, 흡인 장치(15)는 흡인 노즐(23)에 의해 와이어 돌출부(37)의 주위 및 용접 와이어(13)의 선단부 근방으로부터 흡인을 실행한다. 그리고, 가열된 용접 와이어(13)로부터 방출된 수소원(11)을 포함하는 실드 가스가 용접부 외부를 향하는 방향인 화살표(43)의 방향으로 흘러 흡인된다. 흡인 장치(15)를 이용하여 흡인이 실행되지 않는 경우에는, 수소원(11)은 아크(41)의 바로 위에 있으므로, 그 대부분이 아크(41)로 인도되고 용접 금속 중에 흡수된다. 한편, 본 구성예에 따른 용접 장치(10)를 이용하는 것에 의해, 수소원(11)이 아크(41)로 흘러 아크(41) 내에서 확산성 수소가 되고 용접 금속 중에 흡수되는 것이 억제되어, 용접 금속 중의 확산성 수소의 양이 저감된다. 그리고, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 저감되는 것에 의해, 용접 금속에 있어서의 수소 취화 및 수소 균열이 방지된다.

일반적으로, 용접 금속 중의 확산성 수소를 1mL/100g 줄이는 것에 의해, 필요한 예열 온도를 약 25℃ 낮출 수 있다고 여겨지고 있다. 예를 들면, 확산성 수소가 4mL/100g 줄어든 경우, 예열 온도가 125℃ 필요한 용접에서, 예열 온도를 100℃ 낮출 수 있어, 예열 온도가 25℃가 되어 결과적으로 예열의 필요가 없어진다. 또한, 예를 들어 예열 온도가 200℃ 필요한 용접에서도, 100℃까지의 예열로 족하다. 이와 같은 예열 온도의 저하는 예열용 에너지의 절약, 및/또는 예열에 필요한 노력 및 시간 삭감 등의 경제 효과가 얻어진다. 또한, 200℃의 예열 작업의 혹독한 노동 환경이 개선된다.

또한, 용접 와이어(13)는 보관 환경에 의해 흡습되지만, 육안으로는 흡습되어 있는지 알 수 없기 때문에, 철저한 보관 환경의 관리가 요구된다. 본 구성예에 따른 용접 장치(10)를 이용하는 것에 의해, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 감소하기 때문에, 보관 환경의 관리 레벨이 경감되어, 만일 인위적 실수에 의한 흡습이 있었다고 하여도 그와 같은 실수의 영향이 완화된다.

도 3은 도 1에 도시한 용접용 토치의 선단부의 요부 확대도이다.

본 구성예의 용접용 토치(100)는 실드 가스의 분위기 중에서 아크 용접을 실행한다. 그리고, 용접 전류가 공급되는 용접 와이어를 선단부를 향하여 송급 가능하게 지지하는 콘택트 팁(25)과, 콘택트 팁(25)의 선단부로부터 돌출된 용접 와이어의 주위를 둘러싸고, 용접 와이어와의 사이에 형성되는 공간으로부터 가스를 흡인하는 흡인 노즐(23)과, 흡인 노즐(23)의 외주에 마련되며, 흡인 노즐(23)과의 사이에 형성되는 공간으로부터 실드 가스를 용접 와이어의 선단의 용접부를 향하여 공급하는 실드 가스 공급 노즐(21)을 갖는다.

여기에서, 용접용 토치(100)는 콘택트 팁(25), 실드 가스 공급 노즐(21), 및 흡인 노즐(23)의 위치 관계가 이하에 나타나게 된다.

즉, 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 실드 가스 공급 노즐(21)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Lts[㎜]로 하고, 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 흡인 노즐(23)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Ltk[㎜]로 했을 때에, 용접용 토치(100)는 하기 (1) 식을 만족한다.

7≤Ltk≤17, 0≤Lts≤18 … (1)

또한, 거리(Ltk)는, 바람직하게는 Ltk≥9이며, 바람직하게는 Ltk≤15, 보다 바람직하게는 Ltk≤14이다.

또한, 거리(Lts)는, 바람직하게는 Lts≥4이며, 바람직하게는 Lts≤16, 보다 바람직하게는 Lts≤15이다.

또한, 용접용 토치(100)는 실드 가스 공급 노즐(21), 및 흡인 노즐(23)의 직경에 관하여, 이하의 식을 만족한다.

즉, 실드 가스 공급 노즐(21)의 내경을 Dsi[㎜], 흡인 노즐(23)의 내경을 Dki[㎜], 또한 흡인 노즐(23)의 외경을 Dko[㎜]로 했을 때에, 용접용 토치(100)는 하기 (2) 식을 만족한다.

Dsi-Dko≥2

Dko-Dki≥1.2

8≤Dsi≤40

1.5≤Dki≤12 … (2)

또한, 실드 가스 공급 노즐(21)의 내경(Dsi)과 흡인 노즐(23)의 외경(Dko)의 차이 Dsi-Dko는, 바람직하게는 Dsi-Dko≥3이다. 또한, Dko-Dki는, 바람직하게는 Dko-Dki≥2이다.

또한, 실드 가스 공급 노즐(21)의 내경(Dsi)은, 바람직하게는 Dsi≥13이며, 보다 바람직하게는 Dsi≤35이다.

또한, 흡인 노즐(23)의 내경(Dki)은, 바람직하게는 Dki≥1.8이며, 보다 바람직하게는 Dki≤8이다.

단, 복수의 흡인 노즐(23)이 장착되어 있는 경우는, 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 각 흡인 노즐(23)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Ltk)는 그 중의 최대값으로 한다.

또한, 용접용 토치(100)는, 팁 바디(29)와 흡인 노즐(23)의 선단 사이의 전기 저항이 50Ω 이상이다. 보다 바람직하게는 500Ω 이상이다.

또한, 용접용 토치(100)는 흡인 노즐 내면의 표면 조도가 이하의 식을 만족하게 된다.

즉, 흡인 노즐 내면의 산술 평균 조도 : Ra[㎛]로 했을 때에, 용접용 토치(100)의 흡인 노즐(23)은, 노즐 내주면의 표면 조도 Ra가,

0.05≤Ra≤50

을 만족한다.

또한, 산술 평균 조도 Ra는, 바람직하게는 Ra≤20, 보다 바람직하게는 Ra≤10이다. 또한, 바람직하게는 Ra≥0.3, 보다 바람직하게는 Ra≥1이다.

또한, 용접용 토치(100)는 흡인 노즐(23)의 흡인 가스 유량을 Qk[L/min]로 했을 때에, 하기 (3) 식을 만족한다.

Ltk≥10-0.6×Qk … (3)

또한, 거리(Ltk)는, 바람직하게는 Ltk≥10-0.4×Qk이다.

또한, 용접용 토치(100)는, 실드 가스 공급 노즐(21)의 선단에 있어서의 실드 가스 출구의 단면적을 Ss[㎟], 실드 가스 유량을 Qs[L/min], 또한 실드 가스 출구의 유속 Vs[m/s]로 했을 때에, 하기 (4) 식을 만족한다.

Ss=(Dsi²-Dko²)π／4

Vs=1000×Qs/(60×Ss)≤7 … (4)

또한, 유속 Vs는, 바람직하게는 Vs≤5, 보다 바람직하게는 Vs≤4이다.

도 4는 흡인 노즐(23)이 테이퍼를 갖는 변형예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다. 본 변형예의 용접용 토치(100A)는, 흡인 노즐(23A)이 선단을 향하여 서서히 축경되는 테이퍼를 갖도록 형성된다. 흡인 노즐(23A)은, 선단이 가는 테이퍼를 갖는 것에 의해, 흡인 경로(27)의 유속을 선단 개구를 향하여 서서히 빠르게 할 수 있다. 또한, 용접용 토치(100A)는, 흡인 노즐(23A)을 테이퍼로 형성하는 것에 의해, 흡인 노즐(23A)의 외주와 실드 가스 공급 노즐(21) 사이에 형성되는 공간을 넓힐 수 있다. 이에 의해, 실드 가스 출구의 유속 Vs를 바람직한 범위로 하기 쉽다.

도 5는 흡인 노즐(23B)의 선단부의 형상을 변경한 변형예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.

본 변형예의 용접용 토치(100B)는, 팁 바디(29)의 외주면(29b)에서 흡인 노즐(23B)을 지지하고, 내경부(29c)에서 콘택트 팁(25)을 지지한다.

도 3, 도 4에 도시하는 예에서는, 흡인 노즐(23, 23A)의 선단부 내면은, 내주측으로 축경되며, 두께가 두껍게 형성되어 있지만, 도 5에 도시하는 흡인 노즐(23B)과 같이, 선단부가 다른 부분과 동일한 두께로 형성되어도 좋다.

다음에, 상기한 구성의 작용을 설명한다.

용접용 토치(100)는, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감되기 위해, 실드 가스의 일부를 흡인한다. 이 때, 유의해야 할 항목으로서, 수소 흡인 성능, 용접 금속의 기공 결함 발생 방지, 및 토치 부품의 보호가 있다.

＜수소 흡인 성능＞

(수소 흡인 성능의 확보)

용접 중, 콘택트 팁(25)으로부터 송출된 용접 와이어(13)는, 그 순간부터 용접 전류가 흐르기 때문에, 줄 발열을 받아 온도가 상승한다. 그 온도는 콘택트 팁(25)으로부터의 거리가 멀어짐에 따라서 상승한다. 또한, 용접 와이어(13)로부터 방출되는 수소원(11)은, 부여되는 에너지가 높아질수록, 방출율이 높아진다. 이 때문에, 수소 흡인 성능을 고려한 경우, 흡인 노즐(23)[이하, 부호(23A, 23B)도 마찬가지]은 와이어 온도가 보다 높아지는 위치까지 용접 와이어(13)를 커버하는 것이 바람직하다. 즉, 흡인 노즐(23)은, 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 흡인 노즐(23)의 선단의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Ltk)는 긴 것이 바람직하다.

(수소 흡인 성능의 확보)

흡인 유량 Qk이 많은 경우에는, 노즐 선단에서의 흐름에 의해 흡인 노즐(23)로부터 멀어진 위치에서 방출된 수소원(11)도 흡인할 수 있다. 이에 대하여 발명자들은 실험에 의해 바람직한 흡인 유량과 흡인 노즐 위치의 관계식[전술한 (3) 식 참조]을 도출했다.

(흡인 노즐의 폐색 방지)

흡인 노즐(23)을 사용하여 장시간의 용접을 실행하는 경우, 흡인 노즐(23)의 내면의 표면 조도가 너무 거칠면, 흄이 퇴적되기 쉬워진다. 흄이 퇴적되면, 콘택트 팁(25)과 흡인 노즐 사이의 폐색을 발생시켜, 가스의 흡인을 할 수 없게 된다. 용접용 토치(100)(100A, 100B도 동일)는, 이것을 방지하기 위해, 흡인 노즐 내면의 표면 조도는 매끄러운 것이 바람직하다.

＜용접 금속의 기공 결함 발생 방지＞

(실드성 확보, 및 흡인 노즐의 스파크 방지)

용접용 토치(100)를 이용한 용접법에서는, 실드 가스의 일부를 흡인하기 위해, 일반적인 가스 실드 아크 용접과 비교하여 용접부의 실드성이 열화된다. 실드성이 나빠지면, 용접 금속에 기공 결함이 발생하는 등의 문제가 발생한다. 이것을 방지하기 위해서, 실드 노즐 선단과 워크(W)의 위치는 가까운 것이 바람직하다. 한편, 용접 시공을 실행할 때에, 콘택트 팁(25)과 워크(W)의 거리를 대체로 20㎜ 내지 30㎜로 조정하여 실행하는 것이 용접 작업성의 관점에서 바람직하다. 용접용 토치(100)는, 실용을 고려하면, 콘택트 팁 선단과 실드 가스 공급 노즐 선단의 상대 위치 관계[콘택트 팁 선단으로부터 실드 가스 공급 노즐 선단의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Lts)]를 소정 범위로 설정하는 것에 의해 높은 실드성을 확보할 수 있다.

또한, 흡인 노즐(23)이 도전성 재질로 팁 바디(29)와의 절연을 실행하고 있지 않은 경우, 흡인 노즐 선단은 용접 와이어(13)와 동일 전위가 된다. 그 때문에, 반자동 용접을 실행할 때 등에, 의도치 않게 흡인 노즐(23)과 워크가 접촉한 경우에, 흡인 노즐 워크 사이에서 스파크가 생겨, 흡인 노즐(23)을 용손(溶損)시킬 우려가 있다. 그러나, 본 구성의 용접용 토치(100)에 의하면, 실드 노즐이 길고, 흡인 노즐(23)을 대체로 덮은 상태이기 때문에, 의도치 않은 스파크에 의한 용손을 방지할 수 있다.

(실드성 확보)

또한, 흡인 노즐(23)의 외경과 실드 가스 공급 노즐(21)의 내경이 좁은 경우, 실드성을 확보하는 가스의 층 두께가 얇아져, 내부에 외기가 침입하기 쉬워진다. 정확하게는, 실드성의 확보에는, 실드 가스의 유속과 유량이 관계한다고 고려되지만, 적정 유량의 실드 가스 공급하에서는 실드 가스 공급 노즐(21)의 내경(Dsi)과 흡인 노즐(23)의 외경(Dko)의 차이를, 소정 범위로 설정하는 것에 의해 실드성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

(실드성 확보, 및 난류 방지)

실드 가스는 주위 가스의 혼입이 적은 층류 상태에서 이송되는 것이 바람직하다. 그러나, 흡인 노즐(23)의 외경이 굵은 경우, 및/또는 실드 가스 공급 노즐(21)이 가는 경우에는, 적정 유량의 실드 가스 공급 하에서도, 실드 가스 공급 노즐(21)의 출구에서의 실드 가스 유속이 빨라져, 난류 상태가 된다. 이 경우, 대기를 과잉으로 혼입해버린다. 용접용 토치(100)는, 이를 방지하기 위해, 실드 가스 공급 노즐(21)의 가스 출구 유속의 개산값은 낮은 것이 바람직하다.

＜토치 부품의 보호＞

(흡인 노즐의 보호)

상기의 수소 흡인 성능의 확보에 있어서, 거리(Ltk)를 길게 하는 것이 바람직한 한편, 흡인 노즐(23)이 스패터 및/또는 아크(41)의 복사열로 손상되는 것을 방지하기 위해, 워크(W)와 흡인 노즐(23)의 거리는 먼 것이 바람직하다. 콘택트 팁(25)과 워크(W)의 거리는, 용접의 작업성을 고려한 경우, 적절한 범위가 있다. 이 때문에, 용접용 토치(100)는 거리(Ltk)를 짧게 하는 것이 흡인 노즐(23)의 보호를 위해서는 필요하다.

(토치 내구성, 및 절연용 수지의 보호)

상기의 실드성 확보·흡인 노즐의 스파크 방지에 있어서, 거리(Lts)를 길게 하는 것이 바람직한 한편, 실드 가스 공급 노즐(21)이 아크(41)의 복사열로 과열되고, 팁 바디 주변의 절연용 수지 부품(28)을 소실하는 것을 방지하기 위해, 워크(W)와 실드 가스 공급 노즐(21)의 거리는 먼 것이 바람직하다. 콘택트 팁(25)과 워크(W)의 거리는, 용접의 작업성을 고려한 경우, 적절한 범위가 있다. 이 때문에, 용접용 토치(100)는 거리(Lts)를 짧게 하는 것이 흡인 노즐(23)의 보호를 위해서 필요하다.

(흡인 노즐(23)의 내구성)

흡인 노즐(23)은 아크(41)의 복사열을 강하게 받는다. 흡인 노즐(23)은, 통상 실드 가스류에 의해 냉각되기 때문에, 손상되지 않지만, 노즐 선단부의 두께가 얇은 경우에는 열 용량이 낮고, 열전도도 나빠진다. 이 때문에, 노즐 선단부가 용융될 우려가 있다. 이 흡인 노즐(23)의 용손을 방지하기 위해서는, 선단부의 두께(Dko-Dki)를 두껍게 할 필요가 있다.

(흡인 노즐(23)의 스파크 방지)

흡인 노즐(23)은, 도전성 재료로 구성하는 경우, 팁 바디(29), 및/또는 콘택트 팁(25)과 동일 전위가 된다. 그 때문에, 의도치 않게 워크(W)와 흡인 노즐(23)을 접촉시켜 버린 경우에, 흡인 노즐(23)로부터 아크(41)가 발생하여, 즉시 흡인 노즐(23)이 용손되어 버린다. 이를 방지하기 위해서는, 팁 바디(29)와 흡인 노즐 선단 사이의 전기 저항을 높게 하는 것이 바람직하다. 또한, 용접 와이어(13)는, 그 제품 형태에 의해, 일정한 굴곡(캐스트)을 가지고 있다. 이 캐스트가 요인이 되어, 용접 와이어(13)와 흡인 노즐 선단이 접촉되어 버린 경우에는, 흡인 노즐(23)을 경유한 불안정한 분기 전류가 흐른다. 이 불안정한 분기 전류는, 용접 작업성을 악화시키는 것 이외에, 흡인 노즐(23)에서 커버된 부분에서의 와이어 발열량을 저하시킨다. 그러면, 수소원(11)의 방출량이 저하되기 때문에, 확산성 수소 저감 효과도 악화될 가능성이 있다.

양도체인 용접 와이어(13)의 전기 저항은 매우 낮고, 콘택트 팁과 모재의 약 25㎜의 간격에서는 약 20mΩ이다. 그 때문에, 흡인 노즐(23)로부터의 아크 발생, 및/또는 용접 와이어(13)와 흡인 노즐 선단의 접촉에 의한 흡인 노즐 내를 흐르는 높은 분기 전류를 방지하기 위해서는, 팁 바디와 흡인 노즐 선단 사이의 전기 저항을 50Ω 이상으로 하면 좋다. 용접용 토치(100)는, 보다 안전한 설계로 하기 위해서는, 팁 바디 흡인 노즐 선단 사이의 전기 저항을 500Ω 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 구성의 용접용 토치(100)에서는, 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 실드 가스 공급 노즐(21)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Lts), 및 콘택트 팁(25)의 선단으로부터 흡인 노즐(23)의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Ltk)는,

0≤Lts≤18, 7≤Ltk≤17

을 만족하므로, 수소 흡인 성능의 확보, 흡인 노즐(23)의 보호, 실드성 확보·흡인 노즐의 스파크 방지, 및 토치 내구성·절연용 수지의 보호를 할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)에서는, 실드 가스 공급 노즐(21)과 흡인 노즐(23)의 선단이,

Dsi-Dko≥2

Dko-Dki≥1.2

8≤Dsi≤40,

1.5≤Dki≤12

를 만족하므로, 실드성 확보, 및 흡인 노즐(23)의 내구성을 확보할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)에서는, 팁 바디(29)와 흡인 노즐(23)의 선단 사이의 전기 저항이 50Ω 이상이므로, 흡인 노즐(23)의 스파크를 방지할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)에서는, 흡인 노즐(23)의 노즐 내주면의 표면 조도 Ra가 0.05㎛ 이상, 또한 50㎛ 이하이므로, 흄이 노즐 내주면에 부착, 내지는 퇴적되기 어려워, 장시간 사용시의 흡인 노즐(23)의 폐색을 방지할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)에서는, 흡인 노즐(23)의 흡인 가스 유량을 Qk로 했을 때에,

Ltk≥10-0.6×Qk

를 만족하므로, 수소 흡인 성능을 확보할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)에서는, 실드 가스 공급 노즐(21)의 선단에 있어서의 실드 가스 출구의 단면적을 Ss로 하고, 실드 가스 유량을 Qs로 하고, 또한 실드 가스 출구의 유속을 Vs로 했을 때에,

Ss=(Dsi²-Dko²)π／4

Vs=1000×Qs/(60×Ss)≤7

을 만족하므로, 실드성을 향상시켜, 난류의 발생을 방지할 수 있다.

다음에, 용접용 토치의 다른 구성예에 대하여 설명한다.

도 6은 흡인 노즐(23C)이 팁 바디(29)와의 접합부(61)에 내열성 절연 부재(63)를 갖는 제 2 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.

본 구성의 용접용 토치(200)는, 콘택트 팁(25)을 지지하는 팁 바디(29)와, 흡인 노즐(23C)의 접합부(61)에, 융점이 400℃ 이상의 내열성 절연 부재(63)가 배치된다. 내열성 절연 부재(63)의 융점을 400℃ 이상으로 하는 것은, 용접 중의 흡인 노즐(23C)의 지지부의 온도를 열전쌍을 이용하여 실측한 결과, 약 350℃까지 상승하는 것이 확인되어, 내가열 온도에 여유 값을 갖게 하기 위해서이다.

이 용접용 토치(200)에서는, 접합부(61)에, 융점이 400℃ 이상의 내열성 절연 부재(63)를 가지므로, 흡인 노즐(23C)과 워크 사이의 스파크를 방지할 수 있다. 또한, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성, 및 확산성 수소 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

도 7은 흡인 노즐(23)이 흡인 노즐(23D)의 선단부에 내열성 절연 부재(63)를 갖는 제 3 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.

본 구성의 용접용 토치(300)는, 흡인 노즐(23D)이 용접부측의 흡인 노즐(23)의 선단부에, 융점이 1700℃ 이상의 내열성 절연 부재(63)를 갖는다.

이 용접용 토치(300)에서는, 흡인 노즐(23D)의 선단부에, 융점이 1700℃ 이상의 내열성 절연 부재(63)를 가지므로, 흡인 노즐(23D)과 워크 사이의 스파크를 방지할 수 있다. 또한, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성, 확산성 수소 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다. 흡인 노즐(23D)의 선단부에는, 약 1500℃의 용융 상태의 스패터가 부착되기 때문에, 노즐의 손상을 방지하기 위해서, 용융 스패터보다 높은 융점의 재료로 할 필요가 있다. 그 때문에, 내열성 절연 부재(63)의 융점을 1700℃ 이상으로 하고 있다.

도 8은 흡인 노즐(23)의 노즐 전체가 내열성 절연 소재로 형성되는 제 4 구성예에 따른 용접용 토치의 요부 확대도이다.

본 구성의 용접용 토치(400)는 흡인 노즐(23E)의 노즐 전체가 융점 1700℃ 이상의 내열성 절연 소재로 형성된다.

이 용접용 토치(400)에서는, 흡인 노즐(23E)의 노즐 전체가 융점 1700℃ 이상의 내열성 절연 소재로 형성되므로, 흡인 노즐(23E)의 조립을 번잡하게 하는 일 없이, 흡인 노즐(23E)과 워크 사이의 스파크를 방지할 수 있다. 또한, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성, 확산성 수소 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

또한, 용접용 토치(100)(100A, 100B, 200, 300, 400도 마찬가지)는, 콘택트 팁(25)을 중심으로, 단면 장원형, 혹은 단면 타원형의 흡인 노즐(23)(이하, 23A, 23B, 23C, 23D, 23E도 마찬가지) 및 실드 가스 공급 노즐(21)을 동심원 상에 배치하는 구성으로 할 수도 있다.

또한, 용접용 토치(100)는, 콘택트 팁(25)을 중심으로, 단면 사각형, 혹은 단면 다각형(예를 들면, 삼각형, 오각형, 육각형, 및 팔각형 등)의 흡인 노즐(23) 및 실드 가스 공급 노즐(21)을 동심원 상에 배치하는 구성으로 할 수도 있다.

또한, 흡인 노즐(23)의 재질로서는, Cu, Cu 합금, 및 강 등, 여러 가지 금속을 적용할 수 있다. Cr 등의 도금을 실시하여도 좋다. 단, 아크(41)로부터의 복사열의 영향을 받는 위치에 배치되기 때문에, Al 및 Mg 등의 저융점 금속은 바람직하지 않다.

또한, 전기 저항이 높은 재료로서 세라믹을 사용 가능하다. 세라믹으로서는, 예를 들어 알루미나, 질화 규소 및 산화 지르코니아 등을 들 수 있다.

따라서, 본 구성예에 따른 용접용 토치(100)에 의하면, 용접용 토치를 보호하면서 높은 수소 흡인 성능을 발휘하여, 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

[실시예]

＜시험 방법＞

공시 용접 와이어는 모두 50kgf급 강용 플럭스 코어드 와이어(A)를 사용했다. 용접 와이어의 직경은 φ1.2㎜이다.

(확산성 수소량)

「JIS Z 3118(2007) 강 용접부의 수소량 측정 방법」에 근거하여 실시한 결과를, 「JIS Z 3118(2007) 7.2항 용착 금속의 질량당의 수소량의 산출」에 나타나는 식으로 구하고, 시행 수 3회의 평균값을 결과값으로서 채용했다.

용접 조건을 이하에 나타낸다. 용접은 이동 대차를 이용한 자동 용접으로 했다.

극성 : DCEP

용접 전류 : 270A

아크 전압 : 32V

용접 속도 : 350㎜/min

콘택트 팁-모재간 거리 : 25㎜

용접 자세 : 하향

수소의 흡인을 실행하기 위한 노즐을 갖고 있지 않은 토치에서의 시험 결과(표 4의 실험예 20)에 대하여, 유의(有意)한 차이(3mL/100ml 이상의 차이)를 확인할 수 있는 경우를, 본 용접 토치가 유효했다고 판단했다(5.1mL/100ml 이하인 경우에 합격).

(용접 금속의 기공 결함)

도 9 및 도 10에 도시하는 개선·치수의 모재에 1패스 용접을 실행한 시험판을 대상으로 「JISZ 3104(1995) 강 용접 이음의 방사선 투과 시험 방법」에 근거하여 투과 사진을 촬영했다. 촬영한 투과 사진을 「JIS Z 3104(1995) 부속서 4 투과 사진에 의한 결함의 상(flaw images)의 분류 방법으로 독자적인 판정을 하여 분류한 결과를 표 1에 나타낸다. 이번 시험에서는, 제 2 종, 제 3 종 및 제 4 종의 결함은 보이지 않았으며, 모두 제 1 종이었다.

용접 조건을 이하에 나타낸다. 용접은 반자동 용접으로 했다.

극성 : DCEP

용접 전류 : 270A

아크 전압 : 32V

용접 속도 : 270 내지 300㎜/min

콘택트 팁-모재간 거리 : 25㎜

용접 자세 : 하향

모재 재질 : SM490A(용접 구조용 압연강재 JIS G3106)

모재 치수 : 길이 L1=200㎜, 폭 L2=150㎜, 두께 ta=6㎜

개선각α=45°

모재간 거리 d=4㎜

덧대기쇠(backing metal) : 두께 tb=6㎜

[표 1]

표 중의 평가 A 내지 D는 합격, 평가 E는 불합격이다.

(연속 용접 시험)

10분간의 연속 용접을 실행하여, 토치와 노즐의 내구성을 확인했다. 용접 종료 후에 각 부품을 관찰하여 손상을 평가했다. 흡인 노즐 및 실드 가스 공급 노즐의 평가를 실행할 때는, 부착된 스패터를 제거하고, 부착 두께와 제거 후의 표면 상태로부터 판단했다. 평가 기준을 표 2에 나타낸다.

흡인 노즐에 대해서는 A 내지 E의 5단계로, 실드 가스 공급 노즐 및 절연용 수지 부품에 대해서는 A, C, 및 E의 3단계로 평가하고, 쌍방의 평가 중, E에 가까운 평가를 본 시험의 종합 평가로 했다.

[표 2]

표 중의 평가 A 내지 D는 합격, 평가 E는 불합격이다.

(가스의 영향)

가스 밀도[kg/㎥](0℃ 1atm[101kPa])

[표 3]

＜토치 구조의 제작예＞

[표 4]

(실험예 1 내지 26)

콘택트 팁의 선단으로부터 흡인 노즐의 선단까지의 거리(Ltk)가 17㎜의 실험예 6에서는, 연속 용접성이 저하되었다. 그러나, 이것은 10분간의 연속 용접을 실행한 후에 흡인 노즐 선단에 다량의 스패터가 부착되어, 이 이상 용접을 계속하면, 노즐의 폐색이 발생한다고 판단된 것이다. 또한 거리(Ltk)가 긴 실험예 19에서는, 연속 용접성이 불합격이 되었다. 또한, 거리(Ltk)가 7㎜의 실험예 1에서는, 기공 결함 및 연속 용접 시험의 결과는 양호했지만, 더욱 거리(Ltk)가 짧은 실험예 18에서는, 확산성 수소 시험 결과가 비교적 높아졌다.

콘택트 팁의 선단으로부터 실드 가스 공급 노즐의 선단까지의 거리(Lts)가 0㎜의 실험예 7에서는, 기공 결함의 평가가 낮아졌다. 거리(Lts)가 -3㎜의 실험예(16)의 결과를 아울러 보면, 실드 가스의 일부를 흡인 노즐로부터 흡인하는, 본 토치를 이용한 용접에서는, 실드 가스류에 혼란을 일으키기 쉬워, 기공 결함의 시험 결과가 D가 되는 Lts=0이 한계이다.

또한, 거리(Lts)가 18㎜의 실험예 11에서는, 연속 용접성이 저하되었다. 이 실험예 11에서는, 연속 용접을 실행한 직후에 실드 가스 공급 노즐의 선단에 스패터가 다량으로 부착되고, 부착된 스패터가 적열(赤熱)되어 있었다. 스패터를 제거하면 눈에 띈 손상은 보이지 않았지만, 이 이상 용접을 계속하면, 노즐을 접속하는 절연 부재가 손상된다고 판단되었다. 또한 거리(Lts)가 긴 실험예 17에서는, 연속 용접 시험이 불합격이 되었다.

실드 가스 공급 노즐의 내경(Dsi)과 흡인 노즐의 외경(Dko)의 간극이 작은 실험예 12에서는, 기공 결함의 평가가 낮아졌다. 이것은, 실드 가스류의 층 두께가 2㎜로 얇게 되어 있기 때문에, 대기로부터의 확산에 의해 아크 분위기 내에 적은 질소분이 혼입된 것으로 판단되었다. 또한, Dsi와 Dko의 간극이 1.5㎜로 작은 실험예 25에서는, 기공 결함의 평가가 낮아졌다.

＜유량을 변경한 실험예＞

[표 5]

(실험예 27 내지 35)

유량을 변경한 실험예에서는, 실드 가스 출구의 유속 Vs이 빠른 실험예(34, 35)에서 기공 결함의 평가가 낮아졌다. 이 유량은 흡인 실드 가스 경로(17)의 도중에 플로트식 유량계를 배치하여 측정한 값이다.

＜절연 방법, 및 노즐 내면 조도의 검토예＞

[표 6]

(실험예 36 내지 40)

절연 방법, 및 노즐 내면 조도의 검토예에서는, 흡인 노즐의 노즐 내주면의 표면 조도 Ra가 0.13㎛ 이상, 또한 70㎛ 이하의 범위에 있어서는, 연속 용접 시험 후에 흡인 노즐을 분리하고, 내주면을 확인한 바, 문제가 되는 흄의 퇴적은 보이지 않았다. 그 중에서는, 실험예 40의 흄 퇴적량이 약간 많았다. 이 실험예 40에서는, 이 이상 용접을 계속하면, 흄 퇴적에 의해 흡인 노즐과 콘택트 팁의 사이가 폐색되어, 흡인을 실행할 수 없게 되는 것이 염려되었다. 랩 연마 마무리를 실행한 실험예 36과 선반 가공 그대로 한 실시예 37에서는, 흄 퇴적량에 유의한 차이가 보이지 않으며, 가공 비용의 관점에서는, 정반 가공인 그대로가 바람직하다.

＜기타(실드 가스의 영향)＞

[표 7]

(실험예 41 내지 44)

실드 가스의 영향에 대해서는, 수소는 밀도가 낮기(입자가 가벼움) 때문에, 실드 가스가 밀도가 높은 가스인 경우는 효율적으로 배출된다. 실드 가스가 He와 같이 밀도가 낮은 가스인 경우는, 상대적으로 수소의 배출량이 감소하는 경향이 있다.

이와 같이, 본 개시는 상기의 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 실시형태의 각 구성을 서로 조합하는 것, 및 명세서의 기재와 주지된 기술에 근거하여, 당업자가 변경, 응용하는 것도 본 개시의 예정하는 바이며, 보호를 요구하는 범위에 포함된다.

이상과 같이, 본 명세서에는 다음 사항이 개시되어 있다.

(1) 실드 가스의 분위기 중에서 아크 용접을 실행하는 용접용 토치에 있어서, 용접 전류가 공급되는 용접 와이어를 선단부를 향하여 송급 가능하게 지지하는 콘택트 팁과, 상기 콘택트 팁의 선단부로부터 돌출된 상기 용접 와이어의 주위를 둘러싸고, 상기 용접 와이어와의 사이에 형성되는 공간으로부터 가스를 흡인하는 흡인 노즐과, 상기 흡인 노즐의 외주에 마련되며, 상기 흡인 노즐과의 사이에 형성되는 공간으로부터 상기 실드 가스를 상기 용접 와이어의 선단의 용접부를 향하여 공급하는 실드 가스 공급 노즐을 갖고, 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 실드 가스 공급 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Lts[㎜]로 하고, 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 흡인 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Ltk[㎜]로 했을 때에, 7≤Ltk≤17, 0≤Lts≤18을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 수소 흡인 성능을 확보하면서, 흡인 노즐을 보호할 수 있다. 또한, 실드성을 확보하여, 흡인 노즐과 워크 사이의 스파크를 방지하여, 토치가 열에 의해 손상을 받는 것을 방지할 수 있다.

(2) (1)의 용접용 토치에 있어서, 상기 실드 가스 공급 노즐과 상기 흡인 노즐의 선단이, 상기 실드 가스 공급 노즐의 내경을 Dsi[㎜]로 하고, 상기 흡인 노즐의 내경을 Dki[㎜]로 하며, 또한 상기 흡인 노즐의 외경을 Dko[㎜]로 했을 때에, Dsi-Dko≥2, Dko-Dki≥1.2, 8≤Dsi≤40, 1.5≤Dki≤12를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치. 단, 복수의 상기 흡인 노즐이 장착되어 있는 경우는, 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 각 흡인 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리(Ltk)는 그 중의 최대값으로 한다.

이 용접용 토치에 의하면, 실드성이 향상되어, 흡인 노즐의 내구성을 향상시킬 수 있다.

(3) (1) 또는 (2)의 용접용 토치에 있어서, 팁 바디와 상기 흡인 노즐의 선단 사이의 전기 저항은 50Ω 이상인 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 흡인 노즐과 워크 사이의 스파크를 보다 확실히 방지할 수 있어, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성, 확산성 수소의 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

(4) (3)의 용접용 토치에 있어서, 상기 흡인 노즐은, 용접부측의 상기 흡인 노즐의 선단부에, 융점이 1700℃ 이상의 내열성 절연 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 흡인 노즐과 워크 사이의 스파크를 보다 확실하게 방지할 수 있어, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성과 확산성 수소의 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

(5) (3) 또는 (4)의 용접용 토치에 있어서, 상기 흡인 노즐은, 상기 콘택트 팁을 지지하는 팁 바디와의 접합부에, 융점이 400℃ 이상의 내열성 절연 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 흡인 노즐과 워크 사이의 스파크를 보다 확실히 방지할 수 있어, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성과 확산성 수소의 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

(6) (3)의 용접용 토치에 있어서, 상기 흡인 노즐은, 노즐 전체가 융점 1700℃ 이상의 내열성 절연 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 흡인 노즐의 조립을 번잡하게 하는 일 없이, 흡인 노즐과 워크 사이의 스파크를 보다 확실하게 방지할 수 있어, 용접 중에 용접 와이어와 흡인 노즐이 접촉하는 것에 의한, 용접 작업성과 확산성 수소의 저감 효과의 악화도 방지할 수 있다.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 용접용 토치에 있어서, 상기 흡인 노즐은, 노즐 내주면의 표면 조도 Ra가 0.05㎛ 이상, 또한 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 내주면에의 흄 퇴적에 의한 흡인 노즐의 폐색을 방지할 수 있다.

(8) (1) 또는 (2)의 용접용 토치에 있어서, 상기 흡인 노즐의 흡인 가스 유량을 Qk[L/min]로 했을 때에, Ltk≥10-0.6×Qk를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 수소 흡인 성능을 향상시킬 수 있다.

(9) (1)의 용접용 토치에 있어서, 상기 실드 가스 공급 노즐의 선단에 있어서의 실드 가스 출구의 단면적을 Ss[㎟]로 하고, 실드 가스 유량을 Qs[L/min]로 하고, 또한 실드 가스 출구의 유속을 Vs[m/s]로 했을 때에, Ss=(Dsi²-Dko²)π／4, Vs=1000×Qs/(60×Ss)≤7을 만족하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.

이 용접용 토치에 의하면, 난류를 방지하여, 실드성을 향상시킬 수 있다.

13 : 용접 와이어 21 : 실드 가스 공급 노즐
23, 23A, 23B, 23C, 23D, 23E : 흡인 노즐
25 : 콘택트 팁 29 : 팁 바디
61 : 접합부 63 : 내열성 절연 부재
100 : 용접용 토치

Claims

실드 가스의 분위기 중에서 아크 용접을 실행하는 용접용 토치에 있어서,
용접 전류가 공급되는 용접 와이어를 선단부를 향하여 송급 가능하게 지지하는 콘택트 팁과,
상기 콘택트 팁의 선단부로부터 돌출된 상기 용접 와이어의 주위를 둘러싸고, 상기 용접 와이어와의 사이에 형성되는 공간으로부터 가스를 흡인하는 흡인 노즐과,
상기 흡인 노즐의 외주에 마련되며, 상기 흡인 노즐과의 사이에 형성되는 공간으로부터 상기 실드 가스를 상기 용접 와이어의 선단의 용접부를 향하여 공급하는 실드 가스 공급 노즐을 갖고,
상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 실드 가스 공급 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Lts[㎜]로 하고, 또한 상기 콘택트 팁의 선단으로부터 상기 흡인 노즐의 선단까지의 용접 와이어 길이방향을 따르는 거리를 Ltk[㎜]로 했을 때에, 하기 (1) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
7≤Ltk≤17,
0≤Lts≤18 … (1)
청구항 1에 있어서,
상기 실드 가스 공급 노즐과 상기 흡인 노즐의 선단이,
상기 실드 가스 공급 노즐의 내경을 Dsi[㎜]로 하고, 상기 흡인 노즐의 내경을 Dki[㎜]로 하고, 또한 상기 흡인 노즐의 외경을 Dko[㎜]로 했을 때에, 하기 (2) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
Dsi-Dko≥2,
Dko-Dki≥1.2,
8≤Dsi≤40,
1.5≤Dki≤12 … (2)
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
팁 바디와 상기 흡인 노즐의 선단 사이의 전기 저항은 50Ω 이상인 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
청구항 3에 있어서,
상기 흡인 노즐은, 용접부측의 상기 흡인 노즐의 선단부에, 융점이 1700℃ 이상의 내열성 절연 부재를 갖는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
청구항 3에 있어서,
상기 흡인 노즐은, 상기 콘택트 팁을 지지하는 팁 바디와의 접합부에, 융점이 400℃ 이상의 내열성 절연 부재를 갖는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
청구항 3에 있어서,
상기 흡인 노즐은, 노즐 전체가 융점 1700℃ 이상의 내열성 절연 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 흡인 노즐은, 노즐 내주면의 표면 조도 Ra가 0.05㎛ 이상, 또한 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 흡인 노즐의 흡인 가스 유량을 Qk[L/min]로 했을 때에, 하기 (3) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
Ltk≥10-0.6×Qk … (3)
청구항 1에 있어서,
상기 실드 가스 공급 노즐의 선단에 있어서의 실드 가스 출구의 단면적을 Ss[㎟]로 하고, 실드 가스 유량을 Qs[L/min]로 하고, 또한 실드 가스 출구의 유속을 Vs[m/s]로 했을 때에, 하기 (4) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는
용접용 토치.
Ss=(Dsi²-Dko²)π／4,
Vs=1000×Qs/(60×Ss)≤7 … (4)