KR20180125568A - 가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 방향으로 이동 가능하게 되며 용접 장치에 배설된 복수의 용접 토치(21A, 21B)는, 조성, 및 직경이 서로 상이한 용접 와이어(23A, 23B)를 구비한다. 수평 방향으로 용접할 때에는, 적어도 2개의 용접 토치(21A, 21B)로부터 용접 와이어(23A, 23B)를 송급하면서 아크(31)를 발생시켜 비드를 형성한다. 연직 방향으로 용접할 때에는, 2개의 용접 토치(21A, 21B) 중 어느 하나의 용접 토치(21B)로부터 용접 와이어(23B)를 송급하면서 아크(31)를 발생시켜 비드를 형성한다. 이에 의해, 방청 재료가 도포된 강판을, 수평 자세, 연직 자세의 어느 자세라도, 고품질, 또한 고능률로 연속하여 용접할 수 있다.

Description

가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법

본 발명은 가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 소모식 전극인 용접 와이어를 각각 구비하는 복수의 용접 토치에 의해 가스 실드 아크 용접을 실행하는, 표면에 방청 재료가 도포된 강판을 용접하기 위한 가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

강제의 배나 교량과 같은 구조물을 제작하는 순서의 기본은, 강을 절단하고, 필요에 따라서 굽히며, 그들 부재를 입체적으로 조합 접합하고, 마무리 도장한다. 이들 단계 중, 주력의 접합법으로서 아크 용접법이 채용되어 있다. 구조물은 입체적이므로, 용접 자세는 하향, 수평, 수직, 상향 등 여러 가지이다. 그러나, 아크 용접시에 형성되는 녹은 강(용융지)은 액체이므로, 중력의 영향을 받아 불안정한 움직임을 나타내기 쉽다. 하향, 또는 비스듬한 하향 자세는 중력의 영향을 받기 어려우므로, 가장 고능률이고, 용접 불량이 발생하기 어려워, 용접 공정 설비의 기본 자세로 되어 있다.

예를 들면, 도 18에 도시하는 바와 같이, 큰 사이즈의 평면 강판인 하판(101)에, 리브나 스티프너라 불리는 보강용의 강판인 종판(102)을 배치하고, 용접 개소(H)를 수평 자세로 필릿 용접하는 것에 의해, 구조물로서의 강성을 향상시키고 있다. 이 공정은, 용접 자세의 면에서, 비교적 용이하게 실행할 수 있다. 또한, 필릿 용접은 일반적으로 용접 길이가 길어, 고능률성이 요구되므로, 라인 웰더라 불리는 복수의 용접 토치(103)를 구비하는 대형의 수평 필릿 전용 장치나, 1개의 용접 토치를 구비하는 간이한 수평 필릿 전용 용접 대차가 적용되어, 능률 향상에 공헌하고 있다. 이들 자동 용접 장치에 의하면, 용접 작업자는 기본적으로 불필요해지고, 비용 절감이 가능해진다.

특허문헌 1이나 특허문헌 2에는, 사람의 손으로는 쥐기 어려운 복수의 용접 토치를 조합한, 소위 탠덤형이라 불리는 토치 시스템을 장치에 도입하여, 수평 필릿 용접의 고능률화를 도모하고 있다.

한편, 도 19에 도시하는 바와 같이, 수평 자세의 용접 개소(수평 필릿 용접) (H)에 비하면, 대상 개소가 적고, 용접 길이도 짧지만, 수직 자세(연직 자세)에서의 용접이 되어야 하는 용접 개소(V)가 불가피적으로 생긴다. 수직 자세의 용접은 하향이나 수평 자세와 비교하여 기량적으로 어렵고, 용접 길이도 짧으므로 자동 용접 장치의 효과가 발휘되기 어렵다. 그 때문에, 용접 작업자의 수동 작업으로 용접되는 경우가 많은 것이 현재 상황이다.

용접 공정 전체의 비용 절감을 도모하기 위해, 자동화율이 낮은 수직 용접 공정의 자동화에 대한 요구가 높다. 게다가, 수평 공정과 수직 공정을 별도의 라인으로, 또한 별개의 용접 장치를 이용하여 시공하는 것은, 시간, 공간, 설비 투자의 점에서 낭비가 많아, 하나의 공간, 또한 하나의 설비로 용접하고 싶다는 강한 요망이 있다.

이들 요망을 실현하는 가장 유력한 수단으로서는, 도 19에 도시하는 바와 같이, 복수의 동작 축(관절)을 가지고, 3차원에서의 복잡한 동작이 가능한 용접 로봇(110)을 이용하여, 수평 자세에서의 용접 개소(H)와, 수직 자세에서의 용접 개소(V)를 연속적으로 용접하는 방법이 있다. 그렇지만, 로봇 용접은, 주로 이하의 이유에서 그다지 널리 채용되고 있지 않다.

1. 용접 속도가 느리고, 종래의 2공정 분할 방법이 고능률이다.

2. 용접 비드 내나 표면에 구멍이 남는, 피트나 블로우홀이라 불리는 기공 결함의 발생이 많다.

용접 로봇(110)에 있어서도, 1개의 용접 토치(103)를 구비하는 용접 로봇(110)보다, 복수의 용접 토치(103) 및 용접 와이어를 구비하는 탠덤형의 채용이 용접 속도, 작업 능률의 점에서 유리하며, 이와 같은 탠덤형 용접 로봇이, 특허문헌 3이나 특허문헌 4에 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, 용접 개소에 따라서 싱글 토치와 더블 토치로 변환 가능한 토치 변환 방법이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 1토치 내에 2개의 와이어가 송급되는 2전극 1토치식의 아크 용접 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 3, 4에 기재된 탠덤 용접 로봇은, 항상 피용접물에 하향 자세를 취하게 하는 것이 가능한, 건설 기계나 차량 등의 비교적 소형의 구조물에 채용되어 있다.

일본 특허 제 4964025 호 공보 일본 특허 제 2614968 호 공보 일본 특허 제 5074181 호 공보 일본 특허 제 4864232 호 공보

종래의 탠덤형 용접 로봇에서는, 편리성이나 재고 관리의 용이성에서, 동일한 용접 재료가 탑재되는 것이 대부분이다. 그렇지만, 교량이나 조선과 같은 대형 구조물에서는, 피용접물을 항상 하향 자세로 배치하는 것은 현실적이지 않으며, 수직 자세의 용접 개소(V)도 탠덤형 토치로 용접하는 것이 필요하게 된다. 수직 자세에서의 용접의 경우, 중력의 영향으로 용융지가 불안정하게 되기 쉽기 때문에, 동시에 발생하는 2개의 아크에 의해 근접한 2개의 용융지를 형성하거나, 또는 1개의 용융지를 형성하는 탠덤형 토치로는, 용융지의 안정 제어가 극히 어려워, 실용적이지 않다. 즉, 수직 용접시에는, 단전극 용접이 필수가 되어, 종래의 탠덤식 용접 로봇은 적용이 곤란했다.

다음에, 용접 재료의 특성에 대하여 설명한다. 수직 용접을 고능률로 실행하기 위해서는, 전체 자세 용접에 적합한 용접 재료를 이용할 필요가 있다. 구체적으로는, 용접 재료로서 슬래그 성분을 다량으로 포함한 플럭스 코어드 와이어를 이용할 필요가 있다. 이에 의해, 용접시에 상대적으로 고융점인 슬래그를 용융지 표면에 응고시켜, 용융지가 중력의 영향으로 늘어지는 것을 방지하여, 비교적 높은 전류에서도 안정된 용접 비드가 형성된다.

그렇지만, 도 20에 도시하는 바와 같이, 이 전체 자세 용접에 적합한 용접 와이어(104)를 탠덤형 토치(103)에 적용하여 수평 필릿 용접을 실행하면, 다량의 슬래그(105)가 원인으로 기공 결함을 발생하는 문제가 있다. 조선이나 교량에서는, 강판이 녹 발생을 방지하기 위해, 피용접물인 강판(100)의 표면에, 방청 도료인 프라이머(109)가 도포되는 경우가 많다. 이 프라이머(109)는 아크열로 기화되어, 가스가 발생하고 용융지(106)에 침입한다. 이 때, 용융지(106)에 슬래그(105)가 많으면 가스가 용융지(106)로부터 빠지기 어려워져, 대량의 기공 결함(107)이나, 또는 가스 홈(도시하지 않음)이라 불리는 장척의 홈이 용접 금속(108)과 슬래그(105)의 경계에 형성되어, 외관이 현저하게 열화되는 문제가 있다.

수평 필릿 용접에는, 일반적으로 전체 자세용 와이어와 비교하여 슬래그 발생량을 적절히 저감한 플럭스 코어드 와이어가 이용된다. 이 와이어를 탠덤 시스템에 적용하면, 수평 자세에 있어서의 고속성과 기공 결함의 문제는 해소되지만, 수직 자세가 된 경우에는, 도 21에 도시하는 바와 같이, 슬래그(105)가 부족하기 때문에, 용융지(106)가 늘어지기 쉬워져, 현저하게 능률이 저하된다는 다른 문제가 발생한다.

또한, 슬래그 성분이 포함되어 있지 않은 솔리드 와이어로는, 수평 필릿 용접에서의 비드 형상이 매우 나쁘고, 일반적인 탄산 가스에 의한 가스 실드에서는, 스패터가 발생하기 쉽다. 또한, 수직 용접에서는, 응고 슬래그에 의한 용융지 늘어짐 방지 기능이 전혀 없기 때문에, 비드가 매우 늘어지기 쉬워, 비드 늘어짐을 방지하기 위해 현저하게 용접 전류와 용접 속도를 낮추어야만 하여, 비능률적이다. 이 때문에, 솔리드 와이어는, 수평 자세, 수직 자세의 어느 것에도, 공업적으로는 사용되는 경우가 적다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 용접 방법은 수평 필릿 용접을 목적으로 한 용접 방법이며, 수직 자세에서의 용접에 대하여 언급되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 기재된 용접 방법은 토치 변환 방법이나 2전극 1토치식 용접에 관한 것이며, 이와 같은 종래의 용접 방법에서는, 프라이머 도포 강판을 수평 자세, 수직 자세의 어느 자세에서도, 연속적, 고능률, 또한 건전한 품질로 용접할 수 없었다.

본 발명은 전술한 과제를 감안한 것이며, 그 목적은, 프라이머 도포 강판을, 수평 자세, 연직 자세의 어느 자세라도, 고품질, 또한 고능률로 연속하여 용접할 수 있는 가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 상기 목적은 하기의 구성에 의해 달성된다.

즉, 표면에 방청 재료가 도포된 강판을 용접하기 위한 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서,

소모식 전극인 용접 와이어를 송급하고, 실드 가스를 흘리면서 피용접물과의 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 복수의 용접 토치가 각각 적어도 3차원 방향으로 이동 가능하게 배설된 용접 장치를 구비하고,

상기 복수의 용접 토치는, 상기 용접 와이어의 조성, 및 적어도 상기 용접 와이어의 직경이 서로 상이한 2개의 상기 용접 토치를 구비하며,

상기 용접 토치를 수평 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 적어도 상기 2개의 용접 토치로부터 상기 용접 와이어를 송급하면서 상기 아크를 발생시켜 비드를 형성하고,

상기 용접 토치를 연직 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 상기 2개의 용접 토치 중 적어도 어느 1개의 상기 용접 토치로부터 상기 용접 와이어를 송급하면서 상기 아크를 발생시켜 비드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 복수의 용접 토치는 적어도 3개의 상기 용접 토치를 구비하고, 상기 용접 토치를 수평 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 상기 2개의 용접 토치를 제외한 다른 상기 용접 토치가 아크, 통전 저항 발열, 열전도 중 어느 하나에 의해 강판을 용융한다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 연직 방향의 용접에 이용하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어이다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 연직 방향의 용접에 이용하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어의 직경은 1.2㎜이다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는 솔리드 와이어, 또는, 슬래그 형성제를 와이어 전체 중량당 2.5 중량% 이하 함유하는 플럭스 코어드 와이어 중 어느 하나이다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 선행하는 용접 토치의 상기 용접 와이어의 직경은 1.4 내지 2.0㎜이다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어이며, 상기 후행하는 용접 토치는, 상기 연직 방향의 용접에 이용된다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어보다 직경이 크다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 수평 필릿 용접을 실행하는 상기 2개의 용접 토치에 있어서, 선행하는 상기 용접 토치의 토치 각도가 하판에 대하여 20 내지 40°로 설정되고, 후행하는 상기 용접 토치의 토치 각도가 상기 하판에 대하여 42 내지 60°로 설정된다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 수평 필릿 용접을 실행하는 상기 2개의 용접 토치에 있어서, 선행하는 상기 용접 토치의 실드 노즐은, 원통형상의 선단부의 일부가 비스듬하게 커트되어 형성되며, 상기 수평 필릿 용접을 실행할 때에는, 상기 실드 노즐은, 상기 커트된 면을 하판을 향하게 하여 배치된다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 상기 용접 토치는 상기 용접 와이어의 송급 방향으로 전진·후퇴 가능하다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서, 바람직하게는, 상기 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 상기 용접 토치는 용접선에 대하여 회전 가능하다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 시스템을 이용한 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 수평 필릿 용접할 때, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어에 인가하는 전류는 380A 이상이며, 또한 상기 아크의 발생 상태가 매몰 아크가 되도록, 전류/전압이 12.0 이상, 또한 18.0 이하로 조정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 수평 필릿 용접할 때, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어에 인가하는 전류 및 전압은, 매몰 아크가 되지 않도록, 전류/전압이 8.0 이상, 또한 11.0 이하로 조정된다.

또한, 「후행하는 용접 토치」란, 선행하는 용접 토치에 대하여 후행하는, 아크를 발생시키는 용접 토치를 의미하며, 예를 들면, 본 실시형태의 「중간극」 또는 「후행극」을 가리킨다.

본 발명의 가스 실드 아크 용접 시스템에 의하면, 3차원 방향으로 이동 가능하게 되며 용접 장치에 배설된 복수의 용접 토치는 조성, 및 직경이 서로 상이한 용접 와이어를 구비하고, 수평 방향으로 용접할 때에는, 적어도 2개의 용접 토치로부터 용접 와이어를 송급하면서 아크를 발생시켜 비드를 형성하고, 연직 방향으로 용접할 때에는, 어느 1개의 용접 토치로부터 용접 와이어를 송급하면서 아크를 발생시켜 비드를 형성하므로, 수평 자세, 연직 자세의 어느 자세라도, 고품질, 또한 고능률로 연속하여 용접할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 실드 아크 용접 방법에 의하면, 수평 필릿 용접할 때, 선행하는 용접 토치의 용접 와이어에 인가하는 전류는 380A 이상이며, 또한 아크의 발생 상태가 매몰 아크가 되도록, 전류/전압이 12.0 이상, 또한 18.0 이하로 조정되며, 후행하는 용접 토치의 용접 와이어에 인가하는 전류 및 전압은, 매몰 아크가 되지 않도록, 전류/전압이 8.0 이상, 또한 11.0 이하로 조정되므로, 선행하는 용접 토치에 의한 매몰 아크의 강한 아크력에 의해 기화 가스를 용융지로부터 원활히 배출하고, 또한 후행하는 용접 토치의 아크 길이가 길고, 매몰 아크가 아닌 아크에 의해, 매몰 아크에서 생긴 볼록 형상의 비드 형상을 안정적으로 수정하여, 외관이 우수한 비드를 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 용접 시스템의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 2는 2전극식 시스템의 구성도이다.
도 3은 2전극식 시스템에 의한 용접 상태를 도시하는 모식도이다.
도 4는 응고 슬래그층에 의해 용융지의 비드 형상을 정돈하는 상태를 도시하는 모식도이다.
도 5는 선행극, 및 후행극에 첨가되는 슬래그 형성제 함유율의 바람직한 범위를 나타내는 그래프이다.
도 6은 토치각이 상이한 선행극 및 후행극에 의해 수평 필릿 용접하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 7은 선단측의 일부가 비스듬하게 커트된 실드 노즐을 도시하는 상면도, 평면도, 측면도, 및 하면도이다.
도 8은 도 7에 도시하는 실드 노즐의 커트면이 하판을 향하여 설치되며 수평 필릿 용접되는 상태를 도시하는 모식도이다.
도 9a는 수평 필릿 용접에 있어서의 각장을 도시하는 사시도이다.
도 9b는 수직 용접에 있어서의 각장을 도시하는 사시도이다.
도 10은 수평 필릿 용접에 있어서의 선행극의 아크의 전류/전압비와, 후행극의 아크의 전류/전압비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 수직 용접시에, 선행극이 후방으로 퇴피하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 12는 수직 용접시에, 선행극이 후행극의 축선과 동일한 방향으로 회전하며 퇴피하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 13은 제 1 변형예에 따른 3전극식 시스템의 구성도이다.
도 14는 제 2 변형예에 따른 중간극이 통전 저항 발열극으로 이뤄진3 전극식 시스템의 구성도이다.
도 15는 제 3 변형예에 따른 후행극이 통전 저항 발열극으로 이뤄진 3전극식 시스템의 구성도이다.
도 16은 제 4 변형예에 따른 중간극이 열전도극으로 이뤄진 3전극식 시스템의 구성도이다.
도 17은 제 5 변형예에 따른 후행극이 열전도극으로 이뤄진 3전극식 시스템의 구성도이다.
도 18은 2개의 용접 토치에 의해 수평 필릿 용접하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 19는 용접 로봇에 의해 수평 필릿 용접과 수직 용접을 연속하여 실행하는 상태를 도시하는 사시도이다.
도 20은 탠덤형 토치로 수평 필릿 용접을 실행하는 경우의 용접 작용의 설명도이다.
도 21은 수직 용접시에 슬래그 성분이 부족하여, 용융지가 늘어지는 상태를 도시하는 사시도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 실드 아크 용접 시스템 및 가스 실드 아크 용접 방법을 도면에 근거하여 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 수평 방향의 용접과 연직 방향의 용접이 모두 가능한 가스 실드 아크 용접 시스템의 개략 사시도이다. 또한, 연직 방향이란 중력 작용 방향과 동일 의미이지만, 용접 공학적으로는 45° 이상의 경사각을 가진 용접선은 연직 방향과 동일한 취급이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 용접 시스템(10)은 기대(11) 상을 용접선 방향과 평행한 X 방향으로 이동 가능하게 배설된 문형(門型)의 X 가동대(12)와, X 가동대(12)의 연결 바아(13) 상을 X 방향과 직교하는 Y 방향, 및 X, Y 방향과 직교하는 Z 방향으로 이동 가능하게 배설된 YZ 가동부(14)와, YZ 가동부(14)에 고정된 다관절 로봇(16)을 구비한다.

다관절 로봇(16)은, 적어도 3 관절, 바람직하게는, 5 내지 7 관절을 구비한 아암(17)을 갖고, 상기 아암(17)의 선단부에 복수(본 실시형태에서는, 2개)의 용접 토치(21)를 구비하는 토치 시스템(20)이 배설되어 있다. 다관절 로봇(16)은, 일반적으로, 원 방향으로 가동하는 관절을 복수 구비하는 것에 의해, 평행 이동의 움직임을 실현한다. 또한, 관절의 일부는 슬라이더라 불리는 평행 이동 기능을 갖는 것에 의해 구성되어도 좋다. 이에 의해, 용접 토치(21)는, 그 용접 자세가 임의의 자세를 취할 수 있도록, 3차원적으로 이동 가능하게 되어 있다.

본 실시형태의 토치 시스템(20)은, 수평 방향의 용접과 연직 방향의 용접(즉, 본 실시형태에서는, 수평 필릿 용접과 수직 용접)의 2개의 용접을 가능하게 하기 위해, 적어도 2개의 용접 토치(21(21A, 21B))를 구비하고, 각각 기능을 분담하여 용접한다. 구체적으로, 도 2의 2전극식의 탠덤 토치 시스템(20)에 있어서, 수평 필릿 용접할 때에는, 제 1 용접 토치(21A)를 선행하는 용접 토치, 제 2 용접 토치(21B)를 후행하는 용접 토치로 하고, 2개의 용접 토치(21A, 21B)의 2개의 용접 와이어(23A, 23B)로 동시에 용접한다. 또한, 수직 용접할 때에는, 2개의 용접 토치(21) 중 어느 하나의 용접 와이어(23)로 용접이 실행된다.

2개의 용접 토치(21) 중, 제 1 용접 토치(21A)는, 제 2 용접 토치(21B)가 장착되는 아암(17)의 선단부에, 용접 와이어의 송급 방향으로 전진·후퇴 가능한 기구(도 11 참조)와, 용접선에 대하여 회전 가능한 기구(도 12 참조) 중 적어도 하나의 기구를 거쳐서 장착되어 있다.

또한, 용접 시스템(10)은, X 가동대(12), YZ 가동부(14), 다관절 로봇(16), 및 용접 토치(21)를 용접에 최적인 위치나 자세로 제어하는 자세 제어부와, 각 용접 토치(21)에 급송하는 용접 와이어의 급송 속도나, 각 용접 토치(21)의 용접 전류 등을 제어하는 용접 제어부와, 실드 가스 공급 장치로부터 각 용접 토치(21)에 공급되는 실드 가스의 공급량을 제어하는 가스 제어부를 갖는 도시하지 않은 제어 장치를 구비하고 있다.

본 실시형태에 이용되는 실드 가스로서는, CO₂, Ar, He와 같은 일반적인 가스종을 단품 또는 혼합하여 적용하는 것이 가능하지만, 비용 메리트가 높고, 또한 강한 아크력을 발생하는 CO₂ 가스가 매우 바람직하다.

도 2를 참조하여, 각 용접 토치(21(21A, 21B))는, 실드 가스가 공급되는 대략 통형상의 실드 노즐(22(22A, 22B))과, 실드 노즐(22)의 내부에 배치된 콘택트 팁(24(24A, 24B))과, 콘택트 팁(24)에 보지되며 용접 전원 장치(18A, 18B)로부터의 용접 전류가 급전되는 소모식 전극인 용접 와이어(23(23A, 23B))를 구비한다. 용접 토치(21)는 용접 와이어(23)를 송급하고, 실드 가스를 흘리면서, 피용접물인, 프라이머(109)가 표면에 도포된 강판(100)과의 사이에 아크(31)를 발생시키는 것에 의해 상기 강판(100)을 용접한다.

각 용접 토치(21)에 송급되는 용접 와이어(23)는 상이한 조성, 또한 상이한 직경의 용접 와이어(23)로 되어 있다. 즉, 수평 필릿 용접을 실행하는 용접 와이어(23)와, 수직 용접을 실행하는 용접 와이어(23)의, 최적인 조합이 가능하게 되는 조성 및 직경의 용접 와이어(23)가 선택된다. 또한, 여기에서 말하는 와이어 조성이란, 솔리드 와이어와 플럭스 코어드 와이어의 형태의 차이, 및 플럭스 코어드 와이어에 있어서의 플럭스 조성의 차이의 양쪽을 의미한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 수평 필릿 용접시에, 강판(100)의 표면에 도포된 프라이머(109)의 증발에 따른 기공 결함의 발생을 방지하려면, 증발된 가스(37)의 원활한 이탈 촉진이 중요하다. 그러기 위해서는, ⅰ) 아크 바로 아래에서의 깊은 용입에 의한 공극 형성하고, ⅱ) 덮개의 역할을 하여 증발된 가스(37)의 배출을 저해하는 슬래그를 가능한 한 적게 하고, ⅲ) 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하는, 것이 중요하다. 또한, 복수의 용접 와이어(23A, 23B)에 의해 용융지(36)를 형성하는 탠덤 용접법에 있어서, 프라이머(109)의 증발 가스(37)가 용융지(36)로부터 외부로 이탈할 수 있는 것은, 선행극(선행하는 제 1 용접 토치(21A)의 용접 와이어(23A))의 아크(31A) 바로 아래이며, 2극째 이후의 아크(31B)는 이 작용을 가지고 있지 않다.

그래서, 선행극의 용접 와이어(23A)에는, 깊은 용입이 얻어지고, 슬래그 양도 매우 적은 솔리드 와이어, 또는 슬래그 형성제(이후, 「조재재」라고도 말함)를 와이어 전체 중량당 2.5 중량% 이하 함유하는 플럭스 코어드 와이어가 적용된다. 플럭스 코어드 와이어로서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 슬래그 형성제를 전혀 포함하지 않거나, 최대라도 슬래그 형성제의 와이어 중량비는 2.5%로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 1.5% 이하로 하는 것이 좋다. 예를 들면, 플럭스의 대 와이어 중량비가 25.0%, 플럭스 중의 슬래그 형성제 중량비가 10.0%인 경우, 슬래그 형성제의 와이어 중량비는 2.5%가 된다.

또한, 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하기 위해서는, 강한 아크력이 필요하다. 용접 와이어(23)로의 슬래그 형성제의 첨가는, 아크력을 약하게 하여, 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하는 작용을 약하게 하는 동시에, 슬래그(35)를 발생시켜 버린다. 따라서, 수평 필릿 용접에 있어서 기공 결함에 큰 영향을 미치는 선행극의 용접 와이어(23A)에는, 상술한 슬래그 형성제 양이 적은 용접 와이어(23)가 바람직하다.

선행극의 용접 와이어(23A)에 있어서, 솔리드 와이어나 플럭스 코어드 와이어의 후프(외주의 강 스트립)의 조성, 슬래그 형성제 이외의 플럭스 성분은, 일반적인 용접 와이어에 이용되는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 용접부에 요구되는 강도나 인성과 같은 기계적 성능에 따라서 조정 가능하며, 솔리드 와이어에서는, C, Si, Mn, S, T, Mo, Al과 같은 합금 원소가 필요량 첨가된다. 또한, 플럭스 코어드 와이어의 후프에는, 연강이 이용되는 경우가 많다. 한편, 플럭스에는, 슬래그 형성제 이외에 C, Si, Mn, Ti, Mo, Al, K, Na, Ca, F와 같은 비산화의 단일 물질이나 결합 물질이 첨가된다.

또한, 수평 필릿 용접시, 이 슬래그 형성제의 함유량이 적은 선행극의 용접 와이어(23A)는 슬래그(35)에 의한 비드 형상의 개선 작용을 갖고 있지 않으므로, 그대로는 비드 형상이 현저하게 뒤떨어진다. 그래서, 후행극(후행하는 제 2 용접 토치(21B)의 용접 와이어(23B))의 용접 와이어(23B)에는, 슬래그원인 슬래그 형성제를 많이 함유시켜, 용융지(36)가 응고되기 시작하는 아크 후방(진행 방향에 대하여 역 방향)에서 용융지(36)에 응고 슬래그층(35)을 형성시킨다. 이에 의해, 용융지(36)의 흘러내림을 방지하여, 비드 형상을 정돈할 수 있다(도 4 참조).

선행극의 용접 와이어(23A)는 슬래그 형성제를 포함하지 않거나, 또는 슬래그 형성제가 소량이므로, 후행극의 용접 와이어(23B)와 융합함으로써 적절한 슬래그 양이 되도록, 후행극의 용접 와이어(23B)는 슬래그 형성제 양을 많이 첨가할 필요가 있다.

또한, 후행극의 용접 와이어(23B)에 슬래그 형성제를 다량으로 함유시켜 응고 슬래그층을 형성하는 것은, 용융지(36)에 대하여 중력의 영향이 큰 수직 용접시, 후행극만으로 수직 용접하면, 비드 늘어짐을 방지할 수 있어서, 유리하다. 또한, 수직 용접에서는, 용융지(36)가 연직 하방으로 낮아져, 아크 바로 아래에 용융지(36)나 슬래그(35)가 모이지 않기 때문에, 슬래그 양이 많아도 프라이머 기화 가스에 의한 기공 결함의 발생은 거의 없으며, 문제는 없다.

또한, 편의상, 수직 용접시에도, 사용하는 용접 토치(21)의 용접 와이어(23)에 따라서, 「선행극」 또는 「후행극」의 표현을 이용하여 설명한다.

수직 용접에서는, 용융지(36)가 중력의 작용을 강하게 받아, 매우 흘러내리기 쉽기 때문에, 응고 슬래그층(35)으로 용융지(36)를 지지할 필요가 있다. 따라서, 슬래그(35)는 용융지(36)보다 고융점이며, 또한 용융지(36)로부터 부상하도록 저밀도일 필요가 있으며, 일반적으로 산화물로 구성된다. 슬래그원이 되는 슬래그 형성제가 와이어 중량에 대하여 3.0% 미만이면, 슬래그(35)로 용융지(36) 표면을 덮을 수 없거나, 또는, 덮을 수 있어도 얇고 취약하기 때문에, 용융지(36)의 늘어짐을 방지할 수 없다. 와이어 중량에 대한 슬래그 형성제의 바람직한 범위는 3.0 중량% 이상이며, 보다 바람직한 범위는 4.5 중량% 이상이다.

한편, 슬래그 형성제가 18.0 중량%를 초과하면, 슬래그원이 너무 많아 모두 부상하지 못하여, 용융지(36) 내에 잔류하고, 슬래그 혼입이 되기 쉬워진다. 따라서, 슬래그 형성제는 3.0 내지 18.0 중량%로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 범위는 4.5 내지 15.0 중량%의 범위이다(도 5 참조).

또한, 슬래그 형성제에는, Ti 산화물이 가장 많이 사용된다. 그 이외에도 Zr 산화물, Si 산화물, Mn 산화물도 슬래그 형성제가 될 수 있다. 플럭스 코어드 와이어는, 구조상, 후프나 시스라 불리는 단면 외측의 강 부분과, 단면 중심측의 플럭스 부분으로 구성되지만, 슬래그 형성제는 강 부분에는 첨가할 수 없으며, 플럭스 부분에 첨가된다.

예를 들면, 플럭스의 대 와이어 중량비가 10 중량%, 플럭스 중의 슬래그 형성제 중량비가 30 중량%이면, 슬래그 형성제의 와이어 중량비는 3.0 중량%가 된다. 또는, 플럭스의 대 와이어 중량비가 30.0 중량%, 플럭스 중의 슬래그 형성제 중량비가 60.0 중량%이면, 슬래그 형성제의 와이어 중량비는 18.0 중량%가 된다.

후행극의 용접 와이어(23B)에 있어서, 플럭스 코어드 와이어의 후프나 슬래그 형성제 이외의 플럭스 성분으로서는, 일반적인 용접 와이어에 이용되는 것으로 자유롭게 구성할 수 있으며, 예를 들면, 용접부에 요구되는 강도나 인성과 같은 기계적 성능에 따라서 조정할 수 있다. 후프에는 연강이 이용되는 경우가 많다. 한편, 플럭스에는, 슬래그 형성제 이외에 C, Si, Mn, Ti, Mo, Al, K, Na, CA, F와 같은 비산화의 단일 물질이나 결합 물질이 첨가된다.

또한, 제 1 용접 토치(21A)의 용접 와이어(23A)의 직경은 1.4 내지 2.0㎜로 하고, 제 2 용접 토치(21B)의 용접 와이어(23B)의 직경은 1.2㎜인 것이 바람직하다.

프라이머 강판을 수평 필릿 용접하는 경우, 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하기 위해서는, 강한 아크력이 필요하며, 선행극의 용접 와이어(23A)의 와이어 직경이 굵은 것이 바람직하다. 와이어 직경을 1.4㎜ 이상으로 하면 기공 결함 방지에 유효하다. 그러나, 와이어 직경이 2.0㎜를 초과하면, 아크력이 더욱 강해지는 장점이 있지만, 용접 와이어(23)의 강성이 너무 강해져, 와이어 송급 저항이 높아지고, 송급 장해를 일으킬 가능성이 있으므로, 2.0㎜를 상한으로 한다.

수직 용접에서는, 용접 전류는, 수평 필릿 자세에 비하여 높게 하지 못하며, 낮게 할 필요가 있다. 저전류에서의 아크의 안정성은, 와이어 직경이 가는 것이 우수하며, 후행극의 용접 와이어(23B)의 직경은 1.2㎜가 최적이다. 1.2㎜를 초과하면 아크(31)의 안정성이 나빠져, 굵은 스패터(32)가 다량으로 발생한다. 한편, 용접 와이어(23B)의 직경이 1.2㎜보다 작으면, 수평 필릿 용접, 수직 용접에서 모두 용접 능률이 저하한다.

따라서, 후행극의 용접 와이어(23B)의 와이어 직경은 선행극의 용접 와이어(23A)의 와이어 직경보다 상대적으로 가는 직경으로 하는 것이 바람직하며, 수직 용접에는, 후행극의 용접 와이어(23B)를 이용하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 수평 필릿 용접시, 상술한 깊은 용입을 얻으려면, 용접 와이어(23A)의 조성에만 의존하는 것이 아니라, 높은 용접 전류와, 짧은 아크 길이를 양립시키는 것에 의해 가능해진다. 이와 같은 전류, 전압 조건에서 발생하는 아크 형태는 일반적으로 매몰 아크라 불리며, 피용접물(100)이 되는 모재 강판의 표면보다 깊은 위치에서 아크(31A)를 발생시킨다. 매몰 아크로 하면, 불가피적으로 발생하는 아크 불안정에 따른 스패터(32)가 비산하는 일이 없이, 매립되어 있는 공간의 주위에 형성되는 용융지(36)에 스패터(32)가 들어갈 뿐이므로, 결과적으로 스패터(32)는 적어지게 된다.

또한, 선행극의 용접 토치(21A)의 아크(31A)를 매몰 아크 상태로 하면, 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하는데에도 유효하다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 수평으로 배치한 하판(101)에 종판(102)을 용접하는 수평 필릿 용접의 경우, 용접부가 종판(102)의 단부면이 되는 종판(102)에 아크력을 집중시키면, 단부는 열용량이 작아 온도가 오르기 쉽기 때문에 용이하게 용융되어, 매몰 아크가 발생하기 쉽다. 따라서, 선행극의 용접 토치(21A)의 토치 각도 α는, 가능한 한 수평에 가까운 상태로 하는 것이 좋다. 토치 각도 α가 20° 미만의 각도에서는, 실드 노즐(22A)이 하판(101)과 간섭하여, 물리적으로 안정 이동시키는 것이 어려워진다. 또한, 비드 형상도 부등각(도 9a 참조)이 되기 쉽다.

한편, 선행극의 용접 토치(21A)의 토치 각도 α가 40°를 초과하면, 아크열은 종판(102)의 단부 뿐만이 아니라, 열용량이 큰 하판(101)에도 많이 분배되어, 매몰 아크를 안정적으로 발생시키는 것이 곤란해져, 기공 결함이 증가하는 경향이 있다. 따라서, 선행극의 용접 토치(21A)의 토치 각도 α는 20 내지 40°로 하는 것이 바람직하다.

후행극의 용접 토치(21B)의 아크(31B)는 프라이머 분해 가스의 배출의 역할은 없으며, 비드 형상의 적정화를 실행한다. 선행극의 용접 토치(21A)의 토치 각도 α는 20 내지 40°이기 때문에, 용융지(36)는 종판(102)측으로 편향되어 형성된다. 이 때문에, 후행극의 용접 토치(21B)의 토치 각도 β가 42° 미만이면, 종판(102)측으로의 편향이 수정되지 않아, 용융지(36)가 종판(102)측으로 편향된 그대로가 된다. 후행극의 용접 토치(21B)의 토치 각도 β를 42° 이상의 각도로 하는 것에 의해, 도 9a에 도시하는 바와 같이, 상부 각장(脚長)(L1)과 하부 각장(L2)의 밸런스가 좋은 비드를 형성하는 것이 가능해진다. 그러나, 후행극의 용접 토치(21B)의 토치 각도 β가 60°를 초과하면, 하판(101)측으로 편향되어 비드 형성되어 버린다. 따라서, 후행극의 용접 토치(21B)의 토치 각도 β는 42 내지 60°로 하는 것이 바람직하다.

그런데, 용접 토치(21)의 가장 외측에 위치하는 실드 노즐(22)은 직경이 크기 때문에, 토치 각도를 작게 하면 하판(101)과 접촉하기 쉽다. 선행하는 용접 토치(21A)의 토치 각도 α를 20° 미만으로 했을 때, 실드 노즐(22A)과 하판(101)의 간섭을 방지하기 위해서는, 실드 노즐(22A)을 가능한 한 가는 직경으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 가는 직경의 실드 노즐(22A)은, 장시간 용접하고 있으면, 발생한 스패터(32)가 선단에 쌓이고, 폐색되어 실드 불량을 일으킬 가능성이 있다.

그래서, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 일반적인 원통형, 또는 약간 선단이 가는 원통형의 실드 노즐(22)의 선단(22d)측의 일부를 비스듬하게 커트하고, 커트면(22e)을 하판(101)을 향하게 하여 설치하면, 큰 개구부를 확보하고, 또한 하판(101)과의 간섭이 방지되어 안정적으로 용접할 수 있다.

또한, 기공 결함을 발생시키지 않고 프라이머 강판을 용접하려면, 강한 아크력을 집중시켜 매몰 아크 상태로 하고, 선행극의 아크(31A) 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하여, 프라이머의 증발 가스(37)를 원활히 배출하는 것이 유효하다. 또한, 매몰 아크로 하려면, 상술한 용접 와이어(23)의 종류나 조성, 와이어 직경, 토치 각도 α 이외에도, 전류와 전압의 적절한 설정 관리도 중요하다. 전류가 높아질수록 강한 아크력이 발생하여, 380A 이상의 전류에서 매몰 아크가 되기 쉽다. 전류의 상한은 특별히 없지만, 일반적으로 용접 전원의 용량이 사실상의 상한이 된다.

도 10은 수평 필릿 용접에 있어서의 선행극의 아크의 전류/전압비와, 후행극의 아크의 전류/전압비의 관계를 나타내는 그래프이다. 전류 일정하게 한 경우, 전압이 높으면 매몰 아크는 되지 않으며, 전압이 낮을수록 아크(31)가 집중되어 매몰 아크가 안정화된다. 선행극에서는, 전류/전압비가 12.0 이상이 되면 매몰 아크가 된다. 그러나, 전류/전압비가 18.0을 초과하면 아크(31)를 유지하지 못하여, 용접 와이어(23)의 선단과 피용접물(100)이 단락되어 버리고 용접 곤란하게 된다. 따라서, 선행극의 전류/전압비는 12.0 내지 18.0의 범위가 바람직하다.

또한, 후행극의 역할은, 용접 금속의 단면적 부족을 보충하기 위해서 용접 와이어(23)를 필요량 삽입하는 동시에, 선행극의 매몰 아크를 따라서 발생하는 볼록 형상의 비드 형상을 평탄하고 친밀성이 좋은 형상으로 수정하는 것이다. 아크 길이가 짧은 매몰 아크에서는, 용융지(36)가 넓어지지 않아, 비드 형상을 수정할 수 없다. 아크 길이는 길수록 형상 개선 효과가 높으며, 그것은 일정 전류에 대하여 전압이 높은 것을 의미하고 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 후행극의 전류/전압이 11.0을 초과하면 비드 형상을 수정할 수 없게 되므로, 전류/전압은 11.0 이하로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 전류/전압이 8.0 미만에서는 아크(31)를 유지할 수 없게 되어, 안정된 비드 형성이 불가능하게 된다. 따라서, 후행극의 전류/전압의 값은 8.0 내지 11.0으로 하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시형태에서는, 수평 필릿 용접에서는, 복수의 상이한 기능의 용접 와이어(23A, 23B)를 조합하여 선행극의 용접 와이어(23A) 및 후행극의 용접 와이어(23B)의 양 극으로부터 아크(31)를 발생시켜 용접하는 것에 의해, 고능률이며 또한 결함이 없는 용접을 가능하게 하고 있다.

또한, 수직 용접에서는, 슬래그 형성제를 많이 포함하는 후행극의 용접 와이어(23B)에 의한 1전극으로의 아크 용접으로 함으로써, 용융지(36)의 체적을 적절히 억제하는 동시에, 용융지(36)의 늘어짐을 방지할 수 있다.

이와 같이, 1개의 용접 토치(21B)에 의해 슬래그 형성제를 많이 포함하는 용접 와이어(23B)를 이용하여 수직 용접하는 것에 의해, 도 9a에 도시하는, 수평 필릿 용접시에 형성되는 슬래그 두께보다, 도 9b에 도시하는, 수직 용접시에 형성되는 슬래그 두께를 크게 하는 것이 가능해져, 단일의 용접 시스템(10)으로, 수평 필릿 용접과 수직 용접을 각각 바람직한 조건으로, 고능률로 용접할 수 있다.

또한, 후행극의 용접 토치(21B)로부터만 아크 발생시켜 수직 용접할 때, 선행극의 용접 토치(21A)가 물리적으로 방해가 되는 경우가 있다. 그래서, 상술한 도 11이나 도 12에 도시하는 바와 같이, 수직 용접시에는, 사용하지 않는 선행극의 용접 토치(21A)를 회전 또는 후방으로 퇴피시키고, 수평 필릿 용접시에는, 반대 방향으로 회전 또는 전진시켜 원래의 위치로 복귀시킨다. 이에 의해, 1대의 용접 시스템(10)에서 수평 필릿 용접 및 수직 용접을 효율적으로 실행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 가스 실드 아크 용접 시스템(10)에 의하면, 3차원 방향으로 이동 가능하게 되고 용접 장치에 배설된 복수의 용접 토치(21)는 조성, 및 직경이 서로 상이한 용접 와이어(23)를 구비하고, 수평 필릿 용접할 때에는, 적어도 2개의 용접 토치(21)로부터 용접 와이어(23)를 송급하면서 아크(31)를 발생시켜 비드를 형성하고, 수직 용접할 때에는, 후행극의 용접 와이어(23B)를 송급하면서 아크(31)를 발생시켜 비드를 형성하므로, 수평 자세, 수직 자세의 어느 자세라도, 고품질, 또한 고능률로 연속하여 용접할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 가스 실드 아크 용접 방법에 의하면, 수평 필릿 용접할 때, 선행극의 용접 와이어(23A)에 인가하는 전류는 380A 이상이며, 또한 아크(31A)의 발생 상태가 매몰 아크가 되도록, 전류/전압이 12.0 이상, 또한 18.0 이하로 조정되며, 후행극의 용접 와이어(23B)에 인가하는 전류 및 전압은, 매몰 아크가 되지 않도록, 전류/전압이 8.0 이상, 또한 11.0 이하로 조정되므로, 매몰 아크인 선행하는 용접 토치(21A)의 강한 아크력에 의해 증발 가스(37)를 용융지(36)로부터 원활히 배출하며, 또한 후행하는 용접 토치(21B)의 아크 길이가 길고, 매몰 아크가 아닌 아크(31B)에 의해, 매몰 아크에서 생긴 볼록 형상의 비드 형상을 안정적으로 수정하여, 외관이 뛰어난 비드를 형성할 수 있다.

또한, 수평 방향의 용접에 이용하는 2개의 용접 토치(21A, 21B) 중, 선행하는 용접 와이어(23A)는, 솔리드 와이어, 또는, 슬래그 형성제를 와이어 전체 중량당 2.5 중량% 이하 함유하는 플럭스 코어드 와이어 중 어느 하나이므로, 슬래그(35)의 발생을 억제할 수 있어서, 증발 가스(37)를 효과적으로 용융지(36) 외부로 배출하여, 기공 결함의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 선행하는 용접 토치(21A)의 용접 와이어(23A)의 직경은 1.4 내지 2.0㎜이므로, 강한 아크력을 발생시켜 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 할 수 있어서, 수평 필릿 용접시의 기공 결함을 방지할 수 있다.

또한, 수평 방향의 용접에 이용하는 2개의 용접 토치(21A, 21B) 중, 후행하는 용접 토치(21B)의 용접 와이어(23B)는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어이며, 연직 방향의 용접에 이용되므로, 1개의 용접 시스템(10)에 의해, 수평 자세, 수직 자세의 어느 자세라도, 고품질, 또한 고능률로 연속하여 용접할 수 있다.

또한, 수평 방향의 용접에 이용하는 2개의 용접 토치(21A, 21B) 중, 선행하는 용접 와이어(23A)는 후행하는 용접 와이어(23B)보다 직경이 크므로, 선행하는 용접 와이어(23A)로 강한 아크력을 발생시켜 아크 바로 아래의 용융지(36)의 두께를 얇게 하는 것에 의해, 기공 결함을 방지할 수 있다.

또한, 수평 필릿 용접을 실행할 때, 선행하는 용접 토치(21A)의 토치 각도 α가 하판(101)에 대하여 20 내지 40°로 설정되며, 후행하는 용접 토치(21B)의 토치 각도 β가 하판(101)에 대하여 42 내지 60°로 설정되므로, 선행하는 용접 토치(21A)의 아크(31A)를 매몰 아크 상태로 하여 기공 결함을 방지하는 동시에, 상부 각장(L1)과 하부 각장(L2)의 밸런스가 양호한 비드를 형성할 수 있다.

또한, 수평 필릿 용접을 실행하는 2개의 용접 토치(21A, 21B)에 있어서, 선행하는 용접 토치(21A)의 실드 노즐(22A)은 원통형상의 선단(22d)의 일부가 비스듬하게 커트되어 형성되며, 상기 커트면(22e)이 하판(101)을 향하게 하여 배치되며 수평 필릿 용접을 실행하므로, 토치각을 작게 하여도, 큰 개구부를 확보하고, 또한 하판(101)과의 간섭이 방지되어 안정적으로 용접할 수 있다.

또한, 연직 방향의 용접에 이용하는 용접 와이어(23B)는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어이므로, 형성되는 응고 슬래그층(35)에 의해, 중력에 의한 용융지(36)의 흘러내림을 방지하여, 안정적으로 수직 용접할 수 있다.

또한, 연직 방향의 용접에 이용하는 용접 와이어(23B)의 직경은 1.2㎜이므로, 저전류에서의 아크의 안정성이 우수하여, 용융지(36)의 체적의 과대한 형성이 방지된다.

또한, 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 용접 토치(21A)는 용접 와이어(23A)의 송급 방향으로 전진·후퇴 가능하므로, 수직 용접시, 사용하지 않는 용접 토치(21A)가 수직 용접의 장해가 될 우려가 없다.

또한, 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 용접 토치(21A)는 용접선에 대하여 회전 가능하며, 수직 용접시, 사용하지 않는 용접 토치(21A)가 수직 용접의 장해가 될 우려가 없다.

또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 적절히, 변형, 개량 등이 가능하다.

토치 시스템(20)이 구비하는 용접 토치(21)의 개수의 상한은 제한되지 않으며, 편리한 사용의 점에서, 일반적으로는 2개(2전극)가 최적이지만, 이하의 변형예에 나타내는 바와 같이, 3개(3전극)도 실용적으로 허용된다.

도 13 내지 도 17은 3전극으로 구성되는 3개의 용접 토치를 가진 용접 시스템의 구성도이다. 도 13에 도시하는 제 1 변형예의 용접 시스템(10A)은, 용접 전원 장치(18A, 18B, 18C)로부터 3전극의 용접 와이어(23(선행극의 용접 와이어(23A), 중간극의 용접 와이어(23C), 및 후행극의 용접 와이어(23B))에 각각 용접 전류를 공급하고, 3개의 용접 와이어(23A, 23B, 23C)와, 피용접물(100) 사이에 아크(31)를 발생시켜 용접하는 전체 아크법의 용접 시스템이다.

도 14에 도시하는 제 2 변형예의 용접 시스템(10B)은, 용접 전원 장치(18A, 18B)로부터 선행극의 용접 와이어(23A) 및 후행극의 용접 와이어(23C)에 각각 용접 전류를 공급하고, 용접 와이어(23A, 23B)와 피용접물(100) 사이에 아크(31)를 발생시키는 동시에, 중간극의 용접 와이어(23C)를 송급하면서 피용접물(100)과의 사이에 용접 전원 장치(18C)로부터 정전류 통전하고, 아크를 발생시키는 일 없이, 용접 와이어(23B)의 전기 저항에 의한 발열과, 용융지(36)로부터의 열전도로 용접 와이어(23B)를 용융시켜 용접하는, 소위 통전 저항 발열법을 채용하고 있다.

도 15에 도시하는 제 3 변형예의 용접 시스템(10C)은, 용접 전원 장치(18A, 18C)로부터 선행극의 용접 와이어(23A) 및 중간극의 용접 와이어(23C)에 각각 용접 전류를 공급하여, 용접 와이어(23A, 23C)와 피용접물(100) 사이에 아크(31)를 발생시키는 동시에, 후행극의 용접 와이어(23B)를 송급하면서 용접 전원 장치(18B)로부터 정전류 통전하는 통전 저항 발열법의 용접 시스템이다.

도 16에 도시하는 제 4 변형예의 용접 시스템(10D)은, 용접 전원 장치(18A, 18C)로부터 선행극의 용접 와이어(23A) 및 후행극의 용접 와이어(23B)에 각각 용접 전류를 공급하여, 용접 와이어(23A, 23B)와 피용접물(100) 사이에 아크(31)를 발생시키는 동시에, 용접 와이어(23C)는 통전하지 않고 송급만 실행하고, 용융지(36)로부터의 열전도만으로 용접 와이어(23C)를 용융시켜 용접하는, 소위 열전도법의 용접 시스템이다. 아크 발생법 및 통전 저항 발열법의 용접 시스템은 용접 전원 장치(18)를 필요하지만, 이 열전도법의 용접 시스템에 의하면, 용접 전원 장치(18)를 필요로 하지 않는다.

또한, 도 17에 도시하는 제 5 변형예의 용접 시스템(10E)은, 선행극의 용접 와이어(23A) 및 중간극의 용접 와이어(23C)와 피용접물(100) 사이에 아크(31)를 발생시켜, 후행극의 용접 와이어(23B)를 용융지(36)로부터의 열전도만으로 용융시키는 열전도법의 용접 시스템이다.

또한, 3전극 시스템에 있어서, 용접 와이어(23)의 용융 속도는 아크 발생법이 가장 빠르고 고능률이며, 그 다음이, 통전 저항 발열법, 가장 용융 속도가 느린 것이 열전도법이다.

이와 같이, 도 13 내지 도 17에 도시하는, 3개의 용접 토치(21)를 구비하는 용접 시스템(10A 내지 10E)으로 수평 필릿 용접할 때에는, 아크를 발생하는 2개의 용접 토치(21)를 제외한 다른 용접 토치(21)가, 아크, 통전 저항 발열, 열전도 중 어느 하나에 의해 강판을 용융한다. 따라서, 피용접물(100), 용접 부위, 용접 강도, 비드 형상 등의 용접 조건에 따라서 최적인 용접 시스템(10)의 선택이 가능해진다.

또한, 3전극 시스템에 있어서, 후행극의 용접 토치(21B)가 통전 저항 발열극, 또는 열전도극이 되고, 중간극의 용접 토치(21C)가 아크를 발생하는 경우(도 15, 도 17 참조), 중간극의 용접 토치(21C)를 본 발명의 후행하는 용접 토치로 한다.

실시예

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 본 발명의 용접 시스템에 따른 실시예와, 상기 실시예와 비교하는 비교예에 대하여 설명한다. 실시예 및 비교예 모두, 막두께 30㎛의 프라이머를 도포한 판 두께 12㎜의 일반 탄소 강판을 이용하고, 수평 필릿 용접과 수직 용접을 동일한 용접 시스템을 이용하여 용접했다.

토치 시스템은, 1 내지 3전극식을 이용하여, 6축 관절의 용접 로봇(머니퓰레이터)의 선단에 탑재했다. 또한, 6축 관절과는 별도로, 선행극의 용접 토치만을 회전시키는 기구를 마련하고, 수직 용접시에 사용했다. 수평 자세 용접의 용접 속도는 800㎜/min으로 하고, 용접 비드의 각장(L1, L2)(도 9a 참조)은 6 내지 7㎜를 목표로 했다. 또한, 수직 자세 용접의 용접 속도는 150㎜/min으로 하고, 용접 비드의 각장(L3, L4)(도 9b 참조)은 7 내지 8㎜가 되도록 조정했다.

용접 와이어는 솔리드 와이어와 플럭스 코어드 와이어를 적시 조합하여 사용했다. 솔리드 와이어는 일반적으로 탄소강용으로서 널리 유통되어 있는 JIS Z3312 YGW11에 적합한 조성으로 했다. 플럭스 코어드 와이어는, 산화 티탄을 주성분으로 하는, 일반적으로 루틸이라 호칭하는 광물을 슬래그 형성제로 하여 이용한 것을 사용했다. 후프 조성으로서는, 합금 성분을 적극적으로 무첨가로 한 연강재를 적용했다. 슬래그 형성제 이외는, 일반적으로 탄소강용으로서 널리 유통되어 있는 JIS Z3313 T49J0T1-1CA-U와 동등하게 되도록 C, Si, Mn, Al의 합금량, 추가로 아크 안정화 물질로서 K 화합물을 첨가했다. 용접에 이용하는 실드 가스는 100% CO₂로 했다. 아크 발생에 이용하는 전원은 직류 정전압 제어식으로 했다. 한편, 3전극식의 일부에 이용되는 통전 저항 발열식에 이용하는 전원은 직류 정전류 제어식으로 했다.

상기한 조건으로 용접한 각 시료에 대하여, 비드 표면하 3㎜를 연삭하여, 용접 금속에 내재된 블로우홀의 수를 세고, 200㎜ 당의 블로우홀 수를 비교하여 평가했다. 또한, 블로우홀 수가 75개 이하인 것을 합격 범위 내, 10 내지 50개를 양호, 10개 미만을 매우 양호로 했다. 또한, 비드 형상에 대해서는, 외관이 매우 양호한 것을 ○, 합격 범위 내인 것을 △, 외관이 불량한 것을 ×로 했다. 다른 평가 항목으로서, 슬래그 혼입 결함이나 비드 늘어짐 등에 대한 결함의 상황도 기록했다.

각 실시예의 평가 결과를 용접 조건과 함께 표 1에 나타낸다. 또한, 각 비교예의 평가 결과를 용접 조건과 함께 표 2에 나타낸다. 또한, 3전극식으로 용접한 비교예 및 실시예에서의, 각 중간극의 용접 조건을 표 3에 별도의 표로 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

표 1에 나타내는 실시예 1 내지 5, 10 내지 26은, 수평 필릿 용접에 있어서, 선행극 및 후행극으로부터 아크를 발생시키는 2전극 방식의 아크 용접(도 2 참조)이며, 이 중, 실시예 25에서는, 선행극만을 수직 용접에 사용하고, 실시예 1 내지 5, 10 내지 24, 26에서는, 후행극만을 수직 용접에 사용하고 있다.

또한, 표 1 및 표 3에 나타내는 실시예 6 내지 9는 3전극 방식이다. 이 중, 실시예 6은, 수평 필릿 용접에서는, 선행극 및 후행극으로부터 아크를 발생시켜, 중간극을 통전 저항 발열극으로 하고(도 6 참조), 수직 용접에서는, 후행극만을 사용한다. 또한, 실시예 7은, 수평 필릿 용접에서는, 선행극 및 후행극으로부터 아크를 발생시켜, 중간극을 열전도극으로 하고(도 8 참조), 수직 용접에서는, 후행극만을 사용한다. 또한, 실시예 8은, 수평 필릿 용접에서는, 선행극, 중간극 및 후행극의 전체로부터 아크를 발생시키고(도 5 참조), 수직 용접에서는, 후행극만을 사용한다. 또한, 실시예 9에서는, 선행극 및 중간극으로부터 아크를 발생시켜, 후행극을 통전 저항 발열극으로 하고(도 7 참조), 수직 용접에서는, 중간극만을 사용한다.

또한, 전체 실시예 1 내지 26에 있어서, 선행극 및 후행극의 용접 와이어의 조성, 및 용접 와이어의 직경을 서로 상이하게 하고 있다. 이에 의해, 표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명을 실시하는 어느 실시예 1 내지 26에서도, 비드 형상, 및 내결함성(기공 결함수)에 있어서, 합격 범위를 얻을 수 있어서, 조업성에도 우수한 용접이 가능하다는 것을 알 수 있다.

특히, 실시예 1 내지 5의 2전극 방식에서는, 선행극은, 솔리드 와이어, 또는 슬래그 형성제를 와이어 전체 중량당 2.5 중량% 이하 함유하는 플럭스 코어드 와이어로 하고, 와이어 직경을 1.4 내지 2.0㎜로 한다. 또한, 후행극은, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어로 하고, 와이어 직경을 1.2㎜로 하고 있다.

또한, 선행극은, 토치 각도가 하판에 대하여 20 내지 40°로 설정되는 한편, 후행극은, 하판에 대하여 42 내지 60°로 설정된다. 또한, 실드 노즐의 형상에 관하여, 실시예 1 내지 5에서는, 선행극은, 도 7에 도시한, 선단에 커트면(22e)을 갖는 커트형의 것으로 하고, 후행극은, 선단에 커트면을 갖지 않는 원통형상의 종래형의 것으로 하고 있다. 즉, 상기 토치 각도의 설정에 있어서, 임의이지만, 선행극을 커트형, 후행극을 종래형으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 수평 필릿 용접할 때, 선행극의 용접 전류는 모두 380A 이상이며, 또한 전류/전압이 12.0 이상, 또한 18.0 이하로 조정되고, 후행극의 용접 전류 및 용접 전압은 전류/전압이 8.0 이상, 또한 11.0 이하로 조정되어 있다.

이들 조건을 만족한 실시예 1 내지 5는 모두 수평 필릿 용접, 수직 용접 모두 비드 외관 형상이 매우 좋고, 기공 결함수도 적어 매우 양호했다.

또한, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건을 만족하면서, 중간극을 통전 저항 발열극, 열전도극, 또는 아크 발생으로 한 3전극 방식의 실시예 6 내지 8도 수평 필릿 용접, 수직 용접 모두 비드 외관 형상이 매우 좋고, 기공 결함수도 적어 매우 양호했다.

실시예 9에서는, 후행극이 통전 저항 발열극인 3전극 방식(도 7 참조)이며, 이 실시예의 선행극과 중간극이, 실시예 1 내지 5의 선행극과 후행극 각각의 상기 조건을 만족하고 있다. 이 경우, 수직 용접에서는, 중간극에 의해, 비드 형상 및 기공 결함수에 있어서 양호한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 수평 필릿 용접에서도, 선행극 및 중간극으로부터 아크 발생시키고, 추가로 후행극으로부터의 통전 저항 발열에 의해 와이어를 용융 첨가함으로써 높은 속도에 대응하며, 비드 외관 형상이 매우 좋고, 기공 결함수도 적어 매우 양호했다.

실시예 10 및 실시예 11에서는, 후행극의 플럭스 코어드 와이어의 조재재 함유율을 제외하고, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건을 만족하고 있다. 실시예 10에서는, 수직 용접시, 슬래그 발생량이 약간 부족했기 때문에, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다. 또한, 수평 필릿 용접에 있어서도, 후행극에서의 슬래그 발생량이 약간 적어, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다. 또한, 실시예 11에서는, 수직 용접시, 후행극의 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어에 의한 슬래그 형성에 의해, 비드 형상은 양호했지만, 수평 필릿 용접시에는, 후행극으로부터의 슬래그 발생량이 많아져, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그치고, 슬래그의 혼입이 약간 보였다.

실시예 12에서는, 선행극의 플럭스 코어드 와이어의 조재재 함유율을 제외하고, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건을 만족하고 있다. 이 경우, 수직 용접에서는, 적량의 슬래그 형성제를 포함하는 후행극의 플럭스 코어드 와이어에 의해, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극으로부터의 슬래그 발생량이 많기 때문에, 기공 결함이 약간 많이 보였다.

실시예 13에서는, 선행극의 와이어 직경 및 용접 전류, 및 후행극의 와이어 직경이, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 경우, 수직 용접에서는, 와이어 직경이 약간 가늘지만, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 그러나, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 와이어 직경이 너무 가늘며, 또한 전류도 낮았기 때문에 기공 결함이 약간 많이 보였다.

실시예 14에서는, 후행극의 와이어 직경이, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 경우, 수직 용접에서는, 후행극의 와이어 직경이 굵기 때문에 아크 불안정이 되기 쉽고, 입열량도 많아지므로, 비드 형상이 약간 뒤떨어진다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호하게 되어 있다.

실시예 15에서는, 선행극의 실드 노즐의 형상이 원통형상의 종래형이며, 토치각에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 후행극의 적량의 슬래그 형성제를 포함하는, 적정 직경의 플럭스 코어드 와이어에 의해, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 토치각이 45°로 크기 때문에, 매몰 아크가 되지 않으며, 기공 결함이 약간 많이 보였다.

실시예 16은, 선행극의 실드 노즐의 형상은 커트형이지만, 토치각을 17°로 하고, 선행극의 토치각에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 후행극의 적량의 슬래그 형성제를 포함하는, 적정 직경의 플럭스 코어드 와이어에 의해, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 토치각이 약간 작아, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 17에서는, 후행극의 토치 각도에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 양호한 결과이지만, 수평 필릿 용접에서는, 후행극의 토치각이 크고, 비드 형상의 수정이 충분하지 않아, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 18에서는, 선행극의 와이어 직경에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 적당한 슬래그 형성에 의해 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 와이어 직경이 굵고, 아크력이 강하므로 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 19에서는, 후행극의 토치 각도에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 적정 직경, 적정 슬래그 형성제의 와이어에 의해 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 후행극의 토치각이 작기 때문에, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 20에서는, 수평 필릿 용접시의 선행극의 전류/전압의 값에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 전류/전압의 값이 커서, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 21에 있어서도, 수평 필릿 용접시의 선행극의 전류/전압의 값에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 전류/전압의 값이 낮아, 매몰 아크의 형성이 불충분하게 되어, 기공 결함이 약간 생겼다.

실시예 22에 있어서는, 수평 필릿 용접시의 후행극의 전류/전압의 값에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 후행극의 전류/전압의 값이 높아, 매몰 아크 경향이 되어, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 23에 있어서도, 수평 필릿 용접시의 후행극의 전류/전압의 값에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 후행극의 전류/전압의 값이 낮아, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그쳤다.

실시예 24에서는, 선행극의 조재재 함유율, 선행극의 토치 각도, 수평 필릿 용접시의 선행극의 전류/전압의 값, 및 후행극의 와이어 직경에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 때문에, 수직 용접에서는, 후행극의 와이어 직경이 약간 굵지만, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극으로부터의 슬래그 양이 많고, 전류/전압의 값이 작기 때문에 매몰 아크가 되지 않아, 기공 결함이 약간 보였다.

실시예 25에서는, 선행극의 조재재 함유율, 선행극의 와이어 직경, 수평 필릿 용접시의 선행극의 전류값, 전류/전압의 값, 및 후행극의 조재재 함유율, 후행극의 와이어 직경에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 경우, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극 및 후행극 와이어의 조재재 함유율이 높기 때문에, 슬래그 발생량이 많고, 비드 형상이 합격 범위의 정도에 그치며, 슬래그 혼입이 약간 있었다.

실시예 26에서는, 선행극의 조재재 함유율에 있어서, 실시예 1 내지 5의 선행극 및 후행극의 상기 조건과 상이하다. 이 경우, 수직 용접에서는, 비드 형상, 기공 결함 모두 양호했다. 한편, 수평 필릿 용접에서는, 선행극의 와이어의 조재재 함유율이 높기 때문에, 슬래그 발생량이 많고, 기공 결함이 약간 보였다.

다음에 표 2에 나타내는 비교예에 대하여 설명한다.

비교예 1은, 일반적인 단전극 방식의 토치를 이용한 시스템이며, 수평 필릿 용접 속도가 800㎜/min의 고속 조건에서는, 전류를 높여도 비드 형상이 부정(不整)이 되고, 언더컷이나 험핑이라 일컬어지는 고속 특유의 결함이 생겼다. 또한, 프라이머 강판의 기공 결함을 억제하는 것도 할 수 없었다. 또한, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어를 이용하는 것에 의해, 수직 용접은 건전하게 시공할 수 있었다. 이들보다 수평 필릿 용접과 수직 용접의 연속 시공은 할 수 없다고 판단된다.

비교예 2도, 일반적인 단전극 방식의 토치를 이용한 시스템이며, 수평 필릿 용접 속도 800㎜/min의 고속 조건에서는, 전류를 높여도 비드 형상이 부정이 되고, 언더컷이나 험핑이라 일컬어지는 고속 용접 특유의 결함이 생겼다. 프라이머 강판의 기공 결함을 억제할 수도 없었다. 또한, 일반적으로 수평 필릿 용접에 적합하게 되는 적은 조재재를 포함하는 플럭스 코어드 와이어를 이용하는 것에 의해 비교예 1과 비교하면 기공 결함이 저감되어 있지만, 고속 용접에는 충분히 대응되어 있지 않다. 한편, 수직 용접에서는, 용접 와이어에 조재재가 적고, 슬래그 발생이 부족했기 때문에, 비드 늘어짐이 발생했다. 이들보다 수평 필릿 용접과 수직 용접의 연속 시공은 할 수 없다고 판단했다.

비교예 3도, 일반적인 단전극 방식의 토치를 이용한 시스템이며, 수평 필릿 용접 속도 800㎜/min의 고속 조건에서는, 전류를 높여도 비드 형상이 부정이 되고, 언더컷이나 험핑이라 일컬어지는 고속 용접 특유의 결함이 생겼다. 또한, 프라이머 강판의 기공 결함을 억제하는 것도 할 수 없었다. 또한, 솔리드 와이어를 이용하고 있는 것에 의해 비교예 1과 비교하면 기공 결함이 저감되어 있지만, 고속 용접에는 대응되어 있지 않아, 충분히 적다고는 말할 수 없었다. 또한, 슬래그에 의한 비드 형상 개선 효과도 얻어지지 않아, 볼록 형상이 되었다. 한편, 수직 용접에서는, 용접 와이어에 조재재가 없어, 슬래그 발생이 부족했기 때문에, 비드 늘어짐이 발생했다. 이들보다 수평 필릿 용접과 수직 용접의 연속 시공은 할 수 없다고 판단했다.

비교예 4 내지 6은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이다. 또한, 2전극 모두 공통의 와이어 종류를 이용하는 일반적인 형식이다. 2전극식으로 하는 것에 의해, 고속에서의 수평 필릿 용접에 대응할 수 있으며, 비드 형상은 단전극식의 비교예 1 내지 3에 비하면 개선되어 있다. 그러나, 이들 시스템에서는 편측의 전극은 아무것도 동작하지 않도록 하는 제어가 없기 때문에, 수직 용접에서도 2전극으로부터 아크가 발생한다. 그 때문에, 와이어 종류에 관계없이, 용융지의 체적 과잉에 의해 비드가 늘어져 부정이 되는 현상이 일어났다. 따라서, 비교예 4 내지 6은 수평 필릿 용접과 수직 용접의 연속 시공은 할 수 없다고 판단했다.

비교예 7 내지 9도, 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이지만, 2전극에는 상이한 종류의 와이어를 이용했다. 그러나, 이들 시스템에서는 편측의 전극은 아무것도 동작하지 않게 하는 제어가 없기 때문에, 수직 용접에서도 2전극으로부터 아크 발생한다. 그 때문에, 와이어 종류에 관계없이, 용융지의 체적 과잉에 의해 비드가 늘어져 부정이 되는 현상이 일어났다. 따라서, 비교예 7 내지 9는 수평 필릿 용접과 수직 용접의 연속 시공은 할 수 없다고 판단했다.

비교예 10은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 아크의 부작동(不作動) 제어가 가능하다. 그러나, 수평 필릿 용접시에는 1전극만 아크 발생, 수직 용접시에는 2전극으로부터 아크 발생으로 하고 있기 때문에, 수평 필릿 용접에서는 비드 형상이 부정이 되고, 언더컷이나 험핑이라 일컬어지는 고속 용접 특유의 결함이 생겼다. 또한, 프라이머 강판의 기공 결함을 억제할 수도 없었다. 수직 용접에서는, 용융지의 체적 과잉에 의해 비드가 늘어져 부정이 되는 현상이 일어났다.

비교예 11은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어이며, 수직 용접에서는 편측의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 용융지의 체적을 적정 범위로 제어할 수 있다. 그러나, 와이어 직경이 약간 굵기 때문에, 아크 불안정하게 되기 쉽고, 입열량도 높아지므로, 비드 형상은 합격 범위 내이지만, 약간 뒤떨어진다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응할 수 있으며, 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 그러나, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어에서는, 프라이머 강판의 기공 결함을 저감시킬 수 없었다.

비교예 12는 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 조재재 함유율이 낮은 플럭스 코어드 와이어이다. 수직 용접에서는, 편측의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 용융지의 체적은 적정 범위로 제어할 수 있다. 그러나, 와이어 중의 조재재 양이 적기 때문에, 슬래그 형성이 불충분하며, 비드 늘어짐이 생겼다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하고 있지만, 조재재의 합계량이 적기 때문에, 비드 형상은 합격 범위 내이지만, 약간 뒤떨어졌다. 한편, 프라이머 강판의 기공 결함은 조재재 함유율이 높은 와이어를 이용한 비교예 11보다 저감되어 있지만, 불충분했다.

비교예 13은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 솔리드 와이어이다. 수직 용접에서는, 편측의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 용융지의 체적은 적정 범위로 제어할 수 있다. 그러나, 와이어 중에 조재재가 포함되지 않기 때문에, 슬래그 형성이 불충분하므로, 비드 늘어짐이 생겼다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하고 있지만, 양 극 모두 조재재가 포함되어 있지 않기 때문에, 비드 형상은 불량이었다. 한편, 프라이머 강판의 기공 결함은 조재재 함유율이 낮은 와이어를 이용한 비교예 12보다 저감되어 있지만, 불충분했다.

비교예 14는 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 상이한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어이며, 수직 용접에서는, 굵은 와이어 직경의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 아크 안정성의 개선이 도모되어, 양호한 용접이 가능하게 되어 있다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 선행 아크를 굵은 와이어 직경으로 하는 것에 의해, 아크력이 증대되며, 기공 결함의 억제를 도모했지만, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어로는, 그다지 저감시킬 수 없었다.

비교예 15는 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 상이한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 조재재 함유율이 낮은 플럭스 코어드 와이어이며, 수직 용접에서는, 굵은 와이어 직경의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 아크 안정성의 개선과 용융지의 체적을 적정 범위로 제어할 수 있지만, 와이어 내의 조재재 양이 적기 때문에 슬래그 형성이 불충분하므로, 비드 늘어짐이 생겼다. 수평 필릿 용접에서는 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하지만, 조재재의 합계량이 적기 때문에, 비드 형상은 합격 범위 내였다. 선행 아크의 와이어 직경을 굵게 하는 것에 의해, 아크력이 증대되며, 기공 결함의 억제를 도모했지만, 여전히 불충분했다.

비교예 16은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 동일한 종류, 상이한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 솔리드 와이어이며, 수직 용접에서는, 굵은 와이어 직경의 전극을 부작동으로 하는 것에 의해, 아크 안정성의 개선과 용융지의 체적을 적정 범위로 제어할 수 있지만, 와이어 중에 조재재 양이 포함되어 있지 않기 때문에 슬래그 형성이 불충분하므로, 비드 늘어짐이 생겼다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하지만, 조재재가 포함되어 있지 않기 때문에, 비드 형상은 불량이었다. 선행 아크의 와이어 직경을 굵게 하는 것에 의해, 아크력이 증대되고, 그 이외의 용접 조건도 최적이었으므로, 기공 결함만은 충분히 억제되었다.

비교예 17은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 상이한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 수평 필릿 용접시의 선행극용에는 솔리드 와이어, 후행극용에는 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어로 하고, 와이어 직경은 모두 1.2㎜이다. 수직 용접에서는, 플럭스 코어드 와이어의 전극만으로부터 아크 발생시키는 것에 의해, 용융지 체적의 적정화와 슬래그 형성에 의해, 양호한 용접이 가능했다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 2전극 합계에서의 조재재 양도 적정하기 때문에 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 그러나, 선행 아크의 와이어 직경이 가늘기 때문에, 아크력이 불충분하며, 프라이머 강판의 기공 결함 억제 효과는 불충분했다.

비교예 18은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 상이한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 수평 필릿 용접시의 선행극용에는 솔리드 와이어, 후행극용에는 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어로 하고, 와이어 직경은 모두 1.6㎜이다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 2전극 합계에서의 조재재 양도 적정하기 때문에 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 선행극용으로 굵은 직경 와이어를 이용하고 있으므로 높은 아크력이 발생하며, 그 이외 용접 조건도 최적이므로, 프라이머 강판의 기공 결함도 충분히 억제되어 있다. 한편, 수직 용접에서는, 플럭스 코어드 와이어의 전극만으로부터 아크 발생시키는 것에 의해, 용융지 체적의 적정화를 도모했지만, 굵은 와이어 직경 때문에 저전류 조건에서의 아크 안정성이 나빠, 전류를 높여야 했으므로 입열량이 높아져 버리고, 용융지의 늘어짐이 발생하여 형상 부정이 생겼다.

비교예 19는 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 상이한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 수평 필릿 용접시의 선행극용에는 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어, 후행극용에는 솔리드 와이어로 하고, 와이어 직경은 모두 1.2㎜이다. 수직 용접에서는, 플럭스 코어드 와이어의 전극만으로부터 아크 발생시키는 것에 의해, 용융지 체적의 적정화와 슬래그 형성에 의해, 양호한 용접이 가능했다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 2전극 합계에서의 조재재 양도 적정하기 때문에, 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 그러나, 선행극용의 와이어 직경이 가늘기 때문에, 아크력이 불충분하며, 프라이머 강판의 기공 결함 억제 효과는 불충분했다.

비교예 20은 2전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며, 또한 편측 전극의 부작동 제어가 가능하다. 양 극에는, 상이한 종류, 동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 구체적으로는, 수평 필릿 용접시의 선행극용에는 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어, 후행극용에는 솔리드 와이어로 하고, 와이어 직경은 모두 1.6㎜이다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키는 것에 의해 높은 속도에 대응하여, 2전극 합계에서의 조재재 양도 적정하기 때문에, 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 선행극용에 굵은 직경 와이어를 이용하여 높은 아크력을 발생시키고 있으므로, 프라이머 강판의 기공 결함도 억제되어 있다. 한편, 수직 용접에서는, 플럭스 코어드 와이어의 전극만으로부터 아크 발생시키는 것에 의해, 용융지 체적의 적정화를 도모했지만, 굵은 와이어 직경 때문에 저전류 조건에서의 아크 안정성이 나빠, 전류를 높여야 했다. 이 때문에, 입열량이 높아져 버리므로, 용융지의 늘어짐이 발생하고, 형상 부정이었다.

비교예 21은 3전극식 아크의 탠덤 토치 시스템이며 선행극과 후행극이 아크를 발생하고, 중간극은 항상 아크 불발생이며, 와이어 송급과 통전만 실행하는 통전 저항 발열 용접이다(도 6 참조). 또한, 선행극과 중간극의 부작동 제어가 가능하다. 선행극과 후행극에는, 동일한 종류·동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있으며, 중간극에는, 이들과 상이한 종류·상이한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 중간극은, 선행극에 의해 형성된 용융지에 와이어를 삽입하고, 저항 발열과 용융지로부터의 열전도로 용융한다. 선행극과 후행극에 탑재되어 있는 와이어의 종류는, 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어이며, 수직 용접에서는, 선행극 및 중간극을 부작동으로 하는 것에 의해, 용융지의 체적을 적정 범위로 제어할 수 있다. 그러나, 와이어 직경이 약간 굵기 때문에, 아크가 불안정하게 되기 쉽고, 입열량도 높아지므로, 합격 범위 내이지만, 약간 형상이 뒤떨어진다. 수평 필릿 용접에서는, 선행·후행 양 극으로부터 아크 발생시키고, 추가로 중간극으로부터도 와이어를 용융 첨가하는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 그러나, 선행극의 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어에서는, 프라이머 강판의 기공 결함을 저감시킬 수 없었다.

비교예 22는 3전극식 아크의 탠덤 토치 시스템에서, 선행극과 후행극이 아크를 발생시키고, 중간극은 항상 아크 불발생이며, 와이어 송급만(통전 없음) 실행하는 열전도 용접으로 했다(도 8 참조). 또한, 선행극과 중간극의 부작동 제어가 가능하다. 선행극과 후행극에는, 상이한 종류·동일한 직경의 와이어가 탑재되어 있으며, 중간극에는 이들과 상이한 종류·상이한 직경의 와이어가 탑재되어 있다. 중간극은, 선행극에 의해 형성된 용융지에 와이어를 삽입하고, 용융지로부터의 열전도만으로 용융한다. 구체적으로는, 수평 필릿 용접시의 선행극용에 솔리드 와이어, 후행극용에 조재재 함유율이 높은 플럭스 코어드 와이어로 하고, 와이어 직경은 모두 1.2㎜이다. 중간극은, 조재재 무첨가의 플럭스 코어드 와이어이며, 와이어 직경은 0.9㎜이다. 수직 용접에서는, 플럭스 코어드 와이어의 전극만으로부터 아크 발생시키는 것에 의해, 용융지 체적의 적정화와 슬래그 형성에 의해 양호한 용접이 가능했다. 수평 필릿 용접에서는, 양 극으로부터 아크 발생시키고, 추가로 중간극으로부터도 와이어를 용융 첨가하는 것에 의해 높은 속도에 대응하며, 3전극 합계에서의 조재재 양도 적정하기 때문에 비드 형상은 양호하게 되어 있다. 그러나, 선행극용의 와이어 직경이 가늘기 때문에, 아크력이 불충분하며, 프라이머 강판의 기공 결함 억제 효과는 불충분했다.

각 실시예 및 비교예의 결과로부터, 수평 자세, 연직 자세에 상관없이, 동일 로봇에 의한 자동 용접의 적용 범위가 넓어져, 능률 향상, 부지 면적 삭감, 비용 삭감, 투자액 삭감의 효과를 기대할 수 있어서, 본 발명의 유효성이 실증되었다.

본 출원은 2016년 4월 28일 출원된 일본 특허 출원 제 2016-091389 호에 근거하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E: 용접 시스템
21, 21A, 21B, 21C: 용접 토치
22, 22A, 22B: 실드 노즐
22d: 선단
22e: 커트면
23, 23A, 23B, 23C: 용접 와이어
31, 31A, 31B: 아크
35: 슬래그
36: 용융지
100: 강판(피용접물)
101: 하판(피용접물)
102: 종판(피용접물)
109: 프라이머(방청 재료)
H: 수평 필릿 용접
V: 수직 용접
α: 선행하는 용접 토치의 토치 각도
β: 후행하는 용접 토치의 토치 각도

Claims (14)

1. 표면에 방청 재료가 도포된 강판을 용접하기 위한 가스 실드 아크 용접 시스템에 있어서,
   소모식 전극인 용접 와이어를 송급하고, 실드 가스를 흘리면서 피용접물과의 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 복수의 용접 토치가, 각각 적어도 3차원 방향으로 이동 가능하게 배설된 용접 장치를 구비하고,
   상기 복수의 용접 토치는 상기 용접 와이어의 조성, 및 상기 용접 와이어의 직경이 서로 상이한 2개의 상기 용접 토치를 적어도 구비하고,
   상기 용접 토치를 수평 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 적어도 상기 2개의 용접 토치로부터 상기 용접 와이어를 송급하면서 상기 아크를 발생시켜 비드를 형성하고,
   상기 용접 토치를 연직 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 상기 2개의 용접 토치 중 어느 1개의 상기 용접 토치로부터 상기 용접 와이어를 송급하면서 상기 아크를 발생시켜 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 용접 토치는 적어도 3개의 상기 용접 토치를 구비하고,
   상기 용접 토치를 수평 방향으로 진행시켜 용접할 때에는, 상기 2개의 용접 토치를 제외한 다른 상기 용접 토치가, 아크, 통전 저항 발열, 열전도 중 어느 하나에 의해 강판을 용융하는 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 연직 방향의 용접에 이용하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어인 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 연직 방향의 용접에 이용하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어의 직경은 1.2㎜인 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 솔리드 와이어, 또는 슬래그 형성제를 와이어 전체 중량당 2.5 중량% 이하 함유하는 플럭스 코어드 와이어 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 선행하는 용접 토치의 상기 용접 와이어의 직경은 1.4 내지 2.0㎜인 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 슬래그 형성제를, 와이어 전체 중량당 3.0 내지 18.0 중량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어이며,
   상기 후행하는 용접 토치는 상기 연직 방향의 용접에 이용되는 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 수평 방향의 용접에 이용하는 상기 2개의 용접 토치 중, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어는, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   수평 필릿 용접을 실행하는 상기 2개의 용접 토치에 있어서, 선행하는 상기 용접 토치의 토치 각도가 하판에 대하여 20 내지 40°로 설정되며, 후행하는 상기 용접 토치의 토치 각도가 상기 하판에 대하여 42 내지 60°로 설정되는 것을 특징으로 하는
   가스 실드 아크 용접 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    수평 필릿 용접을 실행하는 상기 2개의 용접 토치에 있어서, 선행하는 상기 용접 토치의 실드 노즐은, 원통형상의 선단부의 일부가 비스듬하게 커트되어 형성되며,
    상기 수평 필릿 용접을 실행할 때에는, 상기 실드 노즐은, 상기 커트된 면을 하판을 향하게 하여 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 실드 아크 용접 시스템.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 상기 용접 토치는 상기 용접 와이어의 송급 방향으로 전진·후퇴 가능한 것을 특징으로 하는
    가스 실드 아크 용접 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연직 방향의 용접시에 사용하지 않는 상기 용접 토치는 용접선에 대하여 회전 가능한 것을 특징으로 하는
    가스 실드 아크 용접 시스템.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 실드 아크 용접 시스템을 이용한 가스 실드 아크 용접 방법에 있어서,
    수평 필릿 용접할 때, 선행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어에 인가하는 전류는 380A 이상이며, 또한 상기 아크의 발생 상태가 매몰 아크가 되도록, 전류/전압이 12.0 이상, 또한 18.0 이하로 조정되는 것을 특징으로 하는
    가스 실드 아크 용접 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수평 필릿 용접할 때, 후행하는 상기 용접 토치의 상기 용접 와이어에 인가하는 전류 및 전압은, 매몰 아크가 되지 않도록, 전류/전압이 8.0 이상, 또한 11.0 이하로 조정되는 것을 특징으로 하는
    가스 실드 아크 용접 방법.

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