KR20200031664A

KR20200031664A - 레이저·아크 하이브리드 용접 방법

Info

Publication number: KR20200031664A
Application number: KR1020207004636A
Authority: KR
Inventors: 쇼헤이 이와타; 야스아키 오키타; 야스시 기타니
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-24
Also published as: JPWO2019059149A1; CN111032275A; MX2020001924A; EP3623096A1; EP3623096A4; WO2019059149A1; US20200223012A1; KR102304084B1; JP6525116B1; CN111032275B

Abstract

용적의 이행 형태를 제어함으로써 스퍼터의 발생을 대폭으로 억제하고, 또한 용접 전류를 낮게 설정함으로써 용접에 수반하는 열영향이나 열변형을 억제하는 것이 가능한 레이저·아크 하이브리드 용접 방법을 제공한다. 본 발명은, 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN(㎜)이 레이저 용접에 의해 발생하는 레이저의 출력 P(㎾)에 대하여 D_MIN≥(P/15)＋(1/2)을 만족하고, 용적의 최대 직경 D_MAX(㎜)이 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 아크의 길이 M(㎜)에 대하여 M≥4D_MAX/3을 만족하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법이다.

Description

레이저·아크 하이브리드 용접 방법

본 발명은, 레이저 용접과 가스 실드 아크 용접을 조합하여 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지(molten pool)에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적(溶滴:droplet)의 직경 및, 아크의 길이(이하, 아크 길이(arc length)라고 함)를 제어함으로써, 스퍼터(spatter)의 발생을 억제한 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 관한 것이다.

레이저 용접은, 에너지 밀도가 높은 레이저를 열원으로 하기 때문에, 용접 속도의 증속 그리고 용입 깊이의 증가를 도모할 수 있고, 또한 용융 폭이 좁기 때문에, 용접에 수반하는 열영향이나 열변형을 작게 억제하는 것이 가능해진다. 그 결과, 고품질인 용접부가 얻어진다는 이점을 갖는다. 그 반면, 이 레이저 용접은 사용하는 장치가 고가이고, 게다가 개선(groove)을 형성할 때에 정밀도 좋게 가공하는 것이 요구되기 때문에, 용접 시공의 비용면에서 종래의 용접 기술과 비교하여 불리하다.

한편으로 가스 실드 아크 용접은, 용접 속도나 용입 깊이가 레이저 용접에 비해 뒤떨어져, 용접에 수반하는 열변형이나 열영향이 레이저 용접보다도 커지지만, 용접 시공의 비용을 낮게 억제하는 것이 가능하다. 또한, 사용하는 용접용 강 와이어의 성분을 조정함으로써 용접 금속의 조성을 제어할 수 있고(특허문헌 1을 참조), 게다가, 개선의 가공에 요구되는 정밀도는 레이저 용접에 비해 엄격하지 않다는 이점이 있다.

이들 레이저 용접과 가스 실드 아크 용접의 장점을 모두 살린 용접 기술로서, 가스 실드 아크와 레이저를 동시에 피(被)용접물(예를 들면 강판 등)의 표면에 조사하는 레이저·아크 하이브리드 용접이 있다. 레이저·아크 하이브리드 용접은 용접 갭 유도(裕度)(gap tolerance)의 향상이나 용접 속도의 증가가 가능하기 때문에, 용접 시공의 능률 향상이 가능한 용접 기술이다.

일반적으로 가스 실드 아크 용접에 있어서, 스퍼터의 발생에 영향을 미치는 중요한 요소로서, 용적의 이행 형태를 들 수 있다. 용접용 강 와이어로부터 용융지에 이행하는 용적의 형태는, 용접용 강 와이어의 성분이나 실드 가스의 종류 및, 아크를 발생시키는 용접 전류 등의 여러 가지 용접 조건에 따라 변화한다.

즉 가스 실드 아크 용접과 같이, 열원으로서 아크만을 사용하는 경우는, 용적과 용융지의 단락(short-circuiting)의 해방, 혹은, 용적의 용융지 밖으로의 이탈 등에 의해 스퍼터가 발생한다. 따라서, 스퍼터의 발생량은, 용적의 이행 형태(즉 용접용 강 와이어로부터 용적이 이탈할 때의 형태)에 크게 의존한다.

이에 대하여, 레이저 용접과 가스 실드 아크 용접을 조합하여 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접에서는, 열원이 되는 레이저와 아크의 상호 작용에 의해 용적의 이행이 불안정해지기 때문에, 스퍼터가 다량으로 발생하는 것이 알려져 있다. 그러나, 용적의 이행 형태가 스퍼터의 발생에 미치는 영향은, 아직 명확하게는 해명되어 있지 않다.

레이저·아크 하이브리드 용접의 시공 중에 다량의 스퍼터가 발생하면, 용접기 본체 및 주변의 광학계 기기에 스퍼터가 부착되어, 설비 고장이나 시공 능률의 저하를 일으킨다. 따라서, 스퍼터의 발생을 최대한 억제하는 것이 필요하다.

그래서 본 발명자들은, 레이저 용접을 선행시키고, 가스 실드 아크 용접으로서 MAG 용접을 후행시켜 레이저·아크 하이브리드 용접을 행하고, 그때의 용적의 이행 형태에 대해서 상세하게 조사했다. 그 결과, 스퍼터의 발생 원인은, 날카롭게 뾰족해진 용접용 강 와이어의 선단으로부터 용융지에 이행하는 용적이 작고 경량이기 때문이고, 이 용적이 레이저 조사에 의해 유기되는(induced) 피용접물의 증발 압력에 의해 상방으로 비산하고, 그것이 냉각되어 스퍼터가 되는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 특허문헌 1에 개시된 레이저·아크 하이브리드 용접 방법, 구체적으로는 CO₂를 60체적％ 이상 함유하는 실드 가스하에서 희토류 원소(이하, REM이라고 함)를 첨가한 강 소선(steel wire)으로 이루어지는 용접용 강 와이어를 마이너스극으로 하는 정극성의 가스 실드 아크 용접과 레이저 용접을 조합한 레이저·아크 하이브리드 용접을 행하여, 용적의 이행 형태에 대해서 상세하게 조사했다. 그 결과, 특허문헌 1에 개시된 레이저·아크 하이브리드 용접에서는, 레이저 조사에 기인하는 용적의 비산은 확인되지 않지만, 아크 길이가 짧고, 용적과 용융지가 단락함으로써 스퍼터가 발생했다. 또한, 이 레이저·아크 하이브리드 용접에서는 전류값이 낮은 조건(용접 전류 200A 정도)에서는 글로뷸 이행(globular transfer)이 되어, 매우 많은 스퍼터가 발생했다. 즉, 스퍼터의 발생을 억제하는 관점에서는, 적용 가능한 용접 전류를 비교적 높은 값으로 제한하지 않을 수 없기 때문에, 용접에 수반하는 열영향이나 열변형이 커진다는 문제가 있다.

또한 국제 용접 학회(IIW)에서는, 용적의 이행 형태를 다음과 같이 정의하고 있다. 용접용 강 와이어 보다 큰 용적이 이행하는 형태는 글로뷸 이행이라고 정의되고, 스퍼터가 많이 발생한다. 용접용 강 와이어 보다 작은 용적이 이행하는 형태는 스프레이 이행(spray transfer)이라고 정의되고, 스퍼터의 발생은 적다. 그리고, 스프레이 이행 중, 용적이 한 방울마다 규칙적으로 이행하는 것을 프로젝트 이행(projected transfer)이라고 정의하고, 날카롭게 뾰족해진 용접용 강 와이어의 선단으로부터 소립의 용적이 흐르도록 이행하는 것을 스트리밍 이행(streaming transfer)이라고 정의하고 있다(비특허문헌 1을 참조).

일본공개특허공보 2005-219062호

Classification of Metal Transfer on arc electric welding processes, IIW Doc. XII-636-76 (1976)

본 발명은, 종래의 기술의 문제점을 해소하고, 용적의 이행 형태를 제어함으로써 스퍼터의 발생을 대폭으로 억제하고, 또한 용접 전류를 낮게 설정함으로써 용접에 수반하는 열영향이나 열변형을 억제하는 것이 가능한 레이저·아크 하이브리드 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서, 스퍼터의 발생량을 저감하는 용접 방법에 대해서, 용적의 이행 형태에 착안하여 예의 검토했다. 그리고, 이하에 서술하는 인식을 얻었다.

즉, 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서 발생하는 스퍼터는,

(a) 레이저의 조사에 의해 유기되는 금속의 증발 압력에 의해, 경량인 용적이 공중으로 비산하여 발생하는 스퍼터와,

(b) 용적과 용융지가 단락하여, 그것이 해방될 때에 발생하는 스퍼터

의 2종류로 대별된다.

그리고, 상기 (a)의 스퍼터를 방지하기 위해서는, 용접용 강 와이어의 선단으로부터 용융지에 이행하는 용적에 일정 이상(즉 공중을 부유하지 않을 정도)의 중량을 부여할 필요가 있다.

또한, 상기 (b)의 스퍼터를 방지하기 위해서는, 아크 길이를 연장하여, 단락을 방지할 필요가 있다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것이다.

즉 본 발명은, 레이저 용접과 가스 실드 아크 용접을 조합하여 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 있어서, 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN(㎜)이 레이저 용접에 의해 발생하는 레이저의 출력 P(㎾)에 대하여 (1)식을 만족하고, 용적의 최대 직경 D_MAX(㎜)이 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 아크의 길이 M(㎜)에 대하여 (2)식을 만족하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법이다.

D_MIN≥(P/15)＋(1/2) ···(1)

M≥4D_MAX/3 ···(2)

본 발명의 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 있어서는, 가스 실드 아크 용접에서, Ar을 60체적％ 이상 함유하는 실드 가스를 사용함과 함께, REM을 0.015∼0.100질량％ 함유하는 강 소선으로 이루어지는 용접용 강 와이어를 사용하고, 또한 정극성으로 용접을 행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 있어서, 스퍼터의 발생을 대폭으로 억제하고, 또한 용접에 수반하는 열영향이나 열변형을 억제하는 것이 가능해져, 산업상 각별한 효과를 가져온다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 레이저·아크 하이브리드 용접의 구성을 나타내는 개략도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 레이저·아크 하이브리드 용접의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 1 중의 부호는, 1은 용적, 2는 용접용 강 와이어, 3은 토치, 4는 아크, 5는 집광 렌즈, 6은 보호 렌즈, 7은 레이저, 8은 용융지, 9는 강판을 나타낸다. 화살표 A는 용접 방향을 나타낸다. 부호 M은 아크 길이이다. 그리고, 강판(9)의 도시되어 있지 않은 용접선에 대하여, 레이저(7)가 대략 연직 방향으로 조사되고, 아크(4)가 경사 방향으로 발생하여, 용융지(8)를 형성한다.

본 발명의 레이저 용접과 가스 실드 아크 용접을 조합하여 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서, 스퍼터의 발생량을 억제하기 위해, 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN(㎜)이, 레이저 용접에 의해 발생하는 레이저의 출력 P(㎾)에 대하여, 하기의 (1)식을 만족할 필요가 있다.

D_MIN≥(P/15)＋(1/2) ···(1)

이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN이 (1)식을 충족하지 않는 경우(즉, D_MIN이 (1)식의 우변의 값 미만이 되는 경우)는, 용적의 최소 직경 D_MIN이 지나치게 작기 때문에, 용적이 작고 경량이며, 레이저에 의해 유기되는 증발 압력에 의해 용적이 비산하여 스퍼터가 된다. 한편으로, 레이저의 출력을 증가하면, 증발 압력은 커지고, 그 결과, 경량의 용적뿐만 아니라, 무거운 용적도 비산한다. 따라서, 상기 (a)의 스퍼터를 방지하기 위해서는, 레이저의 출력 P와 용적의 최소 직경 D_MIN의 상호 작용을 평가하는 지표인 (1)식을 만족하도록 조정할 필요가 있다.

이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN의 상한은 특별히 규정하지 않지만, 와이어에 매달리는 용적의 안정성의 관점에서, 용접 와이어 직경의 1.3배 이하인 것이 바람직하다.

REM을 첨가한 강 소선으로 이루어지는 용접용 강 와이어를 사용하고, 정극성으로 가스 실드 아크 용접을 행함으로써, 이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN을 용접용 강 와이어보다도 작게 하는 것이 가능하다(참고문헌 1을 참조).

참고문헌 1 일본공개특허공보 2004-188428호

또한, 일반적인 용접용 강 와이어를 사용하고, 역극성으로 가스 실드 아크 용접을 행하는 경우에는, 용접 전류의 변화에 수반하여 이행하는 용적의 지름은 크게 변화하기 때문에, 안정적으로 스퍼터 발생 방지 효과를 얻는 것은 곤란하다.

또한, 본 발명의 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서, 스퍼터의 발생량을 억제하기 위해, 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적의 최대 직경 D_MAX(㎜)이, 가스 실드 아크 용접에 있어서의 아크 길이 M(㎜)에 대하여, 하기의 (2)식을 만족할 필요가 있다.

M≥4D_MAX/3 ···(2)

이행하는 용적의 최대 직경 D_MAX이 (2)식을 충족하지 않는 경우(즉, M이 (2)식의 우변의 값을 초과하는 경우)는, 용적의 최대 직경 D_MAX이 지나치게 크기 때문에, 용접용 강 와이어의 선단에 매달린 상태의 용적이 용융지와 단락하여, 그것이 해방될 때에 스퍼터가 발생한다. 따라서, 상기 (b)의 스퍼터를 방지하기 위해서는, 가스 실드 아크 용접에 있어서의 아크 길이 M과 용적의 최대 직경 D_MAX의 상호 작용을 평가하는 지표인 (2)식을 만족하도록 조정할 필요가 있다. 즉, 용적을 아크 길이 M보다도 충분히 짧게 함으로써, 단락을 방지하는 것이 가능해진다.

아크 길이 M은, 실드 가스의 전위 빈도에 따라서 변화한다. 그리고, 실드 가스의 전위 빈도는, 실드 가스의 성분에 따라서 변화한다. 따라서, 실드 가스의 성분을 조정함으로써, 아크 길이 M을 제어할 수 있다. 구체적으로는, Ar의 전위 경도(potential gradient)는 0.5V/㎝, CO₂의 전위 경도는 1.5V/㎝이기 때문에, 실드 가스에 있어서의 Ar의 함유량을 늘림으로써 아크 길이 M을 연장할 수 있다.

여기에서, 이행하는 용적의 최소 직경 D_MIN, 최대 직경 D_MAX, 그리고 아크 길이(M)에 대해서 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 비드 온 플레이트 용접(bead-on-plate welding)을 행하면서, 용접 개시 단부로부터 용접 방향으로 10㎜까지의 부분 및 용접 종료 단부로부터 용접 방향의 역방향으로 10㎜까지의 부분을 제외한 임의의 부분에 있어서, 고속도 카메라를 이용하여 용적의 이행 현상을 1초간 촬영한다. 그 촬영 화상 중에서, 용적(1)이 용접용 강 와이어(2)로부터 이탈한 직후의 화상을 추출 및 해석하여, 각 화상에서 이탈한 직후의 용적 지름(용적 지름은, 용접의 진행 방향에 대하여 수직 방향의 직경과 수평 방향의 직경의 평균값으로서 산출함)을 측정한다.

이렇게 하여 산출된 다수의 용적 지름 중, 가장 작은 값을 최소 지름, 가장 큰 값을 최대 지름으로 한다. 그리고, 동일한 비드 온 플레이트 용접 및 화상 해석을 10회 반복하여, 얻어진 10개의 최소 지름의 평균값을 최소 직경 D_MIN(㎜)으로 하고, 10개의 최대 지름의 평균값을 최대 직경 D_MAX(㎜)으로 한다.

또한, 상기한 비드 온 플레이트 용접에서 촬영된, 용적(1)이 용접용 강 와이어(2)로부터 이탈한 직후의 각 화상들을 해석하여, 용접용 강 와이어(2)의 선단으로부터 용융지(8)에 이르는 거리(즉 용접용 강 와이어(2)의 축 방향에 평행한 직선의 용접용 강 와이어 선단으로부터 용융지까지의 길이)를 측정하고, 그들의 평균을 측정 결과로 한다. 그리고, 동일한 비드 온 플레이트 용접을 10회 반복하여, 얻어진 10개의 측정 결과의 평균값을 아크 길이 M(㎜)으로 한다.

다음으로, 본 발명에서 사용하는 용접용 강 와이어의 성분에 대해서 설명한다.

REM: 0.015∼0.100질량％

REM은, 제강 및 주조 시의 개재물의 미세화, 용접 금속의 인성 개선을 위해 유효한 원소이다. 또한, 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서는, REM은 용적의 미세화와 이행의 안정화를 도모하기 위해 불가결한 원소로서, 깊은 용입이 얻어진다는 효과를 갖는다. 그 때문에, 도 1에 나타내는 바와 같은 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서는, 선행하는 레이저 용접에 의해 생긴 블로우홀(blowhole)을 재용융하여 기포로서 부상시켜, 용접 결함을 억제할 수 있다. REM 함유량이 0.015질량％ 미만에서는, 스퍼터 저감과 용접 결함 억제의 효과가 얻어지지 않는다. 한편, REM 함유량이 0.100질량％를 초과하면, 용접용 강 와이어의 제조 공정에서 균열이 생기거나, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, REM 함유량은 0.015∼0.100질량％의 범위 내를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, REM 함유량은, 보다 바람직하게는 0.025∼0.050질량％이다.

여기에서 REM이란, 주기표의 3족에 속하는 원소의 총칭이다. 본 발명에서는, 원자 번호 57∼71의 원소를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 Ce, La가 적합하다. Ce, La를 용접용 강 와이어에 첨가하는 경우는, Ce 또는 La를 단독으로 첨가해도 좋고, Ce 및 La를 병용해도 좋다. 또한, Ce 및 La를 함께 첨가하는 경우는, 미리 Ce: 40∼90질량％, La: 10∼60질량％의 범위 내에서 혼합하여 얻어진 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는, 기본 성분으로서 C, Si, Mn, P, S를 하기와 같이 함유하는 용접용 강 와이어에 적용하는 것이 바람직하다.

C: 0.20질량％ 이하

C는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데에 필요한 원소로서, 용융 메탈의 점성을 저하시켜 유동성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나 C 함유량이 0.20질량％를 초과하면, 정극성의 용접에 있어서 용적 및 용융 메탈의 거동이 불안정해질뿐만 아니라, 용접 금속의 인성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, C 함유량은 0.20질량％ 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 한편, C 함유량을 과잉으로 감소시키면 용접 금속의 강도를 확보할 수 없는 경우가 있다. 그 때문에, C 함유량은 0.003∼0.20질량％로 하는 것이 한층 바람직하다. 또한, C 함유량은 0.01∼0.10질량％가 더욱 바람직하다.

Si: 0.05∼2.5질량％

Si는, 탈산 작용을 갖고, 용융 메탈의 탈산을 위해서는 불가결한 원소이다. 가스 실드 아크 용접에서는, Si 함유량이 0.05질량％ 미만에서는, 용융 메탈의 탈산이 부족하여, 용접 금속에 블로우홀이 발생하는 경우가 있다. 또한 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서의 아크의 확산을 억제하여, 용적을 미세화하고 거동을 안정화하는 작용도 갖는다. 한편, Si 함유량이 2.5질량％를 초과하면, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하하는 경우가 있다. 따라서, Si 함유량은 0.05∼2.5질량％의 범위 내가 바람직하다. 단 Si 함유량이 0.65질량％를 초과하면, 소립의 스퍼터가 증가하는 경향이 나타나기 때문에, Si 함유량은 0.05∼0.65질량％의 범위 내가 한층 바람직하다.

Mn: 0.25∼3.5질량％

Mn은, Si와 마찬가지로 탈산 작용을 갖고, 용융 메탈의 탈산을 위해서는 불가결한 원소이다. Mn 함유량이 0.25질량％ 미만에서는, 용융 메탈의 탈산이 부족하여, 용접 금속에 블로우홀이 발생하는 경우가 있다. 한편, Mn 함유량이 3.5질량％를 초과하면, 용접 금속의 인성이 저하하는 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량은 0.25∼3.5질량％의 범위 내가 바람직하다. 또한, 용융 메탈의 탈산을 촉진하여, 블로우홀을 방지하기 위해서는, Mn 함유량은 0.45질량％ 이상이 바람직하다. 그 때문에, Mn 함유량은 0.45∼3.5질량％로 하는 것이 한층 바람직하다.

P: 0.05질량％ 이하

P는, 강의 융점을 저하시킴과 함께, 전기 저항율을 향상시켜, 용융 효율을 향상시키는 원소이다. 또한 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서, 용적을 미세화하고, 아크를 안정화하는 작용도 갖는다. 그러나 P 함유량이 0.05질량％를 초과하면, 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서 용융 메탈의 점성이 현저하게 저하하고, 아크가 불안정해져, 소립의 스퍼터가 증가하는 경우가 있다. 또한, 용접 금속의 고온 균열을 발생시킬 위험성이 증대하는 경우가 있다. 따라서, P 함유량은 0.05질량％ 이하가 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, P 함유량은 0.03질량％ 이하이다. 한편, 용접용 강 와이어의 소재가 되는 강재를 용제하는 제강 단계에서 P를 저감하기 위해서는 장시간을 필요로 하기 때문에, 생산성 향상의 관점에서는 P 함유량은 0.002질량％ 이상이 바람직하다. 그 때문에, P 함유량은 0.002∼0.03질량％로 하는 것이 한층 바람직하다.

S: 0.02질량％ 이하

S는, 용융 메탈의 점성을 저하시키고, 용접용 강 와이어의 선단에 매달린 용적의 이탈을 촉진하여, 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서 아크를 안정화한다. 또한 S는, 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서 아크를 확산하고, 용융 메탈의 점성을 저하시켜 비드를 평활하게 하는 효과도 갖는다. 그러나 S 함유량이 0.02질량％를 초과하면, 소립의 스퍼터가 증가함과 함께, 용접 금속의 인성이 저하하는 경우가 있다. 따라서, S 함유량은 0.02질량％ 이하가 바람직하다. 한편, 용접용 강 와이어의 소재가 되는 강재를 용제하는 제강 단계에서 S를 저감하기 위해서는 장시간을 필요로 하기 때문에, 생산성 향상의 관점에서는 S 함유량은 0.002질량％ 이상이 바람직하다. 그 때문에, S 함유량은 0.002∼0.02질량％로 하는 것이 한층 바람직하다.

추가로 본 발명에서는, 상기한 조성에 더하여, 용접용 강 와이어가 Ti, Zr, O, Ca, Al 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.02∼0.50질량％ 및 Zr: 0.02∼0.50질량％ 중 1종 또는 2종

Ti, Zr은, 모두 강탈산제로서 작용함과 함께, 용접 금속의 강도를 증가하는 원소이다. 또한 용융 메탈의 탈산에 의해 점성의 저하를 억제하여 비드 형상(bead shape)을 안정화(즉 험핑 비드(humping bead)를 억제)하는 효과가 있다. 이러한 효과를 갖기 때문에 350A 이상의 고전류 용접에 있어서 Ti, Zr은 유효한 원소이고, 필요에 따라서 첨가할 수 있다. Ti 함유량이 0.02질량％ 미만, Zr 함유량이 0.02질량％ 미만에서는, 이 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Ti 함유량이 0.50질량％를 초과하는 경우, Zr 함유량이 0.50질량％를 초과하는 경우는, 용적이 조대화하여(coarsen) 대립(large-particle)의 스퍼터가 다량으로 발생하는 경우가 있다. 따라서, Ti, Zr을 함유하는 경우는, 각각 Ti: 0.02∼0.50질량％, Zr: 0.02∼0.50질량％의 범위 내가 바람직하다.

O: 0.0080질량％ 이하

O는, 정극성의 가스 실드 아크 용접에 있어서 용접용 강 와이어의 선단에 매달린 용적에 발생하는 아크점을 불안정하게 함과 함께, 용적의 거동을 불안정하게 하는 작용이 있다. O 함유량이 0.0080질량％를 초과하면, 정극성의 고전류 용접에 있어서의 아크의 집중과 안정화라는 REM 첨가의 효과를 해치고, 용적의 요동이 증대하여 스퍼터가 다량으로 발생하는 경우가 있다. 또한, 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 있어서는, 선행하는 레이저 용접에 의해 생긴 블로우홀을 재용융하지 못하고 용접 결함을 잔류시켜 버리는 문제가 생기는 경우가 있다. 따라서, O 함유량은 0.0080질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, O 함유량이 0.0010질량％ 미만에서는, O 첨가에 의한 저점성화에 의한 용적의 이탈성 향상 효과는 충분히 얻어지지 않는다. 따라서, O를 함유하는 경우는, O 함유량은 0.0010∼0.0080질량％가 바람직하다. 또한 O 함유량은 0.0010∼0.0050질량％가 한층 바람직하다.

Ca: 0.0008질량％ 이하

Ca는, 제강 및 주조 시에 불순물로서 용강에 혼입하거나, 혹은 신선 가공(wire drawing) 시에 불순물로서 용접용 강 와이어에 혼입한다. 정극성의 가스 실드 아크 용접에서는, Ca 함유량이 0.0008질량％를 초과하면, 고전류 용접에 있어서의 아크의 집중과 안정화라는 REM 첨가의 효과를 해친다. 따라서, Ca를 함유하는 경우는, Ca 함유량은 0.0008질량％ 이하가 바람직하다.

Al: 0.005∼3.00질량％

Al은, 강탈산제로서 작용함과 함께, 용접 금속의 강도를 증가하는 원소이다. 또한 용융 메탈의 탈산에 의해 점성을 저하시켜 비드 형상을 안정화(즉 험핑 비드를 억제)하는 효과가 있다. Al은, 역극성의 가스 실드 아크 용접에서는, 명확한 용적 이행의 안정화 효과는 확인되지 않지만, 정극성의 가스 실드 아크 용접에서는, 350A 이상의 고전류 용접에 있어서 용적 이행의 안정화 효과가 현저하게 발휘된다. 한편, Al은, 저전류 용접에 있어서는, 단락 이행 횟수를 증가시켜 용적 이행의 균일화와 비드 형상의 개선을 달성할 수 있다. 또한, Al은, O와의 친화력에 의해, 용접용 강 와이어의 제조 단계에 있어서의 REM의 산화 로스(oxidation loss)를 저감하는 효과도 갖는다. Al 함유량이 0.005질량％ 미만에서는, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Al 함유량이 3.00질량％를 초과하는 경우는, 용접 금속의 결정립이 조대화하고, 인성이 현저하게 저하하는 경우가 있다. 따라서, Al을 함유하는 경우는, Al 함유량은 0.005∼3.00질량％의 범위 내가 바람직하다.

추가로 필요에 따라서 하기의 원소를 첨가해도, 본 발명의 효과를 줄이는 것은 아니다.

Cr: 0.02∼3.0질량％, Ni: 0.05∼3.0질량％, Mo: 0.05∼1.5질량％, Cu: 0.05∼3.0질량％, B: 0.0005∼0.015질량％, Mg: 0.001∼0.20질량％, Nb: 0.005∼0.5질량％, V: 0.005∼0.5질량％

Cr, Ni, Mo, Cu, B, Mg는, 모두 용접 금속의 강도를 증가하고, 내후성(weatherability)을 향상시키는 원소이다. 이들 원소의 함유량이 미소한 경우는, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, 이들 원소는 과잉으로 첨가하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Cr, Ni, Mo, Cu, B, Mg를 함유하는 경우는, 각각 Cr: 0.02∼3.0질량％, Ni: 0.05∼3.0질량％, Mo: 0.05∼1.5질량％, Cu: 0.05∼3.0질량％, B: 0.0005∼0.015질량％, Mg: 0.001∼0.20질량％의 범위 내가 바람직하다.

Nb: 0.005∼0.5질량％, V: 0.005∼0.5질량％

Nb, V는, 모두 용접 금속의 강도, 인성을 향상하여, 아크의 안정성을 향상시키는 원소이다. 이들 원소의 함유량이 미소한 경우는, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, 이들 원소는 과잉으로 첨가하면, 용접 금속의 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Nb, V를 함유하는 경우는, 각각 Nb: 0.005∼0.5질량％, V: 0.005∼0.5질량％의 범위 내를 만족하는 것이 바람직하다.

상기한 용접용 강 와이어의 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 예를 들면, 강재를 용제하는 단계나 용접용 강 와이어를 제조하는 단계에서 불가피적으로 혼입하는 대표적인 불가피적 불순물인 N은, 0.020질량％ 이하로 저감하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 발명의 용접 조건에 대해서 설명한다.

전술한 바와 같이, 실드 가스의 성분을 조정함으로써, 아크 길이 M을 제어할 수 있다. 아크 길이 M은, 실드 가스의 전위 빈도에 따라서 변화한다. 그 때문에, 본 발명의 효과를 보다 현저하게 얻으려면, 실드 가스에 있어서의 Ar의 함유량을 늘리는 것이 바람직하다.

실드 가스는, Ar을 60체적％ 이상 함유하는 가스를 이용한다. 실드 가스로서 Ar을 60체적％ 미만 함유하는 가스에서는, 아크 길이가 짧아져 (2)식을 만족하지 않을 우려가 있다. 실드 가스의 잔부(즉 40체적％ 이하)는, CO₂ 및 O₂ 중 1종 이상의 가스를 혼합하고, 15체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 용접용 강 와이어의 돌출 길이는 15∼30㎜가 바람직하다. 와이어 지름은 0.8∼1.6㎜가 바람직하다. 또한, 예를 들면, 와이어 지름이 1.2㎜인 경우, 가스 실드 아크 용접의 용접 전류는 150∼500A, 용접 전압은 25∼38V(용접 전압은 용접 전류와 함께 상승)가 바람직하다.

한편, 레이저 용접의 실드 가스는, 상기한 가스 실드 아크 용접과 동일한 실드 가스를 사용한다. 레이저 용접의 레이저 출력은 2㎾ 이상, 레이저 용접의 초점 깊이(포커스 깊이)는 －2∼＋10㎜가 바람직하다. 레이저 용접의 초점 지름(포커스 지름)은 개선의 갭에 따라서 변화하기는 하지만, 2㎜ 이하가 바람직하다.

레이저·아크 하이브리드 용접의 용접 속도는 150∼400㎝/분이 바람직하고, 레이저의 집광점(즉 초점)과 가스 실드 아크 용접의 아크점의 거리는 2∼7㎜가 바람직하다.

실시예

본 발명의 레이저·아크 하이브리드 용접으로서, JIS Z 3312YGW11 상당의 용접용 강 와이어의 성분을 베이스로 REM을 함유하는 용접용 강 와이어를 사용하고, 실드 가스로서 Ar－20체적％ CO₂를 사용한 정극성의 가스 실드 아크 용접과 YAG 레이저 용접을 조합하여, 판두께 3㎜의 강판에 대하여 YAG 레이저를 선행, 가스 실드 아크 용접을 후행으로 하여, 비드 온 플레이트 용접을 행했다(도 1을 참조). 이것을 발명예로 한다.

다음으로, 비교를 위해, 동일한 성분을 갖는 용접용 강 와이어를 사용하고, 실드 가스로서 100체적％ CO₂를 사용한 정극성의 가스 실드 아크 용접과 YAG 레이저 용접을 조합한 용접(비교예 1)과, 안정적인 용적 이행으로 되어 있는 일반적인 가스 실드 아크 용접인 MAG 용접과 YAG 레이저 용접을 조합한 용접(비교예 2)을 각각 행했다. 표 1에, 본 실시예 및 비교예 1, 2에 이용한 용접용 강 와이어의 성분을 나타낸다. 용접 조건은 표 2에 나타내는 바와 같다.

이들 발명예 및 비교예 1, 2에 대해서, 용융지에 이행하는 용적의 최대 직경 D_MAX과 최소 직경 D_MIN, 그리고 아크 길이 M을 상기의 측정 방법으로 각각 조사했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, (1)식 및 (2)식을 만족하는지 아닌지를, 만족한다(○) 및, 만족하지 않는다(×)로 하여 평가하고, 그 결과를 표 3에 나타낸다.

또한, 스퍼터의 발생량을 측정한 결과를 표 3에 아울러 나타낸다. 스퍼터의 발생량의 측정은, 발명예 및 비교예 1, 2의 레이저·아크 하이브리드 용접을 Cu제 포집 용기 내에서 500㎜의 길이로 행하고, 그때에 발생한 스퍼터를 포집하고 그의 중량을 측정했다. 중량이 0.6g 미만을 양호(○), 0.6g 이상 1.2g 미만을 가능(△), 1.2g 이상을 불가(×)로 하여 평가했다.

표 3으로부터 분명한 바와 같이, (1)식 및 (2)식의 평가가 모두 ○인 것은, 스퍼터 발생량의 평가에 있어서도 양호(○)였다. 즉, 발명예에 있어서의 스퍼터의 발생량의 결과로부터, 넓은 전류역에 있어서 스퍼터의 발생의 억제가 확인되었다. 특히, 비교예 1과 비교하여, 낮은 용접 전류역(220A)에 있어서 용접 스퍼터가 약 22％까지 저감하고 있었다.

즉 본 발명에 의하면, 레이저·아크 하이브리드 용접에 있어서, 가스 실드 아크 용접에 있어서의 용융지로 이행하는 용적 지름 및 아크 길이를 적정하게 유지함으로써 스퍼터 발생의 억제가 가능해졌다. 또한, 실드 가스가 Ar 60체적％ 이상을 함유하는 분위기 중에서 REM을 0.015∼0.100질량％ 함유하는 용접용 강 와이어를 이용하여 정극성의 가스 실드 아크 용접을 행함으로써, 스퍼터 발생을 억제하는 효과가 현저하게 발휘되었다.

1 : 용적
2 : 용접용 강 와이어
3 : 토치
4 : 아크
5 : 집광 렌즈
6 : 보호 렌즈
7 : 레이저
8 : 용융지
9 : 강판

Claims

레이저 용접과 가스 실드 아크 용접을 조합하여 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법에 있어서,
상기 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 용융지(molten pool)에 용접용 강 와이어로부터 이행하는 용적(droplet)의 최소 직경 D_MIN(㎜)이 상기 레이저 용접에 의해 발생하는 레이저의 출력 P(㎾)에 대하여 (1)식을 만족하고, 상기 용적의 최대 직경 D_MAX(㎜)이 상기 가스 실드 아크 용접에 의해 생기는 아크의 길이 M(㎜)에 대하여 (2)식을 만족하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법.
D_MIN≥(P/15)＋(1/2) ···(1)
M≥4D_MAX/3 ···(2)
제1항에 있어서,
상기 가스 실드 아크 용접에서, Ar을 60체적％ 이상 함유하는 실드 가스를 사용함과 함께, REM을 0.015∼0.100질량％ 함유하는 강 소선(steel wire)으로 이루어지는 상기 용접용 강 와이어를 사용하고, 또한 정극성으로 용접을 행하는 레이저·아크 하이브리드 용접 방법.