KR100631404B1 - 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법 - Google Patents

탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100631404B1
KR100631404B1 KR1020050099273A KR20050099273A KR100631404B1 KR 100631404 B1 KR100631404 B1 KR 100631404B1 KR 1020050099273 A KR1020050099273 A KR 1020050099273A KR 20050099273 A KR20050099273 A KR 20050099273A KR 100631404 B1 KR100631404 B1 KR 100631404B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
welding
arc
laser
metal
less
Prior art date
Application number
KR1020050099273A
Other languages
English (en)
Inventor
이윤상
정우현
Original Assignee
고려용접봉 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려용접봉 주식회사 filed Critical 고려용접봉 주식회사
Priority to KR1020050099273A priority Critical patent/KR100631404B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100631404B1 publication Critical patent/KR100631404B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
    • B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/123—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases
    • B23K26/125—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in an atmosphere of particular gases of mixed gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3053—Fe as the principal constituent
    • B23K35/3073—Fe as the principal constituent with Mn as next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/38—Selection of media, e.g. special atmospheres for surrounding the working area
    • B23K35/383—Selection of media, e.g. special atmospheres for surrounding the working area mainly containing noble gases or nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/025—Seam welding; Backing means; Inserts for rectilinear seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
    • B23K9/0953—Monitoring or automatic control of welding parameters using computing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/12—Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B23K9/126—Controlling the spatial relationship between the work and the gas torch
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/164—Arc welding or cutting making use of shielding gas making use of a moving fluid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접 방법에 관한 것이다.
본 발명의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 용접 방법은, 이음부 갭 0.0∼1.4mm; 레이저 출력 8∼15kW; 아크전류 200∼500A; 전압 20∼40V; 필러 와이어 공급 속도 3.0∼25.0m/분; 레이저 초점과 전극간 거리 3∼5mm; He과 Ar 및 CO2의 혼합가스 유량 40∼60ℓ/분; 용접 속도 0.5∼2.5m/분; 필러 와이어 직경 1.2∼1.4mm인 용접 조건을 만족하는 용접 방법에 의해 용접부가 다음의 수학식 1 또는 2 중의 적어도 어느 하나를 만족하도록 함에 기술적 특징이 있다.
Figure 112005059496855-pat00001
(수학식 1)
Figure 112005059496855-pat00002
(수학식 2)
본 발명 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부는, 모재 희석률(D)과 아크 용접부 각도에 대한 한계 범위를 제공하여 주기 때문에, 용접부 인성 부족에 의한 불량 발생이 최소화될 수 있다.
탄소강, 선급 탄소강재, 하이브리드 용접, 레이저 용접, 아크 용접

Description

탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접 방법{The laser-arc hybrid welding weldment of carbon steel, and the laser-arc hybrid welding method for the same}
도 1은 편면 하이브리드 용접부의 단면도.
도 2는 용접부 중 아크 용접부의 확대 단면도.
도 3은 충격시험편의 사시도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
10. 모재 11. 상부덧살
12. 아크 용접금속 13. 레이저 용접금속
14. 하부덧살 30. 충격 시험편
D. 충격 시험편 노치 깊이 L. 충격 시험편 길이
T. 모재 두께 t. 충격 시험편 두께
W. 충격 시험편 폭
본 발명은 편면 레이저-아크 하이브리드 용접(laser-arc hybrid welding)에 의한 탄소강의 용접부와 그 용접 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 레이저와 아크를 함께 사용하는 편면 하이브리드 용접에 의해 탄소강 특히, 선급용 탄소강을 용접시 그 용접부에 있어서의 모재 희석률과, 아크 용접금속의 용입 깊이 및 용접금속 상면의 1/2폭 사이에 특정 상관 관계를 부여하고, 각 상관 관계값이 특정 범위를 만족하도록 용접함으로써, 용접부의 완전한 용입이 이루어지면서 용접 결함이 최소화되는 동시에 용접부가 충분한 인성을 갖도록 한, 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접 방법에 관한 것이다.
공업화가 고도화됨에 따라 각종 구조물에서 후물 강재의 사용량이 점차 증가하고 있으며, 그에 따라, 후물 강재의 용접품질을 향상에 더욱 적합한 용접 방법의 개발 필요성이 증대되고 있는 바, 후물 강재를 용접하기 위하여 오래전부터 사용되어 왔으며 현재에도 가장 널리 사용되고 있기도 한 아크 용접은, 용입 깊이가 깊지 못하기 때문에 후물 강재의 용접시에는 수회의 용접 작업을 반복하는 다층 용접을 하여야 하며, 그에 따라, 용접 생산성이 매우 저하되나, 용접 생산성을 높이기 위하여 용접 입열량을 높일 경우에는 용접부의 물성 저하 및 용접열에 의한 열변형이 커지게 되는 문제가 있다.
상기와 같은 아크 용접의 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 후물 강재의 용접에, 솔리드 및 메탈 코드 용접 와이어 즉, 필러(filler) 와이어를 사용하는 레이저 용접을 실시하는 사례가 증가하고 있으며, 특히, 선박 및 강구조물 제작에 활발히 적용되고 있다.
상기 레이저 용접에 사용되는 레이저 빔은 고에너지가 집적된 광선으로서, 용접시 강재에 전달되는 용접열이 용접 이음부에 집중되기 때문에 용입 깊이가 깊고, 그에 따라, 아크 용접에 비하여 용접 입열량을 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, 빔의 직경이 매우 작은 레이저의 특성상, 용접 이음부의 갭 허용값(gap tolerance)이 매우 작을 수밖에 없으며, 이로 인해 용접 이음부에 대한 정밀 가공과 정렬이 필요하게 되어 결국, 전체적인 용접 생산성이 저하되는 측면이 있다.
따라서, 상기와 같이, 갭 허용값이 매우 작아 용접 이음부에 대한 정밀 가공과 정렬을 필요로 하는 레이저 용접의 단점과, 용입 깊이가 깊지 못하고 열변형이 크며 용접 생산성이 낮은 아크 용접의 단점을 해결하기 위하여 레이저와 아크를 동시에 사용하는 하이브리드 용접 방법이 개발되었다.
즉, 레이저 용접과 아크 용접을 함께 병행하는 레이저-아크 하이브리드 용접 방법은, 고밀도 에너지 빔에 의한 심용입형 레이저 용접의 장점과, 열전도형 아크 용접의 장점을 결합시킨 용접 방법으로서, 레이저 용접의 경우, 레이저 출력별로 차이가 나기는 하지만 좁은 면적에 고밀도의 에너지가 집중되기 때문에 비교적 두꺼운 강재를 한번에 고속으로 용접시에도 용접부에서의 완전한 용입이 가능하며, 용접금속 및 용접 열영향부가 좁고 열변형량이 작아 용접 후 용접부에 대한 열처리, 표면 가공, 용접 변형의 수정 등과 같은 용접 후처리에 필요로 되는 공수 가 절감될 수 있을 뿐 아니라, 용접 제어를 위한 자동화가 필수적이기 때문에 용접 생산성이 높은 장점이 있다.
그러나, 후물 강재를 용접하기 위해서는 레이저의 출력이 높아야 하며, 우수한 용접 이음부를 제작하기 위한 추가 공수 및 용접 전에 이음부를 정밀하게 가공 정렬하기 위한 장비 등에 대한 투자비가 높은 문제가 있다.
그리고, 전술한 바와 같이, 아크 용접은, 넓은 면적에 작은 에너지가 투입되기 때문에, 레이저 용접에 비하여, 상대적으로 용입 깊이가 얕고, 용접 속도가 느린 바, 동일한 두께의 강재를 레이저로 용접하는 경우에 비하여, 더욱 많은 용접공수가 필요로 될 뿐만 아니라, 많은 입열량이 투입되기 때문에 용접금속과 열영향부가 넓게 형성되는 동시에, 열변형이 심하게 발생하게 되고, 이를 바로 잡기 위한 다수의 후속 공수가 필요로 되는 문제가 있다.
그러나, 레이저 용접 장비에 비하여 장비 투자비가 낮고 이음부 관리가 비교적 쉬운 장점이 있는 바, 상기와 같은 레이저 용접과 아크 용접을 복합시킴으로써 서로의 장·단점을 보완하여 시너지 효과에 의해 용접 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라, 생산성 역시 향상시킬 수 있기 때문에, 향후 레이저-아크 하이브리드 용접 방법의 적용 범위는 더욱 넓어지게 될 것으로 예상된다.
상기와 같은 하이브리드 용접에 의한 용접부 인성은, 레이저 용접에 비하여는 우수하나, 아크 용접에 비하여는 떨어지고 있는 바, 이를 살펴 보면 다음과 같다.
일반 탄소강을 레이저로 용접한 용접금속의 미세조직은, 입계 페라이트, 입 내 침상 페라이트 등으로 구성된 아크 용접금속 미세조직과 달리, 급열, 급냉 등과 같은 열 사이클로 인하여 경도가 높은 침상 마르텐사이트 조직이 대부분을 이루고 있다.
그리고, 열영향부의 미세조직 역시, 아크 용접시 나타나는 입계 페라이트, 페라이트 사이드 플레이트, 입내 페라이트(또는 베이나이트) 등과 달리, 상기 레이저 용접에 의한 용접금속과 유사한 침상 마르텐사이트 조직으로 구성되어 있다.
즉, 용접부의 내·외부 결함이 없는 경우에도 레이저 용접부의 인성은 아크 용접부보다 저하되는 것으로 알려져 있다.
한편, 레이저-아크 하이브리드 용접금속의 미세조직은, 필러 와이어의 첨가와 아크열에 의해 아크 용접금속과 유사한 입계 페라이트, 입내(침상, 괴상)페라이트, 페라이트 사이드 플레이트 및 일부 침상 마르텐사이트가 혼합된 조직으로 구성되어 있다.
그리고, 열영향부 역시 페라이트 사이드 플레이트와 침상 마르텐사이트 조직이 혼합되어 있기 때문에 레이저 용접부에 비해 인성이 증가 되는 것으로 알려져 있다.
그러나, 용착금속의 화학성분과 기계적 성질이 모재와 유사한 성분을 가진 필러 와이어를 사용하여 완전 용입과 용접 결함이 최소화되도록 용접을 하는 경우, 상기와 유사한 미세조직을 가진 용접금속일지라도, 용접금속의 단면 형상 및 면적에 따른 모재의 희석률 및 아크 용접금속의 용입 깊이과 용접금속 상면의 1/2폭에 의해 결정되는 각도 등에 따라 용접부 인성이 확보되지 않는 문제점이 있다.
즉, 육안검사나 비파괴 검사를 통하여 결함이 없는 우수한 용접부 품질이 확보된 경우라 하여도, 상기 모재 희석률이나 각도가 특정 값을 만족하지 못하는 경우, 실제 구조물로 사용될 수 있는 기계적 성능을 만족시키지 못하여 용접 구조물로서의 역할을 다하지 못하게 된다.
따라서, 일반 탄소강을 비롯한 특히, 선급용 탄소강재에 대한 레이저-아크 하이브리드 용접부의 인성을 확보하기 위해서는, 완전한 용입을 만족시킬 수 있도록 용접하여야만 함은 물론, 용접 와이어의 형태 및 이음부 간격에 따라 용접금속의 단면 형상과 용접금속에 대한 모재의 희석률 및 아크 용접금속의 용입 깊이와 용접금속의 상면 1/2폭에 의해 결정되는 각도 등에 대한 수치가 특정 범위를 만족하도록 하여야만 하나, 종래에는 그에 대한 연구가 전무한 실정이었다.
본 발명은 일반 탄소강을 비롯하여 특히, 선급용 탄소강재로 사용되는 후물 강재에 대한 종래의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접시 용접부의 부족한 인성에 의해 초래되는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 모재의 개선부가 가공되지 않은 "I"자형 또는 "Y"자형으로 개선된 맞대기 이음부에 대하여, 편면 레이저-아크 하이브리드 용접시, 완전 용입을 이루면서 용접 결함이 최소화되도록 하는 동시에 용접부에 충분한 인성이 부여될 수 있는 탄소강의 하이브리드 용접부와 이를 형성시키기 위한 하이브리드 용접 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 용접진행 방향에 수직한 단면상 용접부에서의 모재 희석률 및 아크 용접금속의 용입 깊이에 대한 용접금속 상면(또는, 상부덧살)의 1/2폭에 의해 결정되는 각도(이하 "아크 용접부 각도"라 한다)에 대한 제어에 의하여 달성된다.
본 발명 탄소강의 레이저-아크 하이브리드 용접부는, 탄소강 특히, 화학조성이, 중량 %로, 0.18% 이하 C, 0.70∼1.60% Mn, 0.10∼0.50% Si, 0.02% 이하 Ti을 주성분으로 하고, 미량 합금 원소로서 Nb+V 0.15% 이하, Cu+Cr+Ni+Mo 1.05% 이하 이며, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 두께 8∼15mm인 선급용 탄소강재를 편면 레이저-아크 하이브리드 용접시 형성되는 용접부의 물리적 특성 즉, 용접부에서의 모재 희석률 및 아크 용접부 각도 등이 특정 범위를 만족함에 기술적 특징이 있는 바, 하이브리드 용접에 의해 형성되는 용접부를 살펴보면 다음과 같다.
하이브리드 용접부는, 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 용접진행 방향에 수직한 단면상 용접부에서, 두 모재(10)의 상면으로부터 외측으로 상향 돌출 형성된 상부덧살(11)과, 두 모재(10) 사이에서 상대적으로 폭이 넓게 형성된 상부의 아크 용접금속(12)과, 폭이 좁게 형성된 하부의 레이저 용접금속(13) 및 두 모재(10)의 저면으로부터 외측으로 하향 돌출 형성된 하부덧살(14)로 구분된다.
즉, 레이저-아크 하이브리드 용접부는, 선행하는 아크에 의해 폭이 넓은 아크 용접금속(12)이 형성되고, 후행하는 레이저에 의해 폭이 좁은 레이저 용접금속(13)이 형성되는 구조가 된다.
상기와 같이 형성되는 하이브리드 용접부에서, 본 발명의 용접부는, 용접부를 이루는 각 부분들에 대한 상관 관계가 특정 범위 내로 조절됨으로써, 충분한 인성을 갖게 되는 바, 상기 상부덧살의 단면적을 'WU', 전체 용접금속 즉, 아크 용접금속(12)과 레이저 용접금속(13)의 전체 단면적을 'WM', 하부덧살(14)의 단면적을 'WB', 두 모재 사이의 갭을 'G', 모재의 두께를 'T', 아크 용접금속(12)의 용입 깊이를 'PA', 아크 용접금속(12) 상면의 폭 또는 상부덧살(11)의 폭을 'UL' 이라 할 때, 다음의 수학식 1 또는 2 중의 적어도 어느 하나를 만족함에 본 발명 용접부의 기술적 특징이 있다.
Figure 112005059496855-pat00003
Figure 112005059496855-pat00004
상기 수학식 1, 2에서, D는 용접금속의 모재에 대한 "희석률"을 의미하며, θ는 "아크 용접부 각도"이다.
즉, 상기의 수학식 1, 2 중의 적어도 어느 하나가 만족되도록 편면 레이저-아크 하이브리드 용접된 본 발명의 용접부는, 충분한 인성을 갖게 되는 바, 상기와 같이 희석률과 아크 용접부 각도의 범위를 한정한 이유는 다음과 같다.
희석률은, 용접금속 내로 유입되는 모재의 양과 관계되는 수치로서, 이 값이 증가할수록 이음부 간격이 좁고 전체 용접금속에 대한 모재의 용융량이 증가하면서 필러 와이어의 용착량이 작아지게 되며, 그 결과, 용접금속의 냉각 속도가 빨라지게 됨으로써, 입계 페라이트, 입내(침상, 괴상)페라이트, 페라이트 사이드 플레이트와 침상 마르텐사이트의 혼합조직인 용접금속의 미세조직 중에서 침상 마르텐사이트의 조직 분율이 증가하게 되면서 용접부의 인성이 저하하게 된다.
그리고, 희석률이 감소할수록 두 모재 사이의 갭 간격이 커지게 되고, 이 부분을 채우기 위해 상대적으로 많은 입열량이 투입됨으로써, 필러 와이어의 용착량이 증가하게 되며, 그 결과, 용접금속의 미세조직 중 입내(침상, 괴상) 페라이트가 증가하면서 페라이트 사이드 플레이트나 침상 마르텐사이트가 감소하게 되고, 더불어, 열영향부의 미세조직도 앞선 경우에 비해 열사이클이 완화되면서 인성이 증가하게 되는 바, 희석률이 70% 이하일 경우에 충분한 인성을 가진 용접부를 얻을 수 있다.
또한, 아크 용접부 각도 θ가, 20O 미만일 경우에는 아크 용접금속의 용입 깊이(PA) 대비 상부덧살의 폭(UL)이 좁기 때문에 레이저 단독 용접 조건에 근접하게 되기 때문에 용접부의 인성이 저하하게 되며, 50O를 초과할 경우에는 아크 용접금속의 용입 깊이(PA) 대비 상부덧살의 폭(UL)이 넓어지게 되고, 그 결과, 아크 용접금속이, 폭이 넓은 상부덧살의 저면 측으로 확장되면서 용접금속을 둘러싼 모재 의 표면적이 넓어져 상대적인 냉각 속도가 빨라지게 됨으로써 용접부의 인성이 저하하게 된다.
상기와 같은 상관 관계를 갖는 본 발명의 탄소강 용접부는, 이음부 갭이 0.0∼1.4mm인 "I"형 또는 "Y" 맞대기 이음부에 대하여, 레이저 출력 8∼15kW, 아크전류 200∼500A, 전압 20∼40V, 필러 와이어 공급 속도 3.0∼25.0m/분, 레이저 초점과 전극간 거리 3∼5mm, He과 Ar 및 CO2가 60∼80vol.% : 10∼20vol.% : 10∼20vol.%의 체적 비율을 갖는 혼합가스의 유량 40∼60ℓ/분, 용접 속도 0.5∼2.5m/분의 용접 조건 하에서 용착금속의 화학성분과 기계적 성질이 모재와 유사하고 직경이 1.2∼1.4mm인 필러 와이어를 사용하여 레이저-아크 하이브리드 용접함으로써 얻어지는 바, 본 발명에 대한 구체적 사항과 작용 효과는 다음의 실시예를 통하여 명확하게 이해될 것이다.
실시예
두께가 12mm인 490MPa급 선급용 탄소 강재를, 개선부가 가공되지 않은 I형 맞대기 이음부에 대하여 이음부 갭이, 0, 0.4, 1.0mm이고, 용접부에 표면 결함이 없이 완전 용입을 가지도록, 다음의 표 1과 같은 용접 조건으로 아크가 선행하는 편면 레이저-아크 하이브리드 용접하였다.
이때, 필러 와이어는 직경이 1.2mm인 것을 사용하였으며, He 80vol.%, Ar 10vol.%, CO2 10vol.%의 혼합 가스를 보호가스로 사용하였으며, 분당 50ℓ의 유량으로 공급하였다.
이음부 갭(mm) 레 이 저 출력(kW) 아크 용접 조건 레이저 초점과 전극간 거리(mm) 필러 와이어 공급 속도(m/분) 용접 속도 (m/분)
전류(A) 전압(V)
0.0 13 300 29 4 9.9 1.5
0.4 13 364 30 4 13.1 1.5
1.0 13 421 30 4 16.2 1.5
그리고, 용접부의 기계적 성질을 평가하기 위하여 용접부 덧살을 제거한 후 용접부가 시험편의 중심부를 가로지르도록 시험편을 가공하여 인장시험, 굽힘시험 및 샤르피(Charpy) 충격시험을 실시하였다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 충격시험편(30)은 용접부 단면을 고려하여, 두께(t) 2.5mm, 폭(W) 10mm, 길이(L) 55mm의 크기로 제작한 후 길이 방향 중앙부의 폭 방향 일측 단부에 깊이(D) 2mm의 "V"자형 노치를 가공하여 사용하였다.
용접금속에 대한 모재의 희석률(D)과 아크 용접부 각도(θ)를 평가하기 위해 용접 진행 방향에 수직하도록 절단 후 연마하고 에칭하여 얻어진 단면을 이미지 분석기로 비교하였다.
상기와 같은 조건으로 용접된 용접부에 대하여 모재의 희석율(D), 아크 용접부 각도(θ), 충격흡수 에너지 및 이에 대한 평가를 실시하였으며, 그 결과는 다음의 표 2와 같다.
구 분 번 호 이음부 갭 (mm) 필 러 와이어 종 류 용접부 단면 평가 충격흡수 에너지 (J at 0℃) 평 가
WM (mm2) WU (mm2) WB (mm2) D (%) UL (mm) PA (mm) θ (°)
비 교 예 1 0.0 ER70S-3 28.33 5.42 1.05 81 7.52 3.06 50.9 22 ×
2 29.77 5.13 0.88 83 7.56 3.10 50.6 23 ×
3 28.56 5.37 0.96 82 7.54 3.08 50.8 23 ×
4 E70C-6M 24.44 5.26 0.78 80 7.10 2.56 54.2 22 ×
5 25.21 5.40 0.54 81 7.21 2.62 54.0 22 ×
6 24.86 6.23 0.66 78 7.33 2.71 53.5 23 ×
실 시 예 7 0.0 ER70S-G 25.55 6.42 0.56 79 7.60 3.35 48.6 30 ◎
8 26.19 7.14 0.82 77 7.86 3.42 49.0 29 ○
9 25.92 6.79 0.68 78 7.73 3.38 48.8 29 ○
10 0.4 E70C-6M 28.99 4.72 1.13 69 6.91 2.73 51.7 28 ○
11 26.06 5.21 1.38 65 6.97 2.78 51.4 29 ○
12 29.64 5.03 1.61 68 7.03 2.92 50.3 28 ○
13 1.0 ER70S-3 35.53 0.71 4.29 58 5.31 6.06 23.7 32 ◎
14 36.28 0.79 4.56 58 5.15 5.79 24.0 29 ○
15 36.73 0.66 3.95 60 5.10 6.21 22.3 30 ◎
16 ER70S-G 35.05 1.84 1.67 60 6.33 5.59 29.5 33 ◎
17 35.94 2.35 1.75 60 6.42 4.81 33.7 30 ◎
18 38.55 1.96 2.11 62 6.46 5.15 32.1 31 ◎
19 E70C-6M 33.54 2.89 1.48 57 5.85 4.71 31.8 30 ◎
20 32.75 2.25 0.96 58 6.50 4.77 34.3 32 ◎
21 33.73 2.64 1.27 58 5.97 4.75 32.1 30 ◎
* 평가 : "◎"는 우수, "○"는 양호, "×"는 불량으로 표시됨.
인장시험결과, 이음부의 갭, 용접재료, 용접부의 모재 희석률(D) 및 아크 용접부 각도(θ)에 관계없이 비교재와 실시재 모두 용접부에서 떨어진 모재에서 파단이 일어났으며, 굽힘시험 역시 용접금속에서는 어떠한 균열도 발생하지 않았다.
그러나, 상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1∼6의 경우, 이음부 갭이 0mm 일 때, 모재의 희석률(D)과 아크 용접부 각도(θ)가 각각 본 발명의 한정 범위를 벗어났기 때문에, 모재의 충격흡수에너지 값(24J)보다 낮은 값을 보여주고 있다.
그리고, 실시예 7∼9의 경우, 이음부 간격이 0mm 로서 모재의 희석률(D)은 한정 범위를 벗어났으나, 아크 용접부 각도(θ)가 한정 범위를 만족시킴에 따라 용접부 인성은 우수하였는 바, 이는, 아크 용접에 의해 용접 와이어의 영향을 더 많음으로써 모재의 희석률이 상기 비교예 1∼6의 경우보다 다소 낮으며, 아크 용접부 각도(θ)가 작아 아크 용접금속을 둘러싼 모재 부분의 표면적이 작음으로써 상대적으로 냉각 속도가 느려지기 때문이다.
한편, 실시예 10∼12의 경우 이음부 간격이 0.4mm 일 때, 아크 용접부 각도(θ)에 대한 한정 범위를 만족시키지 못하였으나, 모재의 희석률(D)이 한정 범위를 만족함에 따라 양호한 용접부 인성을 나타내었다.
이것은, 아크 용접부 각도(θ)가 한정 범위를 다소 상회하여 벗어남으로써 냉각 속도가 상승하게 되나, 이음부 갭으로 인하여 용접금속에 대한 모재의 희석률(D)이 감소하게 되는 동시에 필러 와이어로부터의 용착 금속량이 증가함으로써 입열량이 상대적으로 많아져 냉각 속도가 지연되었기 때문이다.
그리고, 실시예 13∼21의 경우, 이음부 갭이 1.0mm일 때, 모재의 희석률(D)과 아크 용접부 각도(θ)가 모두 본 발명의 한정 범위 내에 존재함에 따라 우수한 용접부 인성을 보였는 바, 이는, 앞서 언급했던 것과 같이 더 많은 입열량에 의해 충분한 양의 필러 와이어와 모재가 용융되어 이음부 간격을 채우게 되고, 이음부 간격으로 인해 상대적으로 모재의 희석률(D)이 감소하며, 아크 용접금속의 용입 깊이(PA)가 깊어지는 동시에 상부덧살의 폭(UL)이 줄어들어 아크 용접부 각도(θ)가 작아지면서 아크 용접금속을 둘러싼 모재의 표면적이 작아 냉각 속도가 느려졌기 때문이다.
즉, 완전한 용입이 이루어지는 용접 조건 하에서 용접부의 기계적 성질, 특히, 용접부의 인성은, 모재의 희석률(D)과 아크 용접부 각도(θ) 중 어느 한 값이라도 본 발명의 한정 범위를 만족시킬 경우, 우수한 결과를 보였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부는, 개선부가 가공되지 않은 "I"형 또는 "Y형"으로 개선된 일반 탄소강 특히, 선급용 탄소강재의 맞대기 이음부를 편면 레이저-아크 하이브리드 용접시 완전 용입을 이루면서 용접 결함이 최소화된 용접 조건 범위 내에서 용접부에 충분한 인성이 부여될 수 있는 모재 희석률(D)과 아크 용접부 각도에 대한 한계 범위를 제공하여 주기 때문에, 용접부 인성 부족에 의한 불량 발생이 최소화될 수 있다.
그리고, 본 발명의 편면 하이브리드 용접 방법은, 레이저 빔과 아크 토치 사이의 간격, 토치 각도 및 보호가스 유량을 일정한 범위 내로 유지하면서 레이저와 아크의 출력 및 용접 속도를 강재 두께에 따라 일정한 범위 내에서 설정되도록 함으로써, 용접부의 갭 허용차 향상, 기공 저감, 용접부 경화도 저하 및 스패터 감소 등이 가능하며, 그에 따라, 용접부 품질과 용접 생산성이 현저히 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

  1. 중량 %로, C : 0.18% 이하, Mn : 0.70~1.60%, Si : 0.10~0.50%, Ti : 0.02% 이하를 주성분으로 하고, 미량 합금 원소가 Nb+V : 0.15% 이하, Cu+Cr+Ni+Mo : 1.05% 이하이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는, "I"형 또는 "Y"형 맞대기 이음부를 갖는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부에 있어서,
    용접진행 방향에 수직한 단면상 용접부에서, 두 모재(10)의 상면으로부터 외측으로 상향 돌출 형성된 상부덧살(11)의 면적(WU)과, 두 모재(10) 사이 전체 용접금속의 면적(WM)과, 하부덧살의 면적(WB)과 두 모재 사이의 갭(G)과, 모재의 두께(T)와, 아크 용접금속(12)의 용입 깊이(PA)와, 아크 용접금속(12) 상면 또는 상부덧살(11)의 폭(UL) 사이에 다음의 수학식 1 또는 2 중의 적어도 어느 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부.
    수학식 1
    Figure 112005061529619-pat00005
    수학식 2
    Figure 112005061529619-pat00006
    상기 수학식 1, 2에서, D는 용접금속의 모재에 대한 희석률, θ는 아크 용접부 각도이다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 모재의 두께(T)의 두께는 8∼15mm인 것을 특징으로 하는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부.
  3. 중량 %로, C : 0.18% 이하, Mn : 0.70~1.60%, Si : 0.10~0.50%, Ti : 0.02% 이하를 주성분으로 하고, 미량 합금 원소가 Nb+V : 0.15% 이하, Cu+Cr+Ni+Mo : 1.05% 이하이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는, "I"형 또는 "Y"형 맞대기 이음부를 갖는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접 방법에 있어서,
    이음부 갭 0.0∼1.4mm; 레이저 출력 8∼15kW; 아크전류 200∼500A; 전압 20∼40V; 필러 와이어 공급 속도 3.0∼25.0m/분; 레이저 초점과 전극간 거리 3∼5mm; He과 Ar 및 CO2가 60∼80vol.% : 10∼20vol.% : 10∼20vol.%의 체적 비율을 갖는 혼합가스의 유량 40∼60ℓ/분; 용접 속도 0.5∼2.5m/분; 필러 와이어 직경 1.2∼1.4mm인 용접 조건 하에서 다음의 수학식 1 또는 2 중의 적어도 어느 하나를 만족하도록 용접함을 특징으로 하는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접 방법.
    수학식 1
    Figure 112005059496855-pat00007
    수학식 2
    Figure 112005059496855-pat00008
    여기서, D는 용접금속의 모재에 대한 희석률, WM은 상·하부 덧살을 제외한 용접금속의 면적, G는 갭, T는 모재 두께, WU는 상부덧살 면적, WB는 하부덧살 면적, θ는 아크 용접부 각도, UL은 상부덧살 또는 용접금속 폭, PA는 아크 용접금속의 용입 깊이.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 레이저는 아크에 후행됨을 특징으로 하는 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접 방법.
KR1020050099273A 2005-10-20 2005-10-20 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법 KR100631404B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050099273A KR100631404B1 (ko) 2005-10-20 2005-10-20 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050099273A KR100631404B1 (ko) 2005-10-20 2005-10-20 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100631404B1 true KR100631404B1 (ko) 2006-10-09

Family

ID=37635357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050099273A KR100631404B1 (ko) 2005-10-20 2005-10-20 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100631404B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101105000B1 (ko) 2008-12-22 2012-01-16 주식회사 포스코 열피로 수명 향상을 위한 용접부
CN103341686A (zh) * 2013-06-09 2013-10-09 武汉钢铁(集团)公司 一种高强度核电用钢厚板埋弧焊焊接方法
CN105855705A (zh) * 2016-06-23 2016-08-17 吉林大学 一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法
CN111168242A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 新疆大学 连接ta2/t2***焊复合板的激光电弧串联焊接方法
CN114034272A (zh) * 2021-11-02 2022-02-11 广东博盈特焊技术股份有限公司 一种测算堆焊熔深的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005205497A (ja) 2004-01-21 2005-08-04 L'air Liquide Sa Pour L'etude & L'exploitation Des Procede S Georges Claude フェライト鋼のレーザー／アークハイブリッド溶接方法
JP2005270995A (ja) 2004-03-23 2005-10-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザハイブリッドアーク溶接機とレーザハイブリッドアーク溶接システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005205497A (ja) 2004-01-21 2005-08-04 L'air Liquide Sa Pour L'etude & L'exploitation Des Procede S Georges Claude フェライト鋼のレーザー／アークハイブリッド溶接方法
JP2005270995A (ja) 2004-03-23 2005-10-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザハイブリッドアーク溶接機とレーザハイブリッドアーク溶接システム

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101105000B1 (ko) 2008-12-22 2012-01-16 주식회사 포스코 열피로 수명 향상을 위한 용접부
CN103341686A (zh) * 2013-06-09 2013-10-09 武汉钢铁(集团)公司 一种高强度核电用钢厚板埋弧焊焊接方法
CN105855705A (zh) * 2016-06-23 2016-08-17 吉林大学 一种不锈钢-钛合金异种金属激光焊接方法
CN111168242A (zh) * 2020-01-19 2020-05-19 新疆大学 连接ta2/t2***焊复合板的激光电弧串联焊接方法
CN114034272A (zh) * 2021-11-02 2022-02-11 广东博盈特焊技术股份有限公司 一种测算堆焊熔深的方法
CN114034272B (zh) * 2021-11-02 2024-05-24 广东博盈特焊技术股份有限公司 一种测算堆焊熔深的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2402106B1 (en) Method of and machine for arc welding combining gas-shield arc welding with submerged arc welding
US9821401B2 (en) High toughness weld metals with superior ductile tearing resistance
EP2546020A1 (en) Laser/arc hybrid welding method and method for producing welded member using same
EP2692476B1 (en) Method for producing laser-welded steel tube
Moore et al. Microstructures and properties of laser/arc hybrid welds and autogenous laser welds in pipeline steels
KR20080022520A (ko) 와이어, 플럭스 및 큰 니켈 함유량을 갖는 강을 용접하기위한 방법
JP4528089B2 (ja) 耐脆性破壊発生特性を有する船体用大入熱突合せ溶接継手
CN101274396B (zh) 具有优异的韧性及抗sr断裂性的焊接金属
EP2067566A1 (en) Flux-cored wire for submerged arc welding of low-temperature steel and a method for welding using the same
CN110382154B (zh) 角焊接头及其制造方法
WO2013179614A1 (ja) レーザ・アークハイブリッド溶接方法
KR100631404B1 (ko) 탄소강의 편면 레이저-아크 하이브리드 용접부와 그 용접방법
EP3133180A1 (en) Welded metal having excellent strength, toughness and sr cracking resistance
EP3162489B1 (en) Method of butt welding steel plates and butt weld joint of steel plates
CN107931835A (zh) 一种高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺
JP4319886B2 (ja) 耐脆性破壊発生特性を有する大入熱突合せ溶接継手
KR101898159B1 (ko) 용접 생산성 및 용접부 저온인성이 우수한 극후물 강판 용접이음부의 제조방법
JP2006075853A (ja) オーステナイト系合金鋼のレーザ溶接継手およびその製造方法
JP5333003B2 (ja) 長疲労寿命化を達成するレーザー・アークハイブリッド溶接方法
JP4833645B2 (ja) レーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板
Stelling et al. Vertical-up and-down laser plasma powder hybrid welding of a high nitrogen austenitic stainless steel
JP4358407B2 (ja) レーザー溶接性に優れた厚鋼板の溶接方法
KR102428825B1 (ko) 용접부의 피로강도가 우수한 용접부재 및 그 제조방법
JP4505076B2 (ja) 低温靭性に優れた溶接金属が得られる電子ビーム溶接方法
JP7410408B2 (ja) 隅肉溶接継手を備えた溶接構造体の製造方法及び隅肉溶接継手を備えた溶接構造体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee