KR20160105900A - 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법 및 용접물의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

용접 장치(1)는, 제 1 와이어(110)를 이용한 제 1 용접 유닛(10)과, 제 2 와이어(120)를 이용한 제 2 용접 유닛(20)과, 제 3 와이어(130)를 이용한 제 3 용접 유닛(30)과, 제 4 와이어(140)를 이용한 제 4 용접 유닛(40)에 의해, 강판에 편면 서브머지 아크 용접을 실행한다. 이 때, 제 1 용접 유닛(10)에서는, 제 1 송급 장치(11)를 이용하여, 제 1 와이어(110)의 송급 속도를 일정 속도로 제어하는 동시에, 급전 방식이 직류 또한 외부 특성이 정전압 특성으로 설정된 제 1 용접 전원(12)을 이용하여, 제 1 와이어(110)에 대한 급전을 실행한다. 이에 의해, 다전극 편면 서브머지 아크 용접으로 얻어지는 뒷면 비드의 외관 불량을 저감한다.

Description

다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법 및 용접물의 제조 방법{ONE-SIDE SUBMERGED ARC WELDING METHOD FOR MULTIELECTRODE AND METHOD FOR PRODUCING WELDED PRODUCT}

본 발명은 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법 및 용접물의 제조 방법에 관한 것이다.

소모 전극식 아크 용접법의 일종으로서, 분상(粉狀)의 금속이나 인공 산화물 또는 광물 등으로 구성되는 플럭스를 강판에 마련한 개선(開先)의 표면에 산포하는 동시에, 강판의 개선에 퇴적시킨 플럭스 중에서, 송급되어 오는 전극 와이어에 전류를 흘려 전극 와이어로부터 아크를 발생시키는 것에 의해, 전극 와이어와 강판을 용융 혼합하여 일체화하는 서브머지 아크 용접법이 알려져 있다. 이 서브머지 아크 용접법은 피복 아크 용접법, 티그 아크 용접법, 가스 실드 아크 용접법 등의 다른 아크 용접법에 비하여, 대전류를 사용할 수 있음으로써 용입이 깊고, 고능률이라는 특징이 있다.

여기서, 특허 문헌 1에는, 서브머지 아크 용접법에 있어서, 외부 특성으로서 수하 특성 또는 정전류 특성을 갖는 용접 전원을 이용하여 전극 와이어에 급전을 실행하는 동시에, 용접 전압 설정 신호와 용접 전압 피드백 신호와의 차이의 신호의 크기에 따라서 전극 와이어 송급 속도를 제어하는 것이 기재되어 있다.

또한, 인용문헌 2에는, 개선을 따라서 전극 와이어를 복수 나열하여 배치하는 동시에, 강판의 이면측에 백킹재(backing material)를 배치하는 것에 의해, 강판의 표면측으로부터 이면측까지를, 복수의 전극 와이어를 이용하여 1회의 주행으로 용접하는 다전극 편면 서브머지 아크 용접법이 기재되어 있다. 이 다전극 편면 서브머지 용접법은, 강판의 전체 두께를 1회의 주행(이것을 1런이라 부름)으로 완전 용입 시공할 수 있어서, 강판을 반전시킬 필요가 없으므로, 조선이나 교량 등의 분야에서 널리 활용되고 있다.

일본 특허 공개 제 2000-117442 호 공보 일본 특허 공개 제 2007-268551 호 공보

상술한 다전극 편면 서브머지 아크 용접에서는, 복수의 전극 와이어 중, 주로, 강판에 대하여 최초로 용접을 실행하는 전극 와이어(선행극)에 의해, 강판의 이면측에 뒷면 비드(penetration bead)가 형성된다.

그렇지만, 선행극의 전극 와이어에 대하여, 수하 특성 또는 정전류 특성을 갖는 용접 전원을 이용하여 급전을 실행하는 동시에, 아크 전압에 근거하여 송급 속도를 피드백 제어하는 구성을 채용한 경우에, 얻어지는 뒷면 비드에 외관 불량이 생기는 경우가 있었다.

본 발명은 다전극 편면 서브머지 아크 용접으로 얻어지는 뒷면 비드의 외관 불량을 저감하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 선행극과, 상기 선행극에 이어지는 후행극을 이용한 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법으로서, 상기 선행극 및 상기 후행극에서는, 각각, 직경 2.4㎜ 이상의 와이어를 이용하고, 각각의 와이어에 급전을 실행하는 전원의 급전 방식 및 외부 특성과, 각각의 와이어의 송급 속도의 속도 제어 방식이, 상기 선행극에서는, 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어로 설정되며, 상기 후행극에서는,

(a) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어

(b) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어

(c) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

(d) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 수하 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

(e) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 한다.

이러한 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법에 있어서, 상기 후행극은, 상기 선행극에 이어지는 복수의 전극을 포함하여 구성되며, 상기 후행극을 구성하는 상기 복수의 전극의 각각에서는, 상기 급전 방식, 상기 외부 특성 및 상기 속도 제어 방식이 상기 (a) 내지 상기 (e) 중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 후행극을 구성하는 상기 복수의 전극 중, 상기 선행극에서 보아 가장 후방측에 위치하는 최종극에서는, 상기 급전 방식, 상기 외부 특성 및 상기 속도 제어 방식이 상기 (c) 또는 상기 (d)로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 정전압 특성을 갖는 상기 전원을 이용하는 경우에, 동작점에 있어서의 전류에 대한 전압의 기울기인 미분값 dV/dI가 -12.0×10^-3(V/A) 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

추가로 또한, 상기 정전류 특성 또는 상기 수하 특성을 갖는 상기 전원을 이용하는 경우에, 동작점에 있어서의 전류에 대한 전압의 기울기인 미분값 dV/dI가 -24.0×10^-3(V/A) 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 다른 관점에서 파악하면, 본 발명은 선행극과, 상기 선행극에 이어지는 후행극을 이용한 편면 서브머지 아크 용접으로, 모재를 용접하여 이루어지는 용접물의 제조 방법으로서, 상기 선행극 및 상기 후행극에서는, 각각, 직경 2.4㎜ 이상의 와이어를 이용하고, 각각의 와이어에 급전을 실행하는 전원의 급전 방식 및 외부 특성과, 각각의 와이어의 송급 속도의 속도 제어 방식이, 상기 선행극에서는, 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어로 설정되며, 상기 후행극에서는,

(a) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어

(b) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어

(c) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

(d) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 수하 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

(e) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어

중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 다전극 편면 서브머지 아크 용접으로 얻어지는 뒷면 비드의 외관 불량을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 용접 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 제 1 용접 유닛 내지 제 4 용접 유닛의 각각에 있어서의 용접 전원 및 송급 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 용접 전원의 외부 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제 2 실시예 및 제 2 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제 3 실시예 및 제 3 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를, 도 7의 (b)는 제 2 실시예 및 제 2 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를, 도 7의 (c)는 제 3 실시예 및 제 3 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를, 각각 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 용접 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 이 용접 장치(1)는 4개의 전극(와이어)을 이용하여, 강판으로 이루어지는 워크(도시하지 않음)에 편면 서브머지 아크 용접(4전극 편면 서브머지 아크 용접)을 실행하는 것이다.

용접 장치(1)는 제 1 와이어(110)를 이용하여 용접을 실행하는 제 1 용접 유닛(10)과, 제 2 와이어(120)를 이용하여 용접을 실행하는 제 2 용접 유닛(20)과, 제 3 와이어(130)를 이용하여 용접을 실행하는 제 3 용접 유닛(30)과, 제 4 와이어(140)를 이용하여 용접을 실행하는 제 4 용접 유닛(40)을 구비하고 있다. 또한, 용접 장치(1)는, 제 1 용접 유닛(10) 내지 제 4 용접 유닛(40)을 탑재하는 동시에 도면 중 우측으로부터 좌측을 향하는 이동 방향(A)을 따라서 주행하는 대차(90)와, 대차(90)를 구동하는 대차 구동 장치(50)와, 제 1 용접 유닛(10) 내지 제 4 용접 유닛(40) 및 대차 구동 장치(50)의 동작을 제어하는 제어 장치(60)를 구비하고 있다. 또한, 용접 장치(1)는, 내부에 표면 플럭스(도시하지 않음)를 수용하는 동시에 도면 중 하방을 향하여 표면 플럭스를 공급하는 제 1 플럭스 공급 장치(70) 및 제 2 플럭스 공급 장치(80)를 구비한다. 또한, 본 예에서는, 제어 장치(60), 제 1 플럭스 공급 장치(70) 및 제 2 플럭스 공급 장치(80)도 대차(90)에 탑재되어 있다.

이들 중, 제 1 용접 유닛(10)은, 도면 중 상방으로부터 하방을 향하는 공급 방향(B)을 따라서 제 1 와이어(110)를 송급하는 제 1 송급 롤러(11a)를 구비한 제 1 송급 장치(11)와, 송급되어 오는 제 1 와이어(110)에 접촉하며 용접 전류(제 1 용접 전류)를 공급하는 제 1 컨택트 팁(12a)과 접속된 제 1 용접 전원(12)을 갖는다. 또한, 제 1 용접 유닛(10)은 제 1 와이어(110)가 권회되는 동시에 제 1 와이어(110)의 공급원이 되는 릴(도시하지 않음)을 추가로 구비한다.

또한, 제 2 용접 유닛(20)은, 도면 중 상방으로부터 하방을 향하는 공급 방향(B)을 따라서 제 2 와이어(120)를 송급하는 제 2 송급 롤러(21a)를 구비한 제 2 송급 장치(21)와, 송급되어 오는 제 2 와이어(120)에 접촉하며 용접 전류(제 2 용접 전류)를 공급하는 제 2 컨택트 팁(22a)과 접속된 제 2 용접 전원(22)을 갖는다. 또한, 제 2 용접 유닛(20)은 제 2 와이어(120)가 권회되는 동시에 제 2 와이어(120)의 공급원이 되는 릴(도시하지 않음)을 추가로 구비한다.

또한, 제 3 용접 유닛(30)은, 도면 중 상방으로부터 하방을 향하는 공급 방향(B)을 따라서 제 3 와이어(130)를 송급하는 제 3 송급 롤러(31a)를 구비한 제 3 송급 장치(31)와, 송급되어 오는 제 3 와이어(130)에 접촉하며 용접 전류(제 3 용접 전류)를 공급하는 제 3 컨택트 팁(32a)과 접속된 제 3 용접 전원(32)을 갖는다. 또한, 제 3 용접 유닛(30)은 제 3 와이어(130)가 권회되는 동시에 제 3 와이어(130)의 공급원이 되는 릴(도시하지 않음)을 추가로 구비한다.

추가로 또한, 제 4 용접 유닛(40)은, 도면 중 상방으로부터 하방을 향하는 공급 방향(B)을 따라서 제 4 와이어(140)를 송급하는 제 4 송급 롤러(41a)를 구비한 제 4 송급 장치(41)와, 송급되어 오는 제 4 와이어(140)에 접촉하며 용접 전류(제 4 용접 전류)를 공급하는 제 4 컨택트 팁(42a)과 접속된 제 4 용접 전원(42)을 갖는다. 또한, 제 4 용접 유닛(40)은 제 4 와이어(140)가 권회되는 동시에 제 4 와이어(140)의 공급원이 되는 릴(도시하지 않음)을 추가로 구비한다.

또한, 본 실시형태의 용접 장치(1)에 있어서는, 대차(90)에 제 1 용접 전원(12), 제 2 용접 전원(22), 제 3 용접 전원(32) 및 제 4 용접 전원(42)을 탑재하고, 대차(90)와 함께 이들 제 1 용접 전원(12) 내지 제 4 용접 전원(42)을 주행시키도록 구성하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 이들 제 1 용접 전원(12) 내지 제 4 용접 전원(42)을 대차(90)의 외부에 고정하여 배치하고, 케이블 등을 이용하여 제 1 용접 전원(12) 내지 제 4 용접 전원(42)과 대차(90) 상의 각 구성 요소를 접속하도록 하여도 상관없다.

또한, 제 1 플럭스 공급 장치(70)는 내부에 수용한 표면 플럭스를 도면 중 하방을 향하여 공급하는 제 1 플럭스 공급구(70a)를 구비하고 있다. 그리고, 제 1 플럭스 공급 장치(70)에 따른 표면 플럭스의 공급량은 제 1 플럭스 공급 장치(70)에 마련된 밸브(도시하지 않음)에 의해 조정된다.

또한, 제 2 플럭스 공급 장치(80)는 내부에 수용한 표면 플럭스를 도면 중 하방을 향하여 공급하는 제 2 플럭스 공급구(80a)를 구비하고 있다. 그리고, 제 2 플럭스 공급 장치(80)에 의한 표면 플럭스의 공급량은 제 2 플럭스 공급 장치(80)에 마련된 밸브(도시하지 않음)에 의해 조정된다.

이 용접 장치(1)에서는, 이동 방향(A)에서 보아, 최하류측에 1전극째가 되는 제 1 와이어(110)가, 제 1 와이어(110)보다 상류측에 2전극째가 되는 제 2 와이어(120)가, 제 2 와이어(120)보다 상류측에 3전극째가 되는 제 3 와이어(130)가, 제 3 와이어(130)보다 하류측 또한 최상류측에 4전극째가 되는 제 4 와이어(140)가 각각 배치되어 있다. 또한, 이 용접 장치(1)에 있어서, 제 1 플럭스 공급 장치(70)는 이동 방향(A)에서 보아 제 1 와이어(110)보다 하류측에, 제 2 플럭스 공급 장치(80)는 이동 방향(A)에서 보아 제 2 와이어(120)보다 상류측 또한 제 3 와이어(130)보다 하류측에 각각 배치되어 있다. 그리고, 용접 장치(1)를 도면 중 상방에서 보았을 때에, 제 1 플럭스 공급구(70a), 제 1 와이어(110), 제 2 와이어(120), 제 2 플럭스 공급구(80a), 제 3 와이어(130) 및 제 4 와이어(140)는, 이동 방향(A)을 따르는 직선을 따라서, 이 순서로 나열되어 있다.

또한, 이 용접 장치(1)에서는, 제 1 와이어(110) 내지 제 4 와이어(140)로서, 각각의 직경이 2.4㎜ 이상 또한 6.4㎜ 이하의 것을 이용하고 있다. 여기서, 제 1 와이어(110) 내지 제 4 와이어(140)는 4개 전체가 동일한 직경이어도 좋고, 3개를 동일한 직경으로 하는 반면 1개를 상이한 직경으로 하여도 좋고, 2개를 동일한 직경으로 하는 반면 2개를 별도의 동일한 직경으로 하여도 좋으며, 4개 전체를 상이한 직경으로 하여도 좋다.

또한, 이 용접 장치(1)에서 이용하는 제 1 와이어(110) 내지 제 4 와이어(140)는, 각각, 기본적으로 플럭스를 갖지 않는 솔리드 와이어로 구성된다. 단, 이들 중 하나 이상을 플럭스 코어드 와이어 전극으로 구성하여도 상관없다.

또한, 이하의 설명에서는, 제 1 와이어(110)를 포함하는 제 1 용접 유닛(10)을 「선행극」 이라 칭하는 경우가 있다. 또한, 제 2 와이어(120)를 포함하는 제 2 용접 유닛(20), 제 3 와이어(130)를 포함하는 제 3 용접 유닛(30) 및 제 4 와이어(140)를 포함하는 제 4 용접 유닛(40)을 「후행극」 이라 총칭하는 경우가 있다. 또한, 제 2 와이어(120)를 포함하는 제 2 용접 유닛(20)을 「제 1 중간극」, 제 3 와이어(130)를 포함하는 제 3 용접 유닛(30)을 「제 2 중간극」, 제 4 와이어(140)를 포함하는 제 4 용접 유닛(40)을 「최종극」 이라 칭하는 경우가 있다.

도 2는 용접 장치(1)를 구성하는 제 1 용접 유닛(10) 내지 제 4 용접 유닛(40)의 각각에 있어서의 용접 전원(제 1 용접 전원(12) 내지 제 4 용접 전원(42)) 및 송급 장치(제 1 송급 장치(11) 내지 제 4 송급 장치(41))의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2는 각 용접 유닛과, 각 용접 전원에 있어서의 급전 방식 및 외부 특성과, 각 송급 장치에 있어서의 와이어 속도 제어 방식의 관계를 도시하고 있다.

우선, 제 1 용접 유닛(10)에 대하여 설명을 실행한다.

제 1 용접 유닛(10)을 구성하는 제 1 용접 전원(12)은, 급전 방식으로서 DC(direct Current)를 채용한 직류 전원이며, 그 외부 특성은 정전압 특성이다. 또한, 제 1 송급 장치(11)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 제 1 와이어(110)를 일정 속도로 송급하는 정속 제어를 실행한다.

다음에, 제 2 용접 유닛(20)에 대하여 설명을 실행한다. 본 실시형태에 있어서, 제 2 용접 유닛(20)은, 이하에 설명하는 5개의 조합(제 1 구성 내지 제 5 구성) 중 어느 하나에 의해 구성된다.

(a) 제 1 구성

제 1 구성에 있어서의 제 2 용접 전원(22)은, 급전 방식으로서 DC(direct Current)를 채용한 직류 전원이며, 그 외부 특성은 정전압 특성이다. 또한, 제 1 구성에 있어서의 제 2 송급 장치(21)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 제 2 와이어(120)를 일정 속도로 송급하는 정속 제어를 실행한다. 이와 같이, 제 1 구성은 제 1 용접 유닛(10)과 동일한 조합으로 되어 있다.

(b) 제 2 구성

제 2 구성에 있어서의 제 2 용접 전원(22)은, 급전 방식으로서 AC를 채용한 교류 전원이며, 그 외부 특성은 정전압 특성이다. 또한, 제 2 구성에 있어서의 제 2 송급 장치(21)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 제 2 와이어(120)를 일정 속도로 송급하는 정속 제어를 실행한다.

(c) 제 3 구성

제 3 구성에 있어서의 제 2 용접 전원(22)은, 급전 방식으로서 AC를 채용한 교류 전원이며, 그 외부 특성은 정전류 특성이다. 또한, 제 3 구성에 있어서의 제 2 송급 장치(21)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 아크 전압에 근거하는 피드백 제어에 의해 제 2 와이어(120)를 순차적으로 적절한 속도로 송급하는 전압 FB(Feed Back) 변속 제어를 실행한다.

(d) 제 4 구성

제 4 구성에 있어서의 제 2 용접 전원(22)은, 급전 방식으로서 AC를 채용한 교류 전원이며, 그 외부 특성은 수하 특성이다. 또한, 제 4 구성에 있어서의 제 2 송급 장치(21)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 아크 전압에 근거하는 피드백 제어에 의해 제 2 와이어(120)를 순차적으로 적절한 속도로 송급하는 전압 FB 변속 제어를 실행한다.

(e) 제 5 구성

제 5 구성에 있어서의 제 2 용접 전원(22)은, 급전 방식으로서 DC를 채용한 직류 전원이며, 그 외부 특성은 정전류 특성이다. 또한, 제 5 구성에 있어서의 제 2 송급 장치(21)는, 와이어 속도 제어 방식으로서, 아크 전압에 근거하는 피드백 제어에 의해 제 2 와이어(120)를 순차적으로 적절한 속도로 송급하는 전압 FB 변속 제어를 실행한다.

또한, 제 3 용접 유닛(30) 및 제 4 용접 유닛(40)에 대해서는, 제 2 용접 유닛(20)과 동일하게, 상술한 제 1 구성 (a) 내지 제 5 구성 (e) 중 어느 하나에 의해 구성할 수 있다. 여기서, 제 2 용접 유닛(20), 제 3 용접 유닛(30) 및 제 4 용접 유닛(40)은 3개 전체를 동일한 구성으로 하여도 좋고, 2개를 동일한 구성으로 하는 반면 1개를 상이한 구성으로 하여도 좋고, 3개 전체를 각각 상이한 구성으로 하여도 좋다.

또한, 제 1 와이어(110) 내지 제 4 와이어(140)의 송급 속도는 대차(90)의 이동 방향(A)으로의 이동 속도(용접 속도)에 근거하여 결정할 수 있다. 예를 들면, 정속 제어의 경우에는, 용접 속도에 근거하여 송급 속도의 기준값을 작업자가 결정하고, 이 송급 속도의 기준값을 유지하도록 정속 제어를 실행한다. 또한, 예를 들면 전압 FB 변속 제어의 경우에는, 용접 속도를 기준으로 하여 송급 속도의 기준값을 작업자가 결정하고, 송급 속도의 기준값에 대하여, 아크 전압을 피드백시켜 변속 제어를 실행한다.

다음에, 상술한 각 용접 전원의 외부 특성에 대하여 설명을 실행한다.

도 3은 용접 전원의 외부 특성을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 3의 (a)는 정전압 특성을, 도 3의 (b)는 정전류 특성을, 도 3의 (c)는 수하 특성을, 각각 예시하고 있다. 또한, 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)의 각각에 있어서, 횡축은 출력 전류 I(A)이며, 종축은 출력 전압 V(V)이다. 용접 전원에 입력되는 전류 또는 전압의 지시에 따라서 외부 특성 곡선은 이동(변화)한다. 도 3의 (a)에는 4단계의 지시 전압에 대응하는 외부 특성 곡선을, 또한 도 3의 (b) 내지 도 3의 (c)에는 4단계의 지시 전류에 대응하는 외부 특성 곡선을, 각각 예시하고 있다. 또한, 용접 전원의 경우, 출력 전류 I는 용접 전류에 대응하며, 출력 전압 V는 아크 전압에 그 이외의 전압 로스 요인(케이블내 소비, 접점 저항 등)을 더한 합계값에 대응한다.

우선, 도 3의 (a)에 도시하는 정전압 특성에 대하여 설명을 실행한다.

정전압 특성의 경우, 출력 전류 I의 변동에 대하여 출력 전압 V의 변동이 작게 되어 있다.

다음에, 도 3의 (b)에 도시하는 정전류 특성에 대하여 설명을 실행한다.

정전류 특성의 경우, 출력 전류 I의 변동에 대하여 출력 전압 V의 변동이 크게 되어 있다. 이를 반대의 관점에서 보면, 정전류 특성에서는, 출력 전압 V가 크게 변동하여도 출력 전류 I의 변동은 작다는 것이 된다.

이어서, 도 3의 (c)에 도시하는 수하 특성에 대하여 설명을 실행한다.

수하 특성의 경우, 정전류 특성의 경우와 마찬가지로, 출력 전류 I의 변동에 대하여 출력 전압 V의 변동이 크게 되어 있다. 단, 수하 특성의 경우는, 정전류 특성의 경우에 비하여, 출력 전압 V의 변동은 완만하며, 또한 전류값에 따라서 변화된다.

여기서, 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)에는, 각각의 외부 특성과 함께, 아크 길이 L의 아크를 발생시키기 위한 아크 특성도 도시하고 있다. 각각에 있어서, 어느 하나의 외부 특성의 곡선과 아크 특성의 곡선의 교점이, 목적으로 하는 아크 길이 L의 아크를 발생시키는 동작점 P(특정의 출력 전류 I 및 이에 대응하는 특정의 출력 전압 V)가 된다. 또한, 이하의 설명에서는, 목적으로 하는 아크 길이 L의 아크를 발생시키기 위한 동작점 P에서의, 전류에 대한 전압의 기울기를 미분값 dV/dI라 부른다.

여기서, 수하 특성이나 정전류 특성을 갖는 용접 전원은, 용입 깊이의 변동이 적게 되어 있으며, 서브머지 아크 용접에는 바람직하게 되어 있다. 단, 수하 특성이나 정전류 특성을 갖는 용접 전원에서는 아크 전압이 변화하기 쉬우므로, 전압 FB 변속 제어에 따른 와이어의 송급과 조합하는 것이 일반적이다. 수하 특성이나 정전류 특성을 갖는 용접 전원과 전압 FB 변속 제어를 조합한 경우에는, 아크 길이 L이 짧아지면, 아크 전압의 저하에 따라서 와이어의 송급 속도를 늦추는 것에 의해 아크 길이 L이 원래의 길이로 되돌아오고, 한편, 아크 길이 L이 길어지면, 아크 전압의 상승에 따라서 와이어의 송급 속도를 높이는 것에 의해 아크 길이 L이 원래의 길이로 되돌아오게 된다.

한편, 정전압 특성을 갖는 용접 전원은, 세경(細徑)의 와이어를 이용하는 마그 용접이나 미그 용접에는 바람직하게 되어 있다. 또한, 정전압 특성을 갖는 용접 전원은 직경 2.0㎜ 이하의 와이어를 이용한 서브머지 아크 용접에 이용되기도 한다. 단, 정전압 특성을 갖는 용접 전원에서는 용접 전류가 변화하기 쉬우므로, 정속 제어에 따른 와이어의 송급과 조합하는 것이 일반적이다. 정전압 특성을 갖는 용접 전원과 정속 제어를 조합한 경우에는, 아크 길이 L이 짧아지면, 용접 전류가 자동적으로 커지는 것에 의해 아크 길이 L이 원래의 길이로 되돌아오고, 한편 아크 길이가 길어지면, 용접 전류가 자동적으로 작아지는 것에 의해 아크 길이 L이 원래의 길이로 되돌아오게 된다.

그럼 여기서, 본 실시형태의 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법에 있어서의 용접 조건의 특징에 대하여 설명을 실행해 둔다.

<각 와이어의 직경에 대하여>

편면 서브머지 아크 용접법에서는, 강한 아크력으로 개선을 녹여, 뒷면 비드를 형성할 필요가 있다. 단, 단순히 용접 전류가 높으면 좋은 것이 아니라, 고속 송급으로 와이어를 많이 녹이면 아크 바로 아래에 탕고임이 형성되어 버리고, 스스로 아크력을 완충시켜 버려, 용입이 작아져 버린다. 따라서, 용접 전류는 높게 하지만, 와이어 용융량은 많게 하지 않는 것이 바람직하며, 이 조건을 만족시키는 것은 전류 밀도(A/㎟)가 낮은 조건, 즉 와이어 직경을 굵게 하는 동시에, 와이어를 저속으로 송급하는 것이 바람직하다. 가스 실드 아크 용접에서는 일반적으로 직경 1.6㎜ 이하가 되는 세경의 와이어가 이용되지만, 편면 서브머지 아크 용접용으로서는, 직경 2.4㎜ 이상의 와이어가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 직경 3.2㎜ 이상, 또한 직경 4.8㎜ 이상의 와이어를 이용하는 것이 바람직하다. 상한을 마련하는 기술적 제한은 특별히 없지만, 와이어의 송급성이나 절단성의 점에서 직경 6.4㎜ 이하까지가 실용적이다.

<전극의 수에 대하여>

선행극은 개선을 깊게 녹여, 용융지 및 뒷면 비드를 형성하는 역할이 있으며, 용접 조건은 이 역할에 특화되기 때문에, 예를 들어 모재의 판 두께가 얇아, 용융지가 모재의 표면에 도달했다고 하여도, 단전극으로는 표면 비드 외관이 양호해지지 않는다. 이에 반하여, 최종극은 주로 표면 비드의 외관을 정돈하기 위한 역할을 갖기 때문에, 선행극과는 상이한 용접 조건이 된다. 이와 같이 편면 서브머지 아크 용접에서는 역할 분담을 할 필요가 있으므로, 2개 이상의 와이어를 이용한 복수 전극화가 필수이다. 일반적으로는, 강판의 판 두께가 두꺼워짐에 따라서 와이어의 수는 증가한다. 전극의 수에 상한을 마련하는 기술적 제한은 특별히 없지만, 편면 용접용으로서는, 예를 들면 도 1에 도시하는 4전극 시스템까지 실용화되어 있다.

각각의 극간에는 적당한 간격이 마련된다. 판 두께나 용접 속도, 이용하는 용접기나 와이어 송급의 각종 제어에 의해 일률적이 아니라, 적절히 조정되는 것이다. 또한, 극간에 따라서는 플럭스의 공급구(도 1에 도시하는 제 1 플럭스 공급구(70a)나 제 2 플럭스 공급구(80a))가 마련되는 경우도 있다.

<선행극에 있어서의 와이어 속도 제어 방식, 외부 특성 및 급전 방식에 대하여>

[선행극에 있어서의 와이어 속도 제어 방식에 대하여]

다전극 편면 서브머지 아크 용접에 있어서, 선행극은 주로 뒷면 비드를 형성하기 위해서 이용된다. 본 발명자들은, 뒷면 용접에서는 용입의 구동력이 현저하게 뒷면 품질에 영향을 미쳐, 뒷면 비드의 과잉 또는 뒷면 비드가 부족하게 되기 쉬운 것을 발견했다. 그리고, 본 발명자들은 용입의 구동력에 대하여 실험을 거듭하여, 일반적인 이음에서는 전류 및 전압 인자로 올바르지만, 편면 용접에서는 이러한 것들이 아닌, 와이어의 송급 속도가 가장 영향도가 큰 것을 발견했다.

즉, 와이어의 송급 속도가 과잉이면, 와이어는 강판 이면에 표면 장력 주체로 지지되어 있는 용융지를 용이하게 눌러, 과잉 뒷면을 형성한다. 또한, 송급 속도가 빠르면 와이어가 용융지를 뚫어 버리기도 한다.

반대로, 와이어의 송급 속도가 부족하면, 용융지는 강판 이면으로부터 가압되는 일이 없이, 뒷면 부족이 된다. 이들 현상은 이론상, 불가피적으로 생기는 아크 길이 L의 변화에 대해, 타임 로스없이 와이어의 송급 속도가 반응하여, 아크 길이 L을 원래대로 되돌릴 수 있다면 생기지 않을 것이다. 그렇지만, 실제로는 와이어를 송급하는 와이어 모터는 공업 제품이며, 반응에는 어느 정도의 지연이 생긴다. 이 반응 시간의 지연에 대하여, 뒷면 비드의 높이는 견고한 성질을 갖고 있지 않으며, 용이하게 그 변화의 영향을 받게 되는 것이다.

이 문제를 감안하여, 뒷면 용접을 형성하는데 영향을 미치는 선행극에는, 전류나 전압이 변화되어도 송급 속도에는 영향을 미치게 하지 않으며, 송급 속도 일정으로 하는 제어(정속 제어)가 바람직한 것을 명확히 했다. 상술한 바와 같이, 지금까지 큰 직경 서브머지 아크 용접에서는 와이어 송급 일정 제어는 종래 부적절하게 되어 있는 제어법이다. 그 이유로서는, 큰 직경 와이어는 전체 단면을 균일하게 용융하기 어려워, 결과적으로 와이어 용융 속도가 불안정화되고, 나아가서는 아크 길이 L의 안정화도 기대할 수 없기 때문이다. 그렇지만, 편면 용접으로 뒷면 비드를 형성하는 경우에 한해서는, 오히려 아크 길이 L의 안정화보다 송급 속도 안정화가 형상 안정화 효과가 높다.

[선행극에 있어서의 외부 특성에 대하여]

다음에, 선행극의 외부 특성이지만, 종래 기술로서는 수하 특성이 상식적이다. 수하 특성은 상술한 바와 같이, 전압값의 변동에 대하여 전류값의 변동이 작다. 구조가 심플하고 염가이며, 유지 보수가 용이한 용접기 구조로서, 일렉트로닉스 소자를 이용하지 않고, 누설 리액턴스를 이용한 철심 가동식 용접기가 종래부터 이용되고 있지만, 이 방식으로는 수하 특성 밖에 만들 수 없었다는 시대적인 사정도 있다.

전류값이 용입 깊이에 가장 영향을 미치는 비뒷면 용접으로의 적용에서는 용입 안정화에 유효한 한편, 뒷면 용접에 있어서의 뒷면 비드의 형상 안정화에는, 전류값의 변동은 영향 인자로서 상위(上位)는 아니다. 한편, 아크 길이 L도 송급 속도의 변동에 비하면 뒷면 안정화로의 영향은 크지 않기는 하지만, 과잉으로 아크 길이 L이 급변한 경우는 악영향을 초래한다. 예를 들면 아크 길이 L이 제로, 즉 아크가 소실되면 용접 자체가 멈추어 버리거나, 또는 재점호 시에 폭발적으로 아크가 발생하므로, 그 힘으로 뒷면 비드를 정상적으로 형성할 수 없게 된다. 한편, 아크 길이 L이 과잉이 되면, 역시 아크를 유지하지 못하고 직후에 아크가 소실되거나, 단위 면적 당의 아크력이 줄어 들어 뒷면 비드를 형성할 수 없게 된다.

또한, 용접 비드 형상의 부정(不整), 자기 블로우(magnetic blow)의 영향을 받은 사행(蛇行), 모재를 도려내버리는 언더컷과 같은 결함 발생을 초래한다. 즉, 아크 길이 L의 안정화 제어는 필요하다.

뒷면 안정화를 위해서 송급 속도 일정을 전제로 하면, 아크 길이 L을 안정화시키는 수단으로서 송급 속도 제어 이외의 제어 대상이 필요하다. 소모 전극식 용접 와이어의 용융 속도는 수학식 1에서 나타나는 것이 알려져 있으며, 제곱으로 되어 있는 전류값(용접 전류 I)이 가장 영향도가 큰 것이 시사된다.

Mw=K1·I＋K2·I²·ρ·L (1)

Mw : 와이어 용융 속도

I : 용접 전류

ρ : 전기 저항률

L : 와이어 돌출 길이

K1, K2 : 정수

이에 의해, 송급 속도 일정을 전제로 하여 아크 길이 L을 안정화시키는 수단으로서는, 용접 전류 I를 적극적으로 변화시키는 것이 효과적이다. 예를 들면, 아크 길이 L이 짧아지면 용접 전류 I를 급상승시키는 것에 의해 와이어 용융 속도 Mw가 저하되고, 아크 길이 L은 원래대로 되돌아간다. 한편, 아크 길이 L이 길어지면 전류를 급저하시키는 것에 의해 와이어 용융 속도 Mw가 상승하고, 역시 아크 길이 L은 되돌아오는 것이다. 이 현상은 일반적으로 아크 길이의 자기 제어 작용이라 불리고 있다. 아크 길이의 자기 제어 작용에는 전류의 급준한 변화가 필요하며, 이를 실현하는 외부 특성은 정전압 특성 뿐이다. 따라서, 뒷면 용접을 안정화하기 위해 필요한 와이어 송급 속도 일정을 실현하기 위해, 간접적 인자로서, 선행극에 대응하는 용접 전원의 외부 특성이 정전압 특성일 필요가 있다.

이러한 「와이어 속도 제어 : 정속」 및 「외부 특성 : 정전압 특성」의 조합은, 직경 1.6㎜ 이하의 가는 와이어에 의한 가스 실드 아크 용접법에 이용되고 있다. 이것은, 와이어가 가늘어 용융성이 뛰어나기 때문에, 아크 길이의 자기 제어 작용이 매우 유효하게 되기 때문이다. 그렇지만, 직경 2.4㎜ 이상이 되는 와이어에서는, 이것보다 가는 와이어에 비하여 용융성이 뒤떨어지기 때문에, 비편면 용접에 이용하면 아크 길이의 자기 제어 작용은 재빠르게는 작용하지 않으며, 아크 및 비드 형상 불안정을 초래하는 것이다.

[선행극에 있어서의 급전 방식에 대하여]

이어서, 선행극의 급전 방식이지만, 편면 용접의 선행극에는 직류가 필수이다. 교류에서는 반드시 전류 제로, 즉 아크 소실 상태가 주기적으로 발생한다. 비편면 용접, 또는 편면 용접에서의 후행극, 즉 2전극째 이후이면, 단시간의 아크 소실은 용접 품질로의 영향은 경미하지만, 선행극에서는 뒷면 비드의 안정화에 강하게 영향을 미쳐, 불안정화 요인이 된다. 아크가 신속하게 재점호되지 않으면, 고체의 와이어가 용융지를 눌러 뒷면 과잉 상태가 된다.

이상과 같은 이유에 의해, 선행극은 「와이어 속도 제어 : 정속」, 「외부 특성 : 정전압 특성」 및 「급전 방식 : 직류」의 조합을 채용하고 있다.

또한, 현재 가장 보급되어 있는 대전류 서브머지 아크 용접기는 염가의 철심 가동식에 의한 교류기이다. 이 방식으로는 필연적으로 외부 특성은 수하 특성이 된다. 이에 반하여, 직류를 생성하려면 사이리스터 소자를 이용하면, 대전류의 직류가 얻어지며, 또한 외부 특성도 정전압 특성으로 하는 것이 가능하다. 또한, 최근에는 열에 약해 대전류 출력이 어려웠던 인버터식 용접기도 대전류 출력을 특징으로 하는 것이 개발되어, 이를 이용하면 매우 뛰어난 직류 특성을 얻을 수 있다.

<후행극에 있어서의 와이어 속도 제어 방식, 외부 특성 및 급전 방식에 대하여>

다전극 편면 서브머지 아크 용접으로는 육안으로 확인할 수 없지만, 강판 상에 퇴적된 표면 플럭스 중에 형성되어 있는 용융지는, 기본적으로 전체 와이어의 용융 금속이 연결된 원 풀이라 불리는 장대한 액체 금속이다. 상술한 바와 같이, 선행극이 뒷면 비드의 형상에 대하여 최대의 영향도를 갖지만, 원 풀이면, 영향도로서는 상대적으로 작아지지만, 후행극도 또한 뒷면 비드의 형상에 영향을 미치게 된다. 예를 들면, 선행극이 되는 1전극째에서 양호한 형상의 액체 상태의 뒷면 비드를 형성할 수 있었다고 하여도, 후행극이 되는 2전극째 이후에 1전극째가 형성된 용융지를 이면측으로 압출하도록 작용하면, 최종적인 응고 상태의 뒷면 비드는 부정(不整)한 것이 된다. 따라서, 2전극째 이후에도 선행극과 동일한, 「와이어 속도 제어 : 정속」 및 「외부 특성 : 정전압 특성」을 적용할 수 있다. 여기서, 급전 방식은 선행극과 동일하게 직류가 바람직하지만, 2전극째 이후에 있어서의 극성의 영향도는 1전극째에 대하여 상대적으로 작아지므로, 교류에서도 실용적이 된다.

한편, 강판의 판 두께가 두꺼워져 전극수도 많아지면, 1풀이라 하지만 후행극에서 형성되는 용융지의 압력이 다소 변화하여도, 거리적으로 먼 용융지의 이면측에는 큰 영향을 미치게 하지 않게 된다. 이러한 경우에는, 종래부터 이용되고 있는, 「와이어 속도 제어 : 전압 FB 변속 제어」 및 「외부 특성 : 수하 특성」을 적용할 수도 있다. 수하 특성 대신에 목표 성질이 동일한 「외부 특성 : 정전류 특성」의 용접 전원을 이용하여도 문제 없는 것은 자명하다. 후행극은 역할로서, 표면 비드의 형상을 정돈할 필요도 있으며, 이 목적에서는 송급 속도가 변화하여도 전류값이나 아크 길이 L을 우선하여 안정화시키는 것이 효과적인 경우가 있다. 이러한 요구에 대해서는, 「와이어 속도 제어 : 전압 FB 변속 제어」, 「외부 특성 : 수하 특성 또는 정전류 특성」, 또한 아크 상호 간섭이나 자기 블로우에 의한 편향이 일어나기 어려운 「급전 방식 : 교류」의 조합이 바람직해진다.

<기타>

[백킹에 대하여]

편면 용접에서는, 일반적으로 뒷면 비드를 받아 들이는 홈을 갖는 동제 또는 고체 산화물제의 백킹재가 이용된다. 또한, 고체 산화물로는 구체적으로는 세라믹제 또는 유리가 해당된다. 유리의 경우는 일반적으로 유리 섬유를 짠 테이프 형상의 것이 이용된다. 아무런 백킹재가 없으면, 과잉인 아크력이 최초층에 작용했을 때에 용융지를 낙하시키고, 아크가 소실되어 용접 속행 불능에 빠진다. 무엇인가 백킹재를 이용하고 있으면, 이러한 최악의 사태는 방지할 수 있다.

모재가 되는 강판 저면이 밀착되어 있으면, 뒷면 비드의 형상은 아크력이 불안정하여도 안정화될 것이지만, 실제로는 큰 강판은 평평하지 않으며, 다소는 만곡되거나 주름이 지는 경우가 많으므로, 반드시 밀착은 하지 않는다. 그래서, 불가피적으로 생기는 강판 저면과 백킹재 사이의 갭을 매립하기 위해서, 백킹 플럭스를 사전에 산포해 두기도 한다. 그렇게 하면, 이면측의 용융지의 늘어짐을 방지하는 것이 어느 정도 가능해진다. 또한, 백킹재를 깔지 않고, 백킹 플럭스를 두껍게 산포하고, 그 아래에 깐 에어 호스에 기체를 주입하는 것에 의해 백킹 플럭스를 밀어올려 밀착성을 향상시키는 방법도 있다. 이 경우, 백킹 플럭스에는 용융지 늘어짐을 방지하기 위해서 경화성 수지와의 분체 적층 구조로 하는 경우도 있다.

[표면 플럭스에 대하여]

서브머지 아크 용접으로서의 최저한의 기본 구성이므로 특별히 설명의 필요는 없지만, 플럭스는 호퍼라 불리는 아래에 호스를 갖는 용기(도 1에 도시하는 제 1 플럭스 공급 장치(70)나 제 2 플럭스 공급 장치(80))에 들어가며, 용접 진행에 따라서, 선행극의 직전, 또는 추가로 필요에 따라서 전극 사이에 마련한 호스 선단의 플럭스 공급구로부터 일정 속도로 산포된다.

[개선 충전재에 대하여]

개선 내에 분체상의 강철 또는 강철 합금을 산포해 두면, 용접시에 용융하여 용융 금속의 일부를 형성한다. 고능률이 되는 효과 이외에, 루트 갭이 부분적으로 과대하게 되는 경우에, 뒷면 비드를 빠지기 어렵게 한다. 또한, 용접부 근방의 냉각 속도를 크게 하여 모재 열 영향부의 품질 열화를 억제하는 효과도 있다. 또한, 뒷면 용접시에, 1전극째 이후의 후행극의 와이어 송급이나 아크 불안정을 완화시키는 효과가 있다. 다만, 산포량이 너무 많으면 다 녹지 못하고 고체인 그대로 남아 버려, 결함이 되는 경우가 있으므로, 과도한 산포를 해서는 안 된다. 전류, 개선 형상의 밸런스로 최적량을 결정한다. 분체의 재질로서는, 소위 입도의 미세한 철분이나, 세경의 용접 와이어를 절단하여 거친 입자 형상으로 한 것이 이용된다.

[정전압 특성을 갖는 용접 전압의 미분값에 대하여]

일반적으로, 용접기에는 정전압 특성, 수하 특성, 정전류 특성과 같은 명목으로 사양이 기재되어 있기 때문에, 사용자측이 그 특성을 자세히 조사하는 경우는 적다. 그렇지만, 이들 외부 특성의 명칭은 개념적인 것이며, 정량적인 정의가 있는 것은 아니다. 최근에는 사용자가 외부 특성을 조정할 수 있는 기종도 등장하고 있다. 동작점 전류에 있어서의 정전압 특성으로서 바람직한 전압-전류 특성의 기울기, 즉 미분값 dV/dI는 -12.0×10^-3(V/A)보다 수평측으로 되어 있다. 환언하면, 바람직한 미분값 dV/dI는 -12.0×10^-3(V/A) 이상이다. 미분값 dV/dI가 -12.0×10^-3(V/A) 이상이면, 아크 길이 L의 변화에 대응하여 전류가 크게 변화되고, 아크 길이 L의 자기 제어 작용이 효과적으로 작용하기 때문에 바람직하다. 보다 바람직하게는, 미분값 dV/dI가 -8.0×10^-3(V/A) 이상이면, 보다 뒷면 비드 형상이 안정화된다. 또한, 정전압 특성을 포함하는 외부 특성 일반의 성질로서 ＋측의 기울기가 되는 일은 있을 수 없으므로, 미분값 dV/dI는 0이 사실상의 상한이 된다.

[정전류 특성 또는 수하 특성을 갖는 용접 전압의 미분값에 대하여]

정전류 특성 및 수하 특성에 대해서도, 정량적인 정의가 있는 것은 아니다. 정전류 특성과 수하 특성이란, 정류 소자를 이용하여 생성했는가, 철심 가동에 따른 누설 자속을 이용했는가의 차이라고도 할 수 있지만, 아크 길이 L이 변화하여도 전류 일정을 지향한다는 점에서는 동일하다. 정전류 특성과 수하 특성에 공통하여 바람직한 전압-전류 특성의 기울기, 즉 동작점 전류에 있어서의 미분값 dV/dI는 -24.0×10^-3(V/A)보다 연직측으로 되어 있는데, 환언하면 바람직한 미분값 dV/dI는 -24.0×10^-3(V/A) 이하이다. 미분값 dV/dI가 -24.0×10^-3(V/A) 이하의 특성과 송급 속도의 전압 피드백 제어를 조합하면, 아크 전압의 변화를 민감하게 파악하여 송급 속도를 변화시킴으로써 아크 길이 L의 안정화를 도모할 수 있어서, 표면 비드 형상의 안정화에 공헌한다. 또한, 정전류 특성 및 수하 특성을 포함하는 외부 특성 일반의 성질로서, ＋측의 기울기가 되는 것은 있을 수 없으므로, -∞(무한대)가 사실상의 하한이 된다.

실시예

이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명은 그 요지를 넘어가지 않는 한, 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

(제 1 실시예 및 제 1 비교예)

도 4는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 4에 도시하는 실험 장치의 기본 구성은 도 1에 도시한 용접 장치(1)와 공통이다. 여기서, 도 4에는 실험 장치와 함께, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 포함하는 워크(200), 워크(200)의 표면측에 공급되는 표면 플럭스(300), 워크(200)의 이면측에 배치되는 백킹부(400), 용접에 따라서 워크(200)에 형성되는 용접 금속(500)을 전부 도시하고 있다.

또한, 도 7의 (a)는 제 1 실시예 및 제 1 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를 도시하고 있다. 이 예에 있어서, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)은 인장 강도 490㎫급 탄소 강판의 판 두께 35㎜, 폭 500㎜×길이 3000㎜를 이용하여, 각각에 개선 단부면 처리를 실행하고, 맞댐 이음으로 했다. 개선 형상은 표면으로부터 29㎜까지 45° V형으로 하고, 나머지 판 두께 6㎜는 루트 페이스로서 수직으로 했다. 루트 갭은 최단부에서 양측 강판이 접촉하는 0㎜로 했지만, 강판의 뒤틀림에 의해 불가피적으로 최대 2㎜의 갭이 발생하고 있는 개소가 있었다. 각 와이어(제 1 와이어(110) 내지 제 4 와이어(140))는 JISZ3351 YS-S6 해당품, 표면 플럭스(300)는 JIS Z3352 SACI1 해당품을 이용했다. 표면 플럭스(300)는 1전극째(선행극)보다 앞과, 2전극째와 3전극째의 사이에 자동적으로 적당량을 연속 산포시킨다.

강판 개선 이측(裏側)에는, 백킹부(400)로서, 백킹 플럭스(401)를 소량 산포한 홈을 갖는 백킹 동판(銅板)(402)을 가압했다. 또한, 각 전극에 대하여, 각각에 대응하는 컨택트 팁과 강판의 사이에, 독립된 용접 전원을 결선(結線)했다. 또한, 각 와이어는 각 컨택트 팁의 바로 위에 마련한 송급 롤러에 의해 용접부로 이송된다.

그리고, 도 4에 도시하는 실험 장치를 이용하여, 4전극 편면 서브머지 아크 용접 방법의 테스트를 실행했다. 보다 구체적으로는, 도 4에 도시하는 시험 장치를 이용하여, 와이어 직경, 급전 방식, 외부 특성, 와이어 속도 제어, 용접 전류, 아크 전압을 전극마다 변화시켜, 그 영향을 확인했다. 도 4에 도시하는 실험 장치에 있어서, 제 1 와이어(110)의 선단과 제 2 와이어(120)의 선단과의 극간 거리는 40㎜, 제 2 와이어(120)의 선단과 제 3 와이어(130)의 선단과의 극간 거리는 120㎜, 제 3 와이어(130)의 선단과 제 4 와이어(140)의 선단과의 극간 거리는 30㎜로 했다. 그리고, 이 예에 있어서의 용접 속도는 44(㎝/min)로 공통으로 했다.

또한, 시험 결과로, 뒷면 비드 형상, 표면 비드 형상, 내부 결함을 평가했다. 뒷면 비드 형상은 폭 10㎜ 이상, 뒷면 높이 2㎜ 이상 6㎜ 이하를 이상(理想)으로 하며, 또한 사행이 작고, 폭의 편차가 적은 것을 매우 양호로 하여 A, 약간 이들의 평가가 뒤떨어지지만 수정 작업을 필요로 하지 않는 것을 B, 뒷면 비드 형상의 불량에 의한 수정이 필요한 것을 C로서 불합격 취급했다. 표면 비드 형상에 대해서도, 뒷면 비드 형상과 마찬가지의 평가 기준으로 했다. 내부 결함에 대해서는, 초음파 탐상 시험이나 단면 마크로 컷트 시험을 실행하여도 결함이 보이지 않은 것을 「없음」, 융합 불량이 확인된 것을 「있음」으로 했다.

제 1 실시예 및 제 1 비교예에 있어서의 제조 조건 및 시험 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 여기서, 표 1에 나타내는 No. 1-1 내지 No. 1-5는 제 1 실시예이며, 표 2에 나타내는 No. 1-6 내지 No. 1-11은 제 1 비교예이다.

또한, 표 1 및 표 2에 나타내는 급전 방식에 있어서, 「AC」는 교류를 의미하며, 「DC(EP)」는 직류로서 와이어, 즉 전극측을 정극으로 한 「Electrode Plus」를 의미하며, 「DC(EN)」는 직류로서 와이어, 즉 전극측을 마이너스극으로 한 「Electrode Negative」를 의미한다. 이 표기에 대해서는, 후술하는 표 3 내지 표 6에서도 동일하다.

[표 1]

[표 2]

우선, 제 1 실시예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 1-1은 1전극째에 직류·정전압 특성·정속 제어를 이용하고 있으며, 2전극째 이후는 종래부터의 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어를 이용하고 있지만, 양호한 뒷면 비드 형상이 얻어져 있다. 한편, 최종 패스가 되는 4전극째를 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어로 하고 있는 것에 의해, 표면 비드 형상도 매우 양호하게 되어 있다.

No. 1-2는 No. 1-1에 대하여 1전극째의 용접 전원에 있어서의 외부 특성의 미분값 dV/dI가 작고, 즉 정전압 특성을 약하게 한 경우이며, 그에 따라서 1전극째의 최초층 용접에서의 아크 길이의 자기 제어 작용이 약해져 불안정화되므로, 뒷면 비드 형상이 No. 1-1에 비하여 약간 뒤떨어져 있다고는 하여도, 직류·정속 제어를 채용하고 있으므로, 허용 범위가 되는 뒷면 비드 형상이 얻어져 있다.

No. 1-3은 No. 1-1과 유사하지만, 1전극째의 전원 극성을 직류 정극성, 즉 전극측(마이너스)으로 하고 있다. 일반적으로는 직류에 있어서의 전원 극성은 직류 역극성, 즉 전극측 ＋(플러스)를 채용하는 경우가 많지만, 용접 품질에는 문제가 없으며, 본 시공법에서는 어디라도 사용할 수 있는 것을 나타내고 있다.

No. 1-4는 전체 전극을 직류·정전압 특성·정속 제어로 하고 있으며, 2전극째 이후에도 용융지의 압력 변화를 작게 하는 제어를 도입하는 것에 의해, 매우 양호한 뒷면 비드 형상이 얻어져 있다. 한편, 허용 범위이지만, 표면 비드 형상은 아크간 간섭이나 자기 블로우의 영향을 받기 쉬운 직류를 채용한 경우, 교류를 채용한 경우보다 약간 뒤떨어진다.

No. 1-5는 전체 전극을 정전압 특성·정속 제어로 하고 있으며, 1전극째만은 직류로 했지만, 그 이외에 대해서는 교류로 하고 있다. 후행극측에 교류를 채용하는 것에 의해 아크가 자기 블로우 영향을 받기 어려워지고, 그 결과 뒷면 비드 형상 뿐만 아니라, 표면 비드 형상도 매우 양호해졌다.

이어서, 제 1 비교예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 1-6은 현재 사용되고 있는 전형이다. 전체 전극에 대하여 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어를 채용하고 있다. 송급 속도의 변동과 교류 특유의 주기적인 아크 소실이 뒷면 용융지의 불안정을 초래하며, 내부 결함이나 표면 비드 형상이야말로 특단 문제 없기는 하지만, 뒷면 용접에는 부적절하며, 뒷면 비드 형상의 불량이 현저했다.

No. 1-7은 No. 1-6에 대하여, 4전극째에 정전압 특성·정속 제어를 적용한 것이지만, 최종극이 되는 4전극째만 용융지의 압력 변화를 작게 하는 제어를 가하여도, 기여율은 1전극째보다 낮기 때문에, 뒷면 비드 형상의 개선에는 도달하지 않았다.

No. 1-8은 No. 1-7과 유사하지만, 4전극째에는 아니고 2전극째에 정전압 특성·정속 제어를 적용하고 있다. 그러나, 제 1 중간극이 되는 2전극째에서는 1전극째에 비하여 뒷면 비드를 형성하는 용융지에 가해지는 압력의 안정화 기여율이 낮아, 뒷면 비드 형상의 개선 효과는 얻을 수 없었다.

No. 1-9는 1전극째, 2전극째 모두 종래의 교류·수하 특성의 용접 전원은 그대로, 와이어 송급을 정속 제어로 한 것이다. 수하 특성에서는 원리적으로 아크 길이 안정화는 와이어 송급 제어에 의해 도모되어야 하지만, 정속화되어 있기 때문에, 아크 길이 안정화 작용은 전혀 작용하고 있지 않다. 그러므로, 아크 길이가 항상 크게 변동되어, 안정적인 용접은 할 수 없었다. 그 결과, 뒷면 비드 형상 및 표면 비드 형상 모두 크게 거칠어져 불안정하며, 내부에도 융합 불량이 발생했다.

No. 1-10은 1전극째를 직류·정전류 특성으로 하고, 한편 와이어 속도 제어를 정속 제어화한 구성이다. 직류·정전류 특성의 용접 전원은 일반적으로 비용극식, 즉 소모 와이어로부터가 아닌, 비소모 텅스텐 전극으로부터 아크를 발생하는 티그 용접이나 플라스마 용접법에서 이용되는 전원 방식이지만, 아크 길이의 제어에 관해서는 수하 특성과 동일하며, 전극측의 상하가 필요하다. 본 전원을 용극식으로서 이용하여도 와이어를 정속 제어로 한 경우에는 전혀 아크의 장기 안정화 작용은 작용하고 있지 않다. 따라서, No. 1-9와 마찬가지로, 아크 길이가 항상 크게 변동되어, 안정적인 용접은 할 수 없었다. 뒷면 비드 형상 및 표면 비드 형상 모두 크게 거칠어져 불안정하며, 내부에도 융합 불량이 발생했다.

No. 1-11은 종래의 전체 전극에 대하여 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어로부터, 직류·정전류 특성·전압 FB 변속 제어로 변경한 것이지만, 1전극째가 정전압 특성·정속 제어로 되어 있지 않으므로, 뒷면 비드 형상은 안정화되지 않았다. 표면 비드 형상에 대해서는, 정전류 특성·전압 FB 변속 제어가 작용하고 있으며, 직류 특유의 아크 상호 간섭에 의한 불안정성이 보여지지만 허용 범위였다.

(제 2 실시예 및 제 2 비교예)

도 5는 제 2 실시예 및 제 2 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 5에 도시하는 실험 장치의 기본 구성은 도 1에 도시한 용접 장치(1)로부터 제 4 용접 유닛(40)을 제거한 것으로 되어 있다. 여기서, 도 5에는 실험 장치와 함께, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 포함하는 워크(200), 워크(200)의 표면측에 공급되는 표면 플럭스(300), 워크(200)의 이면측에 배치되는 백킹부(400), 용접에 따라서 워크(200)에 형성되는 용접 금속(500)을 전부 나타내고 있다.

또한, 도 7의 (b)는 제 2 실시예 및 제 2 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를 도시하고 있다. 이 예에 있어서, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)은 인장 강도 400㎫급 탄소 강판의 판 두께 30㎜, 폭 500㎜×길이 3000㎜를 이용하여, 각각에 개선 단부면 처리를 실행하고, 맞댐 이음으로 했다. 개선 형상은 표면으로부터 25㎜까지 45° V형으로 하고, 나머지 판 두께 5㎜는 루트 페이스로 하여 수직으로 했다. 루트 갭은 최단부에서 양측 강판이 접촉하는 0㎜로 했지만, 강판의 뒤틀림에 의해 불가피적으로 최대 2㎜의 갭이 생겨 있는 개소가 있었다. 각 와이어(제 1 와이어(110) 내지 제 3 와이어(130))는 JIS Z3351 YS-S6 해당품, 표면 플럭스(300)는 JIS Z3352 SACI1 해당품을 이용했다. 표면 플럭스(300)는 1전극째(선행극)보다 앞과, 2전극째와 3전극째의 사이에 자동적으로 적당량을 연속 산포시킨다.

강판 개선 이측에는, 백킹부(400)로서, 동판(銅板)이나 세라믹판과 같은 성형 고체를 이용하지 않고, 패드 플럭스(pad flux)(411) 상에 경화성 수지 성분이 들어간 백킹 플럭스(412)를 소량 산포하고, 패드 플럭스(411)의 내부를 통한 에어 호스(413)로부터 기체를 주입하는 것에 의해, 백킹 플럭스(412)를 강판 이면에 가압했다. 또한, 각 전극에 대하여, 각각에 대응하는 컨택트 팁과 강판의 사이에, 독립한 용접 전원을 결선했다. 또한, 각 와이어는 각 컨택트 팁의 바로 위에 마련한 송급 롤러에 의해 용접부로 이송된다.

그리고, 도 5에 도시하는 실험 장치를 이용하여, 3전극 편면 서브머지 아크 용접 방법의 테스트를 실행했다. 보다 구체적으로는, 도 5에 도시하는 시험 장치를 이용하여, 와이어 직경, 급전 방식, 외부 특성, 와이어 속도 제어, 용접 전류, 용접 전압을 전극마다 변화시켜, 그 영향을 확인했다. 도 5에 도시하는 실험 장치에 있어서, 제 1 와이어(110)의 선단과 제 2 와이어(120)의 선단과의 극간 거리는 40㎜, 제 2 와이어(120)의 선단과 제 3 와이어(130)의 선단과의 거리는 120㎜로 했다. 그리고, 이 예에 있어서의 용접 속도는 47(㎝/min)로 공통으로 했다.

시험 결과로 뒷면 비드 형상, 표면 비드 형상, 내부 결함을 평가했다. 뒷면 비드 형상은 폭 9㎜ 이상, 뒷면 높이 2㎜ 이상 5㎜ 이하를 이상(理想)으로 하며, 또한 사행이 작고, 폭의 편차가 적은 것을 매우 양호로 하고 A, 약간 이들 평가가 뒤떨어지지만 수정을 필요로 할 정도는 아닌 것을 B, 뒷면 비드 형상의 불량에 의한 수정이 필요한 것을 C로 하여 불합격 취급했다. 표면 비드 형상에 대해서도, 뒷면 비드 형상과 마찬가지의 평가 기준으로 했다. 내부 결함에 대해서는, 초음파 탐상 시험이나 단면 마크로 컷트 시험을 실행하여도 결함이 보여지지 않은 것을 「없음」, 융합 불량이 확인된 것을 「있음」으로 했다.

제 2 실시예 및 제 2 비교예에 있어서의 제조 조건 및 시험 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 여기서, 표 3에 나타내는 No. 2-1 내지 No. 2-4는 제 2 실시예이며, 표 4에 나타내는 No. 2-5 내지 No. 2-10은 제 2 비교예이다.

[표 3]

[표 4]

우선, 제 2 실시예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 2-1은 1전극째에 직류·정전압 특성·정속 제어를 이용하고 있으며, 2전극째 이후는 종래부터의 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어를 이용하고 있지만, 양호한 뒷면 비드 형상이 얻어져 있다. 또한, 최종 패스가 되는 3전극째를 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어로 하고 있는 것에 의해, 표면 비드 형상의 외관도 매우 양호해져 있다.

No. 2-2는 No. 2-1에 대하여 2, 3전극째의 용접 전원에 있어서의 외부 특성의 미분값 dV/dI가 큰, 즉 정전류 특성을 약하게 한 경우이다. 정전류성이 약해지면, 아크 전압도 변화하기 어려워져, 아크 길이의 피드백 제어도 또한 효과를 발휘하기 어려워진다. 따라서, 허용 범위이지만, 아크 길이의 안정성이 뒷면 비드 형상보다 크게 영향을 미치는 표면 비드 형상을 열화시킨다. 즉, 표면 비드 형상을 양호한 것으로 하기 위해서는, 미분값 dV/dI가 작은 전압 FB 변속 제어가 보다 바람직한 것이 시사된다.

No. 2-3은 전체 전극을 직류·정전압 특성·정속 제어로 한 것으로서, 2전극째 이후에도 용융지의 압력 변화를 작게 하는 제어를 도입하는 것에 의해, 매우 양호한 뒷면 비드 형상이 얻어져 있다. 한편, 허용 범위이지만, 표면 비드 형상은 직류가 나열되는 것에 의해 생기는 아크간 간섭에 의해 약간 교란되기 때문에, 교류를 채용한 경우보다 약간 뒤떨어진다.

No. 2-4는 1전극째에는 직류·정전압 특성·정속 제어를 채용하는 한편, 2전극째는 직류·정전류 특성·전압 FB 변속 제어, 3전극째는 교류·정전류 특성·전압 FB 변속 제어로 한 것이다. 1, 2전극째에 직류가 나열되는 것에 의한 아크간 간섭이 발생하므로, 허용 범위이지만 뒷면 비드 형상이 약간 뒤떨어진다. 한편, 표층측을 형성하는 후행극에 대하여, 수하 특성보다 더욱 정전류성이 뛰어난 정전류 특성을 채용하는 것에 의해, 아크 길이가 보다 안정되어, 뛰어난 표면 비드 형상이 얻어져 있다.

이어서, 제 2 비교예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 2-5는 No. 2-1에 대하여, 1전극째를 직류가 아닌 교류로 한 것이다. 정전압 특성·정속 제어는 본 발명의 범주이지만, 교류로 하고 있기 때문에, 교류 특유의 주기적인 아크 소실이 뒷면 용융지의 불안정을 초래하여, 안정된 뒷면 비드 형상을 얻을 수 없었다.

No. 2-6은 현재 사용되고 있는 전형이다. 전체 전극에 대하여 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어를 채용하고 있다. 내부 결함이나 표면 비드 형상이야말로 특단 문제는 없지만, 교류인 것 및 변속 제어인 것의 양자가 뒷면 용접에는 부적절하며, 뒷면 비드 형상에 불량이 발생했다.

No. 2-7은 1전극째, 3전극째는 본 발명의 범주이지만, 2전극째에는 교류·수하 특성·전류 FB 변속 제어를 조합하고 있다. 수하 특성은 아크 길이의 움직임에 대하여 전류가 별로 움직이지 않으므로, 전류를 모니터한 피드백 제어는 아크 전압 피드백보다 아크 길이 제어 수단으로서 뒤떨어져 있다. 아크 길이의 제어가 제대로 작용하지 않으며, 또한 와이어 송급도 일정하지 않으므로, 뒷면 비드 형상의 불량뿐만 아니라, 융합 불량의 내부 결함, 표면 비드 형상의 불량도 발생했다.

No. 2-8은 전체 전극에 대하여, 수하 특성에 대해 더욱 정전류성을 강하게 한 정전류 특성·전류 FB 속도 제어를 조합한 것이다. 아크 길이의 제어가 제대로 작용하지 않으며, 또한 와이어 송급도 일정하지 않으므로, 뒷면 비드 형상의 불량뿐만 아니라, 융합 불량의 내부 결함, 표면 비드 형상의 불량도 발생하여, No. 2-7보다 더욱 전체 품질이 뒤떨어졌다.

No. 2-9는 1전극째로서 정전압 특성·전압 FB 변속 제어를 조합하고 있다. 정전압 특성은 아크 길이의 움직임에 대하여 전압이 그다지 움직이지 않으므로, 전압을 모니터한 피드백 제어는 아크 길이 제어 수단으로서 성능이 낮고, 또한 뒷면 비드를 형성하는 1전극째는 와이어의 송급 속도가 일정한 것이 가장 형상 안정화에 중요하므로, 본 구성에서는 양호한 뒷면 비드 형상이 얻어지지 않았다. 또한, 1전극째에 의한 최초층의 현저한 불안정이 원인으로, 2전극째와의 회합부에 융합 불량도 발생했다.

No. 2-10은 1전극째로서 직류·정전류 특성·정속 제어를 조합하고 있지만, 이 조합에서는 아크 길이의 안정화 제어가 작용하지 않으므로, 용접이 불안정하며, 뒷면 비드 형상의 불량뿐만이 아니라, 1전극째에 의한 최초층의 현저한 불안정이 원인으로, 2전극째와의 회합부에 융합 불량도 발생했다.

(제 3 실시예 및 제 3 비교예)

도 6은 제 3 실시예 및 제 3 비교예에 있어서의 실험 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 6에 도시하는 실험 장치의 기본 구성은, 도 1에 도시한 용접 장치(1)로부터 제 3 용접 유닛(30), 제 4 용접 유닛(40) 및 제 2 플럭스 공급 장치(80)를 제거한 것으로 되어 있다. 여기서, 도 6에는 실험 장치와 함께, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)을 포함하는 워크(200), 워크(200)의 표면측에 공급되는 표면 플럭스(300), 워크(200)의 이면측에 배치되는 백킹부(400), 용접에 따라서 워크(200)에 형성되는 용접 금속(500), 개선에 미리 공급되는 개선 충전재(600)를 전부 도시하고 있다.

또한, 도 7의 (c)는 제 3 실시예 및 제 3 비교예에 있어서의 각 강판 및 개선의 치수를 나타내고 있다. 이 예에 있어서, 제 1 강판(201) 및 제 2 강판(202)은 인장 강도 520㎫급 탄소 강판의 판 두께 14㎜, 폭 500㎜×길이 3000㎜를 이용하여, 각각에 개선 단부면 처리를 실행하여, 맞댐 이음으로 했다. 개선 형상은 루트 페이스가 없는 50° V형으로 했다. 루트 갭은 최단부에서 양측 강판이 접촉하는 0㎜로 했지만, 강판의 뒤틀림에 의해 불가피적으로 최대 2㎜의 갭이 생기는 개소가 있었다. 각 와이어(제 1 와이어(110) 및 제 2 와이어(120))는 JIS Z3351 YS-S6 해당품, 표면 플럭스(300)는 JIS Z3352 SACI1 해당품을 이용했다. 표면 플럭스(300)는 1전극째(선행극)보다 전에 자동적으로 적당량이 연속 산포된다. 또한, 표면 플럭스(300)와는 별도로, 철분으로 이루어지는 개선 충전재(600)를, 수동으로 사전에 개선 내에 산포해 두었다. 개선 충전재(600)의 충전 높이는 강판 표면 위치로부터 3㎜로 관리했다. 이 개선 충전재(600)는 용접시에 각 와이어나 표면 플럭스(300)와 함께 용융하여, 용융지를 형성한다.

강판 개선 이측에는, 백킹부(400)로서 동판이나 세라믹판과 같은 성형 고체 또는 백킹 플럭스를 이용하지 않고, 유리 섬유를 짜서 수㎜ 두께로 한 유리 테이프라 불리는 연질 백킹재(421)를 부착했다. 유리 테이프는 부드럽기 때문에 강판의 주름짐 등에 영향을 받지 않고, 이면에 밀착시킬 수 있다. 용접시에는 아크 근방이 용융되지만, 비용융부가 쿠션의 역할로서 뒷면의 과도한 용락을 방지하는 역할이 있다. 또한, 각 전극에 대하여, 각각에 대응하는 컨택트 팁과 강판의 사이에, 독립된 용접 전원을 결선했다. 또한, 각 와이어는 각 컨택트 팁의 바로 위에 마련한 송급 롤러에 의해 용접부로 이송된다.

그리고, 도 6에 도시하는 실험 장치를 이용하여, 일부(후술하는 No. 3-8)를 제외하고, 2전극 편면 서브머지 아크 용접 방법의 테스트를 실행했다. 보다 구체적으로는, 도 6에 도시하는 시험 장치를 이용하여, 와이어 직경, 급전 방식, 외부 특성, 와이어 속도 제어, 용접 전류, 아크 전압을 전극마다 변화시켜, 그 영향을 확인했다. 도 6에 도시하는 실험 장치에 있어서, 제 1 와이어(110)의 선단과 제 2 와이어(120)의 선단과의 극간 거리는 70㎜로 했다. 그리고, 이 예에 있어서의 용접 속도는 각각의 제조 조건에 있어서 일정하지만, 제조 조건에 따라서 상이하게 했다. 또한, No. 3-8은 제 1 와이어(110)만을 이용한 단전극 편면 서브머지 아크 용접 방법에 따른 테스트로 되어 있다.

시험 결과로 뒷면 비드 형상, 표면 비드 형상, 내부 결함을 평가했다. 뒷면 비드 형상은 폭 6㎜ 이상, 뒷면 높이 1㎜ 이상 4㎜ 이하를 이상으로 하며, 더욱 사행이 작고, 폭의 편차가 적은 것을 매우 양호로 하고 A, 약간 이들 평가가 뒤떨어지지만 수정을 필요로 할 정도는 아닌 것을 B, 뒷면 비드 형상의 불량에 의한 수정이 필요한 것을 C로 하여 불합격 취급했다. 표면 비드 형상에 대해서도, 뒷면 비드 형상과 마찬가지의 평가 기준으로 했다. 내부 결함에 대해서는, 초음파 탐상 시험이나 단면 마크로 컷트 시험을 실행하여도 결함이 보이지 않은 것을 「없음」, 융합 불량이 확인된 것을 「있음」으로 했다.

제 3 실시예 및 제 3 비교예에 있어서의 제조 조건 및 시험 결과를 표 5 및 표 6에 나타낸다. 여기서, 표 5에 나타내는 No. 3-1 내지 No. 3-4는 제 3 실시예이며, 표 6에 나타내는 No. 3-5 내지 No. 3-14는 제 3 비교예이다.

[표 5]

[표 6]

우선, 제 3 실시예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 3-1은 1전극째에 직류·정전압 특성·정속 제어를 이용하고 있으며, 2전극째는 종래부터의 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어로 하고 있지만, 양호한 뒷면 비드 형상 및 표면 비드 형상이 얻어져 있다.

No. 3-2는 No. 3-1에 대하여 1전극째를 전극측의 직류로 했지만, 전압의 조정 등에 의해, No. 3-1과 동등한 품질이 얻어져 있다.

No. 3-3은 양 전극을 전극측 하나의 직류·정전압 특성·정속 제어를 이용하고 있다. No. 3-1 및 No. 3-2와 같이, 2극째를 변속 제어로 하는 것보다도, 정속 제어로 하는 편이, 본래는 뒷면 비드 형상의 안정성이 뛰어나지만, 개선 충전재(600)를 이용하고 있는 것에 의해, 그다지 뒷면 비드 형상으로의 영향은 보이지 않았다. 한편, 2전극째의 경우, 최종극이 되는 2전극째는 표면 비드 형상의 지배 전극이 되기 때문에, 허용 범위 내이지만, 직류가 나열되는 것에 의한 아크간 간섭의 영향을 받아 형상 안정성은 약간 뒤떨어졌다.

No. 3-4는 양 전극 모두 정전압 특성·정속 제어로 하고, 1전극째는 직류, 2전극째는 교류로 하고 있다. 뒷면 비드 형상에 가장 강하게 영향을 미치는 와이어의 송급 제어는 모두 정속화하고, 또한 1전극째는 주기적인 아크 끊김이 없는 직류, 한편, 표면 비드 형상을 지배하는 2전극째는 아크간 간섭이나 자기 블로우의 영향을 받지 않는 교류로 했기 때문에, 제 3 실시예 중에서 가장 뛰어난 표·리 품질이 얻어졌다.

이어서, 제 3 비교예에 대하여 설명을 실행한다.

No. 3-5는 현재 사용되고 있는 전형이다. 양극 모두 교류·수하 특성·전압 FB 변속 제어를 채용하고 있다. 내부 결함이나 표면 비드 형상이야말로 특단 문제는 없지만, 교류인 것 및 변속 제어인 양쪽이 뒷면 용접에는 부적합하며, 뒷면 비드 형상의 불량이 현저했다. 또한, 상술한 실시예 1, 2에 대하여 강판의 판 두께가 작기 때문에, 뒷면 비드 형상의 불량이 표면 비드 형상에도 영향을 미쳐 약간 열화시켰다.

No. 3-6은 1전극째로서 교류·정전류 특성·정속 제어를 조합하고 있지만, 이 조합에서는 교류 특유의 주기적인 아크 끊김이 뒷면 비드 형상에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 아크 길이의 안정화 제어가 작용하지 않으므로, 용접 불안정하여, 뒷면 비드 형상의 불량뿐만 아니라, 1전극째에 의한 최초층의 현저한 불안정이 원인으로, 2전극째와의 회합부에 융합 불량도 발생했다. 제 1 실시예나 제 2 실시예와 같이 전극수가 많으면, 1전극째에 의한 뒷면 비드 형상의 불량이 표면 비드 형상에 영향은 그다지 미치지 않지만, 이 예는 2전극 시공이기 때문에, 뒷면 비드 형상의 불안정이 표면 비드 형상에 영향을 미쳐 열화를 초래했다.

No. 3-7은 1전극째가 정전압 특성, 정속 제어라는 조합은 본 발명의 범주이지만, 와이어 직경이 2.0㎜로 가늘다. 결과는, 뒷면 비드를 형성하지 못하여, 강판의 이면측에 함몰부가 생기고 있었다. 뒷면 비드를 형성하려면, 강한 아크력과 그것을 만족시키지 않는 용융지의 두께 저감의 양립이 필요하다. 이 조합을 만족시키려면 전류 밀도를 작게 하는 것이 유효하며, 와이어 직경이 클수록 유리하다. 즉, 와이어 직경이 2.0㎜에서는 부족하다고 말할 수 있다.

No. 3-8은 정전압 특성·정속 제어라는 조합은 본 발명의 범주이지만, 1전극만으로 뒷면 비드 형성과 표면 비드 형성을 동시에 완성하기 위해, 도전한 것이다. 그러나, 뒷면 비드에 대해서는 양호한 형상을 얻을 수 있었지만, 표면 비드 형상을 양호하게 할 수 없었다. 1전극째의 역할은 뒷면 비드를 형성하는 것에 특화하기 때문에, 용접 조건에 제한이 있고, 표면 비드 형상은 폭이 좁은 볼록 형상이 되어야 한다. 2전극 이상이면, 후행극(특히 최종극)에서 표면 비드 형상을 양호하게 하기 위한 용접 조건을 이용하여, 선행극으로 형성된 가늘고 볼록한 용융지 형상을 정돈할 수 있지만, 1전극 시공에서는 이 역할 분담을 할 수 없으므로, 뒷면 용접에는 부적절하다.

No. 3-9는 선행극에 교류·정전류 특성·전압 FB 변속 제어를 채용하고 있다. 내부 결함이나 표면 비드 형상이야말로 특단 문제 없기는 하지만, 교류 및 변속 제어인 것이 뒷면 용접에는 부적절하며, 뒷면 비드 형상의 불량이 현저했다.

No. 3-10의 선행극, No. 3-11, No. 3-12의 후행극은 정전압 특성·전압 FB 변속 제어로 하고 있지만, 직류·교류에 관계없이, 정전압 특성은 아크 길이의 움직임에 대하여 전압이 별로 움직이지 않으므로, 전압을 모니터한 피드백 제어는 아크 길이 제어 수단으로서 성능이 낮기 때문에, 용접 불안정하며, 뒷면 비드 형상, 표면 비드 형상 모두 외관 불량이 생겨, 회합부에 융합 불량도 발생했다.

No. 3-13, No. 3-14의 후행극은 정전류 특성·정속 제어로 하고 있지만, 직류, 교류에 관계없이, 이 조합에서는 아크 길이의 안정화 제어가 작용하지 않으므로, 용접 불안정하며, 뒷면 비드 형상, 표면 비드 형상 모두 외관 불량이 생겨, 회합부에 융합 불량도 발생했다.

또한, 제 1 실시예에서는, 4전극 편면 서브머지 아크 용접에 있어서, 백킹부(400)로서 백킹 플럭스(401) 및 백킹 동판(402)을 이용하는 경우에 대하여 설명을 실행했다. 또한, 제 2 실시예에서는, 3전극 편면 서브머지 아크 용접에 있어서, 백킹부(400)로서 패드 플럭스(411), 백킹 플럭스(412) 및 에어 호스(413)를 이용하는 경우에 대하여 설명을 실행했다. 또한, 제 3 실시예에서는, 2전극 편면 서브머지 아크 용접에 있어서, 백킹부(400)로서 연질 백킹재(421)를 이용하는 경우에 대하여 설명을 실행했다. 다만, 다전극 편면 서브머지 용접에 있어서의 전극의 수와 백킹부(400)의 구성에 대해서는 상술한 조합에 한정되는 것이 아니며, 그 조합을 적절히 변경하여도 지장이 없다.

1 : 용접 장치 10 : 제 1 용접 유닛
11 : 제 1 송급 장치 12 : 제 1 용접 전원
20 : 제 2 용접 유닛 21 : 제 2 송급 장치
22 : 제 2 용접 전원 30 : 제 3 용접 유닛
31 : 제 3 송급 장치 32 : 제 3 용접 전원
40 : 제 4 용접 유닛 41 : 제 4 송급 장치
42 : 제 4 용접 전원 50 : 대차 구동 장치
60 : 제어 장치 70 : 제 1 플럭스 공급 장치
80 : 제 2 플럭스 공급 장치 90 : 대차
110 : 제 1 와이어 120 : 제 2 와이어
130 : 제 3 와이어 140 : 제 4 와이어
200 : 워크 201 : 제 1 강판
202 : 제 2 강판 300 : 표면 플럭스
400 : 백킹부 500 : 용접 금속
600 : 개선 충전재

Claims (6)

1. 선행극과, 상기 선행극에 이어지는 후행극을 이용한 다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법에 있어서,
   상기 선행극에서는, 직경 4.8㎜ 이상의 와이어를 이용하고,
   상기 후행극에서는, 직경 2.4㎜ 이상의 와이어를 이용하며,
   각각의 와이어에 급전을 실행하는 전원의 급전 방식 및 외부 특성과, 각각의 와이어의 송급 속도의 속도 제어 방식이,
   상기 선행극에서는, 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어로 설정되며,
   상기 후행극에서는,
   (a) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어
   (b) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어
   (c) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   (d) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 수하 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   (e) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 하는
   다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 후행극은 상기 선행극에 이어지는 복수의 전극을 포함하여 구성되며,
   상기 후행극을 구성하는 상기 복수의 전극의 각각에서는, 상기 급전 방식, 상기 외부 특성 및 상기 속도 제어 방식이 상기 (a) 내지 상기 (e) 중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 하는
   다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 후행극을 구성하는 상기 복수의 전극 중, 상기 선행극에서 보아 가장 후방측에 위치하는 최종극에서는, 상기 급전 방식, 상기 외부 특성 및 상기 속도 제어 방식이 상기 (c) 또는 상기 (d)로 설정되는 것을 특징으로 하는
   다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 정전압 특성을 갖는 상기 전원을 이용하는 경우에, 동작점에 있어서의 전류에 대한 전압의 기울기인 미분값 dV/dI가 -12.0×10^-3(V/A) 이상인 것을 특징으로 하는
   다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 정전류 특성 또는 상기 수하 특성을 갖는 상기 전원을 이용하는 경우에, 동작점에 있어서의 전류에 대한 전압의 기울기인 미분값 dV/dI가 -24.0×10^-3(V/A) 이하인 것을 특징으로 하는
   다전극 편면 서브머지 아크 용접 방법.
6. 선행극과, 상기 선행극에 이어지는 후행극을 이용한 편면 서브머지 아크 용접으로, 모재를 용접하여 이루어지는 용접물의 제조 방법에 있어서,
   상기 선행극에서는, 직경 4.8㎜ 이상의 와이어를 이용하고,
   상기 후행극에서는, 직경 2.4㎜ 이상의 와이어를 이용하며,
   각각의 와이어에 급전을 실행하는 전원의 급전 방식 및 외부 특성과, 각각의 와이어의 송급 속도의 속도 제어 방식이,
   상기 선행극에서는, 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어로 설정되며,
   상기 후행극에서는,
   (a) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어
   (b) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전압 특성, 상기 속도 제어 방식이 일정 속도 제어
   (c) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   (d) 상기 급전 방식이 교류, 상기 외부 특성이 수하 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   (e) 상기 급전 방식이 직류, 상기 외부 특성이 정전류 특성, 상기 속도 제어 방식이 아크 전압에 근거하는 전압 피드백 제어
   중 어느 하나로 설정되는 것을 특징으로 하는
   용접물의 제조 방법.

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