(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2017-501877(P2017-501877A)
(43)【公表日】2017年1月19日
(54)【発明の名称】TIG溶接用溶加材
(51)【国際特許分類】
B23K 35/02 20060101AFI20161222BHJP
B23K 9/167 20060101ALI20161222BHJP
【FI】
B23K35/02 F
B23K9/167 Z
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2016-536015(P2016-536015)
(86)(22)【出願日】2013年12月3日
(85)【翻訳文提出日】2016年2月19日
(86)【国際出願番号】KR2013011116
(87)【国際公開番号】WO2015026015
(87)【国際公開日】20150226
(31)【優先権主張番号】10-2013-0098314
(32)【優先日】2013年8月20日
(33)【優先権主張国】KR
(81)【指定国】
AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ
(71)【出願人】
【識別番号】516053914
【氏名又は名称】ゾ サンミョン
(72)【発明者】
【氏名】ゾ サンミョン
(72)【発明者】
【氏名】オ ドンス
(72)【発明者】
【氏名】ハン ヒョシク
(72)【発明者】
【氏名】ハ ヒョンジュ
(72)【発明者】
【氏名】シン ヒィソブ
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ジェホ
(72)【発明者】
【氏名】ビョン ジェキュ
(72)【発明者】
【氏名】パク ジョンヒョン
(72)【発明者】
【氏名】キョン ヒョクヨン
【テーマコード(参考)】
4E001
【Fターム(参考)】
4E001BB07
4E001DC01
4E001DD01
4E001EA10
(57)【要約】
本発明は、一般的なワイヤー溶加材より熱流速の投入面積が広く、単位長さ当たりの入熱量が増加して、安定した溶接が可能なTIG溶接用溶加材を提供することを目的とする。前記のような目的を達成するため、本発明は、母材の上段に電極が位置し、前記電極と母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるTIG溶接用溶加材において、前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とする。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
母材の上段に電極が位置し、前記電極と前記母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるTIG溶接用溶加材において、
前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【請求項2】
前記溶加材の断面は、幅と厚さで表現される平板が前記電極に向かって凹に曲がった形状であることを特徴とする、請求項1に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項3】
前記溶加材の断面は、母材の垂直線に対し、互いに対称であることを特徴とする、請求項2に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項4】
前記溶加材の断面下段は、3次スプライン曲線であることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項5】
前記溶加材の断面下段は、円弧であることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項6】
前記溶加材の断面下段は、放物線であることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項7】
前記溶加材の断面下段は、母材と接触する地点を中心に両側が傾斜した直線形状であることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項8】
前記溶加材の断面は、水平に配置される中央平板と、前記中央平板の端の傾斜平板とから構成されることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項9】
前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板より厚いことを特徴とする、請求項8に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項10】
前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板の厚さより1.1ないし2倍であることを特徴とする、請求項9に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項11】
前記中央平板は、屈曲部をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項12】
前記幅は3mmないし10mmであり、厚さは0.3mmないし1mmであることを特徴とする、請求項2に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項13】
前記溶加材の材質は、ステンレススチールであることを特徴とする、請求項1ないし請求項12のうち、いずれか1項に記載のTIG溶接用溶加材。
【請求項14】
前記溶加材の材質は、sus300系、alloy625、duplex sts2209及びsuper duplexのうち、選択されたいずれか1つであることを特徴とする、請求項13に記載のTIG溶接用溶加材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、TIG溶接用溶加材に関するものであり、さらに詳細には溶接生産性の高いTIG溶接用溶加材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般的に、発電設備、海上プラント若しくは石油化学プラントの配管設備などには、低級材料の炭素鋼が主に用いられ、その内面にステンレス鋼やニッケル合金などの高強度で耐熱性、耐久性、耐腐食性などを有する異種金属で一定厚さに上盛溶接を行なって用いる。普通、かかる上盛溶接を肉盛溶接と言うが、非常に脆弱な環境で物理的性質の弱い金属が用いられる際、金属表面を溶接でコーティングし、耐腐食性、耐久性、耐磨耗性、強度などを向上させる方法として、比較的に安い単価で高い機械的・化学的特性を満たせるため、多く用いられている。
【0003】
前記のような肉盛溶接は、多くの自動化装置に用いられている。例えば、登録特許第909596号は、パイプ内面の自動肉盛溶接装置に関するものであり、パイプが挿入・固定され、パイプを回転させる回転チャク部と、前記回転チャク部に固定されたパイプを貫通し、水平に平行に配置される1対のガイドワイヤーと、前記ガイドワイヤーを引張る引張部と、前記ガイドワイヤーによって支持され、パイプ内部に沿って移動可能であり、パイプ内面に肉盛溶接を行なう溶接部と、前記回転チャク部によってパイプが回転すると同時に前記溶接部が一側に移動し、パイプ内面に溶接ビードが螺旋を形成しながら連続的に肉盛溶接が行われるように制御する制御部とからなることを特徴とする構成である。
【0004】
また、登録特許第383014号は、ホットワイヤーTIG溶接用トーチに関するものであり、直径が小さく、長さが長いパイプ内面の肉盛溶接を円満に行えるホットワイヤーTIG溶接用トーチに関するものであって、連結部と、前記連結部に連結され、適切な長さを有し、両端が絶縁体に連結される体部と、前記体部の長さ方向に対し角張って連結される電極部とで構成され、パイプ内部の直径が少なくとも150mmの製品までも肉盛溶接が可能であり、1.5M程度の長さを有するパイプまでも内部の肉盛溶接が可能であるため、直径が小さく長さの長いパイプ内部の肉盛溶接に有用に適用できることを特徴とする構成である。
【0005】
前記に開示された肉盛溶接装置は、その溶接方式にTIG溶接を提案している。
【0006】
前記TIG溶接は、溶接部の機械的特性及び耐腐食性に優れ、作業環境が清潔という長所があるものの、生産性が低いという大きな問題がある。生産性を高めるためには電流を高め、溶接速度を増加させなければならないが、大電流を用いるとアーク圧力に基づく強いアーク力によって溶融池の表面に酷い圧入現象が生じ、アンダーカット、ハンピング、そして分離ビードといった溶接欠陥が発生する。
【0007】
また、溶着速度を高め、生産性を向上させるためには、ワイヤーの送給速度を高める必要があるが、1.0若しくは1.2mmの細いワイヤーを用いる場合、高いワイヤーの送給速度のため、アーク熱を吸収できる時間に余裕が足りず、アーク中心から僅かにずれて送給されてもワイヤーが溶融できず溶融プールの外に弾き出されて、未溶融のワイヤーが形成される。前記のような未溶融のワイヤーが生じる場合、溶接が中断されて生産性が落ちるので、現場では十分高い電流で溶接する。したがって、送給速度を高める場合、基本的に電流を高めることになるが、この場合、大きなアーク力によるアンダーカットなどの溶接欠陥が発生し、母材溶込が大きくなるため、適用し難いという短所がある。
【0008】
前記のような短所を克服するための構成として、本願出願人によって出願された韓国特許出願番号2012‐0096720が挙げられる。
【0009】
前記特許は、TIG溶接に、平板状の断面を有する溶加材の適用を提案するものであって、従来のワイヤーの形に比べ溶接速度が高いという長所がある。
【0010】
しかし、前記特許においては矩形の平板断面に限られているので、一部の断面形状を変更し、さらに高い生産速度を有する新しい形状の溶加材の断面へ改良の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は、前記のような従来技術の短所を克服するために導出されたものであり、一般的なワイヤー溶加材より熱流速の投入面積が広く、単位長さ当たりの入熱量が増加して、安定した溶接が可能なTIG溶接用溶加材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前記のような目的を達成するため、本発明は、母材の上段に電極が位置し、前記電極と母材との間にアークが形成され、前記アーク周辺にシールドガスが供給され、前記母材の上段に連続的に供給されて前記アークによって溶融されるTIG溶接用溶加材において、前記溶加材の断面は、前記電極方向の面が前記電極方向に凹に曲がった形状であることを特徴とする。
【0013】
好ましくは、前記溶加材の断面は、幅と厚さで表現される平板が前記電極に向かって凹に曲がった形状であることを特徴とする。
【0014】
さらに好ましくは、前記溶加材の断面は、母材の垂直線に対し、互いに対称であることを特徴とする。
【0015】
好ましくは、前記溶加材の断面下段は、3次スプライン曲線であることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【0016】
好ましくは、前記溶加材の断面下段は、円弧であることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【0017】
好ましくは、前記溶加材の断面下段は、放物線であることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【0018】
好ましくは、前記溶加材の断面下段は、母材と接触する地点を中心に両側が傾斜した直線形状であることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【0019】
好ましくは、前記溶加材の断面は、水平に配置される中央平板と、前記中央平板の端の傾斜平板とから構成されることを特徴とするTIG溶接用溶加材。
【0020】
さらに好ましくは、前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板より厚いことを特徴とする。
【0021】
さらに好ましくは、前記中央平板の厚さは、前記傾斜平板の厚さより1.1ないし2倍であることを特徴とする。
【0022】
好ましくは、前記中央平板は、屈曲部をさらに含むことを特徴とする。
【0023】
好ましくは、前記幅は3mmないし10mmであり、厚さは0.3ないし1mmであることを特徴とする。
【0024】
好ましくは、前記溶加材の材質は、ステンレススチールであることを特徴とする。
【0025】
さらに好ましくは、前記溶加材の材質は、sus300系、alloy625、duplex sts2209及びsuper duplexのうち、選択されたいずれか1つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0026】
本発明にかかるTIG溶接用溶加材は、従来の円形の溶加材とは異なって電極方向に凹に曲がった比較的に大きな断面形状に構成したことにより、電極を通じて伝達される熱流速を幅広く吸収し、入熱量が増加する。その結果、相対的に低い溶接電流と低い溶加材の送給速度でも高い生産性及び安定した溶接を提供する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【
図3】
図2に示すアークに基づいたプラズマ流の曲線グラフである。
【
図5】
図3に示す流曲線において、一定の長さで示した法線である。
【
図11】実施例に適用した溶加材の断面の長さである。
【
図21】
図20で形成されたビードの断面形状と、当該断面によるビードの高さ及び溶込深さのデータである。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照し、本発明にかかる好適な実施例を具体的に説明する。
【0029】
本発明にかかるTIG溶接用溶加材10は、その断面形状を、TIGアークプラズマ内において溶加材10に投入される熱量が最も多い形に定義することを特徴とする。
【0030】
まず、TIG溶接は、
図1に示すように電極1、母材2、電極1と母材2との間に形成されるアーク3、前記アーク3周辺に供給されるシールドガス4とでモデリングされる。
【0031】
前記アーク3は、電極1における1つの点から始まり、母材2において一定の幅で形成されるが、その内部もエネルギーを伝達するのでアーク3内部の表現も重要である。
【0032】
アーク3内部は、位置関数であるプラズマ流5で表現することができる。ここで、プラズマ流5の外郭線がアーク3形状に該当する。
【0033】
前記アーク3の平面は、円形に定義する。すなわち、前記
図1のアーク3は、軸対称形状に定義する。
【0034】
一方、前記のようなアーク3においては、プラズマ流5の法線方向に溶加材10が位置する場合、アーク3によるプラズマが溶加材10に投入する熱量が最も高いものに定義し、本発明は、前記プラズマ流5の法線面を算定し、溶加材10の断面形状を決定することを特徴とする。
【0035】
次に、前記アーク3の形状は、その内部のプラズマ流5によって母材2側の平面に形成される圧力分布若しくは熱流速分布がガウシアン分布の形を有するものであると仮定する。通常の自然現象の確率ではガウシアン分布の形を有する場合が多く、前述したように、TIG30溶接上のアーク3は電極1を基点に母材2へ拡散される分布特性などを考慮した場合、妥当な仮定である。
【0036】
したがって、アーク3の形状f(r)は、次のように定義される。
【0038】
ここで、rは電極1を原点とする半径方向の距離を意味し、f(0)は電極1と母材2との間の垂直距離、すなわち、アーク3の長さを示し、σは分散を意味し、前記σ値はアーク3の半径方向の距離によって選択される。
【0039】
図2は、σ=1であり、f(0)=5の場合のアーク3の形状を示すグラフである。
【0040】
一方、プラズマ流5は、f(0)値を選択した後にσを調節し、前記プラズマ流5が母材2に接続する点を基準にr値を選定することができるが、ガウシアン分布の特性上、母材2に正確に接続せず収束するため、r値を選定できないという短所がある。
【0041】
したがって、本発明においては、実際のアーク3の長さに10%分の長さを加えてプラズマ流5を形成し、実際のアーク3の長さのところに接する点を基準にrを選定し、前記短所を克服した。
【0042】
前記アーク3の長さの変更は、±10%以内で適切に選択し、構成することができる。
【0043】
図3は、アーク3の長さ、5を5.5にプラズマ流5を構成し、0地点でプラズマ流5が交差する値をrに算定したとき、r値が最初の0.25から0.5単位で増加する10個のプラズマ流5を示す図面である。
【0044】
そして、
図4は、アーク3の長さの下部0.5を除去したプラズマ流5を示す図面である。
【0045】
一方、各プラズマ流5の経路のうち、原点に近接したプラズマ流5とx軸との交点、すなわち、y値が0の地点(若しくは一定値)で法線を計算し、前記法線と隣接するプラズマ流5との交点を求めて、前記交点で該当プラズマ流5の法線を求め、続けて各プラズマ流5の接線を求める場合、プラズマ流5の法線連結曲線を得ることができる。
【0046】
図5は、プラズマ流5を全体10個に限定し、5個目の地点で各法線を用いて交点を求め、該当法線を示した図面である。
【0047】
前記
図5中、各プラズマ流5の法線地点を連続に連結する場合、
図6のような曲線6を得ることができる。
【0048】
プラズマが90℃で溶加材に衝突する際に最も高いエネルギー吸収率を表すことに基づくと、前記曲線6が最も高いエネルギー吸収率を表す。また、前記曲線6は対称形であるため、実際には
図7に示すような断面曲線7がアーク3に対し最も高い入熱量を表す。
【0049】
すなわち、電極1を通じて瞬間的に生成される全てのアーク3が同様に、前記断面曲線7に垂直に吸収されるので、理論的には最も高い入熱量を表すのである。
【0050】
前記断面曲線7と同一形の溶加材10の断面を形成する場合、最も高い入熱量を表すが、前記曲線は複雑な数式によって表現され、実際に作製し難いので、簡略化して入熱量を増加させる形を構成することができる。
【0051】
まず、
図8に示すように、溶加材10の断面は、矩形の平板を基に断面下段の中心がアーク3の原点に位置し、また、断面下段の中心の傾きが0であり、端部が一定の高さを有する3次スプライン曲線に定義することができる。
【0052】
ここで、矩形の平板の幅は3mmないし10mmであり、厚さは0.3mmないし1mmが好ましい。
【0053】
その際、平板の幅が3mm未満である場合には生産性に問題があり、10mmを越える場合には溶融に問題がある。また、溶加材10が電極1に正確に一致しない場合には、一部の未溶融が発生する恐れがある。
【0054】
また、平板の厚さが0.3mm未満の場合には生産性に問題があり、1mmを越える場合には溶融に問題がある。
【0055】
また、前記溶加材10は、通常のTIG溶接に用いられる全ての材質を適用することができる。例えば、ステンレススチール、sus300系、alloy625、duplex sts2209、super duplexなどを適用することができる。
【0056】
一方、前記のように3次スプライン曲線に定義する場合、前記断面曲線7の特性を十分に反映できるという長所がある。
【0057】
また、
図9に示すように、溶加材10の断面を円弧状に構成することができる。
【0058】
前記断面は、前記断面曲線7に非常に類似しており、また、平板において一部を折曲して構成することができるため、円形若しくは平板状の溶加材10に比べ、高い入熱量を表す。
【0059】
また、中心が原点に位置する2次放物線に構成することもできる。
【0060】
そして、
図10(a)に示すように、折れた平板形状に構成することもできる。前記断面は、断面曲線7と一部差はあるが、溶加材10の端部で高い入熱量を表すので、適切な入熱量を期待できる。
【0061】
また、
図10(b)に示すように、中央は平板状であり、前記平板の両端に傾いた平板が構成される形に具現化することもできる。
【0062】
前記構成は、入熱量の面においては多少不利であるが、溶加材10の供給及び電極1の下部に位置する点などでは有利であるという長所がある。
【0063】
前記
図10(b)の断面は、中央平板と傾いた平板とを異なる厚さで構成することができる。そのとき、中央平板部分の入熱量が高いので、傾いた平板より厚く形成することが好ましく、前記中央平板の厚さを前記傾いた平板に比べて1.1ないし2倍に形成することが好ましい。
【0064】
1.1倍未満である場合には特に効果がなく、2倍を超える場合には中央平板部分に未溶融が発生する恐れがある。
【0065】
また、
図10(c)に示すように、中央平板に屈曲部9を形成して構成することができる。前記屈曲部9は、溶加材10の送給とガイドなどのための構成に活用することができる。
【0066】
すなわち、溶加材10の断面形状を、平板を基に電極1に向かって凹に形成することが、従来の円形の断面状の溶加材10に比べて高い入熱量を表し、平板状に比べても高い入熱量を表す。
【0067】
また、前記溶加材10の断面は、平板を基づかずに電極1を基に凹に形成することもできる。その際は非対称に構成することもできる。
【0068】
以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【0069】
実施例
断面の幅が5mmで厚さ0.6mmのsus304材質の平板溶加材10を折曲し、
図11に示すように幅4.6mmで高さ1.7mmの対称3次曲線に形成してTIG溶接を行なった。
【0070】
ベース材質はSS400であり、溶接速度は38cpm(cm/min)、電流360A、アークの長さは7mmに設定した。
【0071】
溶加材10の送給速度は、250cpmから400cpmまで10cpm単位に増加させて溶接した。前記送給(feed)速度によって単位時間当たりの溶着速度(deposition rate)が決定され、250cpmの場合は3.51kg/hrであり、400cpmの場合は5.62kg/hrであり、中間送給速度は、補間して計算される。
【0072】
比較例
断面の幅が5mmで厚さ0.6mmのsus304材質の平板溶加材10を、実施例と同じ条件でTIG溶接を行なった。
【0073】
溶加材10の送給速度は、250cpmから300cpmまで10cpm単位に増加させて溶接した。
【0074】
試験例1(ビードの外形分析)
前記実施例と比較例を対象にビードの外形を分析した。
図12は、比較例において各送給(feed)速度に対するビードの外形写真であり、送給速度が290cpm以上の場合には、未溶融現象が起こることを確認することができた。
【0075】
図13及び
図14は、実施例において各送給速度によるビードの外形写真であり、400cpmまで未溶融現象のない良好なビードが形成されることを確認することができた。
【0076】
試験例2(ビードの断面分析)
前記実施例及び比較例によって形成されたビードの断面を分析した。ビードの断面は、
図15に示すように母材2表面のaとbとの間に線を引き、中心で溶込を測定する(1地点)。そして、中心の両側に2mmの間隔でさらに2回測定する(2、3、4及び5地点)。その後、5つの溶込深さの平均を計算した後、最大と最小の溶込深さを測定する(6及び7地点)。
【0077】
図16は、比較例にかかるビード断面の形状と当該ビード断面の溶込深さのデータであり、
図17、
図18及び
図19は、実施例にかかるビード断面の形状と当該ビード断面の溶込深さのデータである。前記データを通じて、実施例は比較例に近い溶接品質を有することを確認することができた。
【0078】
試験例3(最大溶着速度)
試験例1及び試験例2を通じて最大溶着速度を計算すると、実施例は5.6kg/hr、比較例は3.9kg/hrの溶着速度を表し、実施例にかかる溶加材10が比較例に比べて数等の生産性を見せ、また試験例2で確認したように類似した溶接品質を見せることが確認される。
【0079】
試験例4(多重ビード形成試験)
実施例の溶加材10の断面を用いて6つのビードの層を形成し、断面の特性を分析した。
【0080】
その際の溶接条件は、材質はSS400であり、溶接速度は38cpm(cm/min)、電流は360A、アークの長さは7mmに設定し、溶加材10の材質はSTS304、送給速度は360cpm、溶着面積は20mm
2、溶着速度は5.02kg/hr、トーチのウィービング周期は3Hz、ウィービング長さは5mmに設定した。
【0081】
図20は溶接されたビードの形状であり、
図21は溶接ビードの断面の写真と断面の15個の位置におけるビード高さ及び溶込深さに対するデータである。
【0082】
前記
図21及び
図22から均一なビードが生成されることを確認することができた。
【0083】
以上、特定の好適な実施例を用いて本発明を図示・説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施例を全て含む。
【国際調査報告】