KR20200054331A - 용접 와이어 전극，용접 방법 및 용접 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전체적으로 용접에 관한 것으로서, 구체적으로는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)과 같은 아크 용접을 위한 전극에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 관형 용접 와이어는 외피 및 코어를 포함한다. 코어는 합쳐서 코어의 10 중량% 미만으로 포함하는 탄소 소스 및 칼륨 소스를 포함한다. 또한, 탄소 소스는 카본 블랙, 램프 블랙, 탄소 나노튜브, 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

Description

용접 와이어 전극，용접 방법 및 용접 시스템{A WELDING WIRE ELECTRODE，A WELDING METHOD AND A WELDING SYSTEM}
본 발명은 전체적으로 용접에 관한 것으로서, 구체적으로는 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding)(GMAW) 또는 플럭스 코어 아크 용접(Flux Core Arc Welding)(FCAW)과 같은 아크 용접을 위한 전극에 관한 것이다.
용접은 다양한 용도를 위해 다양한 산업에서 흔하게 된 공정이다. 예를 들어, 용접은 조선, 연안(offshore) 플랫포옴, 건축, 조관(pipe mill), 등과 같은 용도에 자주 사용되고 있다. 어떤 용접 기술[예를 들어, 가스 금속 아크 용접(GMAW), 가스-차폐된 플럭스 코어 아크 용접(FCAW-G), 및 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)]은 용접 공정 중 용접 아크 및 용접 풀(pool)에 또한 그 둘레에 특별한 국부적인 기압을 제공하기 위해 전형적으로 차폐 가스(예를 들어, 아르곤, 이산화탄소, 또는 산소)를 사용하고 있는 반면에, 다른 기술[예를 들어, 플럭스 코어 아크 용접(FCAW), 침수형 아크 용접(Submerged Arc Welding)(SAW), 및 차폐형 금속 아크 용접(Shielded Metal Arc Welding)(SMAW)]은 그렇지 않다. 또한, 어떤 타입의 용접은 용접 전극을 용접 와이어의 형태로 포함할 수 있다. 용접 와이어는 일반적으로 용접 공정 중 전류를 위한 경로를 제공할 뿐만 아니라 용접을 위해 필러 금속의 공급을 제공할 수 있다. 또한, 어떤 타입의 용접 와이어[예를 들어, 관형 용접 와이어]는 일반적으로 용접 공정 및/또는 결과적인 용접부의 특성을 변경시킬 수 있는 하나 또는 그 이상의 성분[예를 들어, 플럭스, 아크 안정제(stabilizer), 또는 다른 첨가제]을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 개선된 용접 와이어 전극, 용접 방법 및 용접 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 있어서, 관형 용접 와이어 전극은 외피(sheath) 및 코어를 포함한다. 코어는 합쳐서 코어의 10 중량% 미만으로 포함하는 탄소 소스 및 칼륨 소스를 포함한다. 또한, 탄소 소스는 카본 블랙(carbon black), 램프 블랙(lamp black), 탄소 타노튜브, 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
다른 실시예에 있어서, 용접 방법은 용접 와이어 전극을 용접 장치 내로 공급하는 단계를 포함한다. 용접 와이어 전극은 코어 및 외피를 포함하며, 또한 코어는 합쳐서 코어의 10 중량% 미만으로 포함하는 탄소 소스 및 안정제를 포함한다. 상기 방법은 용접 와이어 전극과 코팅된 금속 작업편 사이에 용접 아크를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 용접 시스템은 용접 와이어 전극을 수용하도록 구성된 용접 토치(torch)를 포함한다. 용접 와이어 전극은 합쳐서 용접 와이어 전극의 10 중량% 미만으로 포함하는 탄소 소스 및 알칼리 금속 소스를 포함한다. 또한, 용접 토치는 용접 와이어 전극과 작업편 사이에 아크를 유지시킬 동안, 용접 와이어 전극을 원하는 패턴으로 주기적으로 이동시키도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관형 용접 전극의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 관형 용접 전극이 작업편을 용접하는데 사용될 수 있는 공정이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 관형 용접 전극을 제조하기 위한 공정이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 장점은 도면을 통해 유사한 부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명이 읽혀질 때 더욱 잘 이해될 것이다.
언급된 바와 같이, 어떤 타입의 용접 전극(예를 들어, 관형 용접 와이어)은 일반적으로 용접 공정 및/또는 결과적인 용접부의 특성을 변경시킬 수 있는 하나 또는 그 이상의 성분(예를 들어, 플럭스, 아크 안정제, 또는 다른 첨가제)을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 아크를 안정시키기 위해 및/또는 용접부의 화학적 성질(chemistry)을 변경시키기 위해(예를 들어, 탄소 함량을 증가시키기 위해) 다양한 형태의 탄소[예를 들어, 그라파이트, 그래핀(graphene), 카본 블랙, 램프 블랙, 다이아몬드, 또는 유사한 탄소 소스]를 포함하는 용접 전극 조성물을 향해 지향된다. 또한, 이 용접 전극 실시예는 다른 원소(예를 들어, 티타늄, 망간, 또는 유사한 원소) 및 미네랄[예를 들어, 황철석(pyrite), 자철석(magnetite), 등] 뿐만 아니라, 알칼리 금속 화합물[즉, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 또는 세슘(Cs)과 같은 1족 원소의 화합물], 알칼리성 토류(earth) 금속 화합물[즉, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)과 같은 2족 원소의 화합물], 희토류(rare earth) 규소화물과 같은 다른 안정제를 추가로 포함할 수 있다. 하기에 서술되는 바와 같이, 서술된 용접 전극은 코팅된 작업편[예를 들어, 도금된, 아연 도금된(galvanized), 페인팅된, 알루미늄 도금된(aluminized), 침탄된(carburized), 또는 유사하게 코팅된 작업편] 및/또는 더 얇은 작업편(예를 들어, 20-, 22-, 24-게이지, 또는 더 얇은 작업편)의 용접을 가능하게 할 수 있다. 또한, 서술된 용접 전극은 일반적으로 상이한 용접 구성[예를 들어, 직류 전극 네거티브(direct current electrode negative)(DCEN), 직류 전극 포지티브(direct current electrode positive)(DCEP), 가변 극성(variable polarity), 펄스형 직류(DC), 밸런싱된(balanced) 또는 언밸런싱된(unbalanced) 교류(AC) 극성 파형] 및 상이한 용접 방법(예를 들어, 용접 중 원형 또는 구불구불한 용접 전극 이동을 포함하는 단계) 하에서 허용 가능한 용접을 가능하게 한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "관형 용접 전극(tubular welding electrode)" 또는 "관형 용접 와이어(tubular welding wire)"는 금속-코어형 또는 플럭스-코어형 용접 전극과 같은 금속 외피 및 과립형(granular) 또는 분말형 코어를 갖는 임의의 용접 와이어 또는 전극을 지칭할 수 있음을 인식해야 한다. 또한, "안정제(stabilizer)"라는 용어는 일반적으로 아크 및/또는 용접의 품질의 개선을 할 수 있는 관형 용접의 임의의 성분을 지칭하는데 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
도면에 있어서, 도 1은 본 발명에 따라 용접 전극(예를 들어, 관형 용접 와이어)을 사용하는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템(10)의 실시예를 도시하고 있다. 본 발명은 도 1에 도시된 GMAW 시스템(10)에 특히 촛점을 맞출 수 있지만, 본 명세서에 서술된 용접 전극은 용접 전극을 사용하는 임의의 아크 용접 공정(예를 들어, FCAW, FCAW-G, GTAW, SAW, SMAW, 또는 유사한 아크 용접 공정)을 유리하게 할 수 있음을 인식해야 한다. 용접 시스템(10)은 용접 전력 유닛(12), 용접 와이어 공급기(14), 가스 공급 시스템(16), 및 용접 토치(18)를 포함한다. 용접 전력 유닛(12)은 일반적으로 용접 시스템(10)에 전력을 공급하며, 또한 클램프(26)를 갖는 리드 케이블(24)을 사용하여 작업편(22)에 결합될뿐만 아니라 케이블 번들(20)을 통해 용접 와이어 공급기(14)에 결합될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 용접 와이어 공급기(14)는 소비 가능한 관형 용접 와이어(즉, 용접 전극)를 공급하기 위해 또한 용접 시스템(10)의 작동 중 용접 토치(18)에 전력을 공급하기 위해, 케이블 번들(28)을 통해 용접 토치(18)에 결합된다. 다른 실시예에 있어서, 용접 전력 유닛(12)은 용접 토치(18)와 결합할 수 있으며 또한 이에 직접적으로 전력을 공급할 수 있다.
용접 전력 유닛(12)은 일반적으로 교류 전원(30)(예를 들어, AC 전력 그리드, 엔진/발전기 세트, 또는 그 조합)으로부터 입력 전력을 수용하고, 입력 전력을 컨디셔닝하고, 또한 케이블(20)을 통해 DC 또는 AC 출력 전력을 제공하는 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 따라서, 용접 전력 유닛(12)은 용접 시스템(10)의 요구에 따라 다시 용접 토치(18)를 작동시키는 용접 와이어 공급기(14)를 작동시킬 수 있다. 클램프(26)에서 종료되는 리드 케이블(24)은 용접 전력 유닛(12), 작업편(22), 및 용접 토치(18) 사이의 회로를 폐쇄하기 위해 용접 전력 유닛(12)을 작업편(22)에 결합한다. 용접 전력 유닛(12)은 용접 시스템(10)의 요구에 의해 표시된 바와 같이, AC 입력 전력을 직류 전극 포지티브(DCEP) 출력, 직류 전극 네거티브(DCEN) 출력, DC 가변 극성, 펄스형 DC, 또는 가변 평형(예를 들어, 밸런싱된 또는 언밸런싱된) AC 출력으로 변환시킬 수 있는 회로 요소(예를 들어, 변압기, 정류기, 스위치, 등)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 서술된 용접 전극(예를 들어, 관형 용접 와이어)은 많은 상이한 전력 구성을 위해 용접 공정에 대한 개선(예를 들어, 개선된 아크 안정성 및/또는 개선된 용접 품질)을 가능하게 할 수 있음을 인식해야 한다.
도시된 용접 시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 차폐 가스 소스(17)로부터 용접 토치(18)로 차폐 가스 또는 차폐 가스 혼합물을 공급하는 가스 공급 시스템(16)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 가스 공급 시스템(16)은 가스 도관(32)을 통해 용접 토치(18)에 직접적으로 결합된다. 다른 실시예에 있어서, 가스 공급 시스템(16)은 대신에 와이어 공급기(14)에 결합될 수 있으며, 또한 와이어 공급기(14)는 가스 공급 시스템(16)으로부터 용접 토치(18)로의 가스 흐름을 조절할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 차폐 가스는 특별한 국부적인 대기압을 제공하기 위해[예를 들어, 아크를 차폐하기 위해, 아크 안정성을 개선시키기 위해, 금속 산화물의 형성을 제한하기 위해, 금속 표면의 습윤(wetting)을 개선시키기 위해, 용접 용착물(deposit)의 화학적 성질을 변경시키기 위해, 등], 아크 및/또는 용접 풀에 제공될 수 있는 임의의 가스 또는 가스의 혼합물을 지칭할 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 차폐 가스 흐름은 차폐 가스 또는 차폐 가스 혼합물[예를 들어, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2), 유사한 적절한 차폐 가스, 또는 그 임의의 혼합물]일 수 있다. 예를 들어, 차폐 가스 흐름[예를 들어, 도관(32)을 통해 전달된]은 Ar, Ar/CO2 혼합물, Ar/CO2/O2 혼합물, Ar/He 혼합물, 등을 포함할 수 있다.
따라서, 도시된 용접 토치(18)는 작업편(22)의 GMAW 를 수행하기 위해, 일반적으로 용접 전극(즉, 관형 용접 와이어), 용접 와이어 공급기(14)로부터의 전력, 및 가스 공급 시스템(16)으로부터의 차폐 가스 흐름을 수용한다. 작동 중, 용접 토치(18)는 소비 가능한 용접 전극[즉, 용접 토치(18)의 접촉 팁을 빠져나오는 용접 와이어]과 작업편(22) 사이에 아크(34)가 형성될 수 있도록, 작업편(22)에 근접하게 이동될 수 있다. 또한, 하기에 논의되는 바와 같이, 용접 전극(즉, 관형 용접 와이어)의 조성물을 제어함으로써, 아크(34) 및/또는 결과적인 용접부의 화학적 성질(예를 들어, 조성물 및 물리적 특성)이 변화될 수 있다. 예를 들어, 용접 전극은 안정제로서 작용할 수 있는 플럭싱(fluxing) 또는 얼로잉(alloying) 성분을 포함할 수 있으며, 또한 용접부에 적어도 부분적으로 포함될 수 있어서, 용접의 기계적 특성에 영향을 끼친다. 또한, 용접 전극(즉, 용접 와이어)의 어떤 성분은 아크에 근접하게 추가적인 차폐 기압을 제공할 수도 있어서, 아크의 전달 특성에 영향을 끼치고, 및/또는 작업편의 표면을 탈산소(deoxidize)시킨다.
본 명세서에 서술된 용접 전극의 실시예의 횡-단면이 도 2에 도시되어 있다. 도 2는 과립형 또는 분말형 코어(54)를 둘러싸는 금속 외피(52)를 포함하는 관형 용접 전극(50)[예를 들어, 관형 용접 와이어(50)]을 도시하고 있다. 금속 외피(52)는 임의의 적절한 금속 또는 합금(예를 들어, 고탄소강, 저탄소강, 또는 다른 적절한 금속 또는 합금)으로부터 제조될 수 있다. 금속 외피(52)가 일반적으로 용접을 위해 필러 금속(filler metal)을 제공할 수 있기 때문에, 금속 외피(52)의 조성물은 결과적인 용접부의 조성물에 영향을 끼칠 수 있음을 인식해야 한다. 따라서, 금속 외피(52)는 소정의 용접 특성을 제공하도록 선택될 수 있는 첨가제 또는 불순물(예를 들어, 철 산화물, 탄소, 알칼리 금속, 망간, 또는 유사한 화합물 또는 원소)을 포함할 수 있다. 도시된 관형 용접 전극(50)의 과립형 코어(54)는 일반적으로 하기에 논의되는 바와 같이 어떤 실시예에서 탄소 소스 및 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있는 조성물을 갖는 조밀화된(compacted) 분말일 수 있다. 탄소 소스, 알칼리 금속 화합물, 및 다른 성분(예를 들어, 플럭싱 또는 얼로잉 성분)은 과립형 코어(54) 내에 균질하게 또는 비-균질하게[예를 들어 무리를 지어 또는 클러스터(56)로] 배치될 수 있다. 또한, 어떤 용접 전극(예를 들어, 금속-코어형 용접 전극) 실시예에 있어서, 과립형 코어(54)는 용접을 위해 필러 금속의 적어도 일부를 제공할 수 있는 하나 또는 그 이상의 금속(예를 들어, 철, 철 산화물, 또는 다른 금속)을 포함할 수 있다.
관형 용접 전극(50) 내에 존재할 수 있는(즉, 하나 또는 그 이상의 탄소 소스 및 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속 화합물에 추가하여) 성분의 예는 일리노이즈 툴 웍스, 인코포레이티드(Illinois Tool Works, INC.)로부터 입수 가능한 METALLOY X-CEL™ 용접 전극에서 찾아볼 수 있는 것과 같은, 다른 안정화, 플럭싱, 및 얼로잉 성분을 포함한다. 일반적으로 말해, 하나 또는 그 이상의 탄소 소스 및 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속 화합물의 조합의 전체 백분율(percentage)은 과립형 코어(54) 또는 전체 관형 용접 전극(50)에 대해 약 0.01 중량% 내지 약 10 중량% 일 수 있다. 중량%는 단순히 원소로서의 칼륨 또는 탄소의 중량 기여분(contribution)이 아니라, 일반적으로 칼륨 및 탄소 소스 전체의 중량에 의한 기여분을 지칭하는 것임을 인식해야 한다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 탄소 소스 및 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속 화합물의 조합의 전체 백분율은 약 0.01 % 내지 약 8 %, 약 0.05 % 내지 약 5 %, 약 0.1 % 내지 약 4 % 일 수 있다. 아크(34)의 조건 하에서, 용접 와이어의 성분[예를 들어, 금속 외피(52), 과립형 코어(54), 등]은 물리적 상태를 변화시킬 수 있으며, 화학적으로 반응할 수 있으며(예를 들어, 산화, 분해, 등), 또는 용접 공정에 의해 실질적으로 수정되지 않은 용접에 포함될 수 있음을 인식해야 한다.
과립형 코어(54) 및/또는 금속 외피(52)에 존재하는 탄소 소스는 많은 형태를 취할 수 있으며, 또한 아크(34)를 안정화시킬 있으며, 및/또는 용접부의 탄소 함량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 그라파이트, 그래핀, 나노튜브, 풀러렌(fullerene), 또는 유사한 실질적으로 sp2-하이브리드 탄소 소스가 관형 용접 전극(50)에서 탄소 소스로서 사용될 수 있다. 또한, 어떤 실시예에 있어서, 그래핀 또는 그라파이트는 탄소의 시트(sheet) 사이의 사잇 공간(interstitial space)에 존재할 수 있는 다른 성분(예를 들어, 습기, 가스, 금속, 등)을 제공하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 실질적으로 sp3-하이브리드 탄소 소스[예를 들어, 마이크로- 또는 나노-다이아몬드, 탄소 나토튜브, 버키볼(buckyball)]가 탄소 소스로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 실질적으로 비정질 탄소[예를 들어, 카본 블랙, 램프 블랙, 검댕(soot), 또는 유사한 비정질 탄소 소스]가 탄소 소스로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 이 성분을 "탄소 소스(carbon source)"로서 지칭할 수 있지만, 탄소 소스는 탄소 이외의 원소(예를 들어, 산소, 할로겐, 금속, 등)를 포함할 수 있는 화학적으로 수정된 탄소 소스일 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 관형 용접 전극(50)은 약 20 %의 망간 함량을 포함할 수 있는 카본 블랙 탄소 소스[예를 들어, 과립형 코어(54) 및/또는 금속 외피(54)]를 포함할 수 있다.
또한, 관형 용접 전극(50)은 아크(34)를 안정화시키기 위해 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속 화합물을 포함할 수 있다. 즉, 관형 용접 전극(50)의 과립형 코어(54) 및/또는 금속 외피(52)는 1족 및 2족 원소, 즉 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)의 하나 또는 그 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 예시적인 화합물의 비-제한적인 리스트는 1족(즉, 알칼리 금속) 및 2족(즉, 알칼리성 토류 금속) 규산염, 티탄산염, 망간 티탄산염, 알긴산염(alginate), 탄산염, 할로겐화물, 인산염, 황화물, 수산화물, 산화물, 과망간산염, 규소할로겐화물(silicohalide), 장석(feldspar), 폴루사이트(pollucite), 몰리브덴광(molybdenite), 및 몰리브덴산염을 포함한다. 예를 들어, 실시예에 있어서, 관형 용접 전극(50)의 과립형 코어(54)는 칼륨 망간 티탄산염, 칼륨 황산염, 나트륨 장석, 칼륨 장석, 및/또는 리튬 탄산염을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 탄소 소스 및 알칼리 금속 화합물의 유사한 예는 발명의 명칭이 "정극성(straight polarity) 금속 코어형 와이어"인 미국 특허 제7,087,860호 및 발명의 명칭이 "정극성 금속 코어형 와이어"인 미국 특허 제6,723,954호에 개시되어 있으며, 이들 두 특허는 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조인용되었다.
또한, 관형 용접 전극(50)은 다른 안정화 성분을 포함할 수 있다. 희토류 원소는 일반적으로 아크(34)에 안정성을 제공할 수 있으며, 또한 결과적인 용접부의 특성에 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 관형 용접 전극(50)은 Rare Earth Silicide(예를 들어, 일리노이즈 로즈몬트 소재의 밀러 앤드 컴파니로부터 입수 가능한)와 같은 희토류 규화물을 사용할 수 있으며, 이것은 희토류 원소[예를 들어, 세륨(cerium)]를 포함할 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 대안적으로, 관형 용접 전극(50)은 아크 안정성을 제공하기 위해 또한 결과적인 용접부의 화학적 성질을 제어하기 위해 다른 원소 및/또는 미네랄을 포함할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 관형 용접 전극(50)의 과립형 코어(54) 및/또는 금속 외피(52)는 어떤 원소(예를 들어, 티타늄, 망간, 지르코늄, 플루오린, 또는 다른 원소) 및/또는 미네랄(예를 들어, 황철석, 자철석, 등)을 포함할 수 있다. 특정한 예에 의해, 어떤 실시예는 알캥이형 코어(54)에 지르코늄 규소화물, 니켈 지르코늄, 또는 티타늄, 알루미늄, 및/또는 지르코늄의 합금을 포함할 수 있다. 특히, 다양한 황화물을 포함하는 황 함유 화합물, 및/또는 아황산염 화합물(예를 들어, 몰리브덴 이황화물, 망간 아황산염, 바륨 황산염, 칼슘 황산염, 또는 칼륨 황산염과 같은) 또는 황-함유 화합물 또는 미네랄[예를 들어, 황철석, 석고(gypsum), 또는 유사한 황-함유 종(species)]은, 비드(bead) 형상을 개선시키고 또한 슬래그 분리를 촉진시킴으로써 결과적인 용접부의 품질을 개선시키기 위해 과립형 코어(54)에 포함될 수 있으며, 이것은 하기에 논의되는 바와 같이 아연 도금된 작업편을 용접할 때 특히 유용할 수 있다.
일반적으로 말해, 관형 용접 전극(50)은 일반적으로 작업편(22)에 대한 아크(34)의 형상을 안정시킬 수 있다. 따라서, 서술된 관형 용접 전극(50)은 용접 공정 중 튀김(splatter)을 감소시킬 동안 용착률(deposition rate)을 개선시킬 수 있다. 또한, 아크(34)의 개선된 안정성은 일반적으로 코팅된 금속 작업편의 용접을 가능하게 할 수 있음을 인식해야 한다. 예시적인 코팅된 작업편의 비-제한적인 리스트는 페인팅된, 밀봉된, 아연 도금된, 갈바닐링된(galvanealed), 도금된(예를 들어, 니켈-도금된, 구리-도금된, 주석-도금된, 또는 유사한 금속을 사용하여 전기도금된 또는 화학적으로 도금된), 크롬 처리된(chromed), 아질산염-코팅된, 알루미늄 도금된(aluminized), 또는 침탄된 작업편을 포함한다. 예를 들어, 아연 도금된 작업편의 경우에, 본 명세서에 서술된 관형 용접 전극(50)은 작업편(22)의 외측상의 아연 코팅에도 불구하고 좋은 용접이 달성될 수 있도록, 일반적으로 아크(34)의 안정성 및 침투(penetration)를 개선시킬 수 있다. 또한, 아크(34)의 안정성을 개선시킴으로써, 서술된 관형 용접 전극(50)은 일반적으로 다른 용접 전극을 사용하여 가능할 수 있는 것 보다 더 얇은 작업편의 용접을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 서술된 관형 용접 전극(50)은 약 16-, 20-, 22-, 24-게이지를 갖는 금속, 또는 심지어 더 얇은 작업편을 용접하는데 사용될 수 있다.
또한, 서술된 관형 용접 전극(50)은 특별한 타입의 작업편을 위해 용접 시스템(10)의 강건성(robustness)을 추가로 증가시킬 수 있는 어떤 용접 방법 또는 기술(예를 들어, 용접 공정 중 용접 전극이 특별한 방식으로 이동하는 기술)과 조합될 수도 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에 있어서, 용접 토치(18)는 관형 용접 전극(50)과 작업편(22) 사이에[예를 들어, 오직 관형 용접 전극(50)의 외피(52)와 작업편(22) 사이에만] 아크(34)를 유지시키기 위해, 용접 토치(18) 내에서 전극을 원하는 패턴(예를 들어, 원형, 스핀 아크, 또는 구불구불한 패턴)으로 주기적으로 또는 정기적으로 이동시키도록 구성될 수 있다. 특정한 예에 의해, 어떤 실시예에 있어서, 서술된 관형 용접 전극(50)은 발명의 명칭이 "DC 전극 네거티브 회전 아크 용접 방법 및 시스템"인 미국 가특허출원 제61/576,850호에 개시된 바와 같은 용접 방법에 사용될 수 있으며, 이것은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조인용되었다. 이런 용접 기술은 전술한 바와 같이 얇은 작업편(예를 들어, 20-, 22-, 또는 24-게이지 두께를 갖는)을 용접할 때 특히 유용할 수 있음을 인식해야 한다.
도 3은 서술된 용접 시스템(10) 및 관형 용접 전극(50)을 사용하여 작업편(22)이 용접될 수 있는 공정(60)의 실시예를 도시하고 있다. 도시된 공정(60)은 관형 용접 전극(50)[즉, 용접 와이어(50)]을 용접 장치[예를 들어, 용접 토치(18)]에 공급하는 단계[블럭(62)]로 시작한다. 또한, 공정(60)은 차폐 가스 흐름(예를 들어, 100 % 아르곤, 75 % 아르곤/25 % 이산화탄소, 90 % 아르곤/10 % 헬륨, 또는 유사한 차폐 가스 흐름)을 용접 장치의 접촉 팁[예를 들어, 토치(18)의 접촉 팁]에 근접하게 제공하는 단계[블럭(64)]를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 가스 공급 시스템[예를 들어, 도 1에 도시된 가스 공급 시스템(16)과 같은]을 사용하지 않는 용접 시스템이 사용될 수 있으며, 또한 관형 용접 전극(50)의 하나 또는 그 이상의 성분(알루미늄, 철, 또는 마그네슘 산화물)이 차폐 가스 성분을 제공할 수 있다. 이어서, 관형 용접 전극(50)은 관형 용접 전극(50)과 작업편(22) 사이에 아크(34)가 형성될 수 있도록 작업편(22)에 근접하게 이동될 수 있다[블럭(66)]. 아크(34)는 예를 들어 GMAW 시스템(10)을 위해 DCEP, DCEN, DC 가변 극성, 펄스형 DC, 밸런싱된 또는 언밸런싱된 AC 전력 구성을 사용하여 생산될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 전술한 바와 같이, 어떤 실시예에 있어서, 관형 용접 전극(50)은 용접 공정 중 아크(34)가 유지될 수 있도록[예를 들어, 실질적으로 관형 용접 전극(50)의 금속 외피(52)와 작업편(22) 사이에] 특별한 패턴 및/또는 기하학적 형상(예를 들어, 스피닝 아크, 소용돌이 패턴, 또는 구불구불한 패턴)에 따라 작업편(22)에 관해 주기적으로 또는 정기적으로 이동될 수 있다[블럭(68)]. 따라서, 어떤 실시예에 있어서, 용접 중 관형 용접 전극(50) 및/또는 관형 용접 전극(50)의 주기적인 이동은 페인팅된, 아연 도금된, 갈바닐링된, 도금된, 알루미늄 도금된, 크롬 처리된, 침탄된, 또는 다른 유사한 코팅된 작업편뿐만 아니라 일반적으로 더 얇은(예를 들어, 20 게이지 보다 작은) 작업편의 용접을 가능하게 할 수 있다.
도 4는 관형 용접 전극(50)이 제조될 수 있는 공정(70)의 실시예를 도시하고 있다. 공정(70)은 스트립을 부분적으로 원형인 금속 외피(52)로 성형하는[예를 들어, 반원(semicircle) 또는 홈통(trough)을 생산하는] 많은 다이(die)를 통해 공급된[블럭(72)] 편평한 금속 스트립으로 시작한다. 금속 스트립이 금속 외피(52)로 적어도 부분적으로 성형된 후, 이것은 과립형 코어 물질(54)로 충전될 수 있다[블럭(74)]. 따라서, 부분적으로 성형된 금속 외피(52)는 다양한 분말형 플럭싱 및 얼로잉 성분(예를 들어, 철 산화물, 아연 금속, 또는 유사한 플럭싱 및/또는 얼로잉 성분)으로 충전될 수 있다. 특히, 다양한 플럭싱 및 얼로잉 성분 중에서, 하나 또는 그 이상의 탄소 소스 및 하나 또는 그 이상의 알칼리 금속 화합물은 이들이 합쳐서 관형 용접 전극(50) 및/또는 과립형 코어 물질(54)의 10% 미만을 포함하도록 추가될 수 있다. 또한, 어떤 실시예에 있어서, 다른 성분(예를 들어, 희토류 규화물, 자철석, 티탄산염, 황철석, 및/또는 다른 유사한 성분)이 상기 부분적으로 성형된 금속 외피(52)에 추가될 수도 있다. 일단 과립형 코어 물질(54)의 성분이 상기 부분적으로 성형된 금속 외피(52)에 추가되었다면, 부분적으로 성형된 금속 외피(52)는 이것이 실질적으로 과립형 코어 물질(54)[예를 들어 시임(seam)(58)을 형성하는]을 둘러싸도록 일반적으로 금속 외피(52)를 밀착시킬 수 있는 하나 또는 그 이상의 다이를 통해 공급될 수 있다[블럭(76)]. 또한, 밀착된 금속 외피(52)는 과립형 코어 물질(54)을 압축함으로써 관형 용접 전극(50)의 직경을 감소시키기 위해 많은 다이(예를 들어, 드로잉 다이)를 통해 나중에 공급될 수 있다[블럭(78)].
본 명세서에선 본 발명의 단지 어떤 특징들만 도시 및 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자에게 많은 수정 및 변경이 발생할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 내에 속하는 한 이런 모든 수정 및 변경을 포함하는 것으로 의도됨을 인식해야 한다.
10: 용접 시스템 12: 용접 전력 유닛
14: 용접 와이어 공급기 16: 가스 공급 시스템
17: 차폐 가스 소스 18: 용접 토치
20: 케이블

Claims (18)

  1. 관형 용접 와이어로서,
    외피 및 코어를 포함하며,
    상기 코어는 합쳐서 코어의 0.01 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 탄소 소스 및 칼륨 소스를 포함하며,
    상기 탄소 소스는 카본 블랙, 램프 블랙(lamp black), 탄소 나노튜브 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 관형 용접 와이어는 망간 아황산염, 몰리브덴 이황화물, 석고, 황산칼슘, 황산바륨 또는 황철석을 포함하는 황 소스를 포함하며,
    상기 코어는 지르코늄, 지르코늄 규소화물, 니켈 지르코늄, 및 지르코늄의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 지르코늄 소스를 더 포함하고,
    상기 코어는 희토류 규화물을 더 포함하는 것인 관형 용접 와이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 칼륨 소스는 규산칼륨, 티탄산칼륨, 알긴산칼륨, 탄산칼륨, 플루오르화칼륨, 인산칼륨, 황화칼륨, 수산화칼륨, 산화칼륨, 과망간산칼륨, 규소플루오르화칼륨(potassium silicofluoride), 칼륨 장석, 몰리브덴산칼륨, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 관형 용접 와이어.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 소스 및 칼륨 소스는 합쳐서 코어의 0.1 중량% 내지 3 중량%로 포함하는 것인 관형 용접 와이어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소 소스 및 칼륨 소스는 합쳐서 코어의 0.01 중량% 내지 8 중량%로 포함하는 것인 관형 용접 와이어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소 소스 및 칼륨 소스는 합쳐서 코어의 0.05 중량% 내지 5 중량%로 포함하는 것인 관형 용접 와이어.
  6. 용접 방법으로서,
    용접 와이어 전극을 용접 장치에 공급하는 단계와,
    상기 용접 와이어 전극과 코팅된 금속 작업편 사이에 용접 아크를 형성하는 단계
    를 포함하며, 상기 용접 와이어 전극은 코어 및 외피를 포함하며,
    상기 코어는 합쳐서 코어의 0.01 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 탄소 소스 및 칼륨 소스를 포함하고,
    상기 탄소 소스는 카본 블랙, 램프 블랙(lamp black), 탄소 나노튜브 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 용접 와이어 전극은 망간 아황산염, 몰리브덴 이황화물, 석고, 황산칼슘, 황산바륨 또는 황철석을 포함하는 황 소스를 포함하며,
    상기 코어는 지르코늄, 지르코늄 규소화물, 니켈 지르코늄, 및 지르코늄의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 지르코늄 소스를 더 포함하고,
    상기 코어는 희토류 규화물을 더 포함하는 것인 용접 방법.
  7. 제6항에 있어서, 차폐 가스 흐름을 상기 용접 아크에 근접하게 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 차폐 가스 흐름은 아르곤, 이산화탄소, 산소, 질소, 헬륨, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 코팅된 금속 작업편은 아연 도금된(galvanized) 또는 갈바닐링된(galvanealed) 작업편를 포함하는 것인 용접 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 코팅된 금속 작업편은 페인팅된, 도금된, 크롬 처리된, 알루미늄 도금된, 아질산염-코팅된, 또는 이들의 조합으로 형성된 금속 작업편을 포함하는 것인 용접 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 칼륨 소스는 규산칼륨, 티탄산칼륨, 알긴산칼륨, 탄산칼륨, 플루오르화칼륨, 인산칼륨, 황화칼륨, 수산화칼륨, 산화칼륨, 과망간산칼륨, 규소플루오르화칼륨, 칼륨 장석, 칼륨 몰리브덴광, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 코어는 추가적인 안정제를 더 포함하고, 상기 추가적인 안정제는 자철석, 황철석, 티타늄, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 작업편은 16 게이지 두께 이하를 포함하는 것인 용접 방법.
  13. 용접 시스템으로서,
    용접 와이어 전극을 수용하도록 구성되는 용접 토치를 포함하며,
    상기 용접 와이어 전극은 합쳐서 용접 와이어 전극의 0.01 중량% 내지 10 중량%를 포함하는 탄소 소스 및 금속 소스를 포함하며, 상기 탄소 소스는 카본 블랙, 램프 블랙(lamp black), 탄소 나노튜브 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 금속 소스는 알칼리 금속 소스, 알칼리성 토류 금속 소스, 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하며,
    상기 용접 와이어 전극은 망간 아황산염, 몰리브덴 이황화물, 석고, 황산칼슘, 황산바륨 또는 황철석을 포함하는 황 소스를 포함하고,
    상기 용접 토치는 용접 와이어 전극과 작업편 사이에 아크를 유지시키면서 용접 와이어 전극을 원하는 패턴으로 주기적으로 이동시키도록 구성되며,
    상기 용접 와이어 전극은 코어 및 외피를 포함하고,
    상기 코어는 지르코늄, 지르코늄 규소화물, 니켈 지르코늄, 및 지르코늄의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 지르코늄 소스를 더 포함하며,
    상기 코어는 희토류 규화물을 더 포함하는 것인 용접 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 용접 시스템은 직류 전극 포지티브(DCEP), 직류(DC) 가변 극성, 펄스형 DC, 밸런싱된 교류(AC), 및 언밸런싱된 AC로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전력 구성을 이용하여 용접하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 알칼리 금속 소스는 알칼리 금속 규산염, 알칼리 금속 티탄산염, 알칼리 금속 알긴산염, 알칼리 금속 탄산염, 알칼리 금속 할로겐화물, 알칼리 금속 인산염, 알칼리 금속 황화물, 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 금속 산화물, 알칼리 금속 과망간산염, 알칼리 금속 장석, 알칼리 금속 폴루사이트, 알칼리 금속 몰리브덴산염, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 알칼리성 토류 금속 소스는 알칼리성 토류 금속 규산염, 알칼리성 토류 금속 티탄산염, 알칼리성 토류 금속 알긴산염, 알칼리성 토류 금속 탄산염, 알칼리성 토류 금속 할로겐화물, 알칼리성 토류 금속 인산염, 알칼리성 토류 금속 황화물, 알칼리성 토류 금속 수산화물, 알칼리성 토류 금속 산화물, 알칼리성 토류 금속 과망간산염, 알칼리성 토류 금속 장석, 알칼리성 토류 금속 폴루사이트, 알칼리성 토류 금속 몰리브덴산염, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 상기 용접 시스템은 아연 도금된, 페인팅된, 도금된, 크롬 처리된, 또는 알루미늄 도금된 작업편을 용접하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 상기 용접 토치에 차폐 가스를 공급하도록 구성되는 가스 공급 시스템을 더 포함하며, 상기 차폐 가스의 흐름은 아르곤, 이산화탄소, 산소, 질소, 헬륨, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 용접 시스템.
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