KR0149272B1 - 탄산가스 편면 용접용 세라믹 이면재 - Google Patents

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Abstract

기존의 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화규소로 조성되는 세라믹 분말에 산화철이 0.01~0.7% 이하로 함유되고 내화도가 S.K 16번(1,460℃) 전후인 세라믹 분말이나, 이들 성분과 유사한 성분을 갖는 카오린, 탈크, 산화알루미늄을 분말화하여 철분을 자력으로 제거한 것에 유기바인더로서 P.V.A. 스테아린산 등을 첨가하여 관용되는 방법으로 탄산가스 편면 용접용 세라믹을 제조함으로서 고전압, 고전류하에서 내기공성이 뛰어나고, 박리성저하, 스파타, 오버랩, 언더컷 등이 발생하지 않는 특징이 있는 것이다.

Description

탄산가스 편면 용접용 세라믹 이면재
제1도는 본 발명에 따른 탄산가스 편면 용접용 이면재의 사용시의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 세라믹 모재 2 : 알루미늄테이프
3 : 스틸판
본 발명은 탄산가스 아크용접(CO2 ARC WELDIN)에 사용되는 편면 용접용 세라믹 이면재(Ceramic backing)에 관한 것으로서, 특히 급열 급냉에 대한 열충격 저항성이 뛰어난 무기하합물을 활용하여 고전류, 고전압의 넓은 용접범위내에서 내기공성이 뛰어난 백비드를 갖고, 또한 산화철(Fe2O3)함량을 최소화하여 용접 결함인 슬래그의 박리성저하, 스파타, 오버랩, 언더컷 등을 발생시키지 않는 탄산가스 편면 용접용 세라믹 이면재(Ceramic backing)에 관한 것이다.
종래에 탄산가스 편면용접용 세라믹 배킹재로서 널리 이용되고 있는 제품은 크게 내화물 성형체와 상기 내화물 성형체 상부에 유리섬유를 보강한 제품 등이 있는데 이러한 용접배킹재는 다음과 같은 결점을 가지고 있어서 용접후 많은 용접 결함을 갖게 된다.
즉, 상기한 내화물 성형체는 급열, 급냉에 대한 열충격 저항성과 기계적 강도는 양호하다 하더라도 내화물 모재속에 산화철(Fe2O3)이 다량 함유되어 있기 때문에 용접시 철이 화학 반응을 일으키게 되어 용접후 많은 용접결함을 유발하는 주요 원인이 되었었다.
탄산가스(CO2) 용접시 세라믹 배킹재로의 역할은 첫째, 아크열에 의한 세라믹 모재가 전체 두께의 약 1/3정도 용융되어 철판모재의 백비드 형성과 그루브 넓이 및 깊이 등을 조절하게 하고 둘째, 모재인 철판(Steel)이 용융되면서 생성된 용융금속을 보호 및 받쳐주는 역활을 하며 셋째, 탄산가스 발생으로 인한 슬래그 생성 및 가스방출 역할을 하고 넷째, 용접후 용접결함인 스파타, 오버랩, 언더컷, 내부기공, 그루브깊이, 넓이, 형상변화 등이 발생하지 않게 하고 다섯째, 용접후 철판(Steel) 모재와 세라믹 배킹재가 매끄럽게 완전분리되게 하는 역할을 하는 것이다.
이상과 같이 탄산가스 편면 용접용 세라믹 배킹재는 크게 다섯가지 역할을 하게 됨으로 결국 그 요건을 충족해야만 하는 것이다.
그러나 상기한 내화물 성형체는 상기한 바와같이 세라믹 모재자체에 산화철(Fe2O3) 성분이 과다하게 존재하므로 1,450℃~1,550℃의 고온에서 행해지는 탄산가스 편면 용접시에 철판모재의 주요성분인 철성분이 세라믹 모재내의 철성분과 함께 서로 용융되어 밀착 흡수되어 버리는 커다란 결점을 갖게되고, 따라서 용접후 슬래그 박리성 저하는 물론 기타 용접결함들인 오버랩, 스파타, 언더컷, 내부기공, 그루브깊이, 넓이, 형상변형 등의 결점을 피할 수 없게된다.
또한, 상기한 내화물 성형체 상부에 유리섬유를 보강한 제품은 유리섬유로 보강되었기 때문에 내화물 모재에서 발생되는 철성분이 철판모재의 철성분과의 접촉을 억제시키고, 백비드 형상 및 가스의 방출이 용이하기는 하나, 이것 역시 상기 내화물 성형체 만큼의 반응은 일어나지 않더라도 내화물 모재내에 존재하는 철의 발생은 완벽하게 막을수는 없었다.
그 이유는 유리섬유는 내열성이 낮아서, 즉 유리섬유는 1,000℃ 부근에서 완전 용융되므로 용접시 용융 금속온도 및 아크열에 의해 유리섬유가 견디지 못하고 완전 용융되어 결국에는 내화물 모재가 노출되게 되고 이로인해 내화물로부터의 철의 발생을 억제시키지 못하는 결점이 있게 된다.
따라서, 현재 사용중에 있는 탄산가스 편면 용접용 세라믹 배킹재는 그 근본적인 문제점인 내화물 모재내의 산화철(Fe2O3)에 의한 철분의 발생을 근본적으로 제거하지는 못하였다.
본 발명은 상기한 바와같은 문제점, 즉 내하물 모재내에 존재하는 산화철(Fe2O3)의 양을 최대한으로 억제할 수 있는 세라믹 소재를 단발하여, 탄산가스 편면 용접시 발생되었던 상기한 바와같은 용접결함을 완전 제거하는 탄산 가스 편면 용접용 세라믹 배킹재를 제공하자는 것이다.
산화마그네슘(MgO) 5~18%, 산화알루미나(Al2O3) 25~40% 및 산화규소(SiO2) 47~65%로 조성된 일반적인 세라믹 소재에 산화철이 0.01~0.7% 이하로 함유되고 내화도가 S.K 16번(1,460℃) 전후인 세라믹 분말을 소재로 하여 자력(磁力)으로 철분을 강제 제거 후 거기에 폴리비닐알코올(P.V.A), 스테아린산과 같은 유기바인더를 첨가하여 소정의 형태로 관용되는 방법에 의하여 가압 및 가열(1,320℃~1,380℃)하여 탄산가스 편면 용접용 세라믹 배킹재를 제조하는 것이다.
이상과 같이 구성되는 본 발명에서의 각 조성성분에 따른 작용효과를 보면 다음과 같다.
산화마그네슘은 산화알루미나와 더불어 세라믹 모재의 내하도를 높여주는 주된 성분으로서 본 발명 세라믹 모재 조성물에 5% 미만으로만 함유하고 있을때는 용융금속의 점성이 낮아서 슬래그의 박리성이 낮게 되므로 언더컷, 오버랩 등의 많은 용접결함을 갖게되며 18% 이상을 함유할 경우에는 오히려 용융금속의 점성이 과대해지기 때문에 아크열에 의해 발생되는 가스의 방출이 어려워지므로 플로오홀, 패인자국 등과 같은 용접결함을 갖게 된다.
산화마그네슘(MgO)을 축출할 수 있는 무기 재료로서는 천연적으로 존재하는 탈크, 돌로마이트, 스테어타이트, 포스테라이트, 스피넬 등의 화합물이 있다.
본 발명의 주요 성분중의 하나인 산화마그네슘은 앞에서 서술한 산화마그네슘 공급원료중 탈크가 가장 적합한데 그 이유는 탈크의 주요성분 중 산화마그네슘이 35% 정도이고 산하규소가 65% 정도로 구성되어 있는 무기화합물이기 때문이다.
따라서 본 발명의 주요성분인 산화마그네슘 성분과 산화규소 성분은 탈크를 사용함으로 동시에 얻을수 있기 때문이다.
산화알루미나는 세라믹 모재의 내열성 정비재료로 활용되며 슬래그 박리성을 양호하게 하는 것으로서, 이것이 본 발명의 세라믹모재에 25% 미만 함유하고 있을때는 세라믹 모재의 내열성이 저하되어 백비드 형상조절이 어렵게 되며, 생성된 슬래그의 점성이 낮아져서 슬래그의 박리성이 결여된다.
또한, 40% 이상을 함유시에는 내화도가 지나치게 높아져서 생성 슬래그의 점성이 지나치게 높아지고 이로인하여 용접결함인 스파타, 언더컷, 오버랩 등이 발생하게 된다.
산화알루미나(Al2O3)를 공업적으로 얻을수 있는 대표적인 무기재료로서는 복사이트 광물인 베마이트, 다이아스포어, 깁사이트, 하이드라 길라이트 등가 카오린, 샤모트, 뮬라이트, 장석등이 있는데 이중 복사이트에서 축출하여 제조된 순수 산화알루미나를 활용하는 것이 본 발명에 가장 적합하다 하겠다.
산화규소는 세라믹 모재를 구성하고 있는 주된 성분으로서 47% 미만을 함유시에는 내열성 저하로 인하여 과대한 슬래그를 발생시키면서 속비드를 생성하게 되고, 용해물이 많아져서 아크열의 불안정을 초래하게 되어 언더컷, 스파타 등의 용접결함을 갖게된다.
또한, 65% 이상에서는 슬래그의 유동성이 적어지므로 슬래그의 말림현상 및 움푹패인 형상 등의 용접결함을 갖게된다.
산화규소(SiO2)를 공업적으로 얻을수 있는 무기재료로서는 실리카와 장석, 카오린, 탈크, 샤모트, 뮬라이트, 코디어라이트, 실리마라이트족, 광물인 규선석, 홍주석, 남정석 기타 많은 무기화합물이 있는데 본 발명에서 필요로 하는 성분 규정을 충족시키는 광물로서는 카오린이 적합하다 하겠다.
이는 카오린의 성분이 산화알루미나를 40% 정도 함유하고 있으며 나머지 성분 60% 정도가 산화규소로 되어 있기 때문이다.
상기의 산화마그네슘 공급원료 탈크와 더불어 카오린을 활용할시에는 본 발명 주요성분인 산화마그네슘(MgO), 산화알루미나(Al2O3), 산화규소(SiO2) 성분을 규정 범위내에서 쉽게 조절하여 사용할 수 있기 때문이다.
산화철은 그 함량에 따라 본 발명 세라믹 배킹재의 활용가능성 여부를 좌우하는 중요한 요소로서, 즉 본 발명의 세라믹 모재를 조성하는 주요성분인 산화마그네슘, 산화알루미나, 산화규소의 함량이 필요한 량 만큼 함유되어 있다고 하더라도 산화철의 함유량에 따라 세라믹 배킹재로서의 활용가능 유, 무를 결정하게 되는 중요한 구성요소인 것이다.
탄산가스 편면용접은 상기한 바와같이 1,450℃~1,550℃ 부근의 고온 아크열에 의하여 행해지는 용접기법으로서 용접중 세라믹 모재일부와 철판모재(Steel)의 용융은 필연적으로 일어나는데, 이때 산화철(Fe2O3)의 모재내 반응을 얼마만큼 억제시키느냐가 가장 큰 관건인 것이다.
따라서 0.7% 이상의 산화철이 세라믹 모재내에 존재할 시에는 기존의 세라믹 모재처럼 슬래그의 박리성 결여 및 스파타, 오버랩, 움푹 패인자국, 속비드 기공 생성등과 같은 전반적인 용접결함을 가질 수밖에 없다.
상기 세라믹이나 광물질들에는 미량의 알카리 금속산화물인 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 석회석(Cao)등이 함유되어 있으나 이들 성분은 세라믹 모재내에서 플럭스(융제) 작용을 하며 세라믹 모재의 소성범위를 넓혀주는 역할을 하는데, 이것이 0.5% 미만을 함유할 경우에는 슬래그의 점성이 낮아져서 생성된 속비드의 말림현상 즉, 언더컷이라는 용접결함이 발생하게 되고, 한편 2.5% 이상을 함유시에는 세라믹 모재의 결정구조를 지나치게 유리화 시킴으로 급열, 급냉에 대한 열충격 저항성이 떨어지게 되어 그때 생성된 슬래그의 점성이 과도하게 높아져서 가스의 방출이 용이하지 않게되고 따라서 백비드는 움푹 패인 자국 등의 용접결함이 발생하게 되므로 가급적 상기와 같은 불순물인 알카리 금속 산화물을 적게 함유하는 것이 좋다.
그리고 본원 발명에서 세라믹 모재의 기공율은 급열, 급냉에 대한 열충격 저항성을 좌우하는 요인으로서, 즉 용접시 세라믹 모재가 급열에 의해 파손되지 않고 용융금속을 지속적으로 떠받쳐 줄수 있게끔 세라믹 모재내에는 일정량의 기공이 필연적으로 존재하여야 한다.
그런데 본원 발명에서는 세라믹 모재의 기공율이 25% 이하일 때는 모재의 치밀화를 가져와 세라믹이 유리화되어 가스방출이 용이하지 않게 되므로 용접시 고열로 인한 세라믹 파손이 일어나게 되며 48% 이상일 경우는 세라믹 모재의 기계적 강도가 저하되어 외부충격에 약할뿐아니라 대기권내에 존재하는 수분을 필요이상 흡수하게 되어 용접시 백비드내에 다량의 미세 기공을 형성시키는 원인이 된다.
또한 본 발명 세라믹 모재이 내화도 역시 약 1,450℃~1,550℃의 고온에서 행해지는 탄산가스 편면용접에 직접적인 영향을 미치는데, S.K13번인 1,380℃ 이하의 융점을 가지고 있는 세라믹 모재는 내열성이 너무 낮아 용접시 쉽게 녹아버리는 단점이 있어 슬래그의 과잉생성으로 인해 언더컷, 오버랩현상 등의 용접결점이 나타나게 된다.
반면 S.K 18번인 ,1500℃ 이상의 내열성을 갖는 세라믹 모재는 용접시 전혀 녹지를 않아 슬래그의 발생은 억제하나 열충격에 대한 저항성이 저하되어 쉽게 파손되는 경우가 발생되므로 세라믹 배킹재의 내화도는 S.K 16번(1,460℃) 전후가 가장 이상적이다.
[실시예]
용접식 세라믹 배킹제의 조성, 기공율 및 내화도 등을 표1에서와 같이 달리하면서 다음 용접조건에 따라 용접시험을 실시하고 그 실험결과를 표2에 나타냈다.
[용접조건]
용접 와이어 : 탄산가스 아크(용접용 플럭스 코드 와이어 1.2 or 1.4m/m)
(한국 알로이로드, 현대종합금속 SF-71)
(미국 DS-7100)
용접전류 : 220~240A
용접전압 : 26~28V
용접갭(CAP) : 5~6m/m
용접속도 : 16~18CPM
용접자세 : 평면용접, 수직용접, 수평용접
표 1의 성비율 및 조성조건과 표 2의 실험결과를 참조하면 세라믹 모재내의 산화철의 중량에 따라 용접 시험결과는 확연히 달라짐을 알 수 있다.
본 발명의 세라믹 모재 조성범위에 속하는 실시예 7~10의 성분에서는 용접, 비드 외관및 슬래그 박리성 등과 같은 용접결함이 전혀 없이 매우 우수한 용접결과가 나타났음을 알 수 있고 반대로 산화철((FeO)의 양이 본 발명의 조성범위를 벗어난 실시예 1~6은 비록 본 발명의 세라믹 모재와 동질인 무기화합물을 사용했지만 산화철((FeO)이 필요이상 존재하고 있었기 때문에 많은 용접결함이 나타날 수밖에 없었다.
한편 실시예 11,12는 산화철(FeO)의 양이 본원 발명의 조성비의 범위에 속하는 것이었지만 이 역시 본 발명의 세라믹 모재의 또 다른 조성성분인 산화마그네슘, 산하알루미나, 산화규소의 함량이 본 발명의 조성비율을 벗어난 것이어서 이 역시 많은 용접 결함을 갖는 것으로 나타났다.
이하 상기 용접 시험결과에서 나타난 각 실시예 별 용접결함 및 문제점을 살펴보면 다음과 같다.
[실시예 1,2,3]
3가지 경우 모두 거의 비슷한 실험결과를 얻어졌는데 그 이유는 산화철(FeO)의 양이 세라믹 모재내에 다량 함유되어 있기 때문에 용접시에 아크온도, 즉 1,450℃ 전후의 고온에서 철판(Steel)모재와 세라믹 모재간의 용융과정에서 일어나는 화학반응 현상을 막을수 없었고 이로 인한 스파타, 움푹패인자국, 슬래그 박리저하 등의 용접결함을 피할수 없었다.
[실시예 4,5]
두가지 모두 세라믹 모재내의 산화철((FeO)이 다소 감소하여 용접후 세라믹 모재파손 및 언더컷, 스파타 발생 등이 거의 발생하지 않는 보통정도의 백비드를 얻을수 있었지만 이 역시 슬래그의 박리저하, 오버랩, 프로오홀 등과 같은 기타 용접결함이 발생하는 것을 알수 있었다.
[실시예 6]
본 발명에 속하는 조성범위와 거의 비슷한 성분으로 구성된 예로서 실험결과가 전체적으로 양호한 것으로 판명되었으나 플로오홀과 핀홀 발생은 막을 수가 없었다.
이는 산화철((FeO)이 본 발명의 조성범위에 비록 근접하였다 할지라도 조성범위를 조금이라도 벗어나면 용접 결함은 필연적으로 발생한다는 것을 확인시켜준 결과라 하겠다.
[실시예 11,12]
두가지 실시예 모두에서 산화철((FeO)은 본 발명의 조성범위내에 포함되고 있으나 또 다른 성분인 산화알루미나(AlO) 및 산화규소(SiO) 성분이 본 발명의 조성범위를 벗어나 것어서 이 역시 용접에 지대한 영향을 미치는 것으로 나타난 결과이다.
산화규소(SiO)의 첨가량이 과다해지고, 산화알루미나(AlO)의 첨가량이 감소함에 따른 현상은 표 2에서도 나타나 있듯이 세라믹 모재의 내화도 저하와 기공율 저하를 초래하였고, 이는 곧 세라믹 모재의 융점을 저하시켜 고온에서 쉽게 용융되는 결점과 열충격에 대한 저항성을 상실시키는 원인이 되었다.
때문에 용접시 발생되는 아크의 고열에 의해 세라믹 모재와 철판(Steel) 모재간의 용융물이 과다하게 생성되어, 다량의 가스가 방출되어 못하고 백비드 속에 그대로 존재하게 되므로 움푹 패인자국과 슬래그 말림현상 및 기타 용접결함 등을 가져오게 되었다.

Claims (1)

  1. 산화마그네슘(MgO) 5~18℃, 산화알루미나(Al2O3) 25~40℃ 및 산화규소(SiO2) 47~65%로 조성된 일반적인 세라믹 소재에 산화철이 0.01~0.7% 이하로 함유되고 내화도가 S.K 16번(1,460℃) 전후인 세라믹 분말을 소재로 하여 자력(磁力)으로 철분을 강제 제거 후 거기에 폴리비닐알코올(P.V.A), 스테아린산의 유기 바인더를 첨가하여 소정의 형태로 관용되는 방법에 의하여 가압 및 가열(1,320~1,380℃) 함을 특징으로 하는 탄산가스 편면 용접용 세라믹 이면재.
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