KR0185195B1

KR0185195B1 - 금속심 용접봉

Info

Publication number: KR0185195B1
Application number: KR1019900014610A
Authority: KR
Inventors: 알란 브쉐이 로저; 쥬진 페리 스텐리
Original assignee: 프랭크 티. 엥겔; 엘로이 로드스 글로벨 인코오포레이션
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1999-04-01
Also published as: AU6242590A; JPH03166000A; KR910007623A; US5095191A; JP2793897B2; CA2025025A1; CA2025025C; AU637635B2; US4999478A

Abstract

본원 발명은 이음매가 있는 제1철금속관에 5 내지 30%의 심성분을 갖는 CO₂가스차폐용접에 대한 금속심 용접봉에 대한 것으로서, 이 심은 용접봉중량에 대하여 세슘이 약 0.01% 내지 약 0.5%, 세슘/ 리튬, 소튬, 포타슘과 루비듐으로-이루어진 그룹으로 부터 선택된 기타 알카리금속이 중량비로 약 0.1 내지 3.0, 실리콘, 망간 그리고 임의로 티탄, 콜룸븀, 알루미늄, 닉켈, 크로뮴 및 코발트로 부터 선택된 합금원소 약 0.3% 내지 약 10%와, 보론 0.01% 이상과, 부수적인 불순물을 함유하는 적량의 철로 이루어진다.

이 용접봉은 CO₂가스가 차폐된 용접공정시 교직류의 역극성 및 정극성이 사용되어 아아크를 안정하게 하고, 스패터수준을 감소시켜 고품질의 용접을 제공하게 된다.

Description

금속심 용접봉

제1도는 세슘/알카리금속 비율이 본 발명의 용접봉으로 용착된 용접부의 스퍼터 레벨에 미치는 영향을 나타낸 그래프이고,

제2도는 세슘/알칼리금속 비율이 암페어의 변화에 영향을 나타낸 그래프이며,

제3도는 세슘/알칼리금속 비율이 전압의 변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 CO₂가스 차폐 금속 아크 용접을 위한 금속심 용접봉에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역극성 용접에 세슘을 함유하는 봉합된 금속심 용접봉에 관한 것이다.

오랫동안, 아르곤이나 헬륨과 같은 비교적 고가의 불활성 가스가 정극성 및 역극성 용접과 A, C 용접 공정에서 고질의 용접부를 얻기 위해 대기로부터 용접 아크를 차단하는 데에 사용되어 왔다. 이 기술(워크피스가 음성인 경우)은 음성 워크피스(workpiece)가 보다 우수한 침투를 허용하는 양성 워크피스보다 뜨겁기 때문에, 역극성 용접에 매우 바람직하다. 예컨대, 미국 특허 제 2,806,128호; 제 2,932,722호; 제 3,147,362호와 그들에서 인용된 특허들 및 Cushman의 Welding Reserach Supplement, January, 1961, page 14∼21 의 Electrode for Spatter-Free Welding of Steel Carbon dioxide를 보면, 이러한 기술이 보다 상세하게 개시되어 있는 바, 차폐용 가스로서 불활성 가스 대신에 CO₂함유가스를 사용하면 차폐 용접 비용을 절감할 수 있다. 이러한 가스는 일반적으로 25% 이상의 CO₂가스와 75% 이하의 불활성 가스로 이루어진다. 그러나, CO₂차폐 아크를 통한 금속 전이는 그 형태가 구형이 되려는 경향이 있으며, 역용접공정에서 통제하기가 특히 어렵다. 그 결과로 불안정한 아크와 과다한 스퍼터 레벨이 초래되어 아크의 질이 나빠지고 용접 효율이 떨어지며 세척비용이 높아진다.

미국 특허 제 2,932,722호에는 세슘(카보네이트 또는 히드록시드)을 다른 알칼리 금속과 조합된 상태로 포함하는 소위 방사제(emissive agent)을 함유하는 보호막을 제공함으로써 금속전이의 분사형태를 개선하여 스퍼터 방사를 감소시킨 개선된 용접봉에 대해 기재되어 있다. 그러나, 미국 특허 제 2,932,722호에 기재된 바와 같이 세슘 보호막을 갖는 용접봉으로 용접하게 되면 정극성으로 조작할 때(전극이 음성이고 워크피스가 양성일 때)만통제가 가능하다는 단점이 있다.

미국 특허 제 3,147,362호에는, 상기 미국 특허 제 2,932,722호의 전극에서의 세슘-함유 보호막이 너무 흡수성이어서 세슘 화합물이 분해되려는 경향이 있으며 표면 필름에 전기 접촉 불량이 발생되는 경향이 있다. 따라서 이 특허는 필(fill)에 방사 물질을 제공할 것을 제안하였다. 즉 알칼리금속 카보네이트로 도포된 금속 조각을 함유하는 심 물질(1% 이하의 세슘 카보테이트와 99% 이상의 루비듐, 칼륨, 나트륨 및 리튬 카보네이트로 이루어짐)을 금속관에 치밀하게 채워준 후, 이를 압출 및 사출시킨다. 이러한 개선에 따르면 심 안의 세슘과 기타 고흡수성 성분이 대기중의 습기를 막아 주어 세슘-함유 보호막에서 경험되었던 바와 같은 전기접촉의 문제점이 해결된다.

미극 특허 제 3,147,362호에 상기 금속심 용접봉에 대해 기술되어 있으나, 시판되는 복합 아크 용접봉이 충전관으로 만들어지는 것은 바람직하지 못하기 때문에 상업성이 없었다. 게다가, 평평한 금속 스트립은 계속적으로 U-자형으로 형성되고, 그 안이 심성분으로 채워지며, 이어서 스트립의 근접 가장자리에 의해 제한된 봉합부를 갖는 튜브로 굽어져서 결과적으로 크기가 늘어난다.

한편, 세슘은 대기로부터 용이하게 수분을 흡수하여 이것이 장치를 차단하는 마개의 역할을 하기 때문에 세슘을 상기 스트립 안으로 계속해서 정확하게 공급한다는 것은 매우 어렵다. 부가적으로, 대기로부터 흡수된 수분이 복합 용접봉의 봉합선을 통해 심으로 통하는 것은 피할 수 없는 바, 이로 인해 금속의 용접 용착시 확산되는 수소기체의 양이 많아지게 된다. 따라서, 바람직하기로는 몇 일 동안 선반 위에 놓여진 채로 수분에 노출된 후일지라도 용착된 용접 금속 g 당 5㎖ 이하의 수소를 포함하는 정도로 용접봉 용착량이 많이 용접되는 것이 좋다(바람직하게, 역극성 CO₂기체 차폐 용접 공정에 의하는 것이다).

이에 본 발명의 목적은 CO₂기체가 차폐된 상태로 용접을 실시하기 위해 소량의 세슘과 기타 알칼리 금속이 함유된 봉합 금속심 용접봉을 제공하는데 있다. 분사형 금속 전이, 안정한 아크 및 감소된 스퍼터링은 제작 공정 동안 및 그 이후에 용접봉의 봉합선을 통해 수분이 불가피하게 흡수됨에도 불구하고 정극성 뿐만 아니라 역극성 D.C. 및 A.C. 용접동안에 얻을 수 있다. 용접봉의 금속관의 심성분은 금속심 용접봉 중량%에 대해, 세슘 0.01 내지 0.5% 및 리튬, 나트륨, 칼륨 및 루비듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 알칼리금속(세슘/알칼리금속의 중량비가 0.1 내지 3.0), 적어도 하나의 금속 합금 성분 0.3 내지 10%, 붕소 약 0.01% 이하 및 나머지는 철과 불순물들로 이루어져 있다.

용접 아크를 효과적으로 안정화시키기 위해서는 세슘 약 0.01%를 포함해야만 하고, 세슘 약 0.5% 초과하여 포함하면 용접 아크가 완만하게 되는 경향이 있다. 바람직하기로는, 상기 용접봉은 스퍼터 레벨을 매우 감소시키기 위해 세슘 0.07 내지 0.2%를 포함하는 것이 좋다. 기타 알칼리 금속성분은 주로 나트륨으로 이루어지는 것이 바람직한 바, 이는 방사 화합물로 세슘과 나트륨을 포함하는 본 발명에 따른 용접봉이 나트륨 화합물 대신 칼륨이나 리튬 화합물을 포함한 용접봉과 비교해 볼 때, 역극성 용접공정에서 아크 안정성과 스퍼터 레벨 감소 현상이 매우 우수하기 때문이다. 더욱 바람직하기로는, 본 발명에 따른 용접봉은 분사 금속 전이를 향상시키기 위해 세슘 이외에도 나트륨 약 0.04 내지 0.17%를 포함하는 것이 좋다.

실리콘 0.2 내지 2%, 망간 0.1 내지 3% 및 선택적으로 티타늄 0.5%이하, 콜롬비움 0.5% 이하, 알루미늄 0.5% 이하, 니켈 3% 이하, 크롬 3% 이하, 및 코발트 3% 이하를 포함하는 통상의 금속합금 원소들은 물성을 얻기 위하여 용접 용착물 속에 총량이 약 0.3 내지 10%까지 존재할 수 있다. 상기 합금원소들은 합금성분으로서 제공되거나 함유물로서 세슘 속에 제공될수 있다.

붕소는 미국 특허 제 4,282,420호에 기재되어 있는 바와 같이 미량 합금성분으로 부가될 수 있는 데 인용문에 따라 혼합된다.

나머지 심성분은 부수적인 불순물과 함께 철로 이루어져 있고, 상기 불순물의 형태는 통상적으로 금속에 탄소, 산소, 질소, 황, 인산 같은 것이 함유되고 함유물은 일반적으로 금속심 용접봉 속에 알칼리금속과 함께 음이온 및 양이온 같은 것이 포함되게 된다(염의 형태로 제공된다).

본 발명의 바람직한 구현예에서는 상기 용접봉은 37℃(80℉), 80% 상대습도에서 9일동안 노출한 후 관의 중량과 심성분의 중량을 기초로 용접봉심속에 습기가 약 1% 미만 포함하게 된다. 본 발명의 구현예에서 용접봉은 심성분과 심 속에 1% 미만의 습기를 가질 때 효과적으로 안정한 용접 아크를 증진시켜 스퍼터를 감소시킨다. 상기 약 0.5% 미만의 습기를 갖는 용접봉이 바람직하며, 다공성이지 않고 또는 다른 인정할 수 없는 결점이 없는 용접 금속 용착물 g 당 5㎖ 미만의 수소를 갖는 양질의 용접을 용착시키기 위하여는 약 0.3% 미만의 습기를 갖는 용접봉이 더욱 바람직하다.

본 발명을 구현하는 CO₂가스차폐용접을 위한 전형적인 용접봉은 일반적으로 크롬산세슘 0.5 내지 1%; 탄산나트륨 0.5 내지 1.5%; 실리콘 0.2 내지 2%, 망간 0.1 내지 3%, 및 티타늄 최대 0.5%이 제공되도록 (용접봉 중량을 기초로) 실리콘, 망간 및 티타늄의 철합금 18 내지 26%를 포함하고, 나머지는 부수적인 불순물이 주로 탄소와 함께 철 파우더를 함유하는(심 중량만을 기초로) 심성분을 갖는 제1철의 봉합된 금속관을 갖는다. 일반적으로 심성분은 전체 용접봉 중량의 약 5 내지 30%로 이루어져 있으며, 상기 관은 직경이 약 1mm에서 약 5mm 까지 일 수 있으며, 탄소, 스테인레스 또는 합금 강철로 이루어져 있다.

직경이 1.2mm(0.045인치)의 봉합된 연성 강철 튜브와 상기 제한 범위 내에서 심성분 약 17%를 가지는 용접봉을 세슘염을 함유하지 않는 비교 전극에 의해 약 260 암페어, 29볼트에서 DC 전원을 사용하는 가스차폐된 역극성 용접 공정하에서 시험하였다. 상기 차폐기체는 100% CO₂를 사용한다. 6인치 길이의 용접부분을 평평한 자리에 용착시키고 스퍼터 방사물을 모아 중량을 측정한다. 스퍼터 레벨은 용착된 용적금속의 킬로그램마다 결정한다.

비교 실험 결과를 제1도 내지 제3도에 제시하였다. 둥근 표시를 한 데이타 값은 세슘을 함유하지 않는 용접봉으로 실시한 실험 결과이다. 제1도는 세슘/나트륨을 0.4 내지 2.6 첨가하는 것이 스퍼터 레벨을 상당히 감소시켰음을 보여준다. 유사하게 제2도와 제3도는 암페어와 볼트의 변화가 적은 양의 세슘을 첨가하여 상당히 감소되었음을 보여준다. 또한 이들 도면은 세슘/나트륨 약 2중량%에서 야기하는 볼트와 암페어 변환에서 약간의 증가를 보이는 세슘/나트룸 약 0.8을 함유하는 용접봉이 비교 용접봉에 대해 물성면에서 놀라운 향상을 나타내고 있음을 보여준다. 최적의 스퍼터 레벨은 세슘/나트륨 1.2 내지 1.8중량%인 용접봉에서 얻어졌는데 상기 용접봉들은 각각 세슘 0.20%/나트륨 0.17%와 세슘 0.07%/나트륨 0.04%를 함유한다.

본 발명의 구현예의 용접봉과 CO₂기체 차폐된 용접에 적합한 상업적으로 유용한 일반 용접봉(세슘을 포함하지 않음)에 실시된 유사한 비교 시험은 본 발명을 구현한 용접봉이 비교되는 일반 용접봉보다 높은 와이어 속도 및 진행속도로 수평의 필릿 용접(fillet weld)에 평평한 비드 윤곽을 용착시키는 것으로 나타냈다.

일반적인 용접봉은 높은 와이어 스피드로 용접할 때 용융 반죽으로 덮힌 아크를 만드는데 이는 용착된 용접금속을 용융되지 않거나 재로 만들 위험이 있다.

크롬산염 이외에 세슘과 다른 알칼리 금속들이 적절한 형태로 제공될수 있다. 그러므로 타르트레이트, 퍼망가네이트, 티타네이트, 알루미네이트, 스테아레이트, 카보네이트, 콜롬비네이트, 탄탈레이트, 지르코네이트 등과 같은 화합물이 사용될 수 있으며, 또한 철, 니켈, 크롬칼슘 등도 포함되는데 크롬산세슘이 바람직한 세슘 공급원이다. 세슘 공급원으로 크롬산세슘을 함유하는 용접봉을 상세습도 80%, 55℃(130℉)에 120 시간 동안 노출시킨다. 상기 용접봉들은 CO₂가스 차폐된 용접 시험에서 다공성이지 않고, 또는 다른 결점 없는 높은 질로 용접을 용착한다.

티탄산세슘은 또 다른 바람직한 세슘 공급원이다. 류콕센과 다른 천연 티탄산염 공급원들은 유리하게 크롬과 콜롬비움과 같은 금속 합금 물질뿐아니라 칼슘 또는 플루오린과 같은 불순물을 포함한다. 세슘의 공급원과 다른 성분에 상관없이, 본 발명을 구현하는 용접봉은 3% 이하의 크롬, 0.5% 이하의 티타늄 및 0.5% 이하의 콜롬비움을 포함한다. 바람직하게 용접봉은 0.06% 이하의 티타늄을, 더욱 바람직하게는 0.02% 이하의 티타늄을 함유하여 우수한 분사 전이를 한다. 또한, 바람직하게 용접봉은 0.1% 이하의 콜롬비움을 더욱 바람직하게는 0.05% 이하의 콜롬비움을 함유하여 우수한 분사 전이를 한다. 알칼리 금속은 할로겐염으로 제공될 수도 있으나, 이들 염은 흡수성이 매우 강하기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 이들을 용접봉의 제조 중에 계량장치를 통해 전달하고 공급하기가 특히 어렵다. 이러한 흡수성염은 알칼리금속 공급원으로서 사용을 용이하게 하기 위하여 입자상의 물 유리 필름에 열을 가해 응집시킬 수 있다. 바람직하게는, 세슘과 더불어 다른 알칼리금속을 흡수성이 강한 루비듐을 소량 함유한다.

단일염 뿐아니라 세슘은 천연 자원으로부터 또는 합성을 통해 이중염으로도 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 세슘 알루미늄 실리케이트는 폴뉴사이트로부터 제공될 수 있으며, 비용은 더 드나 세슘 알루미늄 콜롬비네이트와 같은 이중염도 졸-겔 또는 다른 과정을 통해 합성될 수 있다. 세슘의 공급원과 다른 성분에 상관없이, 본 발명에 따른 용접봉은 0.5% 이하의 알루미늄을 함유하는 바, 이는 전이되는 금속상에 내화성의 알루미늄 산화물을 형성하는 경향이 있다. 바람직하게는, 용접봉은 용접 아크를 가로지르는 원형 금속 전이를 최소화하기 위하여 0.1% 미만의 알루미늄을 함유하며, 더욱 바람직하게는 0.01% 미만의 알루미늄을 함유하여 아크를 가로지르는 분사 전이를 얻는다.

제1도는 상술한 용접봉과 근본적으로 거의 유사하나 세슘 알루미늄 콜롬비네이트 이중염의 형태로 세슘을 함유하는 금속심 용접봉 상에서의 스퍼터 시험 결과를 요약하여 기호로 나타낸 두 데이타를 나타낸다. 따라서, 제1도는 알루미늄과 다른 콜롬비움 또는 탄타륨과 같은 다른 내화성 원소를 함유하는 이중염이 본 발명에서 세슘의 공급원으로 유용할 수 있음을 나타낸다. 그러나, 세슘 플루오로티타네이트와 같은 할로겐염을 함유하는 이중염은 할로겐염이 일반적으로 흡수성을 가지므로 바람직하지 못하다.

합금성분은 알칼리 금속 함유 화합물 및 또는 철합금을 함유하는 합금이 바람직하나, 이들과 관련되어 있는 불순물들이 용접과정 또는 용착된 용접금속에 본질적으로 역효과를 내서는 안된다. 철은 일반적으로 분말 형태를 갖는다.

용접과정 중의 세슘 및 용착된 용접금속상의 수분 효과를 감소시키기 위하여 9일 동안 80%의 상대습도를 갖고 35℃(80℉)에 노출시켜 전체 용접봉에 대해 약 1% 미만의 수분을 함유하는 용접봉이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 용접봉은 확장된 선반(shelf)수명을 제공하기 위해 0.5% 미만의 수분을 함유한다. 높은 습도 대기에 노출시킨 0.3% 미만의 수분을 함유하는 용접봉은 고질의 용접을 생성해낸다.

추가적으로 CO₂가스 차폐된 용접 시험은 용접봉 심에 최대 6% 실리콘, 최대 12% 망간 및 최대 1% 티타늄, 적어도 약 70% 철 및 방사물을 다음과 같은 양으로 함유한 합금 성분을 갖는 17% 필(fill)를 갖는 다른 용접봉으로 수행하였다.

Claims

봉합선을 갖는 금속관과, (a) 세슘 0.01 내지 0.5중량%, (b) 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 하나의 알칼리금속(세슘/알칼리금속중량비 0.1 내지 3.0), (c) 실리콘 0.2 내지 2중량%, 망간 0.1 내지 3중량%, 티타늄 0.5중량% 이하, 콜롬비움 0.5중량% 이하, 알루미늄 0.5중량% 이하, 크롬 3중량% 이하, 니켈 3중량% 이하 및 코발트 3중량% 이하로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속성 합금 원소 0.3 내지 10중량%, (d) 붕소 0.01중량% 이하 및 (e) 나머지 철 및 불순물을 함유하는 심성분으로 된 제1철금속관에 심성분을 갖는 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 알카리 금속인 나트륨은 0.04 내지 0.17중량%인 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 세슘/나트륨의 중량비가 0.8 내지 2인 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 심 성분은 35℃에서 9일동안 상대습도 80%에 노출시킨 후의 습도가 용접봉에 대해 1중량% 이하로 하여서 된 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 세슘은 세슘크로메이트로부터 제공된 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 세슘은 세슘크로티타네로부터 제공된 금속심 용접봉.
제1항에 있어서, 세슘은 세슘카보네이트로부터 제공된 금속심 용접봉.
제1항에 따른 금속용접봉으로 용접 대상물에 아크 용접을 실시하는 단계와, 적어도 25% CO₂로 이루어지는 가스차폐막을 제공하는 단계와 전원으로부터 대상물에는 음극을 용접봉에는 양극의 역극성을 부여하는 단계로 이루어진 CO₂차폐용접 방법.
제8항에 있어서, 전원은 교류로 하여서 되는 방법.
제8항에 있어서, 전원은 직류로 하여서 되는 방법.
제1항에 따른 금속용접봉으로 용접 대상물에 아크 용접을 실시하는 단계와, 아크 주위에 적어도 25% CO₂로 이루어지는 가스차폐막을 제공하는 단계와, 전원으로부터 대상물에는 양극을 용접봉에는 음극의 정극성을 부여하는 단계로 이루어진 CO₂차폐용접 방법.