KR100241098B1 - 스테인레스 강 플럭스 충전 와이어 전극 - Google Patents
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Abstract
우수한 아크 안정성과 스퍼터 발생이 적은 양호한 작업성을 갖는 스테인레스강 플럭스 충전와이어 전극을 제공하는데, 이것은 전체적인 스퍼터 발생과 아크 안정성을 얻을 수 있고, 또 고품질 용접금속을 형성하기 위해 고레벨에서 순간 아크혼란과 스퍼터 발생을 방지할 수 있다. 와이어 전극의 총중량에 대해 10 내지 30%에서 스테인레스 강 하우징에 충전된 플럭스로 이루어지는 스테인레스 강 플럭스 충전와이어 전극에 있어서, 와이어 전극온도가 측정되어 온도 기록기의 기록차트에서 기록되는데 이 차트는 와이어 전극을 500 내지 1000℃로 전기 가열하기 위해 길이방향으로 와이어 전극내에서 서로 300mm 내지 1000mm 떨어진 적당한 두지점을 전기통과시켜 100℃는 5cm에 대응하고 100mm 와이어 전극 길이는 1cm에 대응하는 방식으로 스케일되고, 측정된 와이어 전극길이에 대응하는 기준선 길이(L0)에 대한 기록차트에 온도분포곡선의 길이(L1)의 비(K값=L1/L0)는 2.5이하, 바람직하게는 1.5이하이다.
Description
제1도는 용적이동시간의 편차(σ)와 K값 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
제2도는 전기가열 시험기의 개략도이다.
제3도는 기록차트에 기록된 온도 패턴의 개략도이다.
제4도는 용접상태의 도면이다, 그리고
제5도는 아크전압 변동, 스퍼터발생 및 K값의 관계를 나타내는 그래프이다.
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 양호한 아크 안정성과 스퍼터 발생이 적어 작업성이 뛰어난 스테인레스 강 플럭스 충전와이어 전극에 관한 것이다.
스테인레스 강은 내식성과 내열성이 뛰어나며, 특히 오스테나이트 스테인레스 강이 저온내성과 고온강도가 개선되었기 때문에 이들 스테인레스 강이 화학장치, 제지시스템, 석유정제시스템 및 화학탱크 같은 다양한 구조물에 통상 사용되었다. 이들 구조물을 용접하기 위해서, 피복아크용접, TIG용접 및 플럭스 충전와이어 전극에 의한 용접방법 또는 침지아크용접 같은 다양한 용접방법이 사용되어 제조될 수 있다. 이들 중에서 플럭스 충전 와이어 전극에 의한 용접방법은 고효율에서 실행될 수 있고 쉽게 자동화되는데 이것은 방법이 숙련된 용접기술을 요구하지 않기 때문이다. 따라서 이제 이 방법은 피복아크용접 대신에 주요한 용접방법이 된다.
플럭스 충전 와이어 전극은 스테인레스 강을 외부 하우징에 채우고 금속성분, 산화물 및 플루오르화물 등으로 이루어지는 적당량의 플럭스로 이루어진다. 용접동안의 차폐가스는 종종 100% CO2또는 (20 내지 25%) CO2와의 Ar을 사용할 수 있다. 더욱이 최근에는 유의한 주의로 그 성능이외에 용접금속의 작업성에 촛점을 두고 있다. 특히 불량한 아크 안정성 또는 많은 스퍼터 발생은 융합불량이나 불충분한 용접관통 같은 용접결함이 생기거나 또는 구조물 표면에 증착된 스퍼터가 부식의 개시점으로 쉽게 작용될 수 있기 때문에 많은 아크 안정성과 스퍼터 발생이 적은 높은 작업성이 있는 와이어 전극의 개발이 매우 소망되었다.
일본 특개소 62-006797호 공보 및 62-068696호 공보에 개시된 바와 같이, 작업성의 개선은 충전된 플럭스 성분 및 와이어 전극 제공면에서 이루어졌다.
이들 방법이 전체적인 스퍼터의 발생을 감소시킬 수 있다해도, 방법은 용접동안에 종종 발생하는 순간 아크 혼란 또는 고레벨에서 연속적인 스퍼터 발생을 방지할 수 없다. 보다 구체적으로, 스퍼터 감소는 아크 안정성이 순간 아크 혼란의 개선으로 함께 전체적으로 개선되어야 이루어질 수 있고, 이로써 고품질의 용접금속이 제조될 수 있다. 종래의 방법으로는, 즉, 고레벨에서의 스퍼터 발생을 수반하는 순간 아크 혼란은 방지될 수 없다.
그런 문제를 해결하기 위해 본 발명이 이루어졌다. 본 발명의 목적은 전체적인 스퍼터를 감소시키고 아크안정성을 이루고 추가로 스퍼터 발생을 수반하는 순간 아크 혼란을 방지할 수 있는 스테인레스 강 플럭스 충전와이어 전극을 제공하여 고품질 용접금속을 형성하는 것이다.
[발명의 개요]
본 발명의 플럭스 충전 와이어 전극은 와이어 전극의 총중량에 대해 10 내지 30%의 비로 스테인레스 강 하우징에 충전된 플럭스로 이루어진다. 와이어 전극의 길이방향으로 각각 300mm 내지 1000mm 떨어진 적당한 두지점을 통과하는 전기에 의해 와이어 전극은 전기적으로 500 내지 1000℃로 가열된다. 다음에 와이어 전극온도를 측정한후, 온도를 표시하는 제1축의 길이 5cm는 100℃의 온도차에 대응하고, 와이어 전극의 길이를 표시하고 또한 상기 제1축과 직교하는 제2축의 길이 1cm는 와이어 전극길이 100mm에 대응하는 방식으로 스케일되어 온도기록기의 챠트에 기록된다. 측정된 와이어 전극길이에 대응하는 차트에서 온도-분포곡선의 길이(L1) 대기본선의 길이(L0)의 비(K=L1/L2)는 2.5이하이어야 한다. 바람직하게는 K값이 1.5이하이어야 한다.
K값은 구체적으로 다음과 같이 측정된다. 상기한 바와 같이 제3도는 상기한 대로 스케일된 차트에서 기록된 한 온도 패턴을 나타낸다. 예로는 650℃로 가열된 용접 와이어 전극을 나타내는데 차트에서의 온도 분포곡선은 650℃ 상하로 수직진동을 나타내고 차트에서의 온도분포곡선의 길이(L1)는 진동곡선의 궤적에 따른 길이이다. 대안으로, 도면에서 넓은 선으로 나타낸 바와 같이, 측정된 와이어 전극 길이에 대응하는 수평인 기준선의 길이(L0)는 측정된 온도분포곡선의 길이이고 와이어 전극의 길이방향으로 차트에 기록된다.
본 발명자들은 플럭스 충전 와이어 전극에서 아크 안정성의 혼란 및 스퍼터 발생을 조사하기 위해 연구하였다. 고속도 비디오 시스템을 통한 관찰하에서 용접동안 와이어 전극 상부와 플럭스 충전 와이어 전극의 용융된 푸울을 조사하는데 와이어 전극 상부에 형성된 용적이 용융푸울로 운반될 때 부피변동이 적은 용적이 비교적 스퍼터 발생이 적은 용융푸울로 순조롭게 운반되는 것을 나타내었다. 그러나 와이어 상부에 현탁된 용적으로부터 아크 발생의 위치는 용적의 부피가 변동이 커짐에 따라 더 불안정해지며 쉽게 보다 혼란된 아크상태를 일으킨다. 다음에 본 발명자들은 용적 자체가 용융푸울로 운반되는 동안 스퍼터로 튕겨지거나 또는 용적이 푸울로 운반될 때만 용융푸울이 격하게 진동되어 쉽게 용융푸울에서 스퍼터 발생이 일어난다는 것을 발견하였다. 보다 작은 크기를 갖는 용적이 보다 안정한 아크 안정성을 가질 수 있다는 것이 관찰되었다.
각각 동일한 방법으로 동일 물질로부터 제조된 와이어 전극이라도 종종 상이한 용적 운반성을 나타내고, 몇몇 와이어 전극은 와이어 전극의 길이방향에서 유의하게 상이한 아크 안정성을 나타낸다. 와이어 전극 균질성에 촛점을 두어 본 발명자들은 아크 안정성과의 상호 관계에 대해 조사하였다.
길이방향에서 균질성의 다양한 정도를 갖는 308계 플럭스 충전 와이어 전극을 제작하여(직경 1.2mm), 아크 안정성 즉 용적이동시간편차 및 K값과의 관계를 조사한다. 제1도는 용적이동시간편차와 K값 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 제1도에 나타낸 바와 같이, 용적이동시간의 편차는 K값으로 나타낸 와이어 전극 균질성과의 겉보기 상호관계를 갖는다. 2.5이하의 K값이 우수한 아크 안정성을 일으킨다는 것을 알았다. 하기할 실시예들에 나타낸 바와 같이 스퍼터 발생은 아크 안정성의 변화에 의존하여 다양해진다. 따라서 아크 안정성의 개선은 스퍼터를 감소시킬수 있다.
숫자기호가 본 발명의 청구범위에서 한정되게 명시되는 이유에 대해서 하기할 것이다.
① 플럭스 비율(%) : 10 내지 30%
10% 이하의 플럭스 비율은 각 강형에 대응하는 용접금속을 형성하는데 필요한 합금성분 및 양호한 작업성을 유지하기 위한 슬러그 발생제의 첨가가 심하게 제한되고; 추가로 그런 플럭스 비율은 증착속도를 감소시켜 플럭스 충전 와이어 전극의 큰 이점인 고증착이 발생될 수 없다. 대안으로 30%이상의 플럭스 비율은 안정한 플럭스 충전을 어렵게 하거나 또는 와이어 전극 제조공정동안 엄격한 시장을 일으켜 결과 와이어 전극 브레이크 발생이나 필요한 어니일링수의 증가로 제조면에서 불리해진다. 본문에서 플럭스 비율은 중량%로 나타낸다.
② 전기가열온도; 500℃ 내지 1000℃
500℃ 이하에서의 전기가열온도는 너무 낮기 때문에 와이어 전극 균질성은 충분히 평가될 수 없다. 1000℃ 이상온도는 본질적으로 필요치 않다. 와이어 전극 균질성은 1000℃까지 가열됨으로써 만족스럽게 평가될 수 있다. 더욱이, 1000℃ 이상온도까지의 가열은 와이어 전극을 통하여 태우는 위험이 있어; 그런 경우에서 태움을 피하기 위해, 온도를 정확히 제어하는 기능을 갖는 고가의 가열시스템이 불가피하게 사용되어야 하므로, 실용적이지 않다.
③ 전기가열구간의 거리(전기가열점들 거리); 300mm 내지 1000mm
300mm이하의 전기가열점들 거리는 온도차를 나타낼 수 없어 와이어 전극 균질성의 만족스런 평가를 얻을 수 없다. 1000mm 이상의 전기가열점들 거리는 결과적으로 산화필름 같은 본질적인 와이어 전극 균질성 이외의 요인으로 온도차를 나타낼 수 있어 적당한 평가가 때때로 얻어질 수 없다.
와이어 전극에서의 온도분포는 전기가열조건 및 지속기간에 의해 쉽게 영향받는다. 보다 구체적으로, 와이어 전극이 장기간에 걸쳐 주어진 온도까지 가열되거나 또는 와이어 전극이 주어진 온도에 도달한 후에 와이어 전극이 유지된다면 모든 와이어 전극은 각각의 와이어 전극의 균질성의 존재에 무관한 균일한 온도분포를 얻는다. 따라서 와이어 전극은 본 발명의 목적에 적당치 않다.
와이어 전극 균질성을 평가하는데 적당한 전기가열시간은 가열온도, 가열방법 및 와이어 전극 직경에 기초하여 다양해지는데 일반적으로 시간은 한정되지 않는다. 500mm의 주관적 범위에서 650℃까지 가열된 와이어 전극의 온도분포곡선을 나타내는 제3도의 차트에 나타낸 바와 같이 와이어 전극의 온도는 가열개시후 약 5초내에 주어진 값에 도달하였다. 따라서 와이어 전극의 온도분포를 측정하고 약 3초내에 기록한다. 그런 방식으로 바람직하게 주어진 온도로 와이어 전극을 가열하는데 필요한 시간 및 온도분포를 측정하는데 필요한 시간을 각각 몇초 내에서 고정시킨다. 과잉의 장시간은 피해야 한다.
④ 5cm는 100℃에 대응하고 1cm는 와이어 전극 길이 100mm에 대응하는 방식으로 온도기록기의 기록차트의 스케일링.
K값은 와이어 전극 온도를 기록하는 온도분포곡선에서 측정되었다. 이 경우에 기록차트의 스케일이 단위온도 및 단위 와이어 전극 길이당 변경되면 동일한 와이어 전극이라도 온도분포곡선의 모양이 다양해져서 K값에서 차이가 생긴다. 보다 구체적으로, 와이어 전극 균질성은 기록차트가 일정하게 스케일된다면 객관적으로 평가될 수 있다. 그런면에서 평가는 기록차트의 스케일과 작업성 사이의 상호관계로 이루어진다. 결과적으로, 양호한 상호관계는 수직인 온도축의 길이 5cm가 100℃의 온도차에 대응하고 와이어 전극길이를 나타내는 수평축의 길이 1cm가 와이어 전극 길이 100mm에 대응될때(제3도 참조) K값과 작업성 사이에서 회복된다.
⑤ K값; 2.5이하
상기한 바와 같이, 용적이동시간의 편차, 스퍼터 발생 및 아크전압의 변동은 2.5이하의 K값에서 작아진다. 반대로, 용적이동시간의 편차가 2.5이상의 K값에서 많은 스퍼터 발생으로 인해 커진다.
전체적으로 또는 부분적으로, 종래의 와이어 전극은 2.5이상 K값을 갖는다. 따라서, 그런 와이어 전극으로 인한 용접은 불안정한 아크를 일으킨다; 어떤 경우에는 와이어 전극공급이 불량한 것처럼 와이어 전극의 돌출길이가 다양해져 아크지향성이 열화되어 결과적으로 용접 결함을 일으킨다.
K값이 와이어 전극 균질성 평가 방법으로 사용되는 이유는 다양한 균질성의 와이어 전극의 추가조사결과로서 균질성이 와이어 전극을 구성하는 하우징의 두께와 그 안에 충전된 플럭스 상태에 의해 영향받고 이런 영향요인의 변화는 가열하에서 와이어 전극의 온도상승의 차이를 일으키는 것을 발견하였다.
예를들면, 길이방향으로 하우징 두께가 변동이 있는 와이어 전극을 가열하면 보다 두꺼운 하우징 두께가 있는 부분이 보다 얇은 하우징 두께의 부분보다 주어진 온도로 온도를 증가시키는데, 장시간이 요구된다. 결과적으로 와이어 전극온도는 가열개시후 주어진 시간이 지난뒤에 변화된다. 이 경우에서, 하우징 두께와 플럭스-충전 상태에 관하여 비균질한 부분의 수증가에 따라 상이한 온도에서 많은 부분이 동일한 와이어 전극으로 되고; 온도분포곡선은 많은 산과 협곡부분이 있는 형상으로 되고 길이는 균질한 와이어 전극보다 길어진다. 보다 구체적으로 와이어 전극 균질성은 온도분포곡선의 길이로부터 측정된 K값에 기초하여 평가될 수 있다; 이값이 2.5이하이면 보다 나은 작업성이 얻어질 수 있고, 이로써 고레벨의 스퍼터 발생 및 아크 불안정성 같은 결점을 실제 용접동안에 피할 수 있다.
다양한 방법이 2.5이하의 K값을 고정하기 위해 사용될 수 있고 따라서 일반적으로 한정되지 않는다. 그러나, 방법은 와이어 전극 제조물질과 공정으로 광범위하게 분류된다. 공정에 관해서 바람직하게는 플럭스가 성형공정동안 하우징에 균일하게 충전되어야 하고 그런 플럭스, 바람직하게는 고 유동플럭스가 사용되어야 한다. 와이어 전극 신장 공정에서, 중요한 것은 다이스 스케쥴이 와이어 전극 표면의 상태를 균일하게 유지하기 위해 적당히 조절되어야 한다. 강행된 강도 공정은 와이어 전극의 원형성을 유의하게 손상시킬수 있고 추가로 와이어 전극표면의 거칠기를 나타낼수 있어 와이어 전극 균질성이 불량해진다. 와이어 전극 균질성은 성형공정 및 와이어 전극 신장 공정에 의해 유의하게 영향을 받는다. 그럼에도 불구하고 와이어 전극은 어니일링동안 균일하게 가열되어야 한다. 와이어 전극 온도가 변화되면, 가열로 인한 와이어 전극의 신장은 부분적으로 상이해지고 와이어 전극 균질성을 열화시키기 위한 와이어 전극 직경변경도 포함한다.
양호한 작업성을 갖는 와이어 전극은 2.5이하로 K값을 고정시킴으로써 제조될 수 있다; 제1도 및 제5도에 나타낸 바와 같이, 작업성은 1.5이하로 K값을 억제함으로써 개선될 수 있다. 제5도는 K값, 아크전압변동 및 스터퍼발생의 관계를 나타내는 그래프이다. 이들 제1도 및 제5도에 나타낸 바와 같이, 1.5이하의 K값 억제는 용적이동시간의 편차를 상당히 감소시키고 아크전압변화 및 스퍼터 발생을 유의하게 감소시킨다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
[발명의 구성 및 작용]
실시예를 비교예와 비교하면서 하기한다. 표 1에 나타낸 충전 플럭스와 표 2에 나타낸 스테인레스 강 하우징의 조합의 사용으로 상이한 K값을 갖는 다양한 와이어 전극이 JIS Z 3323 YF308L, YF309L, 및 YF316L에 따라 제조될 수 있다.
[표 1]
[표 2]
다음에, 전기가열시험과 작업성 평가시험을 각각의 와이어 전극에서 실행한다. 제2도는 사용된 전기가열시스템을 나타내는데, 프레임판(11)은 2개의 지지로드(13)를 갖는 지지판(12)에 부착되고 13은 수직 전면에 고정된다. 리일(14)은 각각의 지지로드(13)의 상부에 자유회전방식으로 부착된다.
시험용 와이어 전극(10)의 한 단은 고정부(9)에 고정되고 자중(8)은 신장된 상태에서 다른 단에 리일(14)로 부착된다. 구리롤러로 이루어지는 전기공급부(15)는 와이어 전극(10)에 접촉되어야 한다. 전력원(16)으로부터 직류를 전기공급부로 공급하여 시험용 와이어 전극(10)을 전기가열하여 소정온도(500 내지 1000℃)로 시험용 와이어 전극(10)을 가열한다.
와이어 전극의 온도는 다음과 같이 측정한다. 프레임판(11)에 와이어 전극(10)에 대해 평행하게 배열된 정속운반대(20)위에 적외선 온도계(21)를 배열하고, 모터(22)로 정속운반대(20)를 따라서 정속으로 적외선 온도계(21)를 운반하고, 길이방향으로 와이어 전극을 스캐닝하여 와이어 전극온도를 적외선 온도계(21)로 측정한다. 측정된 와이어 전극 범위는 와이어 전극의 500mm 수평부에 대응하였다. 측정결과는 전력원(16)에서 기록기로 차트에 기록된다.
온도측정의 완결후에, 차트에서 온도분포곡선의 길이(L1)를 화상분석시스템으로 측정하여 차트에서 기준선길이(L0)에 대한 비를 계산한다(K값=L1/L0). L0은 전체적으로 균일한 와이어 전극의 온도분포곡선 길이에 대응한다.
아크 안정성은 비드 온 플레이트(bead-on plate)방법에 의해 용접하는 동안 아크 전압의 변동을 통해 평가된다. 스퍼터 발생 경향은 필렛(fillet)용접시 발생된 스퍼터를 계수함으로써 평가된다.
제4도는 각각의 용접상태를 나타내는 개략도이다. 비드-온 플레이트 용접으로 한 비드를 SUS 304 시험용 보드(20mm두께x150m폭x300mm길이)에서 용접시킨다. 샘플화 시간은 3.2초이다. 필렛시험에서, SUS 304 시험용 보드(2)(6mm두께x50mm폭x370mm길이)를 T형태로 조합하여 사용하고, 한편 스퍼터 수집보드(1)(6mm두께x90mm폭x600mm길이)를 충분하게 스퍼터를 수집하기 위해 시험용 보드의 하판에 평행하게 고정시킨다. 용접토치(3)의 각도는 45℃이며, 와이어 전극(4)의 표적위치는 근부로 고정시킨다. 용접이 끝난후에, 시험판 및 스퍼터 수집판에 증착된 모든 스퍼터 수를 세어서 발생된 모든 스퍼터수를 계산한다. 용접조건은 표 3에 나타낸 바와 같다.
[표 3]
[표 4]
결과는 표 4 및 도 5에 나타낸다. 실시예 1 내지 12는 본 발명의 실시예들인데, 여기서 아크 전압 변동은 2.5이하의 K값에서 4V이하이다. 따라서, 실시예들은 우수한 아크 안정성과 40이하 정도로 적은 스퍼터 발생수를 갖는 양호한 작업성을 나타낸다.
비교예 13 및 비교예 21의 K값이 2.8 및 4.4이기 때문에 2.5보다 크므로 아크전압변동이 스퍼터 발생수가 많아짐에 따라 커진다. 원인은 플럭스가 성형동안에 비교예 13,14,18,19 및 21에서 균일하지 않고 플럭스의 소밀한 존재를 수반하는데 있다. 비교예 19 및 비교예 21에서, 미세한 요철이 와이어 전극의 표면에 발생하는데 이는 롤형상이 안정하지 않기 때문이다. 결과적으로 2개의 와이어 전극의 직경감소 또는 신장공정시 플럭스의 부분이동은 와이어 전극을 비균질 재료로 제조하는데 사용될 수 있다. 비교예 15,16,17 및 20에서, 다이스 스케쥴은 신장 공정시 적당하지 않아 편차가 가공도로 유도되어 하우징 두께가 변화된다.
[발명의 효과]
상세하게 상기된 바와 같이, 본 발명에 따르면 동일한 재료로부터의 와이어 전극이더라도 K값이 변하면 상이한 아크안정성과 스퍼터 발생을 갖는다. 따라서 2.5이하로 K값을 고정시킴으로써 우수한 아크 안정성과 스퍼터 발생이 적은 양호한 작업성을 갖는 스테인레스 강 플럭스 충전와이어 전극이 제조될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 먼저 전체적인 스퍼터 감소와 아크 안정성을 얻을 수 있고; 더하여 고 레벨에서의 순간 아크 혼란과 스퍼터 발생이 방지되어 고품질 용접금속을 형성할 수 있다. 따라서, 용접 결함의 발생은 실제 구조물 용접시 방지될 수 있고, 이로써 스퍼터 발생이 방지되어 결과적으로 고품질 용접금속을 제조할 수 있다.
Claims (2)
- 스테인레스강 하우징 내에 와이어 전극의 총중량에 대하여 10 내지 30%의 플럭스를 충전하여 이루어지는 스테인레스강 플럭스 충전 와이어 전극에 있어서, 상기 와이어전극의 길이 방향으로 300mm 내지 1000mm 떨어진 임의의 두점 간에 통전하여, 상기 와이어전극을 500 내지 1000℃의 온도로 가열하고, 이때의 상기 와이어전극의 길이방향의 온도분포를 측정하여, 온도기록기의 기록차트 상에 상기 와이어전극의 길이방향의 온도분포를 기록함에 있어, 상기 기록차트는 온도를 표시하는 제1축 및 상기 와이어전극의 길이를 표시하며 상기 제1축과 직교하는 제2축을 가지며, 상기 와이어전극의 온도 100℃가 상기 제1축의 길이 5cm에 대응하고, 상기 와이어전극의 길이 100mm가 상기 제2축의 길이 1cm에 대응하도록 스케일된 때, 상기 기록차트 상의 온도분포곡선의 궤적의 길이(L1)와 측정된 상기 와이어 전극의 길이에 대응하는 기준선 길이(L0)의 비(K값=L1/L0)가 2.5이하인 것을 특징으로 하는 스테인레스강 플럭스 충전 와이어 전극.
- 제1항에 있어서, K값이 1.5이하인 것을 특징으로 하는 스테인레스강 플럭스 충전 와이어 전극.
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