KR100344943B1

KR100344943B1 - 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어

Info

Publication number: KR100344943B1
Application number: KR1020000022584A
Authority: KR
Inventors: 김종원
Original assignee: 고려용접봉 주식회사
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2002-07-20
Also published as: US6476356B2; KR20010098010A; US20020014478A1; JP3529362B2; CN1321562A; CN1199761C; JP2001300764A

Abstract

본 발명은 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 용접용 메탈 코어드 와이어는 방청을 위하여 아연 프라이머(primer)가 도포된 강재의 용접시 아연 프라이머에 의한 용접 결함을 억제하고, 용접부의 저온 충격성을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여 와이어 전체 중량에 대하여 3성분계 슬래그를 형성하는 TiO₂+SiO₂+Al₂O₃의 산화물을 2∼10%, 금속 불화물인 CaF₂, NaF, K₂SiF₆, Na₂SiF₆, KF 중에서 적어도 한 가지 이상을 0.1∼1.0%, 금속 Ti을 0.1∼0.25%, 금속 B를 0.002∼0.008%, 그 밖의 성분으로서 철분과 탈산제 및 아크 안정제를 5∼20% 함유하는 메탈계 플럭스를 연강제 외피제에 충진함에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 용접용 메탈 코어드 와이어는 슬래그 형성 및 안정제의 양과 조성의 양을 상기 성분 범위 내에서 조절하여 용접시 발생되는 용접 흄의 방출을 원활히 함으로써 무기계 아연 프라이머가 도포된 강재의 용접시에도 피트나 블로우 홀 등의 용접 결함 발생을 최대한 억제할 뿐 아니라, 금속 Ti과 B 및 금속 불화물 함량 조절에 의하여 저온 충격치 및 용접 작업성이 개선됨으로써 조선이나 교량 등과 같은 대형 구축물의 용접성 향상에 의한 품질 개선과 공기의 단축 및 원가절감 효과가 있다.

Description

내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어{Metal cored wire having good properties in welding steel coated by zinc primer and in low temperature impact characteristics for gas shielded arc welding}

본 발명은 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격성이 우수한 용접용 와이어에 관한 것으로서, 더자세하게는 방청을 위하여 아연 프라이머(primer)가 도포된 강재의 용접시 아연 프라이머에 의해 발생되는 용접 흄(fume)에 기인하는 용접 결함을 억제하고, 용접부의 저온 충격성을 향상시킬 수 있는 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어에 관한 것이다.

조선, 교량, 철골 등 대형 구조물에 널리 사용되는 강재는 그 크기가 크고 두께가 두꺼우며 형상이 다양하기 때문에 전기 아연도금이나 용융 아연도금 등의 도금 공정을 통한 아연도금 강재로서의 대량 생산이 불가능한 경우가 많으며 구조물 제작에 많은 시간이 소요되는 바, 강재의 방청이 무었보다 중요하다.

따라서, 상기의 구조물에 사용되는 강재의 표면에는 많은 경우 방청성이 뛰어난 아연 분말이 함유되는 무기계 아연 프라이머를 10∼100㎛정도 도포하여 구조물의 제작이 완료될 때까지 발청을 방지하게 된다.

그리고, 상기와 같은 각종 대형 구조물에 사용되는 아연 프라이머가 도포된 강재의 용접 방법으로는 근래에 들어 용접 작업의 능률화 및 성력화를 위하여 가스 쉴드 아크 용접(gas shielded arc welding)법이 주로 사용되고 있으며, 가스 쉴드 아크 용접법에 사용되고 있는 용접 메체인 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire)는 용접 작업성이 양호하고 아크 안정성이 좋기 때문에 스패터(spatter) 발생량이 적을 뿐 아니라 균일한 용접 비드(bead) 형상을 얻을 수 있는 장점이 있어 플럭스 코어드 와이어의 사용량 역시 점차 증가하고 있는 추세이다.

그러나, 플럭스 코어드 와이어를 아연 프라이어가 도포된 강재에 사용할 경우에는 프라이머에 함유된 아연 분말의 기화에 의하여 발생되는 증발 아연 가스가 피트(pit) 나 블로우 홀(blow hole) 등의 용접부 결함을 발생시키게 되고 특히, 그러한 용접부 결함은 조선이나 교량과 같이 용접부의 저온 충격 특성이 중요한 구조물에서 용접부 자체의 물성 특성을 더욱 악화시키는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 상기 플럭스 코어드 와이어의 충진플럭스에 충분한 탈산 합금제를 조합하여 첨가하거나, 라임(lime, 석회)계의 충진 플럭스를 사용하는 방법 등이 제안되고 있다. 그러나, 상기와 같은 방법들은 슬래그 피포성이나 비드 형상을 불량하게 하거나 플럭스에 다량의 염기성 물질을 함유함으로써 스패터를 과다하게 발생시켜 용접 작업성을 떨어뜨리고 비드의 형상을 불량하게 만들 뿐 아니라 비드의 신율을 저하시켜 저온 충격 인성을 떨어뜨리는 문제가 있다.

용접시 생성되는 용접 슬래그의 성상을 최적화 하여 용접시 발생하는 용접 가스 내지는 용접 흄을 용접부 외부로 신속히 방출시킴으로써 용접부 결함 발생을 방지하고, 용접부 내에 잔류하는 확산성 수소의 양을 조절하여 저온 충격 인성을 향상시킬 수 있으며 양호한 용접 작업성을 얻을 수 있는 금속(메탈, metal)계 플럭스 코어드 와이어(이하 '메탈 코어드 와이어')를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 플럭스에 함유되는 슬래그 형성제 함량과 피트 발생수 사이의 관계 그래프.

도 2는 확산성 수소량과 충격 흡수 에너지 양 사이의 관계 그래프.

본 발명의 상기 목적은 3성분계 슬래그를 형성하는 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃와, 한 종류 이상의 금속 불화물과, 금속 Ti과, 금속 B 를 주성분으로 하는 메탈계 플럭스에 의하여 달성된다.

본 발명의 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어는 와이어 전체 중량에 대하여 3성분계 슬래그를 형성하고 안정시키는 성분인 TiO₂+SiO₂+Al₂O₃의 산화물을 2∼10%, 금속 불화물인 CaF₂, NaF, K₂SiF₆, Na₂SiF₆, KF 중에서 적어도 한 가지 이상을 0.1∼1.0%, 금속 Ti을 0.1∼0.25%, 금속 B를 0.002∼0.008%, 그 밖의 성분으로서 철분과 탈산제 및 아크 안정제를 5∼20% 함유하는 메탈계 플럭스를 와이어 전체 중량에 대하여 10∼25%가 되도록 연강제 외피제에 충진함을 특징으로 한다.

본 발명의 메탈 코어드 외이어를 구성하는 상기 중요 플럭스 성분들의 역활은 다음과 같다.

TiO₂는 슬래그 형성제로서 슬래그의 피포성과 박리성 및 아크 안정성을 향상시켜 주는 역할을 하는 성분으로서 와이어 전체 중량에 대하여 적어도 3% 이상을 함유시키는 것이 바람직하나, 5%를 초과하여 과도하게 함유시키게 되면 아크가 넓어지고 용입이 얕아지게 되고 피트와 같은 용접 결함의 발생이 증가하게 됨으로 주의하여야 한다.

SiO₂는 대표적인 슬래그 생성제로서 상기 TiO₂의 일부를 대체할 수 있는 역할도 수행하는 성분이며, 슬래그의 유동성을 좋게하고 슬래그의 박리성을 개선시키나 너무 많은 양을 함유하게 되면 오히려 슬래그 박리성을 불량하게 될 뿐 아니라 스패터 발생량과 용접 흄을 다량 발생시키게 되어 용접 작업성이 저하하고 용접 불량을 증가시키게 된다. 도 1의 와이어 전체 중량에 대한 TiO₂+SiO₂+Al₂O₃의 함량에 따른 용접 결함인 피트 발생 경향을 보여주는 그래프에 도시된 바와 같이 상기 TiO₂+SiO₂+Al₂O₃의 함량이 10% 수준까지는 일정한 피트 발생수를 유지하나 10%를 초과하면서 증가하기 시작하고 40% 수준을 초과하면서 급격히 상승함을 알 수 있다.

Al₂O₃는 슬래그의 유동성을 조절하고 비드의 형상을 개선시키는 역할을 하지만 와이어 전체 중량에 대하여 1.5% 이상을 함유하게 되면 슬래그가 경화하여 박리성을 떨어뜨린다. 그리고, 용착금속 중에서 비금속 개재물로 잔류하게 됨으로써 저온 인성을 떨러뜨린다. 따라서, TiO₂및 SiO₂와 함께 그 총량이 와이어 전체 중량의 10% 이하가 되도록 적절히 조절해 주어야 한다.

금속불화물은 용강 및 용융 슬래그 중에 존재하는 수소의 제거를 도와주는 역할을 하며 특히, 산성 영역에서는 슬래그의 점성을 저하시키고 매우 우수한 탈 수소 효과를 발휘한다. 따라서, 첨가된 금속불화물은 용접부에 확산성 수소의 양이 증가하는 것을 매우 효과적으로 억제하여 용접부의 내 균열성과 내 기공성을 향상시켜 주기 때문에 용접부 인성이 향상된다.

도 2에 도시된 용착금속에 잔류하는 확산성 수소량에 따른 용접부의 흡수 에너지 변화 그래프에서 확산성 수소양이 증가할수록 급격히 용착금속의 충격 흡수 에너지가 감소함을 즉, 인성이 떨어지는 것을 알 수 있다.

금속불화물이 효과를 나타내기 위해서는 적어도 한가지 이상의 금속불화물을 와이어 전체 중량에 대하여 0.1% 이상 첨가하여야 하나 1.0%를 초과하게 되면슬래그의 점성이 급격히 저하하여 비드 형상이 불량해지고 스패터 및 용접 흄 발생량이 증가한다.

Ti은 탈산 및 탈질 효과를 얻기위한 것으로서 와이어 전체 중량에 대하여 0.1% 미만에서는 용융 금속에 대한 탈산 능력이 부족하기 때문에 B의 산화 소모가 촉진되어 B에 의한 용착금속의 소입 효과가 저감되어 금속 조직이 조대화 됨으로써 저온 인성이 저하하게 되며, 0.25%를 초과하면 용착금속 내의 Ti량이 증가하여 강도의 상승과 함께 인성이 저하하고 균열에 민감하게 된다.

B는 저온 인성을 개선하기 위한 성분으로서 와이어 전체 중량에 대하여 0.002% 미만에서는 그 효과가 거의 없으며, 0.008%를 초과하게 되면 용착금속이 경화하여 인성이 급격히 떨어지고 용접부에서 고온 균열을 일으키는 원인이 되기도 한다.

상기의 중요 성분외에 탈산제로서 첨가되는 Fe-Mn은 Mn이 73∼80wt% 되는 Fe-Mn으로서 첨가하되 와이어 전체 중량에 대하여 Mn의 양이 5%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직 한 바, 이는 Mn의 양이 5%를 초과하면 용착금속이 경화하고 취화하여 인성이 떨어지고 균열이 발생하기 쉽기 때문이다.

그리고, 금속 Si 또는 Fe-Si으로 첨가되는 Si계 탈산제는 와이어 전체 중량에 대하여 3%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이는 3%를 초과시 저온 충격 인성이 떨어지기 때문이다.

상기의 성분과 함량으로 구성되는 본 발명 메탈 코어드 와이어의 성분 구성과 구체적인 용접 특성 등에 관한 사항은 아래의 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명확하게 이해될 것이다.

본 발명 메탈 코어드 와이어의 실시예와 비교예에 대한 플럭스 성분 구성은 다음 표 1과 같다.

구분	플럭스 조성(전체 와이어에 대한 중량 %)	철분
	아크안정제 및 슬래그 형성제		금 속 불 화 물	탈 산 제
	TiO₂		SiO₂	Al₂O₃	Na₂SiO₃	K₂SiF₆	Na₂SiF₆	NaF	CaF	Mn	Si	Ti	B
본발명품	1	4.2	1.2	0.8	0.3	0.15	0.1	0.3	0.0	2.2	1.2	0.3	0.003	bal.
	2	4.2	1.2	0.3	0.1	0	0.1	0.3	0.0	2.2	1.2	0.3	0.003	bal.
	3	3.5	1.2	0.6	0.1	0.1	0.0	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.004	bal.
	4	4.2	1.2	0.6	0.1	0.1	0.0	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.004	bal.
	5	3.5	1.2	0.8	0.0	0.1	0.1	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.004	bal.
	6	3.0	0.8	0.8	0.4	0.1	0.0	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.004	bal.
	7	2.0	1.2	0.3	0.4	0	0.2	0.2	0.2	2.2	1.2	0.2	0.003	bal.
	8	2.0	1.2	0.6	0.2	0	0.2	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.004	bal.
비교예	9	3.0	0.8	0.3	0.2	0	0.2	0.2	0.0	2.2	1.2	0.4	0.004	bal.
	10	2.0	1.2	0.3	0.2	0.2	0.2	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.010	bal.
	11	7.0	1.2	0.8	0.0	0	0.2	0.2	0.2	2.2	1.2	0.2	0.006	bal.
	12	6.2	2.0	0.8	0.0	0	0.2	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.006	bal.
	13	5.6	2.2	0.8	0.1	0	0.1	0.2	0.0	2.2	1.2	0.2	0.009	bal.

상기 표 1의 와이어를 사용하여 표 2의 조건으로 용접 시험을 시행하였으며, 용접 시편에 대한 성능 평가 결과는 표 3과 같다.

용접전류	용접전압	용접속도	차 폐 가 스	모 재	용접방법	아연 프라이머도포두께
280 A	31 V	70 cm/분	80%Ar+20%CO₂가스,20 리터/분	50 kgf/mm²급고장력강,20t ×500mmL	수평필렛용접	50∼100㎛

구 분	내 아연 프라이머성 능	용접 작업성	저온 충격성(-30℃/J)	종합판정
실시예	1	0	0	×	×
	2	0	0	×	×
	3	0	0	0	0
	4	0	0	0	0
	5	0	0	0	0
	6	0	0	0	0
	7	0	×	0	0
	8	0	×	0	0
비교예	9	0	×	×	×
	10	0	×	×	×
	11	×	0	×	×
	12	×	0	×	×
	13	×	0	0	×

* 충격시험을 위한 시편 용접은 JIS Z3133에 따라 실시하였으며,

시편은 JIS Z3111의 4호 시험편을 사용하였다.

* 내 아연 프라이머 성능은 용접 길이 500mm 내에서 발생한 피트의

발생 갯수가 3개 이상일 경우에는 불량으로 판정.

* 저온충격 특성은 -30℃에서 40J 이하의 경우를 불량으로 판정.

* 평가 항목 중에서 하나 이상의 불량 판정이 있는 경우를 불합격으로

판정.

상기 표 1과 3에서 알 수 있듯이 슬래그 형성 및 안정제 중에서 TiO₂의 함량은 와이어 전체 중량에 대하여 적어도 3% 이상을 함유하여야 하나 5%를 초과하게 되면(비교예 11, 12, 13) 내 아연 프라이머성이 떨어짐을 알 수 있으며, 6%를 초과하면(비교예 11, 12) 용입이 적어 저온 충격성에도 악영향을 끼치게 되고, 3% 미만일 경우(실시예 7, 8, 비교예 10)에는 슬래그 형성과 안정이 미흡하여 용접 작업성이 떨어지게 된다.

또한, 상기 비교예 10은 금속 B를 과다하게 함유하여 저온 충격치도 불량하게 되며, 비교예 9는 TiO₂의 함량이 적정하여 내 아연 프라이머성은 양호하나 과도한 금속 Ti은 저온 충격치를 불량하게 할 뿐 아니라 슬래그 안정화에도 좋지 않은 영향을 미쳐 용접 작업성을 떨어뜨린다.

상기 비교예 9와 달리 실시예 1과 2는 금속 Ti의 함량이 규정 범위를 초과는 하지만 비교예 9보다 적기 때문에 용접 작업성은 저해되지 않고 저온 충격치만 떨어짐을 알 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 슬래그 형성 및 안정제의 양과 조성의 조절에 의하여 용접시 발생되는 용접 흄의 방출을 원활히 하여 무기계 아연 프라이머가 도포된 강재의 용접시에도 피트나 블로우 홀 등의 용접 결함 발생을 최대한 억제하고 저온 충격치 및 용접 작업성이 확보됨으로써 대형 구축물의 용접성 향상에 의한 품질 개선과 공기의 단축 및 원가절감이 기대된다.

Claims

연강제 외피에 플럭스가 충진된 가스 쉴드 아크 용접용 와이어에 있어서, 와이어 전체 중량에 대하여 3성분계 슬래그 형성제인 TiO₂+SiO₂+Al₂O₃의 산화물 2∼10%와; 금속 불화물인 CaF₂, NaF, K₂SiF₆, Na₂SiF₆, KF 중에서 적어도 한 가지 이상의 성분 0.1∼1.0%와; 금속 Ti 0.1∼0.25%와; 금속 B 0.002∼0.008%를 함유하는 메탈계 플럭스가 연강제 외피내에 충진된 것을 특징으로 하는 내 아연 프라이머 성능과 저온 충격 인성이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 메탈 코어드 와이어.