KR100436487B1 - 탄산가스 아크용접용 무도금 솔리드와이어 - Google Patents

탄산가스 아크용접용 무도금 솔리드와이어 Download PDF

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Abstract

개시된 발명에 의하면, 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)를 Rz = 0.10 ~ 9.00 ㎛로 하고 와이어 표면 비커스 미소경도를 Hv(1g)=125 ~ 310로 조정하여 비교적 저전류 영역에서의 탄산가스 아크용접 중 발생하는 스패터량을 대폭적으로 저감시켜 고품질, 고능율의 용접작업을 할 수 있는 송급성이 우수한 탄산가스 아크 용접용 무도금 솔리드 와이어가 제공된다.

Description

탄산가스 아크용접용 무도금 솔리드와이어{copper free wire}
본 발명은 표면에 동도금이 되어 있지 않은 탄산가스 아크용접용 솔리드와이어에 관한 것으로, 더욱 상세히는 와이어표면의 조도와 와이어 표면의 미소경도를 조정하여 송급성을 향상 시킨 탄산가스 아크용접용 무도금 솔리드와이어에 관한 것이다.
근래 용접의 자동화가 진행됨에 따라 탄산가스 아크용접용 와이어의 적용은 비약적으로 증대되고, 특히 철골, 자동차, 조선, 건축업계에서 폭넓게 사용되어지고 있다.
이와 같이 다량으로 소비되어 지고 있는 솔리드 와이어는 통전성, 송급성 및내청성 등의 확보를 위해 표면에 동도금을 시행하는 것이 일반적으로 되어 있다.
그런데 와이어 표면에 동도금층이 존재하면 와이어 제조시의 신선공정에 있어서, 동도금의 일부분은 인발용 다이 등과의 마찰에 의해 떨어져 나가면서 일부는 미소동분(微小銅粉)으로 되어 와이어 표면의 미소 요(凹)부에 부착 잔류하게 된다.
따라서, 이 미소동분은 실제 용접시 용접 팁내에서 와이어와 팁의 마찰에 의해 탈락되고 이 탈락된 미소동분이 팁내에 모여 막힘현상을 유발하거나 용접의 불안정성을 증대시키며, 스패터 등의 발생을 많게한다.
또한 이러한 미소동분의 발생을 억제하였다고 하여도 동도금 와이어의 경우에는 다음과 같은 문제점도 있을 수 있다.
(1) 표면의 동도금은 물러서 용접팁과의 마찰에 의해 동이 박리되는 운명적인 결함이 있어 역시 용접의 불안정화를 초래한다.
(2) 동은 융점이 1083℃로 낮으므로 용접시 초고온하에서 가스화되기 쉬워 사용되어지는 동도금 와이어는 용접흄(fume)의 발생이 많아진다.
위와 같은 동도금와이어의 단점에도 불구하고 통전성 등의 확보을 위해 와이어 표면에 동도금을 행하는 것은 피할 수 없는 상황으로 받아들여지고 있다.
따라서 동도금이 되어 있지 아니하면서도 동도금한 와이어가 가지는 특성의 이상의 성질을 나타내는 무도금와이어의 개발이 요청되어지고 있다.
한편, 지금까지 소개된 무도금 와이어로서, 일본국 등록특허 2682814호(아크용접용 와이어), 일본국 특개평11-147174호(강용 무도금 용접용 와이어), 특개2000-94178호(무도금 용접용 와이어) 등에는 송급성을 향상시키기 위해 와이어 표면에 송급용 윤활분말(예, MoS2, WS2, C)을 단독 또는 혼합하여 사용하거나 송급용 윤할유 등을 도유하는 기술이 소개 되어 있다.
또한 일본국 특개2000-117484(용접용 와이어)에는 와이어 원주방향을 따라 일정 파장을 갖는 요철형 와이어에서 파워스펙트라에 의해 측정된 피크강도를 일정 범위로 관리하여 우수한 아크 스타트성을 나타내는 와이어가 기재되어 있으며, 일본국 특개2000-317679호(아크용접용 무도금 와이어 및 아크용접법)에서는 미립자의 절연성 무기질 분말 및 도전성 무기질 분말이 수용성 고분자에 의해 용접와이어 표면에 일정량 부착되도록 함으로써 흄이나 스패터 발생량을 감소 시키는 기술을 개시하고 있다.
또한 일본국 특개평 11-342494(탄산가스 아크용접용 와이어)에서는 와이어 화학성분 중에서 스패터의 발생에 관계하는 C, Si, Mn 을 (10C + 2Si + Mn) = 2.4 ~ 5.25%로 조정하여 스패터의 발생을 감소시키는 기술이 개시되어 있다.
이상의 특허들은 무도금 와이어의 한 가지 개선은 될 수 있으나 완전한 것은 아니며 특히, 와이어 표면에 미세한 분말을 도포하는 것에 의해 무도금 와이어의 품질을 개선한다고 하는 것은 표면에 도포된 분말에 의한 흄발생을 피할 수가 없고분말의 균일한 도포가 어렵기 때문에 양적인 관리가 어려울 뿐만이 아니라 불균일 도포시 오히려 스패터 발생량을 가중시킬 수 있는 단점이 있다.
한편, 자동용접에서 송급성이라는 것은 송급롤러의 회전에 대응하여 공급되는 와이어의 길이 만큼, 정확하게 용접 팁 선단으로부터 와이어가 나오는가에 관한 정도로서 정의할 수 있는 바, 송급성이 나쁘면 용접시 아크의 길이가 길어지고 용접전류는 변동하며 종국적으로는 스패터의 발생량이 증가하는 현상과 관계한다.
따라서 스패터량을 정량화하면 그 량의 다소는 와이어의 송급성을 나타내는 지표로 사용될 수 있다.
이에 본 발명은 이상의 점을 감안하여 안출된 것으로서, 동에 의한 흄발생을 억제하고 스패터의 발생량을 제어하여 송급성이 향상된 탄산가스 아크용접용 무도금와이어를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
도 1은 10점 평균조도에 따른 와이어 표면 비커스 미소경도와 스패터 발생량과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 와이어 표면의 10점 평균거칠기(ten point height)(Rz)가 Rz = 0.10 ~ 9.00㎛이고 와이어 표면 비커스 미소경도(Hv)가 Hv(1g)=125 ~ 310인 것을 특징으로 하는 탄산가스 아크용접용 무도금 와이어를 제공한다.
본 발명은, 표면에 동도금을 시행하지 않고 또한 표면처리제와 같은 분말을 도입하지 않으면서도 동도금 와이어 이상의 우수한 송급성을 나타내는 무도금와이어의 개발을 목표로 예의 연구한 끝에, 용접 중 스패터 발생량의 다소에 따라 와이어 송급성의 우열이 정해진다는 점에 착안하여, 상기 스패터 발생량은 와이어 표면의 비커스 미소경도 및 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)의 조정에 의해 제어가능하다는 사실의 발견에 근거한 것이다.
즉, 동도금이 시행되어 있지 아니한 탄산가스 아크 용접용 솔리드 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)가 Rz = 0.10 ~ 9.00㎛이고 와이어 표면 비커스 미소경도(Hv)가 Hv(1g)=125 ~ 310인 경우에는 용접시 스패터 발생량이 현저히 감소되어 송급성이 우수하다는 것을 발견할 수 있었다.
여기서 비커스 미소 경도는, 이미 알려져 있듯이, 대면각(對面角) 136°인 피라미드형 다이아몬드제 압자(壓子)를 재료의 면에 살짝 대어 눌러 피트(pit:들어간 부분)를 만들고, 하중(荷重)을 제거한 후 남은 영구 피트의 표면적(表面積)으로 하중을 나눈 값으로 표현되는 굳기(hardness)로서 하중을 Pkg, 피트의 대각선의 길이를 dmm라 하면, 비커스경도 H v는 다음식으로 표현된다.
H v==
본 발명에서는 측정시 하중을 1g으로 하였으며 Hv(1g)이라는 표기는 하중을 1g으로 한 비커스 표면경도를 의미하는 것으로 해석한다.
또한 10점 평균조도(Rz)도 이미 알려져 있듯이, 와이어 단면의 요철을 나타내는 단면곡선에서, 일정한 길이내에서 평균선과 평행하게 그은 직선중, 높은 쪽에서 3번째의 산정(山頂)을 통과하는 것과 깊은 쪽에서 3번째의 골 밑을 통과하는 것을 선택하여 이 2개의 직선의 간격을 측정한 값을 미크론 단위로 표기한 것이다.
이하에서는 와이어 표면의 10점 평균조도 및 와이어 표면 비커스 미소경도를 조정하는 것에 대해 설명한다.
대략적인 공정은 원선(ROD) - 산세 - 쇼트 블라스트(shot blast) - 코팅 - 건식신선 - 탈지 - 습식신선 - 권취로서, 이들 제공정을 조합하여 와이어 표면의 10점 평균조도 및 와이어 표면 비커스 미소경도를 본 발명의 범위내로 조정할 수 있다.
각각의 공정에 대해 설명한다.
최종제품의 10점 평균조도를 큰 폭으로 변화시키기 위해서는 ROD표면의 산화스케일의 제거공정인 산세를 인라인(inline)방식의 황산 전해산세로 행하고, 아울러 이 때에 가해주는 전류밀도를 변화시켜 와이어 표면의 에칭(etching)작용도 행하여 표면을 거칠게 할 수 있다.
산세 이후는 코팅하는 경우와 쇼트 블라스트처리를 하는 경우가 있는데 쇼트 블라스트처리를 하는 경우 거칠기는 대폭적으로 증가할 수 있다.
코팅 - 건식신선 - 탈지 공정은 와이어 제조에 있어서 통상의 공정으로서 본발명과의 특징적인 관계는 없다.
다음으로 신선공정에 대해서 설명하도록 한다.
와이어표면의 비커스 미소경도는 주로 신선공정에서 조정된다.
와이어표면의 비커스미소경도는 와이어 인장강도가 높아질수록 증가하나, 이것만으로는 와이어표면 하층부 수㎛ ~ 수십㎛ 범위내의 국부적인 영역에서의 미소경도를 큰폭으로 조정하는 것은 불가능하다.
따라서 신선공정에서 다이스의 감면율을 고려할 수 있는 바, 습식신선의 최종 신선다이스의 리덕션각도(2α)를 8도 ~ 40도 정도로 크게 변화시키면 와이어표면 하층부 수㎛ ~ 수십㎛ 범위내의 국부적인 영역에서의 미소경도도 큰폭으로 조정할 수가 있다.
이 때 신선시 인발력이 크게 되면 와이어에 다이스 마크가 발생되는 바, 이를 방지하기 위해서는 신선횟수의 조정을 통하여 다이스 마다의 가공도를 5 ~ 12%로 낮게 수행할 필요가 있다.
즉, 최종다이스의 감면각도(2α)가 8도인 경우에는 신선횟수를 1 ~ 4회 범위내에서 조정하고, 감면각도(2α)가 8도 이상인 다이스를 사용하는 경우에는 신선횟수를 2 ~ 5회 범위내에서 조정하여 다이스의 가공도를 5 ~ 12%로 낮게 할 수 있다.
예를 들면, 감면각도(2α) = 40도인 다이스의 경우, 신선횟수를 2 ~ 5범위내에서 약한 신선가공을 행하여 다이스 마크의 발생을 방지하면서 신선을 행할 수 있고, 동시에 극히 표면층만 가공이 집중되므로 신선에 의해 와이어 표면층에 부여된경도치는 와이어 전체의 가공도에 비례하여 나타나는 비커스 경도에 가산(加算)되어 표면의 비커스 미소경도가 이상적으로 상승하기 때문에 큰폭의 경도 조정이 가능해 지고 결과적으로 Hv = 300 이상의 표면경도의 실현이 가능하다.
한편, 예를 들면 비커스 미소경도가 Hv = 100 으로 낮은 경우에는 건식신선공정 후에 소둔공정을 거쳐서 그 후 산세를 행하고 습식신선을 실시하여 표면경도를 조정할 수 있다. 즉 건식선선 - 소둔처리 - 산세 - 습식신선의 공정순으로 행하는 것이다.
비커스 표면경도는 와이어의 인장강도에도 관계가 있으므로 원선(ROD)의 경을 변화시켜 조정할 수 있음은 물론이다.
이하 본 발명의 범위에 드는 발명예와 본 발명의 범위에서 벗어나는 비교예를 들어 본 발명의 효과를 설명한다.
C:0.06%, Si: 0.9%, Mn: 1.4%, P: 0.014%, S: 0.009%, Ti: 0.11% 의 성분을 가지는, 경사이즈 8mm, 6.4mm, 5.5mm의 원선(ROD)을 선택하여 45 ℃, 15% H2SO4용액에서 전해산세를 행하였다.
계속하여 일부의 원선은 쇼트블라스트처리를 행하고 나머지 원선은 쇼트블라스트처리를 실시하지 않았다. 쇼트블라스트처리 공정에서 투사속도를 변화시켜 약하게(輕度),적절하게(中度), 세게(强度) 등 세가지의 조건으로 실시하여 표면조도의 크기를 변화시켰다.
다음에 통상의 인산 본데라이트 피막처리 후 15% 보락스 코팅처리를 행하여 건조한 후 권취를 하였다. 산세부터 코팅까지의 공정은 인라인 직결공정이었다.
계속하여 통상의 조건으로 건식신선을 행하여 중간선 사이즈(1.3mm ~ 2.5mm)의 와이어를 제작하였다. 건식신선 속도는 600m/분이고 횟수는 12 ~ 16회였다. 신선다이스는 텅스텐카바이드 다이였다.
신선 후 알카리 전해탈지를 행하였으며 전해탈지 앞에서는 스틸울(steel wool)로 와이어 표면의 윤할제를 기계적으로 제거하였다.
표면 비커스 미소경도가 낮은 일부 와이어의 제작을 위해서는 건식신선 후에 880℃에서 중간소둔 - 전해산세를 거치도록 하였다.
최종 습식신선에서는 다이스 감면각도가 8도, 12도, 18도, 25도, 30도, 35도, 40도 되는 다이스들을 사용하여 비커스 미소경도의 변화치를 조정하였다. 최종 와이어경은 1.2mm였다.
습식신선 다이스의 감면율(가공도)은 2α가 클수록 표 1과 같이 감소하고 표층에만 가공을 집중시키고 인발력을 낮추어 다이스 마크의 발생을 방지하였다.
감면각도(2α) 감면율(%)
8 18
12 16
18 12
25 8
30 5
35 5
40 5
이상 설명한 조건의 조합에 의해 다양한 표면조도와 비커스 미소경도를 갖는와이어를 제조하여 표 2의 조건으로 용접을 시행하여 용접시 발생되는 스패터량을 조사하였다.
와이어 경 전압 전류 속도 차폐가스 용접자세
1.2mm 22V 160Amp 20cm/분 CO2100%(20ℓ/분) 하향
스패터량은 80cm x 15cm x 20cm의 상자 중에 두께 12mm, 폭 10cm, 길이 50cm의 강판을 놓고, 그 위에 40cm길이의 비드를 2분간 용접하고 용접시 발생한 스패터량을 수집하여 1분당의 량(mg/분)으로 정량하였다.
와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)는 90도 직교하는 와이어 길이 4방향에 대해 측정하고 그 평균치를 10점 평균조도(Rz)로 취하였다.
비커스 미소경도(Hv)는 측정하중 1g으로 하여 현미경을 통해 보이는 와이어 표면 평탄부를 위 10점 평균조도(Rz)의 측정과 마찬가지로 와이어 4방향에 대해 각 방향에서 4지점, 총 16지점의 경도를 측정하여 평균치를 취하였다.
표 3은 여러 10점 평균조도(Rz)치에서 비커스 미소경도(Hv)에 따른 스패터 발생량을 표시한 것이다.
한편, 스패터 발생량과 송급성의 우열을 다음의 표 4와 같이 나타낼 수 있는바, 이에 의하면 송급성에 있어 본 발명의 효과가 나타나는 한계를 400mg/분으로 나타낼 수 있다.
스패터발생량(mg/분) 송급성
0 ~ 250 최우수
250 ~ 400 우수
400 ~ 700 보통
700 ~ 850 열세
850이상 최악
도 1은 표 3의 데이타를 그래프화 한 것으로서, 이에 의하면 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)가 Rz = 0.10 ~ 9.00 ㎛이고 와이어 표면 비커스 미소경도(Hv)가 Hv(1g)=125 ~ 310인 조건을 모두 만족시키는 와이어의 경우에만 스패터 발생량이 400mg/분 이하로서 송급성이 우수한 것을 알 수 있다.
와이어어는 용접 중에 송급롤러에 의해 공급되어 송급케이블의 내면(內面) 및 용접팁 내면과 심하게 접촉하면서 주행하고 있기 때문에 와이어 표면의 조도 또는/및 경도와 송급성은 깊은 상관 관계가 있다고 추정할 수 있고, 어느 특정범위의 표면조도 및 경도 값에서만 우수한 송급성을 나타내는 것으로 파악할 수 있다.
특히, 송급성은 와이어 인장강도 등에 비례하는 와이어 전체의 표면경도가 아니라, 미소하중에서 측정된 와이어 최표면층부의 미소경도와 강한 상관관계가 있다는 것이 본 발명자들에 의해 개시되었다.
한편, 용접전류 250A의 조건에서 통상의 구리도금 솔리드와이어인 JIS Z3312 YGW12 상당품의 1.2mm와이어를 용접하면 분당 5 ~ 6mg의 Cu흄이 발생하는데 일본 산업위생학회에서는 동의 허용농도에 대하여 권고규정은 없으나, 미국산업위생전문가회의에서는 허용농도가 0.2mg/m3로 되어 있다.
실제로는 용접작업시 적절한 보호구의 착용, 흡인장치의 사용으로 용접시 과도하게 발생하는 Cu흄을 피할 수 있지만 본 발명에서는 구리도금을 시행하지 않아 동흄 발생량은 전혀 없음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)를 Rz = 0.10 ~ 9.00 ㎛로 하고 와이어 표면 비커스 미소경도(Hv)를 Hv(1g)=125 ~ 310로 조정하여 비교적 저전류 영역에서의 탄산가스 아크용접중 발생하는 스패터량을 대폭적으로 저감시켜 고품질, 고능율의 용접작업을 할 수 있는 송급성이 우수한 동도금이 되어 있지 않은 탄산가스 아크 용접용 솔리드 와이어를 제공한다.

Claims (1)

  1. 와이어 표면의 10점 평균조도(Rz)가 Rz = 0.10 ~ 9.00 ㎛이고 와이어 표면 비커스 미소경도가 Hv(1g)=125 ~ 310인 것을 특징으로 하는 동도금이 실시되어 있지 않은 탄산가스 아크 용접용 솔리드 와이어.
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