KR100462038B1

KR100462038B1 - 고장력강 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크용접용플럭스

Info

Publication number: KR100462038B1
Application number: KR10-2000-0041589A
Authority: KR
Inventors: 장기훈
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2004-12-16
Also published as: KR20020008869A

Abstract

고장력강 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크용접용 플럭스가 제공된다.

본 발명의 플럭스는, 중량%로, SiO₂: 5~15%, Al₂O₃: 10~20%, MgO: 20~40%, CaF₂: 10~30%, CaO: 5~10%, FeO: 5~10%, MnO: 1~5%, Na₂O: 1~5%를 포함하여 조성되고; 그 염기도가 2.5≤(MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)≤3.5로 제어되고 1~3%의 CO₂를 함유하고 있으며; 그리고, 그 입경이 1.7mm~500㎛(12~35메쉬)인 것이 전체중량의 80%이상임을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 플럭스는 우수한 내균열성 및 용접작업성이 요구되는 조선, 압력용기 제작, 해양구조물 제작등과 같은 후판 다층용접에 유용하게 적용될 수 있다.

Description

고장력강 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크용접용 플럭스{Submerged arc welding flux for Multi-layer welding of high tensile thick plate steel}

본 발명은 50kgf/mm²급 고장력강용 서브머지드 아크용접용 플럭스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 50mm이상의 후판 다층용접시 용접부의 인장강도 및 충격인성을 확보할 수 있음과 아울러, 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라 특히, 저온균열저항성이 우수한 용접금속을 확보할 수 있는 50kgf/mm²급 고장력강 후판 다층용접용 서브머지드 아크용접용 플럭스에 관한 것이다.

최근에 들어 각종 구조물의 고강도화 및 후판화 추세에 따라 용접생산성을 향상시키기 위한 고능율의 용접기법의 채택이 증가하고 있다. 이러한 고능율 고입열의 용접시공은 용접생산성의 향상에는 크게 기여할 수 있으나 건전한 용접부를 확보하기 위해서는 보다 세심한 관리가 요구되고 있다.

일반적으로 50kgf/mm²급 고장력강 다층 용접용으로 사용되는 서브머지드 아크용접용 플럭스는 확산성 수소량이 많고 흡습이 쉬워 저온균열 위험성이 높을 뿐만 아니라 대입열 용접에서 모재희석에 의한 고온균열 발생이 문제점으로 인식되고 있어 용접 입열량의 제한으로 용접생산성이 저하되고 있다.

상술한 용접시공상의 위험요인을 감소시키기 위해서는 용접부의 예열과 후열등과 같은 용접시공측면에서의 세심한 배려가 필수적이나, 대형구조물에는 예열이나 후열을 함이 현실적으로 불가능하므로 용접부의 확산성수소량을 제어할 수 있는 용접재료나 용접기법의 개발 필요성이 현실적인 문제로 대두되고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 후판 다층용접시 예열의 간소화가 가능하고 고능률 용접시에도 횡균열등과 같은 저온균열발생이 없이 건전한 용접부를 얻을 수 있는 50kgf/mm²급 고장력강 후판다층용접을 위한 서브머지드 아크용접용 플럭스를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 이용된 용접모재 시편형상을 나타내는 개략도

도 2는 본 발명에 따른 후판 다층용접시의 적층형태를 나타내는 개략도

도 3은 본 발명의 실시예에서의 선행·후행 전극배치도

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, SiO₂: 5~15%, Al₂O₃: 10~20%, MgO: 20~40%, CaF₂: 10~30%, CaO: 5~10%, FeO: 5~10%, MnO: 1~5%, Na₂O:1~5%를 포함하여 조성되고; 그 염기도가 2.5≤(MgO+CaF₂+CaO)/ (SiO₂+Al₂O₃×0.5) ≤3.5로 제어되고 1~3%의 CO₂를 함유하고 있으며; 그리고, 그 입경이 1.7mm~500㎛인 것이 전체중량의 80%이상임을 특징으로 하는 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크 용접용 플럭스에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 고장력강 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크 용접용 플럭스를 설명한다.

먼저, 본 발명의 플럭스의 조성성분 제한사유를 설명한다.

SiO₂는 슬라그 점성 및 응고온도를 조절하기 위하여 첨가되며 비드의 외관형상 및 슬라그의 박리성을 양호하게 하기 위해 필수적으로 첨가되는 산성화합물로서, 본 발명에서는 그 첨가량을 플럭스의 전중량에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 5~15%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 첨가량이 5%미만이면 슬라그 유동성이 부족하여 비드 균질성이 나빠지는 반면에, 그 첨가량이 15%를 초과하면 슬라그 잔해가 발생하기 쉬우며 염기도가 떨어져 용접금속중의 산소량이 증가하므로써 충격강도를 저하시킴은 물론 슬라그 박리성을 나쁘게 할 수 있기 때문이다.

Al₂O₃는 슬라그의 염기도를 떨어뜨리지 않고 슬라그 점성, 응고온도 및 융점을 조절하기 위해 첨가되는 중성산화물로서, 본 발명에서는 그 첨가량을 10~20%로 제한함이 바람직하다.

왜냐하면 그 첨가량이 10%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 20%를 초과하면 슬라그 유동성이 나빠져 슬라그 혼입을 초래하고 비드 외관이 나빠지기 때문이다.

MgO는 고융점 염기성 산화물로서 슬라그 응고속도를 조절하기 위하여 첨가되는 산화물이다. 본 발명에서는 그 첨가량을 20~40%로 제한하는데, 이는 그 첨가량이 20%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 40%를 초과할 경우에는 슬라그의 융점이 너무 상승하여 슬라그 잔해성 및 슬라그 박리성이 나빠져 비드 외관을 해치기 때문이다.

CaF₂는 아크 안정성 및 슬라그 유동성을 조절하기 위해 첨가되며 슬라그의 점성을 높혀 비드 형상을 양호하게 하는 효과를 가진 염기성 산화물이다. 또한, 용접금속중의 산소량 및 질소량을 제어하여 충격인성을 향상시킴에도 유효한 성분이다.

본 발명에서는 CaF₂의 첨가량을 10~30%로 제한함이 바람직한데, 이는 10%미만에서는 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 30%를 초과하면 슬라그 융점이 너무 상승하여 슬라그 잔해성과 박리성이 나빠져 비드 외관을 해치기 때문이다.

CaO는 염기성산화물로서 용접금속의 충격강도를 향상시키는 효과를 가진 산화물이다. 그러나 플럭스중 그 함유량이 과소하면 첨가에 따른 효과가 없으며, 과다한 경우에는 슬라그 박리성이 현저히 나빠지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 CaO의 첨가량을 5~10%로 제한함이 바람직하다.

FeO는 용접금속의 충격강도를 향상시키는 효과를 가진 염기성화합물로서, 본발명에서는 그 첨가량을 5~10%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면 그 첨가량이 5% 미만이면 그 첨가효과가 미미하며, 10%를 초과하면 슬라그 박리성이 현저히 나빠지기 때문이다.

MnO는 용접금속의 충격강도를 향상시키는 효과를 가진 염기성산화물로서, 본 발명에서는 그 첨가량을 1~5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 첨가량이 1%미만이면 그 첨가효과가 미미하며, 5%를 초과하면 슬라그 박리성이 현저히 나빠지기 때문이다.

Na₂O는 플럭스를 적당한 크기의 입자로 만드는데 사용되는 규산소다 용액으로부터 첨가되며, 아크 안정성 및 슬라그 점성을 조절하는데 유효한 성분으로서, 본 발명에서는 그 함유량을 1~5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함유량이 1%미만이면 아크 안정성 및 집중성도 나빠져서 비드 균일성이 저하되고 슬라그 혼입이 발생할 뿐만 아니라 적절한 입도를 갖는 플럭스의 제조가 곤란하며, 5%를 초과하면 아크가 불안정해지고 내흡습성이 나빠져 피트 내지 포크 마크가 발생하기 쉽기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 상술한 조성을 가진 플럭스가 소정의 염기도를 가질 것이 요구된다. 상세하게 설명하면, 본 발명에서는 염기도에 관한 (MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)조성비가 2.5~3.5으로 제어함을 특징으로 하는데, 이는 상기 비가 2.5미만이면 용접작업성은 비교적 양호하나 용접금속의 산소량이증가하여 충격인성을 확보함이 어려우며, 반대로 3.5를 초과하면 용접작업성, 특히 슬라그 박리성 및 슬라그 잔해성 등이 나빠지기 때문이다.

또한, 플럭스내에 탄산화합물은 용접시 아크열에 의해 분해되어 CO₂가스를 발생하여 아크 분위기중의 수소분압을 낮추며, 이에 따라 용접금속중의 수소량이 낮아져 슬라그의 염기도를 상승시킴으로써 저온충격강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 점을 고려하여, 본 발명에서는 상기 플럭스내 함유된 CO₂의 량이 1~3%로 제한함이 바람직한데, 이는 1%미만이면 그 함유에 따른 효과가 미미하며, 3%를 초과하면 아크가 불안정해지고 슬라그 유동성이 나빠져 비드외관이 열화될 뿐만 아니라 포크 마크와 같은 용접결함이 발생하기 쉽기 때문이다.

상술한 조성과 염기도 등을 가진 플럭스가 우수한 용접작업성 및 저온균열 저항성을 확보하기 위해서는 본 발명 플럭스의 입도 또한 소정치로 제어될 것이 요구된다. 상세하게 설명하면, 플럭스의 입도가 1.7mm(ASTM 12메쉬)보다 큰 것이 10%이상인 경우에는 아크가 불안정해지고 슬라그 유동성 및 비드 외관이 나빠지며, 500㎛(ASTM 35메쉬)보다 작은 것이 10%이상인 경우에는 아크가 안정해지는 등 용접작업성은 양호해지나 플럭스가 미분화되기 쉬워 비드외관이 나빠지고 슬라그 잔해가 발생할 뿐만 아니라 용접시 발생하는 가스의 방출을 저해하여 용접결함이 발생될 수 있으므로 건전한 용접부를 얻을 수 없다.

상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 플럭스의 입도가 1.7mm(ASTM 12메쉬)~500㎛(ASTM 35메쉬)범위의 것이 전체중량의 80%이상으로 구성되어 있음이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 플럭스를 각각 마련하였다. 그리고 이들 각 플럭스 분말에 규산소다가 첨가된 고착제를 가한 후 하기 표 2와 같은 입도를 갖는 고장력강 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크 용접용 플럭스를 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 마련된 각 플럭스를 이용하여 두께 80mm의 ASTM A516 Gr. 70 용접모재에 서브머지드 아크 용접을 행하였으며, 이때 사용된 와이어의 화학성분은 하기 표 3에 나타내었다. 그리고 상기 용접모재의 구체적인 형상 및 다층용접시의 구체적인 적층방법은 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다. 한편, 도 2에 나타난 패스번호 "0"은 솔리드 와이어 AWS A5.18 ER70S-6(1.2Φ)를 용접전류 230~250A, 용접전압 26~28V의 용접조건에서 30~40cm/분의 용접속도로 초층용접한 것이다.

상기와 같이 서브머지드 후판 다층용접을 행한 후, 용접작업성과 용접금속의 기계적 성질을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

플럭스 No.	플럭스의 조성(중량%)
플럭스 No.	SiO₂	Al₂O₃	MgO	CaF₂	CaO	FeO	MnO	Na₂O	잔여
1	11.5	17.5	22.0	23.0	8.5	9.0	4.5	3.5	0.5
2	10.0	20.0	24.0	22.5	8.0	8.0	4.0	3.0	0.5
3	12.0	18.0	29.5	19.0	6.5	7.5	3.0	2.0	2.5
4	9.0	16.0	24.5	25.0	7.0	8.5	5.0	2.5	2.5
5	10.5	17.0	26.0	25.0	7.0	8.0	2.0	3.0	1.5
6	16.5	18.5	13.0	31.5	7.5	6.5	3.0	2.0	1.5
7	8.0	26.0	27.0	16.5	14.0	3.5	2.0	2.5	0.5
8	14.0	20.0	21.5	17.0	8.0	9.5	4.5	3.0	2.5

플럭스 No.	염기도	CO₂(%)	메쉬(%)	비고
플럭스 No.	염기도	CO₂(%)	+12	비고	12~35	-35
1	2.64	1.82	2	94	4	발명예1
2	2.73	1.71	5	91	4	발명예2
3	2.62	1.39	8	90	2	발명예3
4	3.32	1.52	10	82	8	발명예4
5	3.05	0.35	2	91	7	비교예1
6	2.02	1.61	15	83	2	비교예2
7	2.74	2.83	2	93	5	비교예3
8	1.94	1.75	13	75	12	비교예4

* 염기도: (MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)

종류	와이어의 화학성분(중량%)
종류	C	Si	Mn	P	S	Cu
AWS A5.17 EH14	0.12	0.01	1.98	0.015	0.008	0.06

극성	용접자세	패스번호	전극	전류(A)	전압(V)	속도(cm/분)	입열량(KJ/cm)	층간온도(℃)
DC-AC	아래보기	1	선행	500	28	45	18.7	최대250
		2	선행	600	30	45	24.0
		3~5	선행후행	700800	3235	30	100.8
		백 가우징(최소 5R, 35°) 실드 비드 완전제거
		6~7	선행	500	28	45	18.7
		8~9	선행	600	30	45	24.0
		10~19	선행후행	700800	3235	30	100.8

* 용접모재의 예열온도는 50~100℃이며, 선후행 전극배치는 도 3과 같다.

구 분	발명예	비교예
구 분	1	2	3	4	1	2	3	4
용접작업성	아크 안정성	양호	양호	양호	양호	양호	불량	양호	불량
	비드외관	평활성	양호	양호	양호	양호	양호	양호	불량	양호
	비드외관	균질성	양호	양호	양호	양호	양호	불량	불량	양호
	슬라그 특성	박리성	양호	양호	양호	양호	양호	불량	양호	양호
	슬라그 특성	잔해성	양호	양호	양호	양호	양호	불량	양호	양호
용접금속의기계적성능	충격강도(J, -60℃)	90	95	85	102	78	32	53	48
용접금속의기계적성능	X선 투과시험	양호	양호	양호	양호	불량(미세횡균열)	양호	양호	양호
확산성 수소량(cc/100g 용접금속)	2.32	3.41	4.80	3.78	7.75	3.84	2.02	3.54

* 상기 확산성 수소량은 가스 크로마토그래피법으로 측정한 것임

상기 표 1, 2 및 표 5에 나타난 바와 같이, 조성뿐만 아니라 염기도 {(MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)}, CO₂함량 및 그 입도분포가 적절히 제어된 본 발명예(1~4)의 플럭스를 이용하여 서브머지드 후판 다층용접을 실시할 경우 모두우수한 용접작업성과 기계적 성질이 우수한 용접금속을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이에 반하여, CO₂의 함유량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1의 경우는 용접작업성은 우수하나 그 충격강도도 본 발명예에 비해 다소 열악 하였으며, 확산성 수소량이 7.75(cc/100g 용접금속)로 매우 높게 나타나 용접금속에 미세 횡균열이 발생 하였다.

또한, 염기도{(MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)}가 본 발명범위 밖인 비교예 4의 경우에는 충격강도가 좋지 않음을 알 수 있으며, 특히 플럭스의 입도분포가 본 발명의 범위를 벗어나 아크가 매우 불안정 하였다.

또한, 그 조성자체가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 2 및 3의 경우에는 충격강도와 용접 작업성이 좋지 않음을 알 수 있는데, 특히 비교예 2는 아크의 불안정과 슬라그의 잔해성이 좋지 않아 슬라그의 박리도 어려우며, 비드의 외관도 불균일 하였다. 또한, 비교예 3은 비드 외관이 매우 조악하였다.

따라서 상술한 바와 같은 본 발명의 서브머지드 아크 용접용 플럭스는, 50mm이상의 후판 다층용접시 내균열성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있으므로 조선, 압력용기 제작, 해양구조물 제작등을 위한 용접에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims

중량%로, SiO₂: 5~15%, Al₂O₃: 10~20%, MgO: 20~40%, CaF₂: 10~30%, CaO: 5~10%, FeO: 5~10%, MnO: 1~5%, Na₂O: 1~5%를 포함하여 조성되고; 그 염기도가 2.5≤(MgO+CaF₂+CaO)/(SiO₂+Al₂O₃×0.5)≤3.5로 제어되고 1~3%의 CO₂를 함유하고 있으며; 그리고, 그 입경이 1.7mm~500㎛(12~35메쉬)인 것이 전체중량의 80%이상임을 특징으로 하는 후판 다층용접을 위한 서브머지드 아크 용접용 플럭스