KR100463292B1

KR100463292B1 - 자동 용접용 지지구

Info

Publication number: KR100463292B1
Application number: KR10-2004-0026023A
Authority: KR
Inventors: 정무수
Original assignee: 정무수
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2004-12-24
Also published as: JP2005306730A; KR20040052615A; CN100424036C; JP4246713B2; CN1683272A

Abstract

본 발명은 자동용접에 사용되는 세라믹 모재를 SiO₂: 70~95%, Al₂0₃: 2~15%, MgO : 1~5%, Na₂O 또는 K₂O의 합이 0.3~2%, Fe₂O, TiO₂, Li₂O, CaO등과 같은 또 다른 알카리 금속 산화물중의 1종 이상을 0.5~5%의 중량을 함유하면서 90~150메시의 입자크기로 되어 있는 a-석영(a-Quartz), 트리디마이트(Tridymite), 크리스토바라이트(Cristobalite)중에서 선택된 어느 하나의 광물을 주결정상으로 하여 12~24%의 기공율과 0.01~0.5%의 수분을 함유 하면서 1435℃~1670℃의 내열성(SK)를 갖는 세라믹 모재(1)를 통상의 공법으로 제조하여 기계적강도와 급열 급냉에 대한 열충격 저항성을 보완한 자동 용접 지지구

Description

자동 용접용 지지구 {Support for automatic welding}

본 발명은 용접기법 중 자동용접에 사용되는 용접 지지구에 관한 것으로 출원인이 선 출원한 특허 제0163265호를 개량하여 급변하는 용접산업에 보다 우수한 자동 용접용 지지구를 제공하여 고효율, 고능률의 생산성을 실현할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

자동용접(SUBMERGED ARC WELDING)이란, 고전류(850~1250A), 고전압(32~40V)에서 행해지는 통상의 용접기법으로 자동 용접지지구는 자동용접을 원만하게 이루어 질수 있도록 내화도(SK) 및 급열 급냉에 대한 열충격 저항성, 기계적 강도, 내산성, 내화학성에 강한 물질로 구성되어야 한다.

출원인이 선 출원한 특허 제0163265호의 자동 용접용 지지구는 자동용접에 사용되는데 있어 특별한 용접결함은 발견되지 않는 소기의 목적을 달성한 발명이었으나 급변하는 용접산업의 발달과 산업현장에서 필요로 하는 고능률 생산을 위한 용접기법 변화에 적절히 대응하지 못하는 미흡한 점들이 발견되어 만족스럽지 못한 요인으로 작용하므로 이러한 요인들을 살펴보면

첫째, 세라믹 모재를 제조하는 주원료의 입자크기가 커서 용접용 지지구의 기계적강도 약화로 가벼운 외부 충격에도 세라믹 모재가 파손되는 결함이 발생되었고

둘째, 원재료의 큰 입자를 세라믹 모재로 소결하기 위하여 융제(FLUX) 작용을 하는 Na₂O 또는 K₂O의 성분이 원재료의 큰입자에 의해 필요이상으로 첨가가 되어 세라믹 모재가 유리상으로 치밀화 되어 용접시 발생되는 고열에 의한 열 충격에 모재가 파손 되는 결함이 있었고셋째, 원재료의 큰입자와 이 큰입자를 소결하기 위한 Na₂O 또는 K₂O의 과대한 함유량에 따라 세라믹 모재의 기공율이 저하되어 기계적 강도가 취약상태로 되어 용접시 파손 위험성이 있었다.

세라믹 모재의 파손은 곧 용접시 용융지를 안전하게 보호하지 못하고 용락이라는 중대한 용접결함이 발생하는 요인을 가져오게 되는 것이다.

출원인이 선출원한 특허 제0163265호의 결점인 기계적 강도 및 용접고열에 의한 열충격 약화는 세라믹모재의 입자크기(60~80메시)와 이 입자크기를 융제(FLUX)작용하여 소결시켜 주는 Na₂O 또는 K₂O의 함유량(1.2~8%) 그리고 이들 상관관계에서 발생되는 세라믹모재의 기공율(25~48%)에 있으므로 본 발명에서는 세라믹모재의 입자크기를 90~150메시로, Na₂O, K₂O의 함량을 0.3~2%로, 그리고 세라믹모재의 기공율을 12~24%로 개량하여 용접용 지지구의 기계적 강도와 급열 급냉에 대한 열충격 저항성을 보완하여 자동용접에 폭넓게 적용 할수 있도록 개량한 것으로 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

SiO₂: 70~95%, Al₂0₃: 2~15%, MgO : 1~5%, Na₂O 또는 K₂O의 합이 0.3~2%, Fe₂O, TiO₂, Li₂O, CaO등과 같은 또 다른 알카리 금속 산화물중의 1종 이상을 0.5~5%의 중량을 함유하면서 90~150메시의 입자크기로 되어 있는 a-석영(a-Quartz), 트리디마이트(Tridymite), 크리스토바라이트(Cristobalite)중에서 선택된 어느 하나의 광물을 주결정상으로 하여 12~24%의 기공율과 0.01~0.5%의 수분을 함유 하면서 1435℃~1670℃의 내열성(SK)를 갖는 세라믹 모재(1)를 통상의 공법으로 제조한다.

상기와 같은 SiO₂, Al₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O, Fe₂O, TiO₂, Li₂O, CaO를 종합적으로 함유하고 있는 상기 a-석영, 트리디마이트, 또는 크리스토바라이트 중에서 세라믹 원료를 선택하는 대신에 상기 각 성분을 각기 다르게 함유하고 있는 광물을 사용하여 본 발명 세라믹 모재를 제조할 수도 있다.

그 예로 SiO₂를 함유하는 실리카, 고령토, 장석, 운모, 활석, 뮬라이트 중 어느 하나와 Al₂O₃를 함유하는 광물질인 알루미나 고령토, 뮬라이트, 복사이트, 중 어느 하나와, MgO를 함유하는 광물질인 산화마그네슘, 코디어라이트, 활석, 돌로마이트, 마그네사이트, 중 어느 하나와 Na₂O를 함유하는 소다장석, 소다나트륨, 소다물유리, 중 어느 하나 또는 K₂O를 함유하는 광물질인 카리장석, 티탄산칼슘, 카리물유리, 중 어느 하나 또 다른 알카리금속 산화물인 Li산화물, 산화철, 티탄산바륨, 티탄늄, 루타일, 규산지르콘 및 지르코니아 중 1종 이상을 상기 성분 비율대로 배합하여 세라믹 모재를 제조할 수도 있다.

이상과 같이 제조된 SiO₂, Al₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O,를 주성분으로 함유하는 세라믹으로 된 모재와 SiO₂40~70%, Al₂O₃5~20%, B₂O₃3~15%, CaO 8~28%, Na₂O, K₂O, Li₂O등과 같은 또 다른 알카리 금속산화물 중에서 1종 이상을 0.5~4%함유한 편직 직조된 유리섬유 시트를 0.3~1.5mm의 두께로 하고, 수분함량이 0.01~0.5%범위인 유리섬유(FIBER GLASS)층을 상기 세라믹 모재 상면에 적층함을 특징으로 하는 자동 용접지지구이다.

세라믹 모재는 공지된 바와 같이 용융금속을 보호하며 이면비드 폭과 깊이등의 형상을 만들어 주는 역할을 하며, 유리섬유는 용접하고자 하는 스틸 모재와 용접지지구의 완전 밀착이 될 수 있게 하는 완충작용 및 용접시 발생되는 가스를 용이하게 방출시켜 언더컷, 오버랩, 스파타, 핀홀, 등과 같은 용접결함이 발생하지 않고 우수한 용접비드 및 형상을 얻를 수 있도록 도와주는 보조 역활을 하는 것이다.

이하 본 발명의 세라믹 모재의 주요 구성 성분에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 세라믹 모재 주요성분인 SiO₂는 그 결정상이 a-석영, 혹은 트리디마이트, 또는 크리스토바라이트 상으로 존재 하고 있으며 본 자동 용접지지구의 구성 성분 중 중요성분으로써 그 범위가 70~95%로 함유되어 있어야 하고 70% 미만에서는 내열성이 저하되어 과대한 슬래그를 발생하게 되고, 또한 용해물이 많아져서 아크열이 불안정하게 되므로 언더컷, 스파타라는 용접결함을 가져오게 되고 반대로 95% 이상에서는 슬래그의 유동성이 적어 지므로 균일한 이면비드를 생성할 수 없으며, 슬래그의 박리성이 저하되고 슬래그의 말림현상 등이 발생하게 된다.

또한, 세라믹 모재에 함유된 Al₂O₃는 세라믹 모재의 내화도를 높여 자동용접시 고열에 견딜 수 있고 용접시 생성된 슬래그의 점성을 높여 균일한 이면비드를 더욱 효과적으로 얻을수 있게 하기 위해서 필요한 성분이며 그 범위는 2~15%가 가장 이상적이고 2% 미만에서는 스파타 발생으로 슬래그의 박리성이 저하되고 용접 후 글라이딩, 부러쉬 작업을 하게 되며, 15%이상에서는 내화도가 지나치게 높아 슬래그의 점성이 낮아져서 슬래그의 말림현상, 언더컷 등이 발생하게 된다.

또 MgO는 Al₂O₃와 비슷한 작용을 하는 성분으로서 세라믹 모재의 내열성 정비재료로 활용되며 슬래그의 박리성을 양호하게 하는 역할을 수행하는데 1~5%로 함유함을 특징으로 하는 것으로 1% 미만의 성분으로는 용융금속의 점성이 낮아져 슬래그의 박리성이 저하되고 언더컷 및 오버랩 등이 일어나게 되며, 5%이상에서는 용융금속의 점성이 과대해지므로 가스의 방출이 어려워져 플로오홀, 스파타, 패인자국 등의 용접결함이 발생하게 된다.

본 발명에서 중요개량 부분인 세라믹 모재의 입자크기를 기계적강도가 가장 우수한 상황에서 열 충격에 대한 저항성이 양호한 크기인 90~150메시로 한정하는 것은 세라믹 모재의 입자가 90메시 이하인 경우에는 입자 크기가 너무 커서 기계적 강도가 떨어지므로 세라믹 모재를 취급할시 주의해야 하는 불편함이 있고, 반대로 입자 크기가 150메시 이상으로 되었을 경우는 기계적 강도는 우수해지나 용접용 지지구의 기본 특성인 급열 급냉에 대한 열 충격 저항성이 저하되어 용접시 발생하는 고입열에 세라믹 모재가 파괴될 수 있으므로 세라믹 모재를 제조 하는데 있어 세라믹 모재의 기본물질 구성 재료인 a-석영의 기본 입자크기는 90~150 메시가 가장 적당하다 하겠다.또한 세라믹 모재의 입자크기와 소결관계에 있는 Na₂O 또는 K₂O는 세라믹 모재 내에서 융제(FLUX)작용을 하는 성분으로서 세라믹의 소성범위를 넓혀 주는 역할을 수행하며 동시에 용접시 슬래그의 점성 및 슬래그의 박리성, 슬래그 말림현상, 언더컷 이면비드의 플로오홀 등의 용접 결과에 영향을 미치는 성분으로 현재 용접산업에서 실시하는 고생산성(고입열량, 생산속도 증가)으로 발전되어 가는 자동용접 기법에 적절히 대응 할수 있는 용접지지구를 얻을 수 있도록 Na₂O 또는 K₂O 의 성분은 각각의 독립적으로 함유하고 있거나 혹은 두개의 성분이 동시에 존재 하고 있어도 그 함량은 0.3~2% 범위가 적당하고 0.3% 미만의 함량이 존재할 시엔 슬래그의 점성이 낮아지고 슬래그 박리성이 결여되어 생성된 이면비드의 말림현상과 언더컷이 발생되는 용접결함이 있고, 반대로 2%를 초과할 시에는 세라믹 모재의 결정구조를 유리화시켜 용접시 발생되는 고입열에 대한 열충격 저항성을 저하 시키므로서 용접시 고열에 의해 세라믹 모재의 파손을 가져오게 된다.

세라믹 모재의 입자크기와 Na₂O 또는 K₂O의 함유량과 밀접한 상관관계에 있는 세라믹 모재의 기공율은 세라믹 모재의 기계적 강도 및 급열 급냉에 대한 열충격 저항성을 부여하는 요인으로서 세라믹 모재의 기공율은 12~24%가 가장 이상적이고 12% 이하의 기공율은 세라믹 모재에 유리 결정상이 과다 생성으로 인하여 용접시 발생하는 가스의 흡습이 용이하게 하지 못하고 이는 곧 열 충격에 의한 세라믹 모재의 파손으로 이루어지며 반대로 24% 이상의 기공율은 상기 기술한 Na₂O 또는 K₂O의 함량 0.3% 이하의 존재시와 같은 결과로 즉 세라믹 모재의 기계적강도가 취약한 상태로 되기 때문에 취급상 어려움과 용접시 모재의 파손 위험성을 가지게 된다.

상기와 같은 세라믹 모재를 제조하기 위해선 각각의 독립적인 성분과 그 성분을 함유하고 있는 무기화합물을 이용하여 통상적인 세라믹 제조공정(원, 부재료혼합 → 성형 → 소결)으로 제조하게 되는데 본 발명의 세라믹 모재의 구성성분을 골고루 갖춘 a-석영, 트리디마이트 크리스토바라이트 중 하나만을 사용하지 않고 각각의 성분을 함유하고 있는 여러 가지 광물을 사용하여 세라믹 모재를 제조 할수 있다.

1) 세라믹 원료혼합 : a-석영을 90~150메시로 분쇄하고, 소다장석(Na₂O함유광물), 또는 칼리장석(K₂O 함유광물), 알루미나(Al₂O₃함유광물), 마그네시아 (MgO 함유광물)를 소정의 배합 비율로 배합하여 325메시 이하로 분쇄한 다음 상기의 a-석영과 혼합한다.

2) 유기바인더 첨가 : 상기 혼합물 분말에 폴리비닐알코올(P.V.A. 205), 스테아린산, 파라핀 왁스, 및 기타 첨가물을 상기 세라믹 혼합물에 혼합하여 건조오븐에서 90~110℃로 8~24시간 건조한 다음, 40톤 기계압력으로 개당 성형압력 10~30kgf/㎠로 소정의 형태로 압착 성형한 후 다시 건조오븐에서 90~110℃로 24시간동안 건조하고 1250~1400℃에서 열처리 하여 세라믹 모재를 얻는다.

상기의 통상적인 제법으로 제조된 SiO₂, Al₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O,를 주성분으로 함유하는 세라믹으로 된 모재와 SiO₂40~70%, Al₂O₃5~20%, B₂O₃ 3~15%, CaO 8~28%, Na₂O, K₂O, Li₂O등과 같은 또 다른 알카리 금속산화물 중에서 1종 이상을 0.5~4%함유한 편직 직조된 유리섬유시트를 0.3~1.5mm의 두께로 하고, 수분함량이 0.01~0.5%범위인 유리섬유(FIBER GLASS)층을 상기 세라믹 모재 상면에 적층된 본 발명 자동 용접지지구를 사용하여 다음의 용접 조건하에서 표 1에서 용접 실시를 하고 그 시험결과를 표 2에서 나타냈다.

1) 용접 와이어 : L - 8 * S - 707

플럭스 : US - 40 * MF - 100N

2) 용접전압(V) : 35

3) 용접전류(A) : 900

4) 스틸두께(mm) : 16

5) 용접속도(cm/min) : 29

6) 개선각도(??) : 50

7) 적정갭(mm) : 2

8) 용접자세 : 아래보기 자세

표-1 세라믹 조성비를 달리한 실시예

실시예(no)	세라믹 모재의 화학 성분 (중량%)	기공율(%)	주요광물명
실시예(no)	SiO₂	기공율(%)	주요광물명	Al₂O₃	MgO	K₂O	Na₂O	기타불순물Fe₂O₃Li₂O 등	합계
1	65.37	25.14	4.23	1.67	1.83	1.76	100	27	코디어라이트스테아타이트
2	69.23	22.56	3.43	2.08	1.52	1.18	100	26	코디어라이트스테아타이트
3	79.30	12.41	2.98	2.32	1.67	1.32	100	26	석영,트리디마이트크리스토바라이트코디어라이트스테아타이트
4	84.77	9.56	2.73	0.32	1.18	1.44	100	15	"
5	87.13	7.28	2.68	0.55	1.04	1.32	100	17	"
6	88.79	5.73	2.34	1.02	0.45	1.67	100	19	"
7	90.24	4.56	3.03	0.86	0.23	1.08	100	21	"
8	92.53	3.18	2.67	0.38	0.26	0.98	100	22	석영,트리디마이트크리스토바라이트코디어라이트
9	93.34	3.16	2.36	0.11	0.16	0.87	100	24	석영,트리디마이트크리스토바라이트

세라믹 모재위에 적층된 유리섬유(FIBER GLASS)층의 성분 구성비는 다음과 같다.

SiO₂ : 54.2% , Al₂O₃; 12.3%, MgO : 2.1% , B₂O₃: 10.8%,

CaO : 19.8%, 기타 알카리 금속 산화물(Na ₂O, K₂O, 등 .) : 0.68%

수분함량 (%) : 0.12, 두께 : 1mm (0.5mm 두겹)

표-2 시험결과

실시예(no)	세라믹 모재의 성분에 따른 시험 결과	비고
실시예(no)	언더컷발생	비고	스파타발생	오버랩발생	슬래그박리성	이면비드형상	세라믹모재파손	열충격에의한 세라믹파손	평가
1	유	유	유	×	×	파손	파손	×	유:불량무:양호○:양호△:보통×:불량⊙:합격×:불합격
2	유	유	유	×	×	파손	파손	×
3	유	유	유	△	△	무	파손	△
4	무	무	무	○	○	무	무	⊙
5	무	무	무	○	○	무	무	⊙
6	무	무	무	○	○	무	무	⊙
7	무	무	무	○	○	무	무	⊙
8	무	무	무	○	○	무	무	⊙
9	유	무	유	○	△	파손	무	△

상기표의 시험결과를 보면 세라믹 모재의 구성 성분이 본 발명의 가장 바람직한 범위내에 속하는 실시예 4~8에서는 세라믹 모재의 파손 및 용접비드 외관, 슬래그 박리성, 기타 용접 결함들이 전혀 발생하지 않는 매우 우수한 용접비드를 얻을 수 있음을 알수 있다.

그러나 실시예 1, 2, 3과 실시예 9에서는 본 발명 범위 밖의 화학성분 및 기공율 변동에 의해 세라믹 모재의 파손이 일어나고 이로 인한 용접결함들이 다량 발견되었는데 이들 문제점을 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.

[실시예 1. 2]

실시예 1번 2번은 기공율이 규정범위 이상과 주요 구성물질의 중량이 본 발명과는 다른 범위로 주요 성분인 SiO₂함량 미달과 Al₂O₃함량 과다 및 Na₂O, K₂O의 첨가량 과다와 기공율 증가로 인한 용접결함이 나타났는데 이는 세라믹 모재가 실리카계(a-Quartz, Tridymite, Cristobalite)아닌 코디어라이트(MgO-SiO₂-Al₂O₃)계 세라믹 모재로 구성되어 내열성 부족으로 인한 용접 결함이다.

본 발명의 자동 용접지지구는 높은 전압, 전류에 의해 발생 되는 고입열에 견딜 수 있는 세라믹 모재의 내화도가 필수적인데 상기의 코디어라이트계 세라믹 모재로서는 용접시 용융금속을 안전하게 보호해 주지 못하고 쉽게 녹아 버려 용락이 발생하는 중대 용접결함이 발생하는 것이다.

[실시예 3]

용접비드 형상과 용접외관이 비교적 양호한 결과를 얻었지만 세라믹 모재의 Na₂O와 K₂O의 성분 합계가 본 발명 규정범위인 2% 이상으로 과다하게 존재하여 세라믹 모재의 기공율 저하를 가져오게 되고 이는 세라믹 모재의 결정상을 필요 이상 치밀하게 만들어주는 결과를 초래하여 급열 급냉에 대한 열충격 저항성이 떨어져서 용접시 발생되는 고열에 의해 세라믹 모재가 열충격에 의해 파손이 되어 용접용 지지구로의 역할을 수행하기 어렵다.

[실시예 9]

본 발명 규정범위에 근접한 시험 결과로서 용접외관 및 비드형상은 비교적 양호한 결과를 얻을 수 있었으나 Na₂O와 K₂O의 성분합계가 본 발명 규정범위인 0.3% 미만으로 소량 존재 하므로서 세라믹 모재의 기계적 강도 저하로 인한 세라믹 파손과 이면 비드의 외관 결함인 오버랩, 언더컷 등이 발생하였다.

이상과 같이 본 발명은 용접산업의 발전 및 용접조건의 변화에 대한 적절한 자동 용접지지구를 얻고져 출원인이 선 출원한 특허0163265호를 개량하여 기계적 강도와 급열 급냉에 대한 열충격 저항성을 보완하여 완벽한 자동 용접용 지지구를 얻을 수가 있는 것이다.

Claims

SiO₂, Al₂O₃, MgO, Na₂O, K₂O등을 함유하는 세라믹 모재와 SiO₂40~70%, Al₂O₃5~20%, B₂O₃3~15%, CaO 8~28%, Na₂O, K₂O, Li₂O등과 같은 또 다른 알카리 금속산화물 중에서 1종 이상을 0.5~4%함유한 편직 직조된 유리섬유 시트를 0.3~1.5mm의 두께로 하고, 수분함량이 0.01~0.5%범위인 유리섬유(FIBER GLASS)층을 상기 세라믹 모재 상면에 적층하고 세라믹 모재의 이면에는 알루미늄 테이프를 밀착 한 것으로 구성되는 자동 용접지지구에 있어서 상기 모재를 SiO₂: 70~95%, Al₂0₃: 2~15%, MgO : 1~5%, Na₂O 또는 K₂O의 합이 0.3~2%, Fe₂O, TiO₂, Li₂O, CaO등과 같은 또 다른 알카리 금속 산화물중의 1종 이상을 0.5~5%의 중량을 함유하면서 90~150메시의 입자크기로 되어 있는 a-석영(a-Quartz), 트리디마이트 (Tridymite), 크리스토바라이트(Cristobalite)중에서 선택된 어느 하나의 광물을 주결정상으로 하여 12~24%의 기공율과 0.01~0.5%의 수분을 함유하여서 된 자동용접용 지지구.
제 1항에 있어서 Na₂O 만을 0.3~2% 로 함유하여서 된 자동용접용 지지구.
제 1항에 있어서 K₂O 만을 0.3~2% 로 함유하여서 된 자동용접용 지지구.