KR100466205B1 - 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후판강재의 파이프 형상 또는 압력 용기 등에 사용되어 고온의 환경에서 장시간 경과하여도 용접부의 충격 인성이 양호하게 유지되도록 하는 염기성계 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물에 관한 것으로서, SiO₂13-25 중량%, Al₂O₃11-31 중량%, TiO₂1-6 중량%, CaO 2-11 중량%, CaF₂6-16 중량%, MnO 0.5-6 중량%, MgO 21-33 중량%, Na₂O, K₂O, Li₂O로 구성된 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 합 1-7 중량%, Fe 성분 0.5-6 중량%, CO₂(단, 탄산염광물에서의 환산치) 0.5-5 중량% 의 함량을 가지는 플럭스 조성물에 대하여 개시하고 있다.

본 발명의 플럭스 조성물은 다양한 금속 산화물 등의 성분을 적정한 비율로 포함함으로써 비드 외관과 슬래그 박리성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 염기도를 특정함으로써 인장 강도, 충격 인성 및 용접 작업성에서 모두 양호한 결과를 달성하도록 한다.

Description

서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물{A FLUX COMPOSITION FOR SUBMERGED ARC WELDING}

본 발명은 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후판강재의 파이프 형상 또는 압력 용기 등에 사용되어 고온의 환경에서 장시간 경과하여도 용접부의 충격 인성이 양호하게 유지되도록 할 수 있고, 용접 작업성이 우수한 염기성계 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물에 관한 것이다.

강판이나 강관과 같은 강구조물의 자동용접은 용접봉으로 아크를 형성시켜 용융상태로 만들고, 그 상부에 플럭스를 가하면서 용융강을 응고시켜 용접 비이드의 적절한 표면조직을 부여함으로써 이루어진다.

이러한 아크 용접에서 사용되는 용접용 플럭스는 분말 형태로 사용되는 조성물로서 용접시 가열되어 용융되고, 냉각시 적절한 크기의 비이드 입자로 형성되게 된다. 일반적인 플럭스 조성물의 성분은 대표적으로 칼슘과 칼륨의 불화물; 알루미늄, 실리콘 등의 산화물; 및 탈산제와 같은 성분들로 이루어지는데, 바람직한 응고 온도, 바람직한 슬래그 제거 특성, 및 용착된 용접 비이드에 바람직한 기계적 특성을 제공하기 위하여는 조성 성분 및 적절한 조성 비율이 매우 중요한 요소가 된다.

한국 특허공고공보 제 90-9218 호에서는, 플럭스 조성물 성분의 염기도를 낮춤으로써 용접비이드 외관 및 작업 용이성이 개선될 수 있다는 점에 착안하여, 금속 불화물, 금속 산화물을 함유하고, 최대 유효산소를 5% 이하로 제한하며, 플럭스의 염기도 지수를 1.25 이하로 하는 플럭스 조성물에 대하여 제안하고 있다.

또한, 한국 특허공개공보 제 95-17060 호에는 기존의 플럭스 조성물이 갖고 있던 용접성이 떨어지고, 아크 안정성이 낮아 용접시 스패터를 대량으로 발생시키는 단점을 개선하는 것을 목적으로, 무기물 성분인 TiO₂, MgO, SiO₂가 각각 20 중량% 이하, Na₃AlF₆가 30－55 중량%, Al금속분말이 10－35 중량%의 조성범위를 갖는 용접 플럭스 조성물에 대하여 개시하고 있다.

그러나, 상기에서 언급된 종래기술은, 염기도를 낮춤으로써 용접 비이드 외관 및 작업 용이성이 좋아질 수 있을지는 모르지만, 충분한 염기도가 용접 비이드 내의 산소 함유를 방지함으로써 높은 충격 강도를 얻을 수 있게 한다는 사실을 무시하고 염기도를 지나치게 낮춤으로써 용접부위의 충격 강도를 만족스럽게 얻을 수 없는 문제점을 갖고 있다. 또한, 종래의 플럭스는 TiO₂를 주성분으로 하는데 이러한 종류의 조성물은 아크 안정성, 슬래그 박리성 등의 용접 작업성은 우수한 반면, 용접부의 충격 인성에 있어서는 그다지 양호한 결과를 얻지 못하는 단점을 갖고 있다.

또한, 상기와 같은 종래의 플럭스 조성물은 용접한 상태 그대로 또는 잔류응력 제거를 목적으로 하는 열처리를 행한 후의 용접부의 충격 인성은 양호하나, 고온의 환경에 장시간 노출이 된 경우에는 현저히 충격 인성이 저하하는 문제점을 안고 있었다. 특히, 화력 또는 원자력을 이용한 전력 플랜트 공장 등에서는 고온의 물 또는 수증기가 통과 또는 저장되는 과정이 빈번히 발생하게 되는데, 이러한 경우에 충분한 인성을 가지지 못하는 용접부가 있을 경우에는 안전상 심각한 문제를 야기할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 기존의 중,후판용 플럭스 조성물들의 단점을 보완하기 위해, 용접 작업성 및 용접부의 충격 인성을 동시에 충족할 수 있는 플럭스 조성물, 특히 후판강재의 파이프 형상 또는 압력 용기 등에 사용되어 고온의 환경에서 장시간 경과하여도 용접부의 충격 인성이 양호하게 유지되도록 할 수 있고, 용접 작업성이 우수한 염기성계 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물을 제공하기위한 것이다.

도 1은 용접시험의 개선 형상을 나타낸다.

도 2는 용접후 열처리 조건을 나타낸 그래프이다.

도 3은 충격 인성 시험결과의 그래프를 나타낸 것이다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 플럭스 조성물의 전체 중량에 대하여, SiO₂13-25 중량%, Al₂O₃11-31 중량%, TiO₂1-6 중량%, CaO 2-11 중량%, CaF₂6-16 중량%, MnO 0.5-6 중량%, MgO 21-33 중량%, Na₂O, K₂O, Li₂O로 구성된 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 합 1-7 중량%, Fe 성분 0.5-6 중량%, CO₂(단, 탄산염광물에서의 환산치) 0.5-5 중량% 의 함량을 가지는 플럭스 조성물을 수단으로 제시하였다.

또한, 본 발명은 상기의 조성을 만족하면서 ( [CaO] + [MgO] + [CaF₂] + 0.5[MnO] ) / ( [SiO₂] + 0.5[TiO₂] + 0.5[Al₂O₃] )의 비가 1.10 내지 2.10인 것을 만족하는 플럭스 조성물도 제시하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 배합을 통해 염기성 조성물을 제조함으로써, 고온의 환경에서 장시간 사용하여도 용접부의 충격 인성이 유지되고, 작업 안정성 또한 양호하게 하여 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.

이하, 본 발명의 플럭스 조성물을 구성하는 성분들 및 그 성분비에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 SiO₂성분은 산성계 성분으로써 용융 슬래그의 염기도를 조정하고, 점성과 융점을 조정하여 비드 외관을 균일하게 하는 기능이 있다. 본 발명의 SiO₂성분은 플럭스 전중량에 대하여 13 내지 25 중량%으로 사용되는 것이 바람직하며, 13 중량% 미만일 경우는 점성이 부족하여 사행 비드나 언더컷이 발생하기 쉽고, 25 중량%를 초과하게 되면, 용융 슬래그의 염기도가 낮아져서 용착금속내의 산소 성분이 증가하여 인성이 열화하게 될 뿐만 아니라, 용착 금속내에 Si성분이 증가하여 본 발명에서 요구되는 충분한 충격 인성을 기대할 수 없게 된다.

본 발명의 플럭스 조성물 중의 Al₂O₃는 중성계 성분으로서 주로 슬래그를 형성하고, 염기도를 조정하며, 용융 슬래그의 점성 및 응고점을 조정하고, 아크 집중성과 안정성을 향상시킨다. 본 발명의 Al₂O₃는 바람직하게 11-31 중량%의 함량으로 사용되는데, 이는 Al₂O₃함량이 플럭스 전체 중량의 11 중량% 미만이 되면 점성과 융점이 낮아져서 비드폭과 결이 불균일해지며 언더컷 등의 결함이 발생할 수 있고, 슬래그 박리성이 떨어지며, 함량이 31 중량%를 초과하게 되면 점성이 높아져 볼록한 비드가 형성되거나 슬래그의 혼입이 발생할 뿐 아니라 비드 종단부의 직선성이 저하되기 때문이다.

본 발명의 플럭스 조성물은 TiO₂성분을 포함한다. 이는, 용융 슬래그의 융점 및 점성을 조정하고, 산성 성분으로서 염기도를 조절하는 기능이 있다. 이러한 TiO₂성분은 1-6 중량%의 범위로 사용되는 것이 바람직하다. TiO₂함량이 전체 플럭스 중량의 1 중량% 미만이 되면 그 효과가 없고, 6 중량%를 초과하게 되면 아크는 안정하게 되나, 염기도가 낮아져 용착 금속내의 산소함량이 증가하여 충격 인성을 떨어뜨리게 된다.

본 발명에서 사용되는 CaO는 염기성 성분으로 염기도, 점성 및 응고점을 조정한다. 또한, 슬래그-메탈 반응을 촉진시키는 기능이 있으며, 슬래그 박리성을 향상시키는 역할도 한다. CaO는 본 발명의 플럭스 조성물 중 2-11 중량%가 사용되게 되는데, 2 중량% 미만이면 그 효과가 없으며, 11 중량%를 초과하게 되면 비드 외관과 용접 작업성이 열화되어 포크마크가 발생하게 되기 때문이다. 또한, 점성이 증가하여 비드가 불균일하게 되는 문제점이 발생할 수도 있다.

본 발명의 플럭스 조성물 중 CaF₂는 불소가스를 발생하여 수증기 분압을 감소시켜 용착 금속내 저수소화를 이루는데 효과가 있고, 또한 용융슬래그의 융점 및 유동성을 조정하며, 아크 안정성을 향상시킨다. CaF₂의 함량은 전체 플럭스 중량의 6-16 중량%로 사용된다. CaF₂함량이 전체 플럭스 중량의 6 중량% 미만이 되면, 그 효과가 미미하며, 전체 중량의 16 중량%를 초과하게 되면 아크가 불안해지며 비드외관이 열화된다.

본 발명에서 사용되는 MnO 성분은 약염기성 성분으로서 용융 슬래그의 염기도 및 점성을 조정하고, 용융 금속과의 슬래그-메탈 반응과정으로 용착 금속중의 Mn이 증가하게 되면 용접부의 강도를 증가시키는 역할도 한다. 본 발명의 MnO는 0.5-6 중량%로 사용되는 것이 바람직한데, 전체 플럭스 중량의 0.5 중량% 미만이되면 그 효과가 없으며, 6 중량%를 초과하게 되면 용융 슬래그의 유동성이 지나치게 증가하여, 비드가 균일하지 못하게 되며, 표면에 포크마크가 발생하여 표면을 열화시키게 되기 때문이다. 또한, 용착금속 중의 Mn함유량이 과잉으로 증가하여 오히려 충격인성을 떨어뜨리게 된다.

본 발명의 플럭스 조성물을 위해 사용되는 MgO는 염기성 성분으로 용융 슬래그의 염기도를 높이는 기능이 있으며 금속중 수소를 슬래그 내부로 이동시킴으로써 용착금속내 수소량을 감소시켜 인성을 향상시킨다. 이러한 MgO함량이 전체 플럭스 중량의 21 중량% 미만일 경우는 그 효과가 거의 없으며, 함량이 33 중량%를 초과하게 되면 고전류 용접에서 슬래그가 타버림에 의한 비드표면에 포크마크가 발생되며 아크가 불안정해져 볼록한 비드가 형성되게 된다. 따라서, 본 발명의 MgO는 21-33 중량%의 함량으로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 플럭스 조성물은 Na₂O, K₂O, 및 Li₂O 로부터 1 성분 이상을 그 총합이 1-7 중량%가 되도록 함유한다. 이들 Na₂O, K₂O, 및 Li₂O는 아크 안정성을 확보하는 데 중요한 성분이며, 특히 고속용접시 아크 안정성을 유지시켜주는 역할을 한다. 또한, 슬래그의 표면 장력을 감소시켜 비드외관을 좌우하며, 슬래그의 점성을 조절하는 기능이 있다. Na₂O, K₂O 및 Li₂O 로부터 1 성분 이상의 총중량이 1 중량% 미만이 되면 아크안정성 효과가 현저히 감소되며, 용입이 얕아지고 슬래그 혼입이 발생할 수 있다. 또한, 7 중량%를 초과하게 되면, 볼록한 비드가 형성되어 용접 작업성이 열화되고, 기공, 포크마크 등의 결함이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의Na₂O, K₂O, Li₂O 성분은 1-7 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 Fe 성분은 탈산제 및 합금제에서 포함되어서 첨가되거나, 철분을 통하여 플럭스 중에 첨가되며, 용착 금속내의 산소를 제거하거나, 미량의 합금원소를 첨가함으로써 기계적 성질을 향상시키는 역할을 하게 된다. Fe 성분의 함량이 전체 플럭스 중량의 0.5 중량% 미만이 되면 그 효과가 거의 없으며, 함량이 전체 플럭스 중량의 6 중량%를 초과하게 되면 과잉의 합금원소 축적으로 인해 기계적 성질이 열화되게 된다. 따라서, 총 Fe 성분의 함량은 0.5-6 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 플럭스 조성물은 CO₂성분을 포함하게 되는데, 본 성분은 CaCO₃, MgCO₃, BaCO₃, MnCO₃등의 탄산염 물질의 형태로 플럭스에 첨가되며, 용접 중에 이들 탄산염 물질들로부터 CO₂가 열분해되어 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 CO₂가스는 용접부를 차폐하는 기능을 가지며 또한 수소 및 질소의 분압을 감소시켜 용접 금속으로의 침입을 방지하는 역할을 하게 된다. 본 발명의 CO₂의 함량이 전체 플럭스 중량의 0.5 중량% 미만이 되면 그 효과가 거의 없으며, 차폐가 되지 않고 수소 및 질소의 분압이 상승하여 용착금속의 저온균열이 발생하기 쉬우며, 인성이 열화하게 된다. 특히, 단층용접시 수소가 증가하여 균열이 발생하기도 한다. 이와 반대로, CO₂함량이 전체 중량의 5 중량%를 초과하게 되면 지나친 가스발생으로 인한 포크마크 등의 표면결함이 발생하며, 비드표면이 나빠져 용접작업성이 열화된다. 그리고,다층 용접시 슬랙그 박리성이 현저히 나빠지며 언더컷이 발생하기도 하므로, 본 발명의 CO₂성분은 탄산염 광물에 포함되는 총량으로서 본 플럭스 조성물 총중량에 대하여 0.5-5 중량%의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.

지금까지 설명하였듯이, 본 발명의 플럭스 조성물은 다양한 물성을 갖는 성분들을 치밀한 계획하에 배합함으로써, 비이드의 외관과 안정성을 꾀하고 인장 강도 및 충격 인성 등의 기계적 성질의 개선을 달성할 수 있도록 하였다.

한편, 본 발명의 제 2 주제는, 상기의 본 발명의 플럭스 조성물을 이루는 각 성분에 대하여, ( CaO + MgO + CaF₂+ 0.5MnO ) / (SiO₂+ 0.5TiO₂+ 0.5Al₂O₃)의 값(이하, 염기도 또는 기호 B로 칭하기도 함)이 1.10-2.10가 되도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다. 상기의 염기도가 1.10 미만이 되면 염기도가 지나치게 감소하여 용융 금속 내부의 산소 등의 가스성분이 충분히 제거되지 못하여 요구되는 인성 향상의 효과가 없으며, 2.10을 초과하면 가스성분의 제거는 양호하나 용접후 슬래그 박리성등의 용접 작업성이 악화된다. 따라서, 상기의 수치 범위 1.10-2.10는 인성 및 용접 작업성을 고루 얻을수 있는 범위를 의미한다. 상기에서 성분은 플럭스 조성물 중의 해당 성분의 중량수를 의미한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 바람직한 구현형태를 알아 보고 실험적으로 그 유용성을 확인해 보기로 한다.

실시예

실험방법

[용접후 열처리]

상기에 기술한 고온의 장시간 조건을 재현하기 위해 용접이 이루어진 용접시편에 대하여 도 2와 같이 용접후 열처리를 실시하였다.

[인장 강도]

양면 일층 용접부는 용접 방향과 수직인 방향으로 단면이 직사각형인 인장시편을 4개씩 채취하여 각각의 인장강도를 측정하였다.

[충격 인성]

열처리가 완료된 용접시편으로부터 용접방향을 따라 용접중앙부에 충격시편의 노치가 위치하도록 하여 24개의 시편을 채취한 뒤 온도별 충격인성 평가하였다. (Charpy V-notch impact test method)

[비드 외관]

각 용접패스별로 비드 외관을 육안으로 관찰하여 아래의 기준으로 판정하였다.

O : 양호 (포크마크, 언더컷, 볼록비드 등이 없고, 비드직진성 양호)

△ : 보통 (포크마크, 언더컷, 볼록비드 등이 약간 발생, 비드직진성 양호)

X : 불량 (포크마크, 언더컷, 볼록비드 등이 발생하고, 비드직진성 등이 열화)

[슬래그 박리성]

슬래그 박리성은 첫번째 및 두번째 용접에서 슬래그의 제거시의 용이성을 평가하였다. 그 기준을 아래와 같이 설정하였다.

O : 슬래그 제거용 망치(Chipper)를 사용하지 않거나, 사용시 용이하게 슬래그 제거.

X : 슬래그 제거용 망치를 사용하여도 용이하게 슬래그 제거가 이루어지지 않음.

[아크 안정성]

용접중 각 패스별로 용접중에 아크의 안정성을 아래의 기준으로 평가하였다.

O : 양호 (용접중 아크 외부돌출 현상이 없음)

△ : 보통 (용접중 아크 외부돌출 현상이 1~2회 이하 발생)

X : 불량 (용접중 아크 외부돌출 현상 3회 이상 발생)

표에 대한 설명

표 1에 용접시험에 사용한 와이어의 선경과 화학성분을 표시하였다.

표 2에 용접시험에 사용한 시험용 강재(모재, P1, P2)의 두께 및 화학성분을 표시하였다.

표 3에 용접시험에 사용한 실시예 및 비교예의 조성물을 나타내었다.

표 4에 표 1에서 표 3에 나타낸 용접시험용 재료를 이용한 용접시험에 대하여 나타내었다.

표 5에 용접부의 인장 강도 시험결과를 나타내었다.

표 6에 충격 인성 시험결과를 나타내었다.

표 7에 비드 외관, 슬래그 박리성 및 아크 안정성의 평과결과를 나타내었다.

실험결과에 대한 설명

[실시예 F1 ~ F7]

실시예인 F1 ~ F7 조성을 가지는 플럭스들은 본 발명의 성분 및 염기도 범위를 만족하고 있으며, 인장 강도, 충격 인성 및 용접 작업성에서 모두 양호한 결과를 나타내었다.

[비교예 : F8]

비교예 F8에서는 산성계 성분인 TiO₂함량이 초과하였고, 염기성계 성분인 MgO가 미달되므로 인해 플럭스의 전체의 염기도가 본 발명의 범위에 미달하였으며, 용접 작업성에서는 양호한 결과를 나타내었으나, 실시예에 비해 현저히 낮은 충격 인성을 나타내었다.

[비교예 : F9]

비교예 F9에서는 B수치는 본 발명의 범위를 만족하여, 양호한 인장 강도 및 충격 인성을 나타내었으나, CO₂함량이 본 발명의 범위를 초과하여, 용접작업시 비드표면에 포크마크가 발생하여 비드 외관이 열화하였고, 용접중 아크가 불안정하였다.

[비교예 : F10]

비교예 F10에서는 MnO 성분 함량이 본 발명의 범위를 초과함으로써, 용착금속 중의 Mn 함유량이 증가하여, 인장 강도에서는 실시예보다 높은 수치를 나타내었으나, 과잉으로 축적된 Mn으로 인해 오히려 낮은 충격 인성을 나타내었다. 또한, 용접 작업성 면에서도 용융 슬래그의 유동성이 지나치게 증가하여, 비드 형상이 균일하지 못하였다.

[비교예 : F11]

비교예 F11에서는 플럭스의 염기도 수치인 B값은 본 발명의 범위를 만족하였으나, SiO₂성분이 본 발명의 범위를 초과하여, 용착금속의 Si 성분이 증가함으로써 용접부의 충격 인성이 저하하였다.

[비교예 : F12]

비교예 F12에서는 염기도가 본 발명의 범위를 벗어나 고염기성계로 나타났으며, 그로 인해 인장 강도 및 충격 인성에서는 양호한 결과를 나타내었으나, 용접중의 비드 외관, 슬래그 박리성 및 아크 안정성에서는 현저히 열화되었다.

[비교예 : F13]

비교예 F13에서는 염기도가 본 발명의 범위를 벗어날 뿐만 아니라, CaF₂및 MgO가 범위를 초과하여, 충격 인성에서는 양호한 결과를 얻을 수 있었으나, 용접중의 비드 외관, 슬래그 박리성 및 아크 안정성에서 현저히 열화하였다.

[비교예 : F14]

비교예 F14에서는 플럭스의 성분 범위가 본 발명의 범위를 모두 만족하고는 있으나, B값이 본 발명의 범위보다 낮게 나타나, 산성계의 수치를 나타내었다. 그 결과 슬래그-메탈 반응에 있어서 용착금속 중의 산소 등의 성분이 증가하여, 충격인성이 저하되었다.

본 발명의 플럭스 조성물은 다양한 금속 산화물 등의 성분을 적정한 비율로 포함함으로써 비드 외관과 슬래그 박리성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 염기도를 특정함으로써 인장 강도, 충격 인성 및 용접 작업성에서 모두 양호한 결과를 달성하도록 한다.

Claims (2)

1. SiO₂13-25 중량%, Al₂O₃11-31 중량%, TiO₂1-6 중량%, CaO 2-11 중량%, CaF₂6-16 중량%, MnO 0.5-6 중량%, MgO 21-33 중량%, Na₂O, K₂O, Li₂O로 구성된 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 합이 1-7 중량%, Fe 성분 0.5-6 중량%, CO₂(단, 탄산염광물에서의 환산치) 0.5-5 중량% 를 함유하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, ( CaO + MgO + CaF₂+ 0.5MnO ) / ( SiO₂+ 0.5TiO₂+ 0.5Al₂O₃)의 염기도가 1.10 내지 2.10인 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 플럭스 조성물.