KR100494008B1

KR100494008B1 - 탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR100494008B1
Application number: KR10-2000-0037705A
Authority: KR
Inventors: 김태현
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2005-06-13
Also published as: CN1160171C; KR20020003757A; CN1330997A

Abstract

탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, Si: 0.5~2.0%, Mn:2.0~4.0%, Mg:0.5~1.5%, Al:0.1~0.8%, TiO₂:2.4~4.8%, MgO: 0.3~1.0%, SiO_2:0.2~0.8%, Al₂O₃: 0.05~0.5%, CaO:0.01~0.15%로 구성되고, MgO/TiO₂ :0.05~0.45, CaO/(SiO₂+Al₂O₃): 0.01~0.20로 제어되며, Na, K 및 F의 원소 환산량으로 F/(Na+K)가 0.05~0.2임을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 플럭스 충전 와이어는 조선등 소각장(6mm이하)의 고속용접뿐만 아니라 1 패스용접으로 필요 요구각장(6~7mm)이상의 등각장(8mm이상)을 확보해야 하는 철골, 교량등의 구조물 필렛용접에 유용하다.

Description

탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어{Metal cored wire for CO2 gas shielded arc welding}

본 발명은 탄산가스 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세히는, 고속용접 및 구조물 필렛용접시 필요각장 이상의 등각장을 확보할 수 있는 탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

최근, 철골, 교량, 조선 및 건축구조물등 산업전반에 걸쳐 대형 구조물의 제작이 빈번해짐에 따라 이들의 작업 생산성 및 효율을 증대시킬 뿐만 아니라 제작 구조물의 수명연장을 도모할 수 있는 제작기법이 요청되고 있으며, 따라서 이러한 대형 구조물의 제작과 관련하여 용접재의 선택은 매우 중요하다.

일반적으로 메탈계 플럭스 충전 와이어는 철분을 포함한 다량의 철합금형태의 플럭스로 이루어져 높은 용착효율과 우수한 작업성을 가지는 까닭에, 상술한 산업전반에 걸쳐 각종 조선 및 철골구조물뿐만 아니라 교량제작시 널리 사용되고 있다. 그러나, 근자에 들어 이러한 대형구조물의 연이은 붕괴사고로 인하여 그 안정성측면에서 문제가 제기되고 있으며, 이에 따라 용접시공업체들에 대한 감리도 엄격해지고 있는 실정이다.

상세하게 설명하면, 대부분의 구조물의 제작에 있어서는 도 1에서와 같은 아래보기 필렛용접(수동 및 자동용접)이 주로 행하여 졌는데, 이때 필렛용접부는 도 2에 나타난 바와 같이 각장부족 및 과대각장등의 부등각장 형성, 언더컷과 오버렙등의 용접결함 발생으로 많은 공수로 인한 작업손실을 초래하여 생산성 저하를 초래하였다. 특히, 제작된 구조물의 안정성측면에서도 필요한 등각장의 확보는 절실한 문제로서 철저하게 그 관리가 요구되어지고 있는 실정이다. 이런 연유로, 용접모재의 두께 및 크기에 맞는 필요 요구각장 이상의 각장을 확보하므로써 구조물의 안정을 도모함이 긴요한 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 메탈계 플럭스 충전와이어들이 개발되어 알려져 있으나, 이들은 조선등에서의 곡블럭제작시 비틀림을 방지하기 위한 소각장(4~5mm 또는 6mm이내) 고속용접에 한정 사용되어졌으며, 또한 이러한 메탈계 플럭스 충전 와이어를 이용하여 철골, 교량등의 필렛용접시 안정성을 고려한 필요각장(6~7mm)이상의 등각장(8mm이상)을 동시에 확보함에는 많은 문제가 있었다. 다시 말하면, 통상의 요구각장(6~7mm)을 넘어서는 필요각장을 확보하기 위해서는 2~3패스의 추가용접을 해야하며, 이에 따라 공수와 시간의 낭비로 생산성이 열화되는 문제가 있는 것이다.

따라서, 단 1 패스 용접으로 부등각장, 오버렙 및 언드컷등과 같은 용접결함없이 8mm이상의 등각장을 확보할 수 있는 와이어의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 조선등 소각장(6mm이하) 고속용접뿐만 아니라 철골, 교량등의 구조물의 필렛용접시 1 패스용접으로 필요 요구각장(6~7mm)이상의 등각장(8mm이상)을 확보할 수 있으며, 아울러 고능율용접시공(고전류,고입열)에서도 스파타 발생이 적고 우수한 아크 안정성 및 슬라그 박리성을 갖는 탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강재 외피내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어 전중량에 대한 중량%로, Si: 0.5~2.0%, Mn:2.0~4.0%, Mg:0.5~1.5%, Al:0.1~0.8%, TiO₂:2.4~4.8%, MgO: 0.3~1.0%, SiO_2:0.2~0.8%, Al₂O₃:0.05~0.5%, CaO:0.01~0.15%로 구성되고, MgO/TiO₂ :0.05~0.45, CaO/(SiO₂+Al₂O₃):0.01~0.20로 제어되며, Na, K 및 F의 원소 환산량으로 F/(Na+K)가 0.05~0.2임을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 와이어는 탈산제를 포함한다.

먼저, Si와 Mn가 합금제 및 탈산제로서 첨가된다. 또한, 이들 성분들은 용착금속의 기계적 성질을 확보하고 내결함성을 확보하는 역할을 한다. 그러나, 이들을 너무 과소하게 첨가하면, 탈산부족 및 강도부족으로 인하여 내결함성 및 기계적 성질을 확보할 수 없으며, 반대로 과다하면 과탈산에 의한 슬라그 포피성의 열화, 스파타발생량증가등 용접작업성이 열화되고 또한 과도한 강도상승 및 이에따른 용접부 균열발생이 초래될 수 있다.

이런 연유로, 본 발명에서는 Si 및 Mn의 첨가량을 와이어에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.5~2.0%와 2.0~4.0%로 각각 제한함이 바람직하다.

Mg와 Al은 또한 강력한 탈산제로서 특히 무기아연도포강판에서의 내기공성 향상을 위하여 첨가된다. 또한, 이들 원소는 아크 안정성 및 슬라그 박리성을 향상시키는 역할도 한다. 따라서, 본 발명에서는 상술한 작용효과를 고려하여 Mg와 Al의 첨가량을 0.5~1.5%와 0.1~0.8%로 제한함이 바람직하다.

본 발명의 와이어는 또한 슬라그 형성제를 포함한다.

TiO₂는 슬라그 형성제로서 필수불가결한 원소이며, 아크 안정성 및 슬라그 포피성을 향상시키는데 우수한 특성이 있다. 본 발명에서는 TiO₂의 첨가량을 2.4~4.8%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 2.4%미만에서는 아크 안정성 및 슬라그 포피성이 열화되고, 4.8%를 초과하면 슬라그 배출량이 많아지므로 메탈계 플럭스 충전 와이어의 특징인 고용착 효율 및 고용착속도가 떨어지고 슬라그의 융점이 과다해져 아연도금강판에서의 내기공성이 열화되기 때문이다.

MgO는 본 발명의 특징인 1패스 용접으로 언더컷, 오버렙등과 같은 용접결함없이 통상의 필요 요구각장(6~7mm)이상의 등각장(8mm이상)을 충분히 확보하게 하는 중요한 슬라그 형성제이다. 이는 용접시 슬라그의 응고진행과정에서 용접비드 하단부에서 빠르게 응고가 진행되게 하여 용융금속의 처짐현상(부등각 형성)을 막아주는 역할을 한다.

이런 점을 고려하여 본 발명에서는 그 첨가량을 0.3~1.0%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 첨가량이 0.3%미만에서는 용접비드 하단부측 슬라그의 빠른 응고형성이 부족하여 용융금속의 처짐현상이 발생하여 비드 등각성을 얻을 수 없으며, 1.0%를 초과하면 슬라그의 응고진행이 빨라져 용융물이 선행함은 물론, 슬라그 유동성이 저하되며 무기아연도금강판에서 기공발생에 의한 용접결함을 유발시키기 때문이다.

SiO₂는 슬라그의 점성 및 유동성을 조절하여 용접비드성을 향상시키는 중요한 역할을 한다. 특히, 본 발명에서는 MgO에 의한 슬라그의 융점상승을 막고 적정한 슬라그 응고속도 및 유동성을 조절하는데 필수적인 성분이다. 이런 연유로, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.2~0.8%로 제한하는데, 이는 0.2%미만에서는 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.8%를 초과하면 슬라그 유동이 과잉으로 되어 슬라그가 하부로 몰리게 되어 포피성이 열화되는등 MgO등에 의한 비드 등각성 형성에 악영향을 초래하기 때문이다.

Al₂O₃는 SiO₂와의 병행첨가로 슬라그 포피성 향상 및 스파타 발생량을 저감시키는 중요한 역할을 한다. 또한, 슬라그의 균일한 유동성을 향상시키고 기타 다른 슬라그 형성제들간에 분리될 수 있는 조성적인 비평형상태의 공간을 연결하여 균일한 슬라그 형성을 가능하게 한다.

이런 연유로, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.05~0.5%로 제한함이 바람직한데, 이는 그 첨가량이 0.05%미만에서는 스파타발생량이 많아지는등 그 첨가에 따른 효과가 적으며, 0.5%를 초과하면 오히려 과도한 슬라그의 형성으로 슬라그가 부분적으로 몰리는 현상이 생겨 포피성 열화 및 슬라그 발리성 열화를 가져오기 때문이다.

CaO는 미량첨가로 슬라그 박리성, 유동성 및 포피성 향상등을 꾀할 수 있다. 또한, 적적량 첨가하면 슬라그 견고성을 향상시키고 용접비드와의 사이에 계면윤화제와 같은 역할을 하게 되어 슬라그 박리성을 향상시킨다. 그러나, CaO는 강염기성슬라그 형성제로서 과다첨가하면 비드성 및 슬라그 균일성을 해치므로 SiO₂, Al₂O₃등과 같은 산성계열 슬라그 형성제와의 적절한 조성비로 첨가되어야 한다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.01~0.15%로 제한함이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 1패스 용접으로도 언더컷, 오버렙등 용접결함이 없고 각장부족, 과대각장등의 부등각장을 형성함이 없이 통상의 필요 요구각장이상의 등각장을 확보하기 위하여 MgO/TiO₂비를 일정치로 제한함을 그 특징으로 한다.

상세하게 설명하면, 용접시 슬라그 응고과정에서 MgO와 TiO₂는 분리되어 MgO는 비드 하단부에서 빠르게 응고가 진행되어지는 반면에, TiO₂는 상단부에서 MgO보다 다소 후퇴하여 응고가 진행되기 때문에 이러한 상분리로 인한 슬라그의 응고진행이 용융금속의 응고형성에 영향을 미치게 된다. 따라서, 상기 MgO/TiO₂비가 너무 작으면, MgO 슬라그 응고형성에 의한 용융금속의 등각형성이 이루어지기 어려워 용접비드는 하단부로 처지는 현상이 일어나 부등각장을 형성하게 된다. 반면에, 상기 비가 너무 커지면 TiO₂에 비해 MgO가 상대적으로 많아지므로 슬라그 유동성 열화로 인하여 용접비드의 손실을 초래하며, 용접금속이 아크선단에서 선행하여 아크력 손실 및 용탕의 불안정성을 가져와 내기공성이 악화된다.

상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 MgO/TiO₂비를 0.05~0.45로 제한함이 바람직하다.

또한, 슬라그 형성제가 일반 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 비해 적게 함유하는 메탈계 플럭스 충전 와이어에 있어서는 특히 적은 양의 슬라그 형성제로 포피성 및 유동성을 확보하고 슬라그 박리성을 확보하는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 슬라그의 전체적인 유동성 및 포피성을 향상시키기 위해 (CaO/(SiO₂+Al₂O₃))를 0.01~0.2로 제한함을 그 특징으로 한다.

왜냐하면, 0.01미만에서는 CaO에 의한 슬라그 포피성 및 박리성 향상효과가 떨어지는 반면에, 0.2를 초과하면 슬라그 몰림 및 처짐현상으로 인하여 용접비드의 손실을 가져오기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 CaO, SiO₂ 및 Al₂O₃의 첨가량을 적정 조성비로 제어함으로써 적은 량의 슬라그 형성제로서 균일한 유동성 및 포피성을 향상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 또한, (CaO+SiO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+MgO)값을 0.08~0.25로 제한함이 용이한 등각장의 형성 및 슬라그 포피성 향상등의 측면에서 보다 바람직하다.

한편,본 발명의 와이어는 아크 안정제로써 Na, K, F 를 포함한다.

Na와 K는 용접시 아크의 원주형성을 이루어 용융 풀(Pool)을 안정화시켜주는 작용을 하며, F는 아크집중성을 향상시키고 용입을 확보할 수 있을뿐만 아니라 확산성수소의 저감 및 슬라그 융점하강에 따른 내기공성을 향상시키는 역할을 한다.

Na와 K는 Na₂O와 K₂O를 함유하는 Na₂SiO₃, Na₂TiO ₃, K₂SiO₃등과 같은 알칼리금속산화물의 형태로, F는 Na₃AlF₆, K₂SiF₆, CaF, NaF, LiF, MgF ₂등과 같은 알카리금속불화물의 형태로 첨가되는데, 본 발명에서는 아크안정성 향상과 스파타 발생량저감을 위하여, Na, K, F의 원소환산량으로 F/(Na+K)를 0.05~0.2로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 0.05미만에서는 F의 상대적 감소로 아크집중성 저하 및 확산성 수소의 발생증가로 결함발생을 초래하고, 0.2를 초과하면 F의 상대적 집중으로 아크불안을 초래하고, 이에 따라 용접비드선의 불균일 및 스파타 과다발생의 문제가 있기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성을 가진 직경 1.4mm의 메탈계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였다. 이때 각 플럭스 충전 와이어의 연강재 외피조성은 하기 표2와 같으며, 플럭스는 16%의 충진율로 충진되었다.

상기와 같이 마련된 각각의 와이어를 이용하여, 도 1과 같은 필렛용접을 행하였다. 이때 구체적인 용접조건은 하기 표 3과 같으며, Horizontal-fillet자세로 반자동용접을 실시한후 각장게이지를 이용하여 용접비드상각장 및 하각장을 측정하여 등각장형성여부를 평가하여 하기 표 5에 나타내었으며, 등각장 형성여부의 판정은 5mm와 10mm각장기준 상각장(W)/하각장(L)이 1±0.05이내 범위의 것을 합격으로 평가하였다. 또한, 아크 안정성 및 슬라그 유동성을 측정하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

한편, 스파터 발생량은 Bead-on-plate 자세로 자동용접을 행하여 비산하는 스파타를 포집해 분당 발생하는 스파타를 측정하여 또한 하기 표 5에 나타내었으며, 이때의 용접조건은 하기 표 4와 같다.

		와이어의 조성(중량%)
		탈 산 제				슬라그 형성제							아크안정제	잔여분
		Si	Mn	Mg	Al	TiO₂	SiO₂	Al₂O₃	MgO	CaO	MgO/TiO₂	CaO/(SiO₂ +Al₂O₃)	F/(Na+K)	잔여분
발명예	1	0.8	2.2	0.8	0.5	2.8	0.4	0.08	0.4	0.04	0.14	0.08	0.08	철 및불가피한불순물
	2	0.5	3.2	0.8	0.2	3.0	0.2	0.2	0.94	0.08	0.31	0.2	0.1
	3	1.2	3.8	1.2	0.7	2.6	0.3	0.4	0.63	0.10	0.24	0.14	0.15
	4	1.8	2.0	1.0	0.3	4.0	0.8	0.09	0.92	0.09	0.23	0.1	0.05
	5	0.8	2.8	1.4	0.15	4.7	0.7	0.4	0.3	0.02	0.06	0.02	0.06
	6	1.45	4.0	0.5	0.6	3.5	0.7	0.15	0.76	0.12	0.22	0.14	0.2
비교예	1	0.4	2.1	0.2	0.2	5.2	0.9	0.6	0.2	0.23	0.04	0.15	0.01
	2	2.4	1.5	2.4	1.2	4.0	0.15	0.04	1.2	0.05	0.3	0.26	0.13
	3	0.21	1.2	1.7	0.06	2.1	1.0	0.35	0.82	0.09	0.39	0.07	0.04
	4	0.16	1.8	0.3	0.09	1.5	0.6	0.03	2.5	0.5	1.67	0.79	0.09
	5	3.2	4.5	0.1	0.05	4.9	0.2	0.54	0.18	0.008	0.04	0.01	0.35
	6	1.4	2.2	2.6	1.5	3.8	0.72	0.26	1.17	0.05	0.31	0.05	0.40

	C	Si	Mn	P	S
외피연강재의 화학성분	0.02	0.002	0.20	0.010	0.009

목표각장(mm)	용접 조건
목표각장(mm)	전류(A)	전압(V)	속도(cm/min)	stick out(mm)	전극각도	와이어겨냥위치	보호가스(유량,ℓ/min)
5	310	32	60	25	45°	코너부 1mm	CO₂100%(25)
10	280	30	30	25	45°	코너부 1mm	CO₂100%(25)

용접모재	극성	용접전류 및 전압	보호가스	와이아 돌출길이
SM490A	DC(+)	300A/31V/30cpm	CO₂100%/가스유량 25ℓ/min	20mm

		실험 결과
		목표각장 (5mm)		W/L	목표각장 (10mm)		W/L	등각장형성판정(W/L=1±0.05)	아크안정성	스파타발생량(g/min)	슬라그유동성	종합평가
		상각(W)	하각(L)	W/L	상각(W)	하각(L)	W/L	등각장형성판정(W/L=1±0.05)	아크안정성	스파타발생량(g/min)	슬라그유동성	종합평가
발명예	1	5.2	5.3	0.98	10.2	10.1	1.01	○	○	1.4	◎	○
	2	5.4	5.2	1.04	10.8	10.4	1.04	○	◎	1.2	◎	○
	3	5.1	5.2	0.98	10.0	10.0	1.0	○	◎	1.5	○	○
	4	5.2	5.0	1.04	10.3	10.1	1.02	○	○	1.8	○	○
	5	4.9	5.1	0.96	10.0	10.5	0.95	○	○	1.7	○	○
	6	5.1	5.1	1.0	10.0	9.9	1.01	○	◎	1.4	○	○
비교예	1	4.7	5.8	0.81	9.9	11.4	0.87	×	△	2.2	○	×
	2	4.9	5.5	0.89	9.8	10.9	0.90	×	○	1.9	△	×
	3	4.8	5.3	0.91	9.2	10.4	0.88	×	○	2.0	○	×
	4	6.2	4.6	1.35	12.4	9.2	1.35	×	○	1.7	×	×
	5	5.3	5.7	0.93	10.2	11.6	0.88	×	×	2.9	△	×
	6	6.0	4.7	1.28	11.2	9.1	1.23	×	×	3.5	×	×

* 상기 표에서 ◎는 매우 양호, ○는 양호, △는 보통 , 그리고 ×는 불량을 의미한다.

상기 표 1및 표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 아크안정제 및 슬라그 형성제가 적정 범위로 첨가된 본 발명예 (1~6)은 모두 양호한 등각장 형성이 가능하고, 아울러, 아크 안정성, 스파터 발생량등에서도 우수한 평가치를 나타냄을 알 수 있다.

이에 반하여, TiO₂, SiO₂, MgO등의 슬라그 형성제의 첨가량과 아크안정제의 첨가량측면에서 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1, 3 및 6은 모두 등각장 형성이 어렵고, 아크 안정성등도 불량함을 알 수 있다.

특히, 슬라그 형성제의 첨가량이 본 발명의 범위내라도 MgO/TiO₂및 CaO/(SiO₂+Al₂O₃)비가 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 2,4 및 5에서도 우수한 용접특성을 확보할 수 없음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 아크안정제 및 슬라그 형성제의 첨가량를 최적화함으로써 1패스 용접으로 조선등 소각장(6mm이하) 고속용접뿐만 아니라 철골, 교량등의 구조물 필렛용접시 필요 요구각장(6~7mm)이상의 등각장(8mm)이상을 확보할 수 있는 탄산가스 아크용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용한 효과가 있다.

도 1은 구조물등에서의 필렛용접을 나타내는 개략도

도 2는 필렛용접시 형성되는 부등각장의 각종 유형을 나타내는 필렛용접부 종단면도

도 3은 본 발명의 실시예에 이용된 필렛용접재 및 용접조건을 나타내는 개략도

Claims

강재 외피내 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서,

상기 와이어 전중량에 대한 중량%로, Si: 0.5~2.0%, Mn:2.0~4.0%, Mg:0.5~1.5%, Al:0.1~0.8%, TiO₂:2.4~4.8%, MgO: 0.3~1.0%, SiO_2:0.2~0.8%, Al₂O₃:0.05~0.5%, CaO:0.01~0.15%로 구성되고, MgO/TiO₂ :0.05~0.45, CaO/(SiO₂+Al₂O₃):0.01~0.20로 제어되며, Na, K 및 F의 원소 환산량으로 F/(Na+K)가 0.05~0.2임을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 플럭스 충전 와이어
제 1항에 있어서, (CaO+SiO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+MgO)가 0.08~0.25로 제어됨을 특징으로 하는 플럭스 충전 와이어