KR100502571B1

KR100502571B1 - 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전와이어

Info

Publication number: KR100502571B1
Application number: KR10-2000-0042675A
Authority: KR
Inventors: 김용덕
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2005-07-22
Also published as: CN1191914C; CN1334173A; KR20020008681A

Abstract

탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명의 와이어는, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.03~0.07%, Mn: 1.6~2.0%, Si: 0.35~0.7%, Mg: 0.5~1.1%, B: 0.005~0.02%, Al: 0.08~0.3%, Ni: 0.7~2.0%, F: 0.15~0.35%, 티탄산화물: 5.5~7.5%, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂로 이루어진 비티탄산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합: 0.25%이하, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 티탄산화물과 비티탄산화물의 총함량이 8.0%이하로 제어됨을 특징으로 한다.

본 발명은, 양호한 저온 충격인성을 가짐과 아울러 우수한 전자세 용접성을 가지는 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

Description

탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{FLUX CORED WIRE FOR CO2 GAS SHIELDED ARC WELDING}

본 발명은 탄산가스 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전자세 용접성이 우수하고 특히, 저온인성이 우수한 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

탄산가스를 시일드 가스로 이용하는 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 용접작업성, 특히 우수한 비드 외관 및 용접효율 등으로 연강 및 고장력강의 구조물 용접에 광범위하게 사용되고 있다.

그러나, 일반적으로 상기 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 슬라그 형성제로서 TiO₂와 같은 산화성 화합물을 다량 함유하고 있기 때문에 슬라그가 산성화된다. 그리고 탄산가스 시일드의 분해산소에 의하여 용착금속내부에 산소를 700~900중량 ppm범위로 함유하고 있어 -20~-30℃의 온도범위까지는 양호한 충격특성을 나타내나. -60~-80℃온도범위에서는 우수한 충격특성을 얻을 수 없어 그 해결책이 요구되었다.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 기술의 일예로서 대한민국 특허공보 88-2508에 개시된 발명을 들 수 있다. 상기 특허공보에서는 TiO₂:4~8.5%, Mg: 0.2~0.8%, Ti: 0.03~0.7%, B: 0.002~0.025%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.2%, F: 0.1~0.30% 및 TiO₂를 포함한 산화물: 8.5%이하를 포함하여 조성된 플럭스 충전 와이어를 제시하고 있다. 즉, 상기 공보에 개시된 특허발명에서는 -60℃까지 우수한 충격인성을 확보하기 위하여 용접봉의 Mg, Ti, B 등과 같은 합금성분을 제어함을 그 특징으로 한다.

그러나, 상기 특허공보에 개시된 발명은 입열량이 낮은 조건에는 원하는 수준의 물성을 얻을 수 있으나, 입열량이 다소 높은 용접에서는 충격인성이 우수한 용착금속을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

또다른 종래기술의 예로서 일본 특개평 3-291192호에 개시된 발명을 들 수 있다. 상기 공개공보에 개시된 발명은 TiO₂: 2.5~6.5%, F: 0.36~1.5%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.2~1.0%, Mg: 0.1~1.0%, TiO₂를 포함한 산화물의 합: 8.0%이하를 포함하여 조성된 플럭스가 금속 외피내에 충전된 와이어를 제시하고 있다.

그러나, 상기 공개특허에서는 용접금속의 확산성수소의 발생을 억제하기 위하여 금속 플루오르화물의 양을 증가시키고 있으나, 이는 용접중 흄 및 스패터의 발생증가를 초래하여 용접성이 나빠진다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양호한 저온 충격인성을 가짐과 아울러 우수한 전자세 용접성을 가지는 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자는 비교적 높은 입열조건으로 CO₂ 보호가스하에서 용접하더라도 저온 충격인성뿐만 아니라 용접작업성도 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 개발하기 위해 많은 연구를 거듭하였으며, 그 결과 용접금속중 산소와 질소함유량을 500~550ppm과 25~50ppm으로 각각 유지함에 따라 결정조직 미세화 촉진과 비금속 개재물의 생성억제로 저온영역에서도 우수한 저온인성을 갖는 용접금속을 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다.

또한, 본 발명자는 상기 저온 충격인성뿐만 아니라 용접작업성도 동시에 충족시키기 위해 와이어의 성분중 각종 산화물의 함유량도 최적으로 제어가 필요함을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.03~0.07%, Mn: 1.6~2.0%, Si: 0.35~0.7%, Mg: 0.5~1.1%, B: 0.005~0.02%, Al: 0.08~0.3%, Ni: 0.7~2.0%, F: 0.15~0.35%, 티탄산화물: 5.5~7.5%, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂로 이루어진 비티탄산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합: 0.25%이하, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 티탄산화물과 비티탄산화물의 총함량이 8.0%이하로 제어됨을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명 와이어의 조성성분 제한사유를 설명한다.

C는 용접금속의 침상형 페라이트 조직형성을 촉진하여 결정조직 미세화를 이루는 원소로서 용접금속의 충격인성을 상승시키는 효과가 크다. 그러나, 그 함량이 와이어의 전중량에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.03%미만이면 상기 효과를 기대할 수 없으며, 0.07%를 초과하면 다량의 탄화물을 형성하여 과도하게 강도를 상승시켜 충격인성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 탄소의 함유량을 0.03~0.07%로 제한함이 바람직하다.

Mn은 슬라그 유동성을 개선하여 비드 형상을 개선시킬 뿐만 아니라 용접금속의 탈산을 촉진시키고 용접부의 적정한 강도와 인성을 유지시킨다. 그러나 그 함유량이 1.6%미만에서는 상기 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 2.0%를 초과하면 강도증가에 의한 인성저하, 특히 저온인성의 급격한 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함유량을 1.6~2.0%로 제한함이 바람직하다.

Si는 Mn과 같이 비드 형상을 개선시키고 용접금속의 탈산을 촉진시킴과 아울러 강도를 상승시킨다. 그러나, 그 함유량이 0.35%미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.7%를 초과하면 강도증가에 의한 인성저하, 특히 저온영역에서의 현저한 인성저하를 초래할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Si의 함유량을 0.35~0.7%로 제한함이 바람직하다.

Mg은 용접금속중 산소함량을 효과적으로 감소시킬 수 있으므로 용접금속의 저온인성을 현저히 상승시킬 수 있는 원소이다. 따라서, 그 함유량이 증가할수록 용접금속의 파면 천이온도 저하로 인하여 충격인성이 현저히 상승될 수 있다. 그러나 그 함유량이 너무 과도하면 고융점 MgO 슬라그의 과도한 생성으로 유동성이 저하되고, 이에 따라 슬라그 포피성 저하로 양호한 비드 외관을 얻을 수 없다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Mg의 함유량을 0.5~1.1%로 제한함이 바람직하다.

B는 용접금속내 B 또는 BN을 형성하여 충격인성을 향상시키는 원소이다. 그러나 그 함유량이 0.005%미만에서는 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.02%를 초과하면 용접금속중 경화성 조직의 증가로 급격한 충격인성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 B의 함유량을 0.005~0.02%로 제한함이 바람직하다.

Al은 용접금속의 탈산을 촉진시키는 원소이다. 또한, 용접금속의 점도를 증가시켜 전자세 용접성을 향상시킬 수 있는 원소로서, 질소와 반응하여 질화물 AlN을 형성함으로써 용접금속내 자유질소의 활동을 억제시켜 저온에서의 충격인성을 향상시킨다. 그러나, 그 함량이 0.08% 미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.3%를 초과하면 용접금속 내부에 다량의 Al화합물을 형성하여 용접금속의 연성저하 및 충격인성 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al의 함유량을 0.08~0.3%로 제한함이 바람직하다.

Ni은 오스테나이트 조직 형성원소로서 용접금속의 파면 천이온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나, 그 함유량이 0.7% 미만이면 상기 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 2.0%를 초과하면 필요이상의 강도를 유지하여 저온 충격인성의 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Ni의 함유량을 0.7~2.0%로 제한함이 바람직하다.

F는 아크 집중성을 크게 하여 용접시 용입을 증대시켜 재결정화영역을 넓게 형성함으로써 용접조직의 미세화를 촉진시켜 저온 충격인성을 개선시키는 원소로서, 또한 탈수소 작용을 촉진하여 저온 충격인성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그러나, 그 함량이 0.15%미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.35%를 초과하면 용접시 스패터 발생과 흄 발생이 증가될 뿐만 아니라 슬라그 유동성이 현저히 떨어져 용접 비드 외관의 열화를 초래한다. 이런 연유로 본 발명에서는 F의 함량을 0.15~0.35%로 제한함이 바람직하다.

한편, 본 발명에서 F는 NaF, K₂SiF₆, Na₃AlF₆, CaF₂등과 같은 알칼리금속 또는 알칼리 토금속의 플루오르화합물로부터 제공되어 질 수 있다.

또한, 본 발명의 와이어는 산화물을 포함한다.

티탄산화물은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 슬라그 및 아크 안정제 역할을 하는 주 구성성분이므로 슬라그 포피성, 박리성, 비드형상등의 용접 작업성에 많은 영향을 끼친다.

본 발명에서는 TiO₂를 기준으로 티탄산화물의 함량을 5.5~7.5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함량이 5.5% 미만이면 슬라그 포피성이 나빠져서 양호한 비드 외관을 얻을 수 없어 전자세 용접이 어려워지며, 7.5%를 초과하면 슬라그 생성과 점성이 과다하여 용접금속 내부의 슬라그 혼입을 야기시키고 용접금속의 산소함유량을 증가시켜 저온 인성저하를 가져올 수 있기 때문이다. 한편, 본 발명에서 상기 티탄산화물은 천연 금홍석, 환원성 일메나이트 등으로부터 제공될 수 있다.

본 발명의 와이어는 또한, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂와 같은 비티탄산화물을 슬라그 형성제로 포함하는데, 바람직하게는 이들 산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합을 0.25%이하로 제한하는 것이다. 왜냐하면 상기 성분의 합이 0.25%이하에서는 슬라그 점성이 향상되어 양호한 비드 외관을 얻을 수 있음에 반하여, 0.25%를 초과하면 비드가 조악해 지기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 상술한 티탄산화물과 비티탄산화물의 함량의 총합을 8.0%이하로 제한할 것을 요하는데, 이는 그 총합이 8.0%를 초과하면 현저한 스패터 증가로 용접작업 능률이 현저히 저하되기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 CaF₂가 알칼리토금속 플루오르화합물로서 탈산제 및 탈수소제로 이용될 수도 있다. 이를 함유하는 경우, 보다 우수한 스패터성을 확보하여 용접능률을 도모하기 위하여 그 첨가량을 0.2%이하로 제한함이 보다 바람직하다. 본 발명에서는 추가적으로 Na,K,Li와 같은 아크안정제를 미소량 포함할 수도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표1과 같은 조성을 갖는 직경 1.4mm의 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였다. 그리고 상기와 같이 마련된 각각의 와이어를 이용하여 용접모재 JIS G 3126 SLA325B에 대하여 용접을 행하였으며, 이때의 구체적인 용접조건은 하기 표 2와 같다.

구분		와이어의 조성(중량%)
		C	Mn	Si	Mg	B	Al	Ni	F	티탄산화물(TiO₂)	비티탄산화물			CaF₂
		C	Mn	Si	Mg	B	Al	Ni	F	티탄산화물(TiO₂)	SiO₂	ZrO₂	Al₂O₃	CaF₂
발명예	1	0.050	1.9	0.45	0.80	0.006	0.15	1.50	0.18	6.5	0.1	0.1	-	-
	2	0.031	2.0	0.38	0.50	0.01	0.10	1.85	0.20	5.5	0.05	0.1	0.1	0.05
	3	0.035	1.8	0.50	0.90	0.01	0.08	1.55	0.31	5.9	0.1	0.1	-	0.1
	4	0.045	1.7	0.40	0.95	0.015	0.25	1.45	0.15	6.0	-	0.1	-	-
	5	0.036	1.9	0.70	0.62	0.008	0.11	1.25	0.22	6.2	-	0.1	0.1	0.15
	6	0.041	1.6	0.35	1.10	0.015	0.15	1.00	0.35	7.4	-	0.1	-	-
	7	0.039	1.6	0.45	0.90	0.01	0.30	0.70	0.25	6.8	0.1	0.1	0.05	-
	8	0.060	1.8	0.50	0.80	0.02	0.15	0.90	0.28	7.0	-	-	0.1	0.20
	9	0.033	1.8	0.45	0.75	0.01	0.10	1.30	0.16	6.5	0.2	-	-	0.05
	10	0.037	1.7	0.55	0.70	0.01	0.15	1.85	0.19	6.0	-	-	0.2	-
비교예	1	0.035	1.9	0.45	0.80	0.006	0.15	1.50	0.20	4.1	1.0	0.1	-	-
	2	0.021	1.8	0.41	0.30	0.01	0.20	1.80	0.20	5.4	0.5	0.1	0.1	-
	3	0.025	1.8	0.50	0.90	0.01	0.50	1.55	0.30	5.9	-	-	-	-
	4	0.037	2.4	0.55	0.70	0.01	0.15	1.45	0.20	6.0	-	-	-	0.1
	5	0.046	1.9	0.40	0.95	0.015	0.25	0.40	0.15	5.8	0.5	-	-	-
	6	0.041	1.7	0.20	1.00	0.02	0.25	1.90	0.30	6.0	0.2	-	-	-
	7	0.010	1.8	0.70	1.05	0.008	0.15	1.25	0.20	6.5	1.5	0.2	0.2	-
	8	0.052	1.6	0.45	1.30	0.01	0.10	1.50	0.16	6.0	-	-	0.3	-
	9	0.049	1.6	0.35	1.10	0.015	0.15	1.00	0.50	7.4	-	-	-	0.3
	10	0.031	1.8	0.45	0.80	0.003	0.15	1.60	0.20	5.5	1.0	0.2	-	-
	11	0.030	1.6	0.90	0.90	0.01	0.30	1.70	0.25	6.5	-	0.1	0.2	-

*상기 표에서 잔여분은 철 및 불가피한 불순물임

극성	용접전류/전압	용접속도	시일드 가스	개선형상	적층방법
DCRP(직류역극성)	350Amp/35Volt	25~35cm/min	CO₂ 25ℓ/ min	20°루트간격16mm받침판 9mm	5층10패스

상기와 같이 용접을 행한 후 용접금속에 대한 저온 인성을 평가하기 위하여 ASTM A370기준에 따른 샤르피 충격시험을 실시하였으며, 그 시험에 따른 각각의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

또한, 상기의 용접중에 용접작업성을 평가하기 위하여 아크성, 스패터성 및 비드 외관을 육안으로 관찰하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었으며, 여기서 ◎는 그 평가결과가 양호, ○는 보통, 그리고 △는 그 평가결과가 불량인 것을 의미한다.

하기 표 3에 나타난 바와 같이, 용접금속중 산소와 질소함량 저감과 용접 작업성 향상을 꾀하도록 그 조성이 마련된 본 발명예(1~10)의 경우 모두 우수한 저온 충격인성과 용접작업성을 나타내었다.

특히, CaF₂를 소정량 함유한 본 발명예(2~3, 5,8~9)가 그렇지 않은 경우에 비하여 보다 우수한 스패터성을 가짐을 알 수 있다.

구분		인장시험			샤르피 흡수에너지(J)			용접 작업성
구분		항복점(N/mm²)	인장강도(N/mm²)	연신율(%)	vE-40℃	vE-60℃	vE-80℃	아크성	스패터	비드외관
발명예	1	555	590	26.0	144	111	84	◎	○	◎
	2	585	610	25.8	126	105	72	◎	◎	◎
	3	565	595	27.0	155	122	101	◎	◎	◎
	4	540	580	27.5	161	134	104	◎	○	◎
	5	564	594	25.6	128	101	68	◎	◎	◎
	6	535	574	27.6	142	114	85	◎	○	◎
	7	524	565	26.7	121	98	65	◎	○	◎
	8	531	567	25.2	146	110	89	◎	◎	◎
	9	542	571	26.5	138	106	78	◎	◎	◎
	10	574	615	25.2	125	103	69	◎	○	◎
비교예	1	540	575	27.0	154	114	101	△	○	△
	2	565	601	25.2	92	45	26	△	○	△
	3	610	655	21.5	85	41	24	◎	○	△
	4	604	642	22.4	98	52	31	◎	◎	△
	5	542	574	28.1	104	51	28	◎	○	△
	6	515	544	29.4	112	65	35	△	○	○
	7	574	595	26.8	64	37	21	◎	○	△
	8	557	594	24.2	156	121	103	△	○	△
	9	545	585	26.2	148	104	96	○	△	△
	10	546	579	28.0	65	46	35	◎	○	△
	11	610	667	21.0	55	33	18	◎	○	△

이에 반하여, 티탄산화물의 함유량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1의 경우에는 그 충격 인성치는 양호하나 용접작업성은 좋지 않았다. 그리고, Mg가 과소하게 함유된 비교예 2는 그 충격인성이 좋지 않은 반면에, 이를 과도하게 함유한 비교예 8은 충격인성은 양호하나 용접작업성이 좋지 않았다.

또한, Al, Mn, Ni 및 Si의 함유량이 각각 본 발명의 범위를 벗어난 비교예(3~6,11)은 모두 -60, -80℃온도에서 그 충격 인성치가 다소 미흡한 수준이었다.

그리고, C의 함유량이 과소한 비교예 7이나 B의 함유량이 본 발명의 벗어난 비교예 10의 경우에는 그 충격 인성치가 -40℃온도범위에서도 좋지 않았다.

따라서, 상술한 바와 같은 본 발명은, 용접금속중 산소와 질소함유량을 저감시켜 저온인성이 우수한 용접금속을 얻을 수 있음과 아울러, 용접 작업성도 우수하여 전자세 용접이 가능한 플럭스 충전 와이어를 제공함에 유용하다.

Claims

와이어에 대한 중량%로, C: 0.03~0.07%, Mn: 1.6~2.0%, Si: 0.35~0.7%, Mg: 0.5~1.1%, B: 0.005~0.02%, Al: 0.08~0.3%, Ni: 0.7~2.0%, F: 0.15~0.35%, 티탄산화물: 5.5~7.5%, SiO₂, Al₂O₃ 및 ZrO₂로 이루어진 비티탄산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합: 0.25%이하, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 티탄산화물과 비티탄산화물의 총함량이 8.0%이하로 제어됨을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어
제 1항에 있어서, CaF₂가 0.2%이하로 추가로 함유되어 있음을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어