KR100508604B1 - 알루미늄 합금 용접 와이어 - Google Patents

Abstract

1.5 내지 6 질량%의 Mg, 0.01 내지 0.5 질량%의 Cr, 0.01 내지 1.2 질량%의 Mn, 및 1 질량% 이하(0 질량%를 포함하지 않음)의 Fe를 함유하는 알루미늄 합금제 용접 와이어로서, 하기 수학식 1 내지 3을 만족하도록 구성된다.

상기 식들에서,

X는 캐스트 직경이고,

Y는 와이어의 내력(耐力)이다.

이와 같은 구성에 의해, 알루미늄 합금제 용접 와이어의 송급성이 향상되고, 안정된 아크 용접을 확보할 수 있는 와이어가 제공된다.

Description

알루미늄 합금 용접 와이어{ALUMINIUM ALLOY WELDING WIRE}

본 발명은 알루미늄 합금 용접 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접후의 이음 강도를 확보하면서 알루미늄 합금 용접 와이어의 송급성(送給性)을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

선박이나 차량 등에 사용되고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용접할 때, 종래에 아크 용접법(예컨대, TIG 용접법이나 소모전극식 가스 실드 아크 용접법 등)을 사용하여 왔다. 특히, 소모전극식 가스 실드 아크 용접법(예컨대, MAG 용접법이나 MIG 용접법 등)을 이용하면 연속 용접이 가능하므로 이 용접법이 널리 사용되고 있다.

도 1은 소모전극식 가스 실드 아크 용접 장치의 한 예를 설명하는 도면이다. 스풀(1)에 감긴 5 내지 10kg 정도의 알루미늄 합금 용접 와이어(이하에서, "용접 와이어" 또는 단순히 "와이어"라 칭할 수 있다)(2)를 송급 장치(3)에 구비된 가이드 롤러(4)를 통과시킨 후, 푸시 방식의 송급 롤러(5)에서 송출되며, 유연한 콘딧 튜브(conduit tube)(6)를 통해 그 단부에 접속된 용접 토치(7)(이하 "토치부"라 칭하는 경우가 있음) 내로 보낸다. 용접 토치(7) 내에서는 통전 칩(8)(이하에서, "칩부"라 칭할 수 있다)에 의해 용접 와이어에 접촉 급전되어, 와이어 선단과 모재(9)와의 사이에 아크가 발생한다. 발생한 아크에 의해 모재(9)는 용융되어 파여지고, 한편 용접 와이어는 대기와 차단된 실드 가스 중에서 용적 형상이 되어 모재(9)측에 이행하여 용융 풀을 생성하고, 이 용융 풀이 응고됨으로써 용접부가 형성된다.

상기와 같이 용접할 때 양호한 용접부를 얻기 위해서는 콘딧 튜브나 토치부, 칩부 등에서의 용접 와이어의 송급성이 중요한 요건이 된다. 즉, 용접 와이어의 송급성이 나빠지면, 칩부를 통과할 때의 와이어 통과 속도(송급 속도)가 불안정해지기 때문에, 양호한 용접부를 얻을 수 있도록 미리 설정되어 있는 용접 전류와 아크 전압과의 관계를 유지할 수 없게 되기 때문이다. 이러한 불량 현상을 일반적으로 "아크 불안정"이라 칭하며, 그 결과, 양호한 용접부를 형성할 수 없어 융합 불량이나 형상 불량이 된다. 또한, 칩부를 통과할 때 와이어의 통과 속도가 불안정해지면, 와이어가 칩부에서 지나치게 통전되어, 용융한 와이어가 칩부에 융착하는 사태를 초래할 수도 있다.

용접 와이어의 송급성을 향상시키는 기술로서, 예를 들면, 일본 특허 공개공보 제93-277786호에는 선형의 알루미늄 합금 용접 와이어의 표면에 오일을 부착시킴으로서 와이어의 송급성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 와이어에 오일을 너무 부착시키면 수소 증가에 따른 블로우 홀의 발생이라는 새로운 문제가 발생하는 경우가 있었다.

또한, 본 발명자들도 와이어 표면의 평활도를 높임으로써, 송급 롤러에서 잘 깎이지 않고 송급성을 향상시킨 와이어를 제안하여(일본특허 공개공보 제95-32186호) 효과를 거두었다. 그러나, 이 와이어는 제조시 조건 제어가 어려워 추가 개량이 필요하였다.

알루미늄 합금 용접 와이어로서 Al-Mg계 합금(예를 들면, JIS 규격 Z 3232 A5356, A5183, A5556, A5554 등)이 널리 사용되고 있다. 이는 알루미늄에 Mg를 함유시킴으로써 와이어 자체의 강도가 개선되기 때문에, 예를 들면 콘딧 튜브 내에서의 와이어의 좌굴 발생을 감소시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명자들에 따르면, 와이어의 강도만을 고려하여서는 송급성이 충분히 향상될 수 없다.

본 발명의 목적은 알루미늄 합금 용접 와이어의 송급성을 향상시킴으로써 안정된 아크 용접을 확보할 수 있는 와이어를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어란 1.5 내지 6 질량%의 Mg을 함유하고, 하기 수학식 1 내지 3을 만족시키는 구성을 갖고 있다는 점이 핵심이다:

수학식 1

수학식 2

수학식 3

상기 식들에서,

X는 캐스트 직경이고,

Y는 와이어의 내력이다.

단, 본 발명에서, "캐스트 직경"이란 스풀에 감겨져 있는 알루미늄 합금 용접 와이어를 개방했을 때에 형성되는 루프의 루프 직경을 의미한다. 여기에서, 상기 와이어는 0.01 내지 0.5 질량%의 Cr, 0.01 내지 1.2 질량%의 Mn, 1 질량% 이하(0 질량%를 포함하지 않음)의 Fe를 함유하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 사용하면 알루미늄 합금 용접 와이어의 송급성을 향상시킬 수 있기 때문에, 칩부에서 와이어가 융착되지 않고, 안정된 아크를 유지할 수 있는 와이어를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 합금 원소로서, Cr, Mn 및 Fe를 포함하고, Fe, Cr 및 Mn의 고용량의 총합이 0.160 질량% 이하(0 질량%를 포함)이며, 또한, Fe의 고용량이 0.015 질량% 이하(0 질량%를 포함)이고, Cr의 고용량이 0.1 질량% 이하(0 질량%를 포함)이며, 상기 와이어의 내력은 400 N/mm² 이상 550 N/mm² 이하이다. 추가로, Mn의 고용량이 0.15 질량% 이하(0 질량%를 포함)인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 와이어는 0.01 내지 0.5 질량%의 Cr, 0.01 내지 1.2 질량%의 Mn, 1 질량% 이하(0 질량%를 포함하지 않음)의 Fe, 및 1.5 내지 6질량%의 Mg을 함유한다.

이런 구성을 이용하면, 용접 와이어의 송급성이 양호하면서도, 용접 와이어를 이용한 용접 후의 이음 강도를 보다 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 코일 형태로 감겨져 있고, 캐스트 직경이 250 mm 이상 550 mm 이하이며, 코일 안쪽 표면에서의 잔류 응력이 인장 응력이다. 단, 본 발명에 있어서, "표면"이란 와이어의 최표면에서 깊이 1OO μm까지의 영역이다. 바람직하게는, 상기 와이어의 코일 외측 표면에서의 잔류 응력이 300 MPa 이하의 인장 응력이다.

이와 같은 구성을 사용하면, 와이어의 송급성을 보다 향상시킬 수 있다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하고자 다양한 각도에서 검토한 결과, 와이어가 Mg를 함유하면서, 동시에, 알루미늄 합금 용접 와이어를 스풀로부터 개방했을 때의 캐스트 직경과 와이어의 내력을 적절히 제어하면, 와이어의 송급성을 향상시킬 수 있어 안정된 아크를 유지할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다. 이하, 본 발명의 작용 효과에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 1.5 내지 6%("질량%"의 의미는 이하 동일하다)의 범위의 Mg를 함유할 필요가 있다. 이와 같이 범위를 한정한 이유는 하기와 같다.

Mg: 1.5 내지 6%

Mg는 와이어의 강도를 높이는 원소로, 와이어를 송급할 때 와이어가 경로중에 좌굴되는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, Mg을 함유하고 있는 알루미늄 합금 와이어를 용접에 사용하면, 용접 후에 이음부에서 고용강화되어, 이음부의 강도를 높일 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 1.5% 이상, 바람직하게는 1.6% 이상의 Mg을 함유해야 한다. 그러나, Mg를 과잉 함유하면, 와이어 드로잉가공에 의해 와이어를 제조할 때 균열이 발생하기 쉬우므로, Mg 함유량이 6% 이하, 바람직하게는 5.8% 이하인 것이 좋다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 상술한 바와 같이 Mg을 함유한다. 그리고, 이러한 와이어는 일반적으로 용접시 취급 용이성을 위해 스풀에 감겨져 있지만, 일반적으로 와이어를 스풀에 감기 전에 미리 와이어에 어느 정도 자국을 낸다. 즉, 스풀에 감기 전에 와이어를 소성 변형시켜 자국을 낸 뒤 스풀에 감는다. 이와 같이 자국이 난 와이어를 스풀로부터 개방시키면, 어느 정도의 직경을 갖는 루프 형상이 된다. 본 발명에서는 스풀로부터 개방되었을 때 와이어가 형성하는 루프의 루프 직경을 "캐스트 직경"이라 칭한다.

그런 다음, 스풀로부터 개방된 와이어를 송급 장치로 보내고, 나아가 콘딧 튜브 내를 통과하는데, 이 때 콘딧 튜브가 복잡하게 구부려져 있으면, 와이어가 복잡한 경로를 통과하므로, 칩부에 도달하는 동안에 힘을 받아 변형된다.

예를 들면, 자국이 남은 와이어가 송급 장치에 공급되면, 와이어는 송급 장치에 마련된 가이드 롤러나 송급 롤러 등과 접촉하는 데, 이 때 와이어는 롤러로부터 힘을 받아 캐스트 직경이 커지는 쪽(즉, 와이어가 직선 형상이 되는 쪽)으로 변형된다. 콘딧 튜브의 전체 길이는 보통 약 2 내지 6 m이기 때문에, 콘딧 튜브는 대부분 묶여져 있거나 사행 배치되어 있다. 이 때 와이어의 캐스트 직경(곡률)보다 와이어가 통과하는 경로의 곡률이 작으면, 와이어가 콘딧 튜브 속을 통과할 때 캐스트 직경이 더욱 작아지도록 힘을 받는다. 따라서, 와이어가 스풀로부터 통전칩에 도달하는 동안 와이어에 자국이 남는 것이다.

이상과 같이, 와이어가 칩부에 도달하였을 때 와이어에 자국이 남아 있기 때문에, 와이어의 자국에 의한 직경(곡률)과 통전칩 내부의 형상이 일치하지 않으므로, 와이어가 통전 칩 내벽 면과 접촉하여 와이어와 통전 칩 내벽 사이에 마찰력이 발생한다. 이 마찰력이 너무 커지면, 와이어가 칩부에서 걸려서 와이어의 송급 속도가 불안정해진다. 와이어의 송급 속도가 불안정해지면, 칩부에서 와이어가 과잉 통전되어 칩부에 와이어가 융착되는 원인이 된다. 특히 Mg를 함유하고 있는 고강도 와이어는 순수한 알루미늄 와이어에 비해 딱딱하기 때문에 마찰력이 커지는 경향이 있고, 이로 인해 와이어의 송급성이 저하되고, 나아가 칩 융착이 발생한다. 이에, 본 발명자들은 칩부에 송급된 시점에서 용접 와이어의 곡률이 작고 가능한 한 직선 형상이면 와이어와 칩부 사이의 마찰 저항이 작아져 와이어의 송급성이 향상될 수 있을 것으로 생각하였다.

이러한 관점에서 검토한 결과, Mg를 일정량 함유하고 있는 용접 와이어의 스풀로부터 개방했을 때의 와이어의 캐스트 직경과 와이어의 내력을 하기 범위로 엄밀히 규정하면서, 이와 동시에, 이들 캐스트 직경과 내력과의 관계를 규정함으로써, 칩부에 도달하였을 때의 와이어의 곡률을 조정할 수 있음을 생각해 내었다. 본 발명에서 규정 이유와 그 범위는 하기와 같다.

캐스트 직경: 250 내지 550(mm)

스풀로부터 개방했을 때 와이어의 캐스트 직경이 커지면, 와이어가 송급 장치나 콘딧 튜브 속을 통과할 때 다소 힘을 받아 자국이 남았다 하더라도, 칩부에 도달했을 때 곡률이 작은 와이어가 되기 때문에, 와이어의 송급성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 스풀로부터 개방한 와이어의 캐스트 직경이 250 mm 미만이면, 후술하는 바와 같이 와이어의 내력을 제어하더라도 칩부에서 와이어 곡률을 충분히 감소시킬 수 없기 때문에, 본 발명에서는 캐스트 직경이 250 mm 이상이어야만 한다. 바람직하게는 280 mm 이상이다.

또한, 와이어를 감는 스풀의 직경이 보통 약 250 mm이기 때문에, 와이어로부터 개방했을 때 캐스트 직경이 250 mm 미만이려면 와이어를 스풀에 감기 전에 강한 자국을 내야 한다. 그러나, 자국이 강한 와이어를 스풀에 감는 것을 어렵기 때문에, 와이어 권취가 불균일해진다. 이 권취 불균일은 와이어의 송급성을 감소시키는 원인이 되므로, 이런 측면에서도 캐스트 직경의 범위를 상기와 같이 규정하였다.

한편, 스풀로부터 개방된 와이어의 캐스트 직경이 550 mm을 초과하게 되면, 와이어가 스풀에 감겨 있는 상태에서도 넓어지려고 하는 힘이 작용하기 때문에, 스풀로부터 와이어를 내보낼 때 와이어끼리 서로 엉켜버린다. 따라서, 와이어 송급성을 향상시킬 수 없다. 이러한 관점에서, 본 발명에서는 캐스트 직경이 550 mm이하일 필요가 있다. 바람직하게는 500 mm 이하이다.

와이어 내력: 400 내지 550(N/mm ² )

칩부에 도달하였을 때 와이어 곡률을 감소시키려면 와이어가 칩부에 도달하는 동안 변형되기 쉬워야만 한다. 즉, 와이어가 쉽게 변형되면 송급 장치나 콘딧 튜브 내를 통과하는 동안 경로로부터 힘을 받았을 때 발생하는 마찰력이 작아지고, 또한 받은 힘에 따라 와이어 자국이 없어지므로, 와이어가 칩부에 도달했을 때의 곡률을 감소시킬 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 이러한 관점에서 와이어의 내력을 규정하였다.

와이어가 상기 범위의 Mg를 함유하는 경우 와이어의 내력이 400 N/mm² 미만이면, 와이어 내력이 너무 낮아서 부드럽기 때문에, 와이어가 콘딧 튜브내 등에서 좌굴되어, 송급성 향상을 저해하는 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 와이어의 내력이 400 N/mm² 이상이어야만 한다. 바람직하게는 410 N/mm² 이상이다.

한편, 와이어가 너무 단단해지면, 와이어가 송급 장치 등에 공급되더라도 거의 변형되지 않기 때문에, 예컨대 와이어의 경로가 복잡하게 굽어 있으면 와이어가 콘딧 튜브의 내벽 등과 접촉할 때 마찰 저항이 커서 송급성이 향상될 수 없다. 이러한 측면에서, 본 발명에서 와이어의 내력을 550 N/mm² 이하로 규정한다. 바람직하게는 460 N/mm² 이하이다.

또한, 본 발명에서는 스풀로부터 개방한 와이어의 캐스트 직경을 X, 와이어의 내력을 Y로 했을 때, 하기 수학식 3을 만족시키는 것이 중요하다. 하기 수학식 3은 후술하는 실험에 의해 얻어진 것으로, 소정양의 Mg를 함유하고 있는 와이어라 하더라도 와이어의 캐스트 직경 X(mm)와 와이어의 내력 Y(N/mm²)와의 관계가 Y>(X+ 1100)/3이 될 때에는 캐스트 직경과 내력과의 균형이 맞지 않아서 와이어가 칩부에 도달했을 때 와이어 자국이 충분히 없어지지 않기 때문에 마찰 저항이 커져서 송급성을 향상시킬 수 없다. 이는 칩부에서 와이어의 융착 등의 불량이 발생하는 원인이 된다:

수학식 3

본 발명의 알루미늄 합금 용접 와이어를 제조할 때, 상기 범위의 Mg를 함유하면서, 동시에, 스풀로부터 개방된 와이어의 캐스트 직경 및 와이어의 내력이 본 발명에서 규정하는 범위에 들어가면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 하기에 나타내는 방법에 의해 제조할 수 있다.

일반적으로, 와이어 드로잉가공에 의해 수득된 와이어를 스풀에 감기 전에 어느 정도의 자국을 내는데, 그 이유는 스풀에 감기 전에 미리 와이어에 어느 정도 자국을 내면 스풀에 감기 쉽기 때문이다. 스풀로부터 개방했을 때의 캐스트 직경이 본 발명에서 규정하는 범위를 만족시키기 위해서는 스풀에 감기 전에 와이어에 내는 자국의 정도를 제어하는 것이 바람직하다. 예컨대, 스풀의 지름이 250 mm이면, 스풀에 감기 직전의 와이어를 개방했을 때에 형성되는 루프의 지름이 약 250 내지 700 mm이도록 자국을 낸다. 이는 상기 루프의 지름이 250 mm 미만이면 스풀의 지름보다도 작아지므로, 와이어에 부여된 자국이 너무 강해서 와이어를 잘 정렬하여 감기 어려워지고, 상기 루프의 지름이 700 mm을 초과하면 스풀의 지름보다 너무 커지기 때문에 와이어에 자국이 거의 나지 않아 스풀에 와이어를 잘 감기 어렵기 때문이다.

스풀에 감기 전의 와이어에 자국을 내는 수단에는 와이어 드로잉가공한 와이어를 스풀에 감기 전에 복수 개(예컨대 3개)의 롤러를 마련하고, 이 롤러 사이를 사행하도록 통과시키면서, 동시에, 이 롤러의 압입량을 조정하는 방법이 포함될 수 있다. 도 2는 와이어 드로잉가공으로 수득된 와이어에 자국을 내기 위한 공정의 한 예를 나타낸 도면이다. 도면에서 (11)은 와이어 드로잉가공(즉 상기 롤 와이어 드로잉 또는 다이스 와이어 드로잉)으로 수득된 알루미늄 합금 와이어이며, (12), (13) 및 (14)는 교정 롤을 나타내고, (15)는 스풀을 나타낸다. 또한, 도면 중의 화살표(16)는 교정 롤의 압입량을 나타내고 있다. 또한, 스풀(15)에 병기한 화살표는 스풀의 회전 방향을 나타내고 있다.

와이어 드로잉가공으로 수득된 와이어(11)를 예컨대 도 2에 도시한 바와 같이 설치된 교정 롤 사이를 사행 통과시켜 자국이 남게 된다. 그리고, 자국이 남은 와이어(11)를 스풀에 감는다. 본 발명에서는 교정 롤(예컨대 12와 14)의 압입량(16)을 증가시킴으로써 자국의 강도를 변화시킬 수 있다.

이렇게 스풀에 감겨진 와이어를 개방하면, 와이어에는 자국이 있으므로 직선 형상이 되지 않고, 루프가 형성된다(상술한 바와 같이, 본 발명에서는 이 루프 직경을 "캐스트 직경"이라 칭하고 있다). 그리고, 본 발명자들이 스풀에 와이어를 감기 전에 와이어에 부여하는 자국의 정도와, 스풀로부터 개방한 와이어의 캐스트 직경과의 관계를 검토한 결과, 캐스트 직경이 와이어의 내력에 영향을 받는 것으로 밝 밝혀졌다.

내력이 470 N/mm²의 와이어를 스풀에 감기 전 단계로써, 와이어의 자국에 의해 형성되는 루프의 루프 지름이 700 mm이 되도록 와이어에 자국을 낸 다음 와이러를 스풀에 감으면, 스풀에 감은 후에 와이어를 개방했을 때의 캐스트 직경이 280 mm이 되었다. 또한, 내력이 520 N/mm²인 와이어를 사용하여 상기와 같은 조건으로 스풀에 감으면, 스풀로부터 개방했을 때 와이어의 캐스트 직경은 440 mm이 되었다. 따라서, 스풀로부터 개방된 와이어의 캐스트 직경이 와이어의 내력에 영향을 받음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 와이어의 내력을 제어하는 동시에, 스풀로부터 개방한 와이어의 캐스트 직경을 제어하는 것이 중요하며, 와이어의 내력을 제어하는 수단으로 하기의 방법을 들 수 있다.

와이어의 내력은 와이어의 성분 조성이나 와이어를 제조할 때에 도입되는 변형 등에 영향을 받기 때문에, 최종적으로 와이어 드로잉하기 전에 와이어를 어닐링(annealing)시키면 와이어의 내력을 제어할 수 있다. 그러나, 와이어의 성분 조성에 따라 다르기는 하지만, 최종 와이어 드로잉하기 전에 와이어를 어닐링시키면 와이어의 내력이 약 460 내지 600 N/mm² 밖에 되지 않아, 약간 단단한 와이어가 됨을 알 수 있었다.

이에, 본 발명자들이 검토한 결과, 최종 와이어 드로잉하여 수득된 와이어를, 원하는 와이어 직경 보다 약간(예컨대 0.5 mm 정도) 크게 만들고, 이 와이어를 어닐링시킨 후 와이어 표면의 껍질을 벗겨서 원하는 와이어 직경을 만드는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 이 때 어닐링 조건은 바람직하게는 약 100 내지 300 ℃의 어닐링 온도 및 1시간 이상의 유지 시간이다. 종래 방법에서는 일반적으로 와이어를 어닐링시키지 않았고, 비록 와이어를 어닐링시킨 경우에도 어닐링 시간이 1시간 보다 짧은 경우가 많아 와이어의 내력을 충분히 낮출 수 없었다. 또한, 어닐링과 최종 가공을 조합한다는 지견은 본 발명에서 처음으로 얻어진 것이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 Mg를 합금 성분으로서 함유하는 것으로, 나머지 부분은 기본적으로 알루미늄과 불가피한 불순물(Zr나 V, Ag, Bi, Pb, Ga, Be 등)로 이루어지지만, 필요에 따라 Cr나 Mn 등의 원소를 함유하는 것이 바람직하다. Cr과 Mn의 바람직한 함유 범위와 그 규정 이유는 하기와 같다.

Cr: 0.01 내지 0.5%

Cr은 용접 후 이음부에서 Al 결정을 미세화하는 동시에, 결정 입경을 균일화시켜 이음 강도를 향상시키는 원소로써, 그 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05% 이상 함유하는 것이 좋다. 그러나, 그 함량이 0.5%를 초과하면, 용접 후에 조대한 금속간 화합물이 생성되어 이음 강도가 낮아지는 원인이 되기 때문에, 바람직한 상한은 0.5%이고, 보다 바람직한 상한은 0.45%이다.

Mn: 0.01 내지 1.2 %

Mn은 용접 후 이음부에서 Al 결정을 미세화시키면서, 동시에, 결정 입경을 균일화시켜 이음 강도를 향상시키는 원소이며, 또한, Al 또는 Fe와 결합하여 Al-Fe-Mn계 화합물을 생성할 수 있기 때문에, 이음 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상 함유하는 것이 좋다. 그러나, Mn의 함유량이 1.2%를 초과하면, 용접 후의 이음부에 거대한 화합물이 생성되어 강도가 감소되는 원인이 되기 때문에, 바람직한 상한은 1.2%이고, 보다 바람직한 상한은 1.15%이다.

또한, Fe를 1% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 그 이유는 하기와 같다.

Fe: 1% 이하

Fe은 일반적으로 알루미늄 와이어 중에 불순물로서 함유되어 있는데, 그 함량이 1%를 초과하면 용접 후의 이음 부분에 화합물을 발생시키기 쉽고, 이 화합물이 이음 강도를 감소시키는 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 Fe 함량을 1% 이하로 억제하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.9% 이하인 것이 바람직하다. 한편, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 용접 후 이음 강도를 확보하기 위해서 Fe를 함유해야 하기 때문에, Fe 함유량 0%는 바람직하지 않다.

상술한 바와 같이, 본 발명자들은 송급성이 우수한 와이어를 실현하기 위해서는 와이어의 내력을 작게 하면 좋다는 것을 생각해 내었다. 그러나, 한편으로 용접 후의 이음 강도를 적어도 종래 수준으로 확보할 필요가 있다.

이러한 관점에서 본 발명에서는 용접 후 이음 강도를 확보하기 위해서 알루미늄 합금 용접 와이어의 성분으로서 Fe, Cr 및 Mn을 각각 함유하고, 또한, 와이어의 내력을 가능한 한 작게 하기 위해 와이어 중에서의 Fe, Cr 및 Mn의 고용량의 총합과 Fe 및 Cr의 개별적인 고용량을 적절히 규정하여 이음부의 강도와 와이어의 내력이 균형잡히도록 하였다. 다음과 같은 이유로 각 성분의 고용량의 범위를 한정하였다.

0.160%("질량%"의 의미. 이하 동일) 이하(0%를 포함)의 Fe, Cr 및 Mn의 고용량의 총합

용접 후 이음 강도를 확보하기 위해서 와이어가 Fe, Cr 및 Mn 원소를 함유할 필요가 있지만, 이들 원소가 와이어 중에 많이 사용되면, 고용 강화가 발생하여 와이어의 내력이 커진다. 와이어의 내력이 커지면, 와이어에 난 자국이 잘 없어지지 않기 때문에, 와이어를 송급할 때 저항이 커져서 송급성이 저하된다. 따라서, 아크 발생이 불안정해진다. 본 발명에서는 와이어에 함유되어 있는 Fe, Cr 및 Mn 등의 원소는 화합물로서 존재하고 있는 것이 바람직하며, 와이어에 고용되어 있는 Fe, Cr 및 Mn의 양을 총량으로 0.160% 이하, 바람직하게는 0.15% 이하로 감소시킬 필요가 있다. 또한, 가장 바람직하게는, 와이어에 고용되어 있는 각 원소의 총량이 0%이다.

0.015% 이하(0%를 포함)의 Fe 고용량

Fe는 알루미늄 합금 용접 와이어를 고용 강화시키기 쉬운 원소이기 때문에, 상기 각 원소의 고용량의 총합이 본 발명에서 규정하는 범위이더라도, Fe의 고용량이 0.015%를 초과하면 와이어의 내력이 커져 와이어에 난 자국이 잘 없어지지 않는다. 따라서, 와이어의 송급 저항이 커져서 안정된 아크를 실현할 수 없다. 와이어의 내력을 감소시키기 위해서는 와이어 중의 Fe의 고용량이 0.015% 이하이어야만 한다. 바람직하게는 고용량을 0.014% 이하로 하는 것이 바람직하다.

O.1% 이하(O%를 포함)의 Cr 고용량

Cr은 Fe처럼 알루미늄 합금 와이어를 고용 강화시키기 쉬운 원소이기 때문에, Cr의 고용량이 O.1%를 초과하면 와이어의 내력이 커져서 와이어 송급성이 저하된다. 따라서, 안정된 아크를 실현할 수 없다. 내력이 작은 와이어를 만들기 위해서는 와이어 중의 Cr 고용량이 0.1% 이하이어야만 한다. 바람직하게는 0.09% 이하의 고용량이 권장된다.

본 발명에서는 와이어 중의 Fe, Cr 및 Mn의 고용량의 총합과, Fe 및 Cr 각각의 고용량이 상기 범위를 만족시키는 것이 중요하고, Mn의 고용량은 특별히 한정되지 않지만, 와이어의 내력을 한층 감소시켜 와이어 송급성을 향상시킨다는 관점에서, 바람직하게는 와이어 중의 Mn 고용량은 0.15% 이하이다. 보다 바람직하게는 0.13% 이하가 권장된다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 적어도 Fe, Cr 및 Mn을 함유하며, 그 바람직한 함유량은 상술한 바와 같다. 또한, 이들 범위는 와이어 중에 함유되어 있는 각 원소의 범위이며, 와이어 중에 존재하고 있는 고용체도 포함된다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어의 제조 방법은, 와이어 중에 존재하는 각 원소의 고용량이 본 발명의 요건을 만족시키기만 하면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 다음 방법이 포함된다.

알루미늄 주괴는 반연속 주조법(DC 주조) 또는 연속 주조법 등으로 제조될 수 있다. 단, 와이어중의 각 원소의 고용량이 알루미늄 주괴에서의 고용량에 크게 영향을 받기 때문에, 알루미늄 주괴 제조시 고용량을 감소시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 알루미늄 주괴 제조시 응고 속도 또는 냉각 속도를 느리게 하는 방법을 들 수 있다.

수득된 알루미늄 주괴를 열간 압연 또는 열간 와이어 드로잉, 열간 압출시켜 φ가 약 5 내지 20 mm인 선재인 것이 바람직하다. 열간 가공함으로써, 각 원소의 석출을 촉진할 수 있기 때문에, 와이어 중의 고용량을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이 때의 가열 온도는 약 400 내지 550 ℃가 바람직하다.

본 발명에서 수득된 알루미늄 주괴를 균질화 처리하거나, 또는 열간 가공(열간 압연, 열간 와이어 드로잉, 열간 압출)하여 수득된 상기 선재를 균질화 처리하는 것이 바람직하다. 이 처리에 의해 알루미늄 중에 고용되어 있는 Fe, Cr 및 Mn의 확산을 더욱 촉진할 수 있기 때문에, Al-Fe-Mn계의 화합물을 생성시키기 쉽기 때문이다. 이러한 관점에서, 본 발명에서는 약 500 내지 600 ℃의 균질화 온도 및 3시간 이상의 유지 시간이 바람직하다. 이는 균질화 온도가 50O ℃ 미만이거나, 유지시간이 3시간 미만의 비교적 단시간이면, Fe, Cr 및 Mn이 충분히 확산되지 않아 와이어 중에 고용된 채 남아있어, 그 결과 와이어의 내력 또는 이음부의 강도가 커지는 원인이 될 수 있기 때문이다.

단, 균질화 처리 시기는 특별히 한정되지 않고, 상기 알루미늄 주괴의 표면층을 면삭한 후에 균질화 처리하여 열간 압연 등의 예비 가열과 동시에 행할 수 있으며, 열간 압연 등으로 얻어진 선재를 다시 균질화 처리할 수도 있다. 또한, 알루미늄 주괴를 균질화 처리한 뒤, 표면층을 면삭하고, 이것을 재가열하여 열간 압연 등을 실시하는 방법은 압연 등의 처리 전에 주괴 표면에 생성된 산화 피막이 감소되기 때문에, 표면 품질 향상이란 측면에서 바람직한 수단이다.

열간 압연 등에 의해 수득된 상기 선재를 냉간 압연, 냉간 와이어 드로잉 또는 다이스와이어 드로잉한 뒤, 선재 표면의 껍질을 벗겨 φ3 내지 7 mm 정도의 와이어 원선을 만든다. 그리고, 이 와이어 원선을 중간 어닐링시킨 다음, φ가 약 0.8 내지 3 mm가 되게 다이스 와이어 드로잉 또는 롤 압연 와이어 드로잉하여 본 발명의 용접 와이어를 제조할 수 있다.

상기 와이어 원선을 중간 어닐링시키는 이유는 가공에 의한 전위를 제거함으로써 와이어의 강도 또는 내력을 제어할 수 있기 때문이다. 또한, 중간 어닐링에 의해 와이어 중의 각 원소가 확산되므로, 와이어 중의 고용량도 제어할 수 있다. 약 300 내지 500 ℃의 어닐링 온도 및 3시간 이상의 유지 시간의 중간 어닐링 조건이 바람직하다. 300 ℃ 미만이면 각 성분이 충분히 확산되지 않고, 본 발명의 요건을 만족하도록 고용량을 감소시키기 어렵고, 반대로 500 ℃를 초과하면 Fe, Cr 및 Mn 이외의 원소(예컨대 Mg)가 와이어에 고용되어 강도가 너무 높아질 수 있다. 또한, 상기 중간 어닐링을 와이어 드로잉 가공(다이스 와이어 드로잉 또는 롤 와이어 드로잉)과 적절히 조합하여 여러 번 실시함으로써, 와이어 중의 고용량을 더욱 감소시킬 수 있지만, 제조 비용 또는 생산성 관점에서 중간 어닐링 회수는 많아도 3회 정도가 바람직하다.

또한, 본 발명자들은 알루미늄 주괴로부터 와이어 원선으로 가공하는 동안의 총감면 가공율이 95% 이상 되게 하고, 이와 같은 와이어 원선를 중간 어닐링시키면, 각 원소가 쉽게 와이어 중에 화합물로서 생성되어, 와이어 중의 고용량이 쉽게 감소되는 것을 확인하였다.

상술한 바와 같이, 와이어의 캐스트 직경을 제어함으로써, 와이어의 송급성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그리고, 와이어에 부여된 자국의 정도를 제어함으로써, 와이어의 캐스트 직경을 제어할 수 있다는 것도 알 수 있었다. 본 발명자들은 추가로 와이어에 부여된 자국의 정도와 캐스트 직경과의 관계에 대해서 검토한 결과, 코일 형상으로 감겨진 용접 와이어의 표면 잔류 응력의 영향을 받는다는 것을 발견하였다.

용접 와이어를 스풀에 감는 이유는 와이어에 어느 정도의 감은 자국을 내면 용이하게 용접할 수 있기 때문이다. 도 4는 감은 자국이 붙어 있는 종래의 알루미늄 합금 용접 와이어의 모식도를 나타낸다. 도면 중 (20)은 스풀로부터 개방했을 때의 알루미늄 합금 용접 와이어를 나타내고, (21)은 와이어의 코일 내측을 나타내고, (22)는 와이어의 코일 외측을 나타낸다. 또한, 와이어(20)에 병기한 화살표 (23) 및 (24)는 각각 와이어 표면에서의 압축 방향(23)의 잔류 응력(이하, "압축 응력"이라고 칭하는 경우가 있음), 및 와이어 표면에서의 인장 방향(24)의 잔류 응력(이하, "인장응력"이라고 칭하는 경우가 있음)을 나타낸다.

도 4에 도시한 바와 같이, 감은 자국이 있는 종래의 알루미늄 합금 용접 와이어는 와이어(20)의 코일 안쪽(21) 표면에서의 잔류 응력이 압축방향(23)이며, 와이어(20)의 코일 외측(22) 표면에서의 잔류 응력은 인장방향(24)이다. 감은 자국은 와이어의 코일 내측과 코일 외측과의 응력 차에 의해 발생하며, 이 응력 차가 크면 감은 자국이 강해진다. 이와 같이 감은 자국이 강한 와이어를 사용하여 용접하면, 송급 장치나 콘딧 튜브에 와이어를 송급하더라도 와이어에 나있는 자국이 잘 없어지지 않기 때문에, 튜브와 와이어 사이에 마찰력이 발생한다. 그리고, 이 마찰력이 와이어의 송급성에 영향을 미친다.

본 발명자들은 "감은 자국"이나 "자국"이 나기 어려운 와이어이거나, 또는 와이어에 난 "감은 자국"이나 "자국"이 잘 없어지면, 적절한 캐스트 직경을 확보할 수 있고, 송급성이 양호하고 안정된 아크를 실현할 수 있을 것이라는 착상 하에서 검토했다. 그리고, 본 발명자들은 이러한 와이어를 실현하기 위해서는 바람직하게는 코일 형상으로 감겨진 용접용의 알루미늄 합금 와이어의 코일 안쪽 표면에서의 잔류 응력이 인장 응력임을 밝혔다. 이를 도면을 사용하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어의 모식도를 나타내며, 상기 도 4와 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙였다. 도 5에 도시한 바와 같이, 용접 와이어의 코일 안쪽(21) 표면에 잔류하고 있는 응력이 인장 방향(24)이면, 코일 형상으로 감겨져 있는 와이어를 송급 장치에 보낼 때, 와이어 자체에 감은 자국을 없애려고 하는 힘이 작용하므로, 감은 자국을 없애기 위해서 와이어에 가하는 힘이 작아도 좋다. 또한, 와이어 자체에 자국을 없애고자 하는 작용이 있으므로, 와이어가 튜브 속 등을 통과하여 자국이 나더라도 쉽게 제거할 수 있다. 따라서, 감은 자국이나 자국이 쉽게 없어지므로 와이어의 송급성을 향상시킬 수 있어, 안정된 아크를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 와이어의 "표면"이란 와이어의 최표면에서 깊이 1OOμm까지의 영역이다.

본 발명에서는 와이어를 코일 권선으로 했을 때 코일 안쪽 표면에서의 잔류 응력이 인장 응력이면, 그 크기는 특별히 한정되지 않지만, 와이어의 송급성을 향상시키는 측면에서, 바람직하게는 5 MPa 이상, 보다 바람직하게는 10 MPa 이상이 바람직하다. 단, 상기 인장 응력이 너무 크면, 와이어를 코일 형상으로 감기 어려워지므로, 바람직하게는 그 상한은 약 300 MPa이다.

한편, 코일 형상으로 와이어를 감으면 일반적으로 와이어의 코일 외측 표면에서의 잔류 응력이 인장 방향의 응력이 되지만, 이러한 와이어의 감은 자국을 없앨 때에는 코일 외측 표면에서의 잔류 응력 정도의 힘이 적어도 필요하다. 따라서, 코일 형상으로 와이어를 감았을 때 코일 외측 표면에서의 잔류 응력을 가능한 한 감소시키면, 와이어에 난 자국을 쉽게 제거할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에서는 상기 코일 권선의 코일 외측 표면에서의 인장 응력은 바람직하게는 300 MPa 이하, 보다 바람직하게는 290 MPa 이하이다. 한편, 그 하한이 특별히 한정되지 않지만, 코일 외측 표면에서의 인장 응력이 극단적으로 너무 낮으면, 코일 안쪽 표면에 잔류하는 인장 응력을 제어하기 곤란하므로, 와이어의 코일 외측 표면에서의 잔류 응력의 하한치는 0 MPa가 아니라, 바람직하게는 5 MPa, 보다 바람직하게는 10 MPa이다.

종래의 알루미늄 합금 용접 와이어의 제조에서, 일반적으로 스풀에 감은 와이어를 개방했을 때 와이어가 너무 넓어지지 않게 하기 위해, 또는 와이어를 용이하게 취급하기 위해, 와이어 드로잉가공으로 수득된 와이어에 미리 강한 감은 자국을 낸 후 스풀에 감는다. 와이어에 미리 강한 감은 자국을 내는 방법에는, 예컨대 스풀에 와이어를 감을 때 와이어를 자연스럽게 개방했을 때 형성되는 루프의 직경이 스풀의 직경보다도 작아지도록 교정 롤을 사용하여 와이어에 자국을 낸 다음 스풀에 감는 방법, 또는 스풀에 와이어를 감을 때의 장력을 크게 하는 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 종래의 방법에서는 도 4에 도시한 바와 같은 코일 권선의 코일 안쪽 표면에서의 잔류 응력이 압축 응력이 되었다.

한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어의 캐스트 직경은 250 내지 550 mm이며, 또한 코일 권선의 코일 안쪽 표면에서의 잔류 응력이 인장 응력이 되도록 제조할 필요가 있다. 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 하기에 나타내는 방법과 상술한 캐스트 직경을 제어하는 방법을 조합하는 것을 들 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 다이스 와이어 드로잉하여 제조할 때에는 와이어 드로잉가공에서의 압하율(감면율)을 제어하면 좋다. 구체적으로는 최종 와이어 드로잉 패스의 감면율을 10 내지 15% 정도로, 종래의 다이스와이어 드로잉 제조에서의 최종 와이어 드로잉 패스의 감면율보다 약간 낮추는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어를 다이스와이어 드로잉으로 제조할 때 감면율 또는 다이스의 각도를 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로 최종 와이어 드로잉 패스 감면율을 5 내지 15% 정도로, 종래의 다이스와이어 드로잉에서의 최종 와이어 드로잉 패스 감면율 보다 약간 낮추면서 동시에, 다이스의 각도를 약 10 내지 20 °의 저각으로 설정하는 것이 바람직하다.

와이어 드로잉 가공으로 수득된 와이어를 스풀에 감기 전에, 교정 롤을 사용하여 와이어에 미리 자국을 낸다. 여기에서도, 도 2에 나타내는 공정에 의해 와이어에 자국을 낸다. 여기에서, 롤 압입량(16)을 제어함으로써, 바람직한 캐스트 직경 및 잔류 응력을 얻을 수 있도록 한다. 구체적으로는 롤 압입량(16)을 1.5mm 이상, 종래의 교정 롤에서의 롤 압입량(종래에는 1 mm 이하 정도)보다 약간 크게 하는 것이 바람직하다.

와이어 표면의 잔류 응력 측정 방법에는 예컨대, X선 회절 장치를 사용하는 방법이 포함될 수 있다. 측정 원리는 예컨대 "X선 응력 측정법"(1981, 일본재료학회편, 요켄도우) 또는 "X선 응력 측정법 기준"(1982, 일본재료학회 X선 재료강도부문 위원회) 등에 기재되어 있다. 구체적인 측정 조건은 하기 실시예에 상세히 설명한다.

본 발명의 알루미늄 합금 용접 와이어의 지름은 특별히 한정되지 않지만, 보통 와이어 지름이 φ0.8 내지 3 mm 정도인 것을 코일 권선하는 것이 바람직하다.

본 발명의 와이어의 성분 조성이 Mg를 함유하는 예컨대 5000계이면, 상기 불가피한 불순물로서 Si를 함유할 수 있지만, Si 함유량이 1%를 초과하면 용접후의 이음부에 Mg-Si계 화합물 등이 생성되어, 이음부의 강도 저하 원인이 된다. 따라서, Si의 함유량을 바람직하게는 1% 이하(0%를 포함), 보다 바람직하게는 0.9% 이하(0%를 포함)로 억제하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어에 상술한 원소에 더하여, 필요에 따라, Cu, 또는 Zn, Ti, Sn, Ni, B 등의 각 원소를 와이어에 함유시키면 용접 후 이음부 강도를 더욱 높일 수 있다. 이 때 각 원소의 함유량의 상한은 각각 0.1%이며, 2종 이상의 원소를 함유하는 경우에는 총량이 0.2% 이하인 것이 권장된다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어를 소모전극식 가스 실드 아크 용접법(예컨대, MAG 용접법이나 MIG 용접법 등)에 사용하는 것이 바람직하며, 특히 MIG 용접법에 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어는 다양한 알루미늄제 부재를 용접할 때에 사용할 수 있다. 알루미늄제 부재의 재질로서는 3000계(Al-Mn-Mg계), 5000계(Al-Mg계) 및 6000계(Al-Mg-Si계) 등 공지된 것을 예시할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니고, 적절한 설계 변경은 모두 본 발명의 기술 범위에 포함된다.

실시예 1

표 1에 개시된 성분 조성을 갖는 알루미늄 합금 용접 와이어를 제조하여 와이어의 송급성에 대해서 평가하였다.

No.1 내지 5에서는 알루미늄 합금의 주괴(φ8 mm×600 cm)를 다이스 와이어 드로잉으로 가공하고, φ1.2 mm의 알루미늄 합금 와이어를 제조했다.

No.6 내지 13에서는 알루미늄 합금의 주괴(φ8 mm×600 cm)를 가공하여 φ1.66 mm의 원선으로 만든 후, 표 2에 개시된 조건으로 어닐링한 뒤, 표면을 깎아(표 2에서는 "SV"로 나타냄) φ1.2 mm의 알루미늄 합금 와이어를 제조하였다. 표 2에 어닐링 조건으로서 어닐링 온도(℃) 및 어닐링 시간(h)을 각각 나타낸다.

수득된 알루미늄 합금 와이어를 도 2에 나타낸 바와 같이 스풀에 감았다. 도면에서, (11)은 상기 방법으로 얻어진 알루미늄 합금 용접 와이어, (12)는φ90 mm의 롤러, (13)은 φ120 mm의 롤러, (14)는 φ80 mm의 롤러, (15)는 φ250 mm의 스풀을 각각 나타내고 있다. 또한, 도면 중의 화살표(16)는 롤의 압입량을 나타내고 있고, 스풀(15)에 병기한 화살표는 스풀의 회전 방향을 나타내고 있다. 롤러(12) 내지 (14)의 압입량을 각각 조정함으로써 스풀에 감겨진 알루미늄 합금 와이어를 스풀로부터 개방했을 때의 캐스트 직경을 변화시켰다.

알루미늄 합금 와이어를 X선 회절 및 ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석을 이용하여 성분 분석했다.

JIS Z2241에 근거하여 와이어의 내력을 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

스풀에 감겨진 알루미늄 합금 와이어를 스풀로부터 개방했을 때 형성된 루프의 루프 직경을 캐스트 직경으로 하여 캐스트 직경을 직자로 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

하기에 나타내는 용접 장치로 표 1에 나타낸 와이어를 용접했다. 하기의 용접 조건으로 두께 15 mm의 알루미늄 판(JIS Z3232 A5356 조성)을 비드 온 용접하였다. 또한, 상기 도 1에 나타내는 가이드 롤러(4)에 의한 가압을 실시하지 않았고, 송급 롤러의 가압 핸들의 설정값을 메모리(2)로 하고 있다.

<용접 장치>

전원: CPDWP350

송급 장치:"CMWH147"(상품명: 다이헨사 제조)

토치:"WTCA2501"(상품명: 다이헨사 제조)

콘딧 튜브:"플래라이너 U2962M06"(상품명: 다이헨사 제조), 3 m

통전 칩:"TIPO23010"(상품명: 토킨 아크사 제조)의φ1.2 mm CO₂ 칩

<용접조건>

조건: 220 A, 25 V

와이어 이송 속도(대차 속도): 50 cm/min

용접 시간: 최대 2분

경로: 전체 길이 3m의 콘딧 튜브의 중간에 φ170 mm의 루프를 하나 만들고, 동시에 토치를 곡률반경 100 mm로 구부리고 있다(상기 도 1 참조).

실드 가스: Ar 가스, 유량 25 L/min.

상기 조건으로 용접을 하지 않고 와이어만을 송급했을 때 칩부에 도달했을 때 알루미늄 합금 용접 와이어가 형성하는 루프의 루프 직경을 직자로 측정하였다. 측정 결과를 통전칩 출구에서의 루프 직경으로서 표 2에 나타낸다. 또한, 와이어의 송급 경로 중간에 콘딧 튜브를 구부려서 φ170 mm의 루프를 만들어서 와이어의 송급을 곤란하게 한다(상기 도 1 참조). 이 때, 콘딧 튜브의 선단에 마련된 통전 칩 출구에 있어서의 루프 직경이 400 mm 이상이면, 칩부에서의 와이어와 통전 칩과의 사이의 마찰저항이 적어 안정된 아크 용접이 가능해짐을 확인하였다.

우선, 표 1에 나타낸 와이어의 송급 여부에 대해서 조사하였다. 송급 여부는 칩부에 통전을 실시하지 않고, 용접을 하지 않은 상태에서 조사하였다. 평가 기준은 하기와 같으며, 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 와이어의 송급 속도의 변화는 고려하지 않았다.

<송급 여부>

○: 와이어가 칩부로부터 배출된다.

×: 와이어가 도중에서 멈추어 칩부로부터 배출되지 않는다.

와이어의 융착성은 상기 조건으로 용접을 실시했을 때의 칩부에 있어서의 융착의 유무로 평가하였다. 평가 기준은 하기와 같으며, 결과를 표 2에 나타내었다.

<융착성>

○: 와이어가 통전 칩에 융착되지 않은 것

×: 와이어가 통전 칩에 융착한 것

와이어의 송급 여부 및 칩 융착성으로 와이어의 송급성을 평가하였다. 평가 기준은 다음과 같으며, 결과를 표 2에 나타내었다.

<송급성>

○: 와이어의 송급 속도가 일정하여 안정된 아크 용접을 유지할 수 있다.

×: 와이어의 송급 속도가 불안정하여, 칩에서 와이어 융착이 발생했다.

표 2에 나타낸 와이어를 스풀로부터 개방했을 때의 캐스트 직경 X(mm)와, 와이어의 내력 Y(N/mm²)와의 관계를 도 3에 플롯팅한다. 도면에서, ●는 본 발명의 예, ×는 비교예를 각각 나타내고 있고, 점선은 Y=(X+1100)/3의 직선이다. 표 2 및 도 3으로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다.

No.1 내지 5는 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 비교예이다. 와이어의 내력과 캐스트 직경의 균형이 나빠서, 본 발명에서 규정하는 상기 식(3)의 관계를 만족시키지 못하므로, 와이어가 통전칩 출구에게 도달했을 때의 루프 직경이 400 mm 미만이 되어, 와이어와 통전 칩간의 마찰 저항이 커진다. 따라서, 와이어를 칩부까지 송급할 수 있긴 하지만, 송급 속도가 불안정해져서, 용접을 실시하면 마찰저항이 원인이 되어 칩부에 와이어가 융착되었다. 따라서, 와이어의 송급성을 향상시킬 수 없어, 안정된 아크를 실현할 수 없다.

No.6 내지 10은 본 발명의 요건을 만족하는 본 발명의 예이다. 와이어를 칩부까지 일정한 속도로 보낼 수 있고, 또한 통전 칩 출구에서의 루프 직경이 400 mm 이상이기 때문에, 칩부와 와이어 사이의 마찰 저항이 작다. 따라서, 용접시 와이어의 융착이 발생하지 않아 안정된 아크를 확보할 수 있다.

No.11 내지 14는 본 발명에 관한 어느 하나의 요건을 만족시키지 않는 비교예이다.

No.11에서는 스풀로부터 와이어를 개방했을 때의 캐스트 직경이 본 발명의 범위에서 벗어나므로, 스풀에 감겨 있는 와이어가 발산한다(넓어진다). 따라서, 와이어를 칩부까지 송급할 수 없다.

No.12에서는 Mg 함유량 및 와이어 내력이 본 발명의 범위에서 벗어나 있다. 따라서, 와이어의 송급 경로가 복잡하게 구부려져 있으면, 칩과 와이어 사이의 마찰저항이 커져서 와이어의 송급성이 나빠졌다.

No.13에서는 캐스트 직경이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나 있고, 캐스트 직경이 너무 작아서 와이어를 정렬되게 감을 수 없었다. 따라서, 와이어의 송급이 불균일해지고, 나아가 송급 불능이 되었다.

No.14에서는 Mg 함유량과 와이어의 내력이 본 발명의 범위에서 벗어나 있다. 따라서, 콘딧 튜브내에서 좌굴이 발생하여 와이어를 송급할 수 없었다.

도 3으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 관한 알루미늄 합금 용접 와이어가 수학식 1 내지 3을 만족시키고 있기 때문에 송급성이 우수하다.

실시예 2

표 3에 나타내는 성분을 함유하는 알루미늄 합금의 주괴(φ150 mm×4000 mm)를 균질화 처리한 뒤, 열간 압연하여 φ5 내지 20 mm 정도의 알루미늄 선재를 얻었다. 이 선재를 냉간 와이어 드로잉한 후, 껍질을 벗겨서 φ3 내지 7 mm 정도의 와이어 원선으로 만들었다. 원선에 중간 어닐링을 실시한 것을 롤 압연 와이어 드로잉으로 φ1.2 mm로 하고, 권취 직경이 φ400 mm 정도가 되도록 스풀에 감은 것을 공시재(알루미늄 합금 용접 와이어)로 하였다. 표 3에 각각 균질화 처리의 균열 조건 "온도(℃) 및 시간(h)", 열간 압연 개시 온도(℃), 중간 어닐링 조건인 "온도(℃)및 시간(h)"를 각각 나타내었다.

단, No.7의 공시재는 알루미늄 합금의 주괴를 냉간 압연한 것을 와이어 원선으로 만들어 상기와 같은 가공을 실시하였다.

공시재(No.1 내지 8) 중의 Fe, Cr 및 Mn의 고용량은 공시재를 열페놀로 잔사 추출한 것을 ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석하여 산출하였다. 이 때, 잔사를 거르는 필터로 메쉬 사이즈가 0.2 μm인 것을 사용하였다. 표 4에 와이어 중의 Fe, Cr 및 Mn의 각 고용량과 이들 고용량의 총합을 나타내었다.

JIS Z2241에 근거하여 공시재의 인장시험을 실시하였다. 시험 조건은 다음과 같다.

시험온도: 실온,

표점간 거리(GL): 50 mm,

크로스헤드 속도: 1 mm/min(일정),

N수: 5개의 평균치.

표 3에 인장 특성으로서 내력(N/mm²), 강도(N/mm²), 신율(%)을 각각 나타낸다.

하기에 나타내는 용접 장치를 사용하여 용접할 때 공시재 와이어의 송급성, 송급 저항, 아크 안정성, 안정 아크 계속 시간, 용접 후 이음 강도를 조사하였다. 결과를 표 5에 나타낸다.

<용접장치>

실시예 1과 동일.

<용접조건>

실시예 1과 동일.

<송급성>

용접중에 상기 도 1의 송급 장치로부터 와이어가 송출될 때의 저항을 측정함으로써, 송급성을 평가하였다. 이 때의 평가기준은 다음과 같다:

○:저항이 작아 양호

△: 때때로 저항치가 변동

×:저항이 크게 불량

<아크 안정성>

용접중의 용접 전류 및 아크 전압의 변동으로 아크 안정성을 평가하였다. 이 때의 평가는 다음과 같다:

○:좋음

△: 때때로 변동

×:나쁨

<안정 아크 계속시간>

아크 용접을 최대 2분간 실시하여 칩의 융착 유무를 관찰하였다. 용접 후 이음 강도를 다음과 같이 측정하였다.

<이음 강도>

판두께: 8 mm, 갭: 4 mm, 개선 각도: 90 ℃에서 받침쇠를 붙이고, 개선을 횡 방향으로 하여 2층 펄스 용접을 실시하였다. 이 이음부의 강도를 JIS Z3121의 방법에 따라 측정했다.

하기 조건으로 용접한 후, 콘딧 튜브내에 퇴적된 알루미늄 합금분의 양을 측정하였다.

<알루미늄 합금분량>

용접조건: 170 A, 22 내지 23 V, 이송 속도: 50 cm/min에서 용접한 뒤, 콘딧 내에 퇴적한 알루미늄 합금분을 용제로 흘리면서 여과지에 채취하여 알루미늄 합금분의 발생량을 비교하였다. 단, 공시재에 의해 용접시간이 다르기 때문에, 5분 동안에 발생한 알루미늄 합금분량으로 환산한 값을 표 5에 나타내었다.

표 3 내지 표 5로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. No.1 내지 6에서는 와이어중의 원소(Fe, Cr 및 Mn)의 총 고용량 및 각 원소의 고용량이 본 발명에서 규정하는 범위에 있기 때문에 인장 특성의 내력이 작다. 따라서, 와이어에 나 있는 자국을 제거하기 쉬워 송급 저항이 작다. 이 때 송급 저항의 변동폭이 작기 때문에, 안정한 아크를 계속 실현할 수 있다(칩융착은 없었다). 또한, 와이어는 Fe, Cr 및 Mn을 함유하고 있기 때문에, 용접 후 이음부의 강도도 충분히 확보하고 있다.

한편, No.7 및 No.8은 본 발명에서 규정하는 적어도 어느 하나의 요건을 만족시키지 못하는 비교예이다. No.7에서는 와이어의 내력이 커져 와이어가 변형되기 어렵다. 따라서, 와이어 송급성이 나빠, 송급 저항의 변동폭이 커져 아크가 불안정해지고, 최종적으로는 칩부에서 융착이 발생한다. 또한, 이 와이어는 Fe, Cr 및 Mn을 함유하고 있지만, 안정한 용접을 할 수 없으므로 용접 후 이음 강도도 약간 저하되었다.

No.8에서는 Fe, Cr 및 Mn의 각 고용량은 본 발명에서 규정하는 범위를 만족시키지만, 이들 고용량의 총합이 본 발명에서 규정하는 범위에서 벗어나 있다. 따라서, 와이어의 내력이 약간 커져 송급성이 나빠지므로, 용접 중 칩부에서 와이어가 융착되었다. 따라서, 안정된 용접을 할 수 없었으므로, 용접 후 이음 강도가 감소되었다.

실시예 3

JIS Z3232의 A 5356에 나타나 있는 성분 조성[Mg:5.1%, Mn: 0.06 %, Cr: 0.06 %, Si: 0.09%, Fe: 0.16 %, Ti: 0.06 %, B: 0.005%]을 갖는 알루미늄 합금의 주괴(φ150 x 4000 mm)를 균질화 처리(54O ℃, 4시간)하고, 이를 490 ℃에서 열간 압연하여 φ5 내지 20 mm 정도의 선재를 만들었다. 이 선재를 냉간 와이어 드로잉한 후, 와이어 표면의 껍질을 벗겨서 φ3 내지 7 mm 정도의 와이어 원선을 만들고, 이 원선을 롤 와이어 드로잉 또는 다이스와이어 드로잉으로 φ1.2 mm의 선재에 가공하였다.

롤 와이어 드로잉에서는 최종 와이어 드로잉 패스에 있어서의 감면율, 스풀에 와이어를 감기 전의 롤 압입량(상기 도 2 참조) 및 권취의 설정을 적절히 변경함으로써, 와이어 표면에서의 잔류 응력을 제어하였다.

다이스 와이어 드로잉에서는 최종 와이어 드로잉 패스에 있어서의 감면율, 다이스 각도, 스풀에 와이어를 감기 전의 롤 압입량(상기 도 2 참조) 및 권취 설정을 적절히 변경함으로써 와이어 표면에 있어서의 잔류 응력을 제어하였다.

롤 와이어 드로잉 또는 다이스 와이어 드로잉에 의해 얻어진 선재를 스풀 직경이 다른 하기 A 내지 C중 어느 하나에 감았다. 이것을 공시재(알루미늄 합금 용접 와이어)라 한다.

<권취 설정>

A: 강함(스풀 직경:φ 250 mm)

B: 중간 정도(스풀 직경: φ300 mm)

C: 약함(스풀 직경: φ350 mm)

표 6에 와이어 드로잉 방법, 최종 와이어 드로잉 패스에서의 감면율(%), 다이스각도(°), 권취 설정, 롤 압입량을 각각 나타내었다. 또한, 하기 장치를 사용하여 공시재(와이어) 표면의 잔류 응력을 측정한다. 측정 위치는 상기 도 5에 나타낸 공시재의 코일 안쪽(15)과 코일 외측(16)의 최표면에서 각각 실시하여, 측정 결과를 표 7에 나타낸다. 또한, 인장 방향의 잔류 응력(인장 응력)을 "＋"로, 압축 방향의 잔류 응력(압축 응력)을 "－"로 나타내었다.

<잔류응력의 측정>

[측정 장치]

"PSPC 미소부 X선 응력 측정 장치"(상품명: 리가쿠덴키 주식회사 제조)

[측정조건]

특성 X선: Cr-kα

필터: V

X선 빔 지름: φ0.5 mm

관 전압: 40 kV

관 전류: 30 mA

회절면: Al(311)

회절각: 139.3도

측정 방법: 경사법

측정 방향: 축방향

응력정수: -165.78 MPa/deg

조사시간: 200초간

측정 부위: 와이어의 코일안쪽과 코일외측에서의 최표면

ψ각: 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 45°

또한, 실시예 1과 동일하게 캐스트 직경을 측정하였다.

표 6에 나타낸 공시재를 하기에 나타내는 용접장치로 용접했을 때의 송급성, 송급 저항, 아크 안정성 및 안정아크 계속시간을 각각 조사하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

<용접 장치>

실시예 1과 동일.

<용접조건>

실시예 1과 동일.

<송급성>

용접중에 상기 도 1의 송급 장치로부터 와이어가 송출될 때의 저항을 측정함으로써, 송급성을 평가하였다. 이 때의 평가기준은 다음과 같다:

◎: 송급 저항값이 80 N 이하에서 송급 저항치의 변동도 작음

○: 송급 저항치가 작아 양호함

△: 때때로 송급 저항치가 변동함

×: 저항치가 커서 불량

<아크 안정성>

용접중의 용접 전류 및 아크 전압의 변동으로 아크 안정성을 평가하였다. 이 때의 평가는 다음과 같다:

◎: 용접전류 및 아크 전압의 변동이 작아 용접부의 비드 형상도 양호

○: 용접전류 및 아크 전압의 변동이 작음

△: 때때로 변동함

×: 나쁨

<안정아크 계속시간>

최대 2분간 아크 용접하여 칩의 융착 유무를 관찰하였다.

하기 조건으로 용접한 후에, 콘딧내에 퇴적한 알루미늄 합금분의 양을 측정하였다.

<알루미늄 합금분량>

실시예 2와 동일하고, 결과는 표 7에 나타낸다.

표 7로부터 분명한 바와 같이, 공시재 No.1 내지 7은 본 발명의 잔류 응력의 요건을 만족시키고 있기 때문에, 와이어의 송급성이 양호하다. 따라서, 안정된 아크를 얻을 수 있다.

또한, 와이어가 튜브내를 통과할 때에, 와이어와 튜브 사이에 발생하는 마찰력이 작기 때문에, 와이어가 깎이는 일은 없고, 튜브 내에 발생하는 알루미늄 합금의 양이 적다.

특히, 공시재 No. 1, 3, 4는 와이어 표면의 잔류 응력의 코일 안쪽과 코일 외측의 밸런스가 좋기 때문에, 와이어의 송급성이나 아크 안정성이 매우 우수하다.

한편, 공시재 No.8와 No.9는 본 발명의 요건을 만족시키지 못하는 비교예로써, 와이어의 송급성이 나쁘다. 따라서, 아크 안정성도 떨어진다.

본 발명에 따르면, 송급성이 향상되고 아크 용접이 안정된 알루미늄 합금 용접 와이어를 수득할 수 있다.

도 1은 소모전극(消耗電極)식 가스실드 아크 용접 장치의 한 예를 설명하는 도면이다.

도 2는 와이어 드로잉가공한 와이어를 스풀에 감을 때의 공정도이다.

도 3은 와이어를 스풀로부터 개방했을 때의 캐스트 직경과, 와이어의 내력과의 관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 종래의 감긴 자국이 난 알루미늄 합금 용접 와이어를 나타내는 모식도이다.

도 5는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 용접 와이어를 나타내는 모식도이다.

Claims (14)

1. 합금 원소로서 1.5 내지 6 질량%의 Mg 및 잔량의 Al과 불가피적 불순물을 함유하고, 하기 수학식 1 내지 3을 만족시키는 알루미늄 합금 용접 와이어:

   수학식 1

   수학식 2

   수학식 3

   상기 식에서,

   X는 캐스트 직경이고,

   Y는 와이어의 내력이다.
2. 제 1 항에 있어서,

   0.01 내지 1.2 질량%의 Mn을 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
3. 제 1 항에 있어서,

   0 질량% 초과 1 질량% 이하의 Fe를 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
4. 제 1 항에 있어서,

   0.01 내지 0.5 질량%의 Cr을 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
5. 합금 원소로서 0.01 내지 0.5 질량%의 Cr, 0.01 내지 1.2 질량%의 Mn, 0 질량% 초과 1 질량% 이하의 Fe 및 잔량의 Al과 불가피적 불순물을 포함하고, Fe, Cr 및 Mn의 고용량의 총합이 0.160 질량% 이하(0 질량% 포함)이며, Fe의 고용량이 0.015 질량% 이하(0 질량% 포함), Cr의 고용량이 0.1 질량% 이하(0 질량% 포함)이며, 상기 와이어의 내력이 400 N/mm² 이상 내지 550 N/mm² 이하인 알루미늄 합금 용접 와이어.
6. 제 5 항에 있어서,

   Mn의 고용량이 0.15 질량% 이하(0 질량%를 포함)인 알루미늄 합금 용접 와이어.
7. 삭제
8. 제 5 항에 있어서,

   합금 원소로서 1.5 내지 6 질량%의 Mg를 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
9. 코일 형상으로 감겨져 있고, 캐스트 직경이 250 mm 이상 내지 550 mm 이하이며, 코일 안쪽 표면의 잔류 응력이 인장 응력인 알루미늄 합금 용접 와이어.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 와이어의 코일 외측 표면의 잔류 응력이 300 MPa 이하의 인장 응력인 알루미늄 합금 용접 와이어.
11. 제 9 항에 있어서,

    합금 원소로서 1.5 내지 6 질량%의 Mg를 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
12. 제 9 항에 있어서,

    0.01 내지 1.2 질량%의 Mn을 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
13. 제 9 항에 있어서,

    0 질량% 초과 1 질량% 이하의 Fe를 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.
14. 제 9 항에 있어서,

    0.01 내지 0.5 질량%의 Cr을 추가로 함유하는 알루미늄 합금 용접 와이어.