KR100513633B1 - 고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

Abstract

고속 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, TiO₂: 2.0∼5.0%, ZrO₂: 0.2∼0.8%, SiO₂: 0.5∼1.5%, Al₂O₃: 0.1∼1.0%, CaO: 0.01∼0.1%, MgO: 0.2∼1.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 1.0∼4.0%, Na+K: 0.1∼0.5%, NaF, Na₃AlF₆, K₂SiF₆ 중 선택된 1종이상의 금속불화물이 F환산치로: 0.05∼0.2%, 금속Ti: 0.1∼0.4%, 금속Mg: 0.1∼0.4%, 금속Al: 0.1∼0.3%, 잔부는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, (금속Ti+금속Mg+금속Al) / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성제 총량): 0.05∼0.20, 금속Ti/ (Ti산화물+Zr산화물): 0.03∼0.12로 제어되어 있는 고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

본 발명은 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 특히, 필렛(fillet)용접시 용입불량, 슬라그 혼입, 언더컷(under-cut) 등의 용접결함이 없이 각장 5mm이하의 소각장 비드를 얻을 수 있는 고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

Description

고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어{Metal cored wire for high speed welding}

본 발명은 조선 및 교량제작 분야에서 광범위하게 적용되는 필렛(Fillet)용접에 있어서 용입불량, 슬라그혼입, 언더컷등 용접결함 없이 각장 5mm이하의 소각장비드를 얻을 수 있는 고속용접용 메탈계 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.

근래에, 특히 조선등의 분야에서는 용접구조물의 변형 및 왜곡현상을 방지하고 제조원가를 절감할 목적으로 필렛용접시 소각장화가 확대되고 있다. 그러나 이러한 소각장 필렛용접을 위해서 고속용접시에 토치각도의 조정등 용접기법을 변화하는 것을 제외하고는 별다른 방법이 없음이 일반적인 실정이다.

한편, 대형의 다전극 용접장치에 의한 2전극용접법이 개발되어 있지만, 이방법은 대형 판넬부재의 필렛용접에만 한정되어 사용되고 있을뿐, 대부분의 대조립, 소조립 개소에는 소형의 캐리지(Carriage) 용접장치에 의한 1전극용접이 주류를 이루고 있는 것이 현실이다. 그러나 1전극 소각장 고속용접시에는 볼록비드형성, 용입불량, 슬라그혼입, 언더컷등의 용접불량이 발생하기 쉽고, 비드외관 및 슬라그 박리성의 열화 등과 같은 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 1전극 고속용접시 용접결함 없이 양호한 비드외관을 갖는 각장 5mm이하의 등각 소각장 비드를 형성할 수 있는 메탈계 플럭스 충전와이어를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 설명한다.

상술한 바와 같이, 소각장 비드를 형성하기 위한 고속용접을 행할 경우, 슬라그형성의 불균일, 포피불량에 따른 용접비드의 부등각화 및 볼록비드 형성과 같은 문제가 발생한다.

본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 금속Ti, 금속Mg, 금속Al등과 같은 강탈산제에 의해 금속산화물을 형성함으로써 고속으로 행해지는 소각장 용접시 적은 양의 슬라그로도 균일한 슬라그 포피성능, 우수한 슬라그 박리성 및 비드 퍼짐성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

특히, 슬라그 형성제중 Ti 및 Zr 산화물을 필수성분으로하는 슬라그형성제 총량에 대한 금속Ti, 금속Mg, 금속Al로 이루어지는 강탈산제와의 비를 적절히 조절하면 적은 슬라그로도 균일한 포피성 및 유동성을 향상시키며, 그중 금속Ti와 (Ti산화물+Zr산화물)의 비를 적정범위로 제어함으로써 고속용접시 비드 하단부로의 슬라그몰림에 따른 포피불량, 비드 퍼짐성 저하 등을 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다.

따라서 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, TiO₂: 2.0∼5.0%, ZrO₂: 0.2∼0.8%, SiO₂: 0.5∼1.5%, Al₂O₃: 0.1∼1.0%, CaO: 0.01∼0.1%, MgO: 0.2∼1.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 1.0∼4.0%, Na+K: 0.1∼0.5%, NaF, Na₃AlF₆, K₂SiF ₆ 중 선택된 1종이상의 금속불화물이 F환산치로: 0.05∼0.2%, 금속Ti: 0.1∼0.4%, 금속Mg: 0.1∼0.4%, 금속Al: 0.1∼0.3%, 잔부는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, (금속Ti+금속Mg+금속Al) / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성제 총량): 0.05∼0.20, 금속Ti/ (Ti산화물+Zr산화물): 0.03∼0.12로 제어되어 있는 고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명 와이어의 조성성분 및 그 제한사유를 설명한다.

본 발명에서 TiO₂는 슬라그형성제로써 필수 불가결한 성분으로서 아크안정성 및 슬라그포피성을 향상시키는데 우수한 특성을 나타낸다. 그러나 그 함량이 2.0%미만이면 아크안정성 및 슬라그포피성이 열화되며, 5.0%를 초과하면 슬라그 발생량이 많아져 메탈계 플럭스 충전 와이어의 특징인 고용착효율을 얻기가 어려울 뿐만 아니라 슬라그의 고융점화에 의해 용융금속보다 슬래그가 빨리 응고되어 무기아연 도포강판 용접에서의 내기공성이 저하될 수 있다.

따라서 이를 고려하여 본 발명에서는 그 함량을 2.0∼5.0%로 제한한다.

ZrO₂는 슬라그 형성제로써 비드등각성 및 슬라그포피성, 특히 슬라그가 얇고 균일하게 도포되도록 하는데 우수한 특성을 나타낸다.

본 발명에서는 이러한 ZrO₂ 함량을 0.2∼0.8%로 제한한다. 만일 그 함량이 0.2%미만이면 슬라그 포피성이 열화되고 하각장쪽으로 슬라그가 처져 비드등각성이 떨어진다. 그리고 0.8%를 초과하면 아크안정성이 열화되고 슬라그발생량이 많아지므로 메탈계 플럭스충전와이어의 특징인 고용착효율을 얻기가 어렵고, 아울러, 슬라그의 고융점화에 의해 용융금속보다 슬래그가 빨리 응고되어 무기아연 도포강판 용접에서의 내기공성이 저하될 수 있다.

SiO₂는 슬라그의 점성 및 유동성을 조정하여 용접비드외관을 향상시키는데 중요한 역할을 한다. 본 발명에서는 SiO₂ 함량을 0.5∼1.5%로 제한하는데, 이는 그함량이 0.5%미만에서는 그 효과를 나타내기 어려우며, 1.5%를 초과하면 슬라그의 유동이 너무 과다하여 슬라그가 하단부로 몰리게 되므로 포피성이 열화되고 등각비드형성에 지장을 초래하기 때문이다.

Al₂O₃는 SiO₂와의 병행첨가로 슬라그 포피성 향상 및 스파타발생을 저감시키며, 슬라그의 유동성을 향상시키는 역할을 하게 된다. 그러나 그 함량이 0.1%미만에서는 스파타발생이 많아지는등 그 효과가 미비하고, 1.0%를 초과하면 오히려 과도한 슬라그의 응집현상으로 인해 슬라그가 부분적으로 몰리는 현상이 생겨 포피성의 열화 및 슬라그박리성의 악화를 가져오게 되므로 와이어 중 함량을 0.1∼1.0%로 제어함이 바람직하다.

CaO는 미량첨가로 슬라그박리성 및 유동성, 포피성 향상 등의 효과를 가져온다. CaO는 강염기성 슬라그형성제로서 과다첨가하면 비드외관 및 슬라그 포피의 균일성을 해치게되므로 SiO₂, Al₂O₃ 등의 산성계열 슬라그형성제와 적절한 조성범위로 첨가되어야한다. 또한 적량첨가하면 슬라그가 견고해지고, 용착금속과 슬라그를 분리시키는 역할을 하게되어 슬라그박리성을 향상시키게 된다.

본발명에서는 이러한 CaO의 함량을 0.01∼0.1%로 제어한다.

MgO는 용접시 슬라그의 응고과정에서 용접비드 하단부에서 빠르게 응고가 진행되도록하여 용접금속이 처지는 현상(부등각장의 형성)을 막아주는 역할을 하는 성분으로서, 본 발명에서는 그 함량을 0.2∼1.0%로 제한한다. 만일 그 함량이 0.2%미만이면 용접비드 하단부측 슬라그의 빠른 응고가 이루어지지 못해 용접금속이 처지는 현상이 발생함으로써 비드등각성 저하 및 비이드선이 불균일하게 되고, 1.0%를 초과하면 오버랩(overlap)이 발생하거나 슬라그 유동성이 저하되며, 아울러, 무기아연 도포강판 용접시에 기공발생에 의한 용접결함을 유발시키기 때문이다.

Si와 Mn은 합금제 및 탈산제로서 용착금속의 기계적성질을 확보하고 내결함성을 확보하기 위하여 첨가된다.

본 발명에서는 이러한 Si 및 Mn의 함량을 각각 0.2∼2.0%, 1.0∼4.0%로 제한한다. 만일 상기 함량범위 미만이면 탈산부족 및 강도부족으로 인해 내결함성 및 기계적성질을 확보할 수 없고, 초과할 경우에는 과탈산에 의해 슬라그 포피성의 열화, 스파타발생의 증가등으로 용접작업성이 악화되며, 또한 과도한 강도상승 및 그에 따른 용접부의 균열발생의 문제가 발생하기 때문이다.

Na,K는 아크안정제로서 첨가된다. 통상적으로 Na₂O,K₂O등의 산화물형태로 첨가되며 용접시 아크를 집중시켜 아크 풀(Pool)을 안정화시켜주는 작용을 한다.

본 발명에서는 아크 안정성의 향상과 스파타발생 저감을 위해 Na, K 환산치로 그 합계가 0.1%이상 첨가되어야 첨가에 따른 효과를 나타낼 수 있다. 그러나 그 첨가량이 0.5%를 초과하면 슬라그 융점저하에 따른 용접비드의 불균일(비드처짐 등) 및 흄(fume) 발생량 증가 문제를 야기시킨다.

따라서 본발명에서는 Na+K함량을 0.1∼0.5%로 한정한다.

F는 아크 집중성을 향상시키고 적절한 용입을 확보할수 있을 뿐만 아니라 알칼리 금속불화물로 첨가되어 용착금속의 확산성수소량 저감 및 내기공성을 향상시키는 역할을 하는 성분으로, 만일 그 함량이 0.05%미만일 경우 아크집중성 저하 및 용착금속의 확산성수소량 증가로 결함발생을 초래하고, 0.2%를 초과하면 아크의 과도한 집중으로인해 아크가 불안정해지고 그에 따라 용접비드의 불균일 및 스파타발생의 문제를 야기시킨다

본 발명에서 F는 Na₃AlF₆, K₂SiF₆, NaF의 형태로 첨가되며 그 중 선택된 1종 이상이 F환산량으로 0.05∼0.2%로 첨가된다.

금속Ti, 금속Mg, 금속Al은 강탈산제로서, 특히 무기아연 도포강판에서의 내기공성을 향상시킬 뿐만 아니라 아크안정성 및 슬라그 박리성을 향상시키는 역할을 하는 성분으로서 그 첨가에 따른 효과를 기대하기 위해서는 각각 0.1%이상으로 첨가할 것이 요구된다. 그러나 강탈산제를 과도하게 첨가하면 비드가 처지는 문제가 야기되며 이것은 특히 이면비드에서 더욱 심하게 나타난다.

따라서 본 발명에서는 금속Ti를 0.1∼0.4%, 금속Mg를 0.1∼0.4%, 금속Al을 0.1∼0.3% 범위로 첨가한다.

또한 본발명에서는 (금속Ti+금속Mg+금속Al) / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성제총량)비를 0.050∼0.200로 제한한다.

만일 상기 비가 0.050미만이면 슬라그 형성제 양이 과다하여 메탈계 플럭스 충전와이어의 특성인 고용착효율을 상실하여 비드가 처지는 문제가 발생할 뿐만 아니라 상대적으로 강탈산제의 양이 적어 내결함성이 열악해지며, 0.200을 초과하면 강탈산제의 과잉공급으로 용융물의 교반작용이 심화되어 슬라그의 유동성을 떨어뜨리고 슬라그 포피성이 열악해지기 때문이다.

본 발명에서는 또한 금속Ti / (Ti산화물+Zr산화물)비를 0.030∼0.120로 제한한다. 산화물형성제 중 슬라그유동성 및 포피성이 가장 우수한 Ti산화물 및 Zr산화물과 강탈산제인 금속Ti성분을 적정비로 제어하면, 이들 성분이 슬라그화 하면서 용접시 비드표면에 최소한의 양으로 균일한 슬라그 포피를 가능하게 한다. 상기 비가 0.030미만에서는 슬라그량의 과다해지고 비드상단부 포피성이 부족해지며, 0.120을 초과하면 Ti의 과잉으로인한 용착금속으로의 이행 과다에 따라 강도가 과대해지고 연성저하 현상이 일어나며, 슬라그의 유동성을 떨어뜨리고 슬라그포피성이 열악해진다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

표 1과 같은 조성의 연강제 외피를 사용하여 표 2와 같이 그 조성을 달리하는 선경1.4mm의 메탈계 플럭스 충전와이어를 각각 제조하였으며, 이후, 도 2와 같은 시험편에 표 3의 용접조건으로 수평필렛용접을 실시하였다.

이와 같은 용접을 실시한 후, 아크안정성과 슬래그의 유동성 및 포피성을 육안으로 관찰하여 평가하였으며, 아울러, 각장 게이지(gauge)를 이용하여 도 1에 나타낸 바와 같이 용접비드 상각장 및 하각장을 측정하므로써 등각장형성 유무를 평가했다. 이때, 등각장형성 유무 판정은 3.5mm, 4.5mm각장 기준으로 상각장(W)/하각장(L)=1±0.05이내의 범위인 것을 합격으로 판정하였다.

또한 스파타발생량 측정은 표 4의 용접조건으로 비드-온-플레이트(Bead-on-plate) 용접을 행하여 비산하는 스파타를 포집하므로써 분(min)당 발생하는 스파타량을 측정하였다.

그리하여 상기의 측정결과들을 평가하여 표 5에 나타내었으며, 여기에서 ◎는 매우 양호, Ｏ는 양호, △는 보통, 그리고 ×는 그 평가치가 불량인 경우를 나타낸다.

구분	C	Si	Mn	P	S
성분함량(중량%)	0.03	0.002	0.20	0.010	0.008

구분	와이어 조성 (중량%)
	Si	Mn	금속Ti	금속Mg	금속Al	슬라그형성제						A*	B*	아크안정제
						TiO2	ZrO2	SiO2	Al2O3	CaO	MgO			Na+K	F
비교예1	0.95	2.7	0.31	0.39	0.28	5.7	1.39	0.65	0.16	0.18	0.33	0.117	0.044	0.17	0.07
비교예2	0.11	4.5	0.24	0.12	0.29	2.9	0.53	1.32	0.43	0.08	0.67	0.110	0.070	0.29	0.07
비교예3	1.24	3.2	0.38	0.36	0.28	3.0	0.38	0.54	0.41	0.04	0.51	0.209	0.112	0.61	0.34
비교예4	1.81	3.3	0.18	0.11	0.13	4.9	0.73	1.19	0.97	0.07	0.82	0.048	0.032	0.31	0.16
비교예5	1.13	2.9	0.37	0.20	0.15	2.2	0.41	0.78	0.37	0.05	0.41	0.171	0.142	0.33	0.08
비교예6	0.81	3.7	0.11	0.22	0.29	4.7	0.77	0.81	0.20	0.05	0.33	0.090	0.020	0.15	0.12
발명예1	0.75	3.3	0.35	0.22	0.18	3.7	0.34	0.54	0.66	0.05	0.51	0.129	0.087	0.37	0.14
발명예2	1.44	3.8	0.35	0.15	0.19	2.9	0.38	1.38	0.70	0.06	0.66	0.113	0.107	0.19	0.10
발명예3	1.60	2.7	0.17	0.37	0.26	4.1	0.76	0.55	0.14	0.03	0.21	0.138	0.035	0.33	0.07
발명예4	1.81	3.3	0.20	0.14	0.14	4.5	0.69	1.43	0.90	0.09	0.88	0.057	0.039	0.45	0.18
발명예5	1.04	1.4	0.35	0.12	0.11	2.9	0.25	1.48	0.98	0.07	0.95	0.087	0.111	0.13	0.17
발명예6	0.37	3.0	0.31	0.35	0.22	3.0	0.24	0.71	0.27	0.02	0.34	0.192	0.096	0.27	0.08

*표 2에서 A는 금속Ti+금속Mg+금속Al / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성 제총량)이며, B는 금속Ti / (Ti산화물+Zr산화물) 이다.

목표각장(mm)	용접조건
	전류(A)	전압(V)	용접속도(cm/min)	와이어 돌출길이(mm)	전극각도	와이어겨냥위치	보호가스
3.5	330	32	80	25	45°	코너부1mm	CO2 25ℓ/min
4.5	330	32	70	25	45°	코너부1mm	CO2 25ℓ/min

용접 모재	극 성	용접전류, 전압 및 속도	보호가스	가스유량	와이어돌출길이
SM490A	DC(+)	300A / 31V	CO2 100%	25 ℓ/min	20mm

구분		시험결과
		목표각장 3.5mm			목표각장 4.5mm			등각장형성판정(W/L=1±0.05)	아크안정성	스파타 발생량(g/min)	슬라그유동성	슬라그포피성	종합판정
		상각장(W)	하각장(L)	W/L	상각장(W)	하각장(L)	W/L
비교예1		3.4	3.7	0.92	4.3	4.7	0.91	×	△	2.8	Ｏ	△	×
비교예2		3.6	3.4	1.06	4.6	4.3	1.07	×	△	2.5	Ｏ	Ｏ	×
비교예3		3.9	3.5	1.11	4.9	4.3	1.14	×	◎	1.4	×	Ｏ	×
비교예4		3.2	3.5	0.91	4.4	4.7	0.94	×	Ｏ	2.2	Ｏ	△	×
비교예5		3.3	3.7	0.89	4.4	5.0	0.88	×	Ｏ	2.1	△	Ｏ	×
비교예6		3.2	3.5	0.91	4.1	4.6	0.89	×	△	3.0	Ｏ	×	×
발명예1		3.5	3.4	1.03	4.5	4.5	1.00	Ｏ	◎	1.4	Ｏ	Ｏ	Ｏ
발명예2		3.5	3.6	0.97	4.4	4.5	0.98	Ｏ	Ｏ	2.1	Ｏ	◎	Ｏ
발명예3		3.6	3.6	1.00	4.5	4.6	0.98	Ｏ	Ｏ	1.8	Ｏ	△	Ｏ
발명예4		3.4	3.5	0.97	4.4	4.4	1.00	Ｏ	◎	1.3	◎	△	Ｏ
발명예5		3.5	3.5	1.00	4.5	4.4	1.02	Ｏ	△	2.5	◎	◎	Ｏ
발명예6		3.6	3.7	0.97	4.7	4.6	1.02	Ｏ	Ｏ	1.9	△	Ｏ	Ｏ

표 5에 나타난 바와 같이, 그 조성성분 및 그 범위가 적절하게 제어된 본 발명예(1∼6)의 경우, 필렛 용접시에 모두 등각 소각장비드를 형성함은 물론 아크안정성과 용접작업성, 비드외관이 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, 비교예(1)은 슬라그형성제중 일부가 본 발명범위를 벗어나 등각장 비드를 형성하지 못하였으며, 비교예(2)는 탈산제중 일부가 본 발명범위를 벗어나 아크안정성이 양호하지 못하였고 등각장 비드를 형성하지 못하였다.

또한, 비교예(3~4)는 (금속Ti+금속Mg+금속Al) / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성제총량) 비가 본 발명 범위를 벗어난 경우로서, 슬라그의 유동성이나 포피성이 떨어지고 등각장비드를 형성하지 못하였다. 그리고 비교예(5~6)은 금속Ti / (Ti산화물+Zr산화물) 비가 본 발명범위를 벗어나 역시 등각장비드를 형성하지 못하였고 슬라그의 포피성이나 유동성도 좋지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고속용접시 용접결함이 없고 양호한 비드외관을 갖는 각장 5mm이하의 등각 소각장 비드를 형성할 수 있는 메탈계 플럭스 충전와이어를 제공함에 유용하다.

도 1은 필렛용접에 있어서 상각장과 하각장을 나타내는 도면

도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 필렛용접 시편을 나타내는 도면

Claims (1)

1. 와이어에 대한 중량%로, TiO₂: 2.0∼5.0%, ZrO₂: 0.2∼0.8%, SiO₂: 0.5∼1.5%, Al₂O₃: 0.1∼1.0%, CaO: 0.01∼0.1%, MgO: 0.2∼1.0%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 1.0∼4.0%, Na+K: 0.1∼0.5%, NaF, Na₃AlF₆, K₂SiF₆ 중 선택된 1종이상의 금속불화물이 F환산치로: 0.05∼0.2%, 금속Ti: 0.1∼0.4%, 금속Mg: 0.1∼0.4%, 금속Al: 0.1∼0.3%, 잔부는 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, (금속Ti+금속Mg+금속Al) / (Ti 및 Zr산화물을 포함하는 슬라그형성제 총량): 0.05∼0.20, 금속Ti/ (Ti산화물+Zr산화물): 0.03∼0.12로 제어되어 있는 고속용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어.