KR100532244B1 - 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어 - Google Patents

Abstract

금속분말을 플럭스의 주성분으로 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명은, 강재 외피내에 플럭스를 충전하여 구성된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 와이어에 대한 중량%로, C:0.01~0.045%, Si:0.5~1.5%, Mn:1.0~3.0%, S:0.001~0.025%, 철분 : 9.0 ~22.5%, Na,K,Li,Rb 및 Cs로 이루어진 그룹중 선택된 2종이상의 성분의 합: 0.01~0.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 철분내 산소 함량이 1.5%이하, Mn/(100×S)로 정의되는 값이 1~4로 제어됨을 특징으로 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

본 발명의 플럭스 충전 와이어는 아크 이행을 안정화시키며 표면 슬래그 발생을 저감시킬 뿐만 아니라 비드외관과 용접금속의 저온인성도 우수하다.

Description

용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어{Metal cored wire for welding}

본 발명은 금속분말을 플럭스의 주성분으로 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 철분, 아크안정제를 소정량 첨가하고 S의 함량을 적절히 제어하므로써 아크 이행을 안정화시키고 표면슬래그 발생을 조절하며 우수한 저온 인성을 얻을 수 있게 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

일반적으로 메탈계 플럭스 충전 와이어는 탄산가스, 아르곤, 헬륨등과 같은 시일드 가스(shield gas)를 사용하는 가스 시일드 아크용접에 사용되어 오고 있다. 이러한 가스 시일드 아크용접법에 있어서, 메탈계 플럭스 충전 와이어는 종래의 솔리드 와이어의 장점인 높은 용착효율과 타타니아계 플럭스 충전 와이어의 장점인 양호한 용접작업성을 함께 보유하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 메탈계 플럭스 충전 와이어가 솔리드 와이어를 대체하는 제품으로 점차 그 사용이 증가되고 있는 실정이다. 그러나, 메탈계 플럭스 충전 와이어를 상기 가스 시일드 아크용접법으로 용접할 경우, 금속분말의 편석과 소량의 아크 안정제로 인하여 아크 이행이 부드럽지 못하고 스파터(spatter)의 발생이 많으며, 아울러 표면에 산발적으로 발생하는 슬래그로 인해 그 외관이 지저분하며, 비드 표면의 슬래그 부재로 인해 용접중에 대기중 혹은 플럭스로부터 과다한 산소가 용접금속 중으로 유입되어 용접부의 인성이 저하되는 문제점을 안고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 기술의 예들로서는 일본 특개평 4-309493호와 특개평 3-294091호가 있다. 상기 일본 특개평 4-309493호에서는, 일정량의 Mn, Si 및 Ti량과, 불화물과 K과의 관계에서 특정비를 규정하므로써 용접작업성과 내결함성을 향상시킨 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제시하고 있다. 또한, 상기 일본 특개평 3-294091호에서는, Si,Mn등과 같은 탈산제와 Na,K등과 같은 아크 안정제, 그리고 불화물을 소정량 첨가하여 아크를 안정화시키고 스파터 발생량을 효과적으로 줄일 수 있는 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제시하고 있으나 이러한 기술은 탈산제 및 아크안정제를 소정량 사용하므로써 양호한 작업성능과 발생하는 스파터의 량을 저감시킴에는 효과적이나 표면에 산발적으로 발생하는 슬래그의 처리에는 문제가 있었다. 즉, 용접 표면부에 슬래그가 산발적으로 발생하므로 용접비드 표면이 청결하지 못하기 때문이다. 따라서, 추가적으로 슬래그 제거작업이 필요하므로 작업효율성이 떨어지며, 아울러 완벽하게 슬래그가 제거되지 않을 경우 다층용접시 용접금속내 슬래그의 혼입으로 그 기계적 성질이 치명적으로 열화될 수 있다는 문제가 있는 것이다.

상기의 문제를 해결하기 위한 또다른 종래 기술로는 본 발명자의 대한민국 특허출원(출원번호:1999-0062597)을 들수 있다. 상기 특허출원에서는 아크 이행을 안정화시키며 표면 슬래그 발생을 저감할뿐 아니라 건전한 용접부를 얻을 수 얻는 것을 특징으로 하고 있으나 -30도 이하의 온도범위에서 충격인성을 확보함에는 다소의 무리가 있었다.

더욱이, 실제 용접작업에서는 용접조건의 표준화가 정립되지 않아 충격인성이 우수한 용접재료를 선택함으로 AWS A5.29에 규정된 솔리드 와이어에 버금가는 충격치를 만족하는, 우수한 저온 충격인성을 갖는 아크 용접용 플럭스 충전 와이어의 개발이 요청되고 있는 것이 현실이다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 철분, 아크안정제 첨가량뿐만아니라 S의 함량을 적절히 제어하므로써 아크 이행을 안정화시킴과 아울러, 표면슬래그 발생을 조절하여 건전한 용접부 뿐만 아니라 우수한 저온 인성을 얻을 수 있게 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강재 외피내에 플럭스를 충전하여 구성된 플럭스 충전 와이어에 있어서,

상기 와이어에 대한 중량%로, C:0.01~0.045%, Si:0.5~1.5%, Mn:1.0~3.0%, S:0.001~0.025%, 철분 : 9.0 ~22.5%, Na,K,Li,Rb 및 Cs로 이루어진 그룹중 선택된 2종이상의 성분의 합: 0.01~0.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 철분내 산소 함량이 1.5%이하, Mn/(100×S)로 정의되는 값이 1~4로 제어됨을 특징으로 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 플럭스 충전와이어의 조성성분을 설명한다.

먼저, 탄소(C)는 강외피 및 플럭스에 기본적으로 함유되어있는 성분으로 본 발명에서 임의적인 첨가를 요하는 것은 아니다. 그러나 탄소는 용착금속의 기계적 성능에 영향을 미치는 성분이므로 일정범위내로 그 함량을 제한함이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 탄소의 량을 와이어에 대한 중량%로 0.01~0.045%로 제한한다. 왜냐하면, 그 함량이 0.01%미만이면 용접금속의 인성 및 인장특성이 열화되며, 0.045%를 초과하면 균열에 대한 감수성이 증가하여 고온균열발생이 용이하기 때문이다.

실리콘(Si)은 슬래그 형성제 및 탈산제로서 첨가되는데, 본 발명에서는 그 첨가량을 와이어에 대한 중량%로 0.5~1.5%로 제한한다. 왜냐하면, 만일 그 첨가량이 0.5%미만이면 용착금속내 탈산이 부족하여 표면결함을 야기할 수 있으며, 1.5%를 초과하면 아크 안정성이 저하되어 스파터가 증가하고, 표면에 부상되는 슬래그가 많아지기 때문이다.

망간(Mn)은 본 발명에서 중요한 첨가원소로서 용착금속내 산소량을 저감시키는 탈산제의 역할을 한다. 또한 망간은 탈황제로서 S와 반응하여 FeS보다 MnS를 먼저 형성하므로써 S편석에 의한 저융점 화합물(다시말하면, 고온균열을 야기하며 인성을 저하시키는 FeS)의 형성을 방지하는 역할을 한다. 따라서 본 발명에서는 그 첨가량을 와이어에 대한 중량%로 1.0~3.0%로 제한하는데, 이는 그 첨가량이 1.0%미만에서는 그 첨가에 따른 효과가 없으며, 또한 3.0%를 초과하면 아크 안정성 및 용융성이 감소하며 용접금속의 고온균열이 유발될 수 있기 때문이다.

황(S)은 본 발명에서 중요한 첨가원소중 하나로써 도 1에 나타난 바와같이 용탕의 흐름을 외부에서 내부로 변화시킨다. 이에따라 슬래그가 내부로 서로 모여들어 청결한 비드외관을 형성하도록 하며, 아울러 그 슬래그의 제거도 용이하게 하여 작업성을 향상시키는 역할을 한다.

또한, 황은 도 2에 나타난 바와같이 그 용입을 증대시키는 역할을 하는데, 일반적으로 용입의 폭(W)과 용입의 깊이(D)의 비(W/D)가 0.8이상일 경우 고온균열이 일어날 가능성이 크다.

상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 첨가되는 황의 첨가량을 와이어에 대한 중량%로 0.001~0.025%로 제한한다. 왜냐하면, 만일 그 첨가량이 0.001%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.025%를 초과하면 용접성이 감소되고 W/D비가 커져 고온균열이 야기될뿐만 아니라 저온인성도 열화되기 때문이다.

보다 바람직하게는, 본 발명에서는 상기 황의 첨가량을 망간의 첨가량에 대해 소정범위로 제한하는 것이다. 즉, 본 발명에서는 Mn/(100×S)으로 정의되는 값이 1~4의 범위로 제어되도록 황의 첨가량을 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 값이 1미만이면 망간의 첨가량에 비해 황의 첨가량이 너무 많아 FeS를 형성하여 고온균열이 유발되고 인성이 저하되며, 4를 초과하면 망간의 첨가량에 대하여 황의 첨가량이 너무 적어 황의 첨가에 따른 제반효과를 얻을 수 없기 때문이다.

철분(Fe)은 플럭스의 대부분을 차지하는 것으로써 함량에 따라 용접부의 건전성 및 용접속도를 좌우한다.

따라서, 본 발명에서는, 그 함량은 9.0 ~ 22.5%로 제한한다. 왜냐하면 그 함량이 9.0%이하에서는 용접작업성이 나빠지고, 스파터 발생이 많을 뿐만 아니라 용착량의 저하로 작업효율이 떨어지며, 22.5%를 초과할 경우 첨가되는 합금의 함량 부족으로 스파터 발생 과다와 강도 및 인성의 저하를 초래 할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는, 또한 상기 철분내에 존재하는 산소량을 1.5%이하로 제어함을 특징으로 한다. 이는 그 함유량이 1.5%를 초과하면 용접금속내 산소함량의 증가로 용접금속의 인성이 저하되고, 표면에 기공(blow hole)등과 같은 결함 발생이 용이하기 때문이다.

Na,K,Li,Rb,Cs는 본 발명에서 아크안정제로 첨가되며, 스파터의 발생량을 저감시키고 아크 이행성을 향상시킨다. 상세하게 설명하면, Na는 아크 안정성 및 집중성을 향상시키며, K는 아크 안정성을 향상시킬뿐만 아니라 아크 폭을 넓히고 아크의 세기를 향상시킨다. 그리고 Li는 아크 안정성과 취부력을 향상시키며, Rb와 Cs는 아크를 안정시키고 스프레이 아크(spray arc)성을 향상시킨다.

본 발명에서는 Na,K,Li,Rb,Cs로 이루어진 그룹중 선택된 2종이상의 성분의 합이 와이어에 대한 중량%로 0.01~0.25%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 합이 0.01%미만이면 아크 안정을 꾀할 수 없을 뿐만 아니라 스파터가 과다하게 발생하는 문제가 있으며, 0.25%를 초과하면 아크 증기압이 상승하여 아크불안을 초래하고 비드외관 상에 슬래그가 과다 발생하여 비드외관이 불균일해지기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

표 1에 나타난 조성으로 된 메탈계 플럭스가 충전된 와이어를 각각 마련하였다. 그리고, 이들 각 와이어를 이용하여 두께 12mm의 SM490A모재를 표 3에 나타난 용접조건으로 가스 시일드 아크용접법으로 용접하였다. 한편, 표 2는 본 발명에 적용된 철분의 구성성분(%)을 나타내고 있다.

		플럭스 충전 와이어 조성(중량%)
		C	Si	Mn	S	Mn/100xS	철분		아크 안정제
							종류	함량	Na	K	Li	Rb	Cs	합
발 명 예	1	0.03	0.8	1.5	0.015	1.0	A1	10	0.01		0.05		0.01	0.07
	2	0.02	0.5	1.3	0.008	1.6	A2	12		0.02			0.05	0.07
	3	0.02	1.0	1.3	0.004	3.3	A4	15			0.1		0.1	0.2
	4	0.03	1.2	1.9	0.018	1.1	A3	18		0.005		0.01		0.01
	5	0.03	1.1	2.0	0.010	2.0	A5	22	0.02	0.03				0.05
	6	0.02	0.9	2.8	0.007	4.0	A2	20			0.09		0.1	0.19
	7	0.02	0.8	2.3	0.020	1.2	A5	20	0.01		0.02			0.02
	8	0.03	0.8	2.2	0.009	2.4	A3	14	0.01		0.05	0.05		0.11
	9	0.03	0.9	1.8	0.005	3.6	A1	16		0.1			0.08	0.18
	10	0.03	1.2	1.1	0.009	1.2	A4	18			0.05	0.1		0.15
비 교 예	1	0.03	1.3	1.2	0.02	0.6	A7	12	0.1				0.1	0.2
	2	0.02	1.4	1.9	0.009	2.1	A3	8		0.08	0.05	0.01		0.14
	3	0.02	1.2	2.8	0.005	5.6	A1	20		0.15				0.15
	4	0.02	1.1	2.5	0.0004	27.8	A8	12	0.1		0.1			0.2
	5	0.02	1.1	1.5	0.02	0.8	A6	21	0.05	0.05	0.05		0.05	0.2
	6	0.03	0.8	1.3	0.03	0.4	A4	18		0.02	0.02	0.1		0.14
	7	0.02	0.9	1.4	0.025	0.6	A7	19	0.03		0.05		0.1	0.18
	8	0.03	0.8	2.9	0.003	9.7	A9	15	0.02			0.01		0.03
	9	0.01	0.9	1.8	0.007	2.6	A3	24		0.05			0.05	0.1
	10	0.03	0.7	1.1	0.02	0.6	A10	13			0.01			0.01
	11	0.02	0.8	2.0	0.01	2.0	A3	15	0.01	0.1		0.1	0.1	0.31

	철분의 구성성분(중량%)					비고
	C	P	S	O2	Fe
A1	0.015	0.002	0.008	0.4	잔부
A2	0.015	0.003	0.005	0.6	잔부
A3	0.013	0.005	0.01	0.3	잔부
A4	0.02	0.005	0.01	1.0	잔부
A5	0.009	0.003	0.009	1.2	잔부
A6	0.008	0.005	0.008	1.6	잔부
A7	0.013	0.003	0.009	1.8	잔부
A8	0.009	0.001	0.008	2.0	잔부
A9	0.008	0.002	0.007	2.5	잔부
A10	0.007	0.003	0.008	1.5	잔부

용접기법	용접자세	보호가스	가스유량	용접전류/전압/속도	용접장
Auto carriage	Horizontal-Fillet	Ar +20%CO2	20ℓ/min	270-280A/29-30V/35~40cpm	50cm

그 다음으로, 상기 각 와이어에 대한 용접시험으로 부터 작업성,내균열성, 스패터(spatter) 발생정도, 표면 슬래그 발생정도 및 충격인성을 평가하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 여기에서 스파터의 발생정도는 그 발생율이 5%이하인 경우를 우수(○), 9%이상인 경우를 불량(×)으로 평가하였다. 그리고 내균열저항성은 용입의 폭과 깊이의 비(D/W)로 측정하였으며, 그 비가 0.7미만이면 균열발생의 가능성이 없는 매우 우수(◎), 0.7~0.8인 경우는 균열발생가능성이 잠재하는 양호(○), 0.8초과인 경우는 균열발생의 우려가 큰 불량(×)으로 평가하였다. 그리고 슬래그 발생정도는 그 슬래그가 차지하는 표면적(%)과 비드 10cm당 슬래그 발생갯수 양자를 고려하여 평가하였다. 즉, 그 표면적이 30%이하이면 우수(○), 30~50%인 경우 보통(△), 50%이상인 경우를 불량(×)으로 평가하였으며, 그 발생갯수가 4이하이면 우수(○), 5~7인 경우를 보통(△), 그리고 7을 초과하는 경우를 불량(×)으로 평가하였다.

한편, 용접금속의 인성정도를 평가하기 위하여 -20℃와 -30℃에서 샤르피 충격시험을 행하였으며, 그 결과치가 80J이상이면 매우 우수(◎), 60~80J미만 이면 우수(○), 47~60J미만 이면 보통(△), 그리고 47J미만에서는 불량(Ⅹ)으로 평가하였다.

		내균열저항성	스파터 발생정도	표면 슬라그 발생		충격인성		종합평가
				비드 10cm당 발생갯수(개)	슬래그가 차지하는 표면적(%)	-20℃	-30℃
발 명 예	1	◎	O	O	O	◎	O	◎
	2	◎	O	O	O	◎	O	◎
	3	◎	O	O	O	◎	◎	◎
	4	◎	O	O	O	O	O	O
	5	O	O	O	O	O	O	O
	6	◎	O	O	O	O	O	O
	7	O	O	O	O	◎	O	O
	8	◎	O	O	O	◎	O	◎
	9	◎	O	O	O	◎	◎	◎
	10	◎	O	O	O	◎	◎	◎
비 교 예	1	O	O	△	△	△	X	△
	2	◎	X	△	O	O	△	△
	3	O	X	△	O	◎	O	△
	4	X	O	X	X	△	X	X
	5	O	O	△	O	X	X	△
	6	X	O	O	O	△	X	△
	7	O	O	△	O	△	△	△
	8	O	O	O	O	X	X	X
	9	O	X	O	O	O	△	△
	10	O	X	△	△	△	X	X
	11	◎	X	X	X	◎	O	X

*표면 슬래그의 측정위치 :비드 중앙부(20~30cm사이)

표 4에 나타난 바와같이, 산소함량이 제어된 철분을 적용하고, Mn과 S함량과 Mn/(100×S)로 정의되는 값을 1~4로 제어되고, 아크안정제를 최적으로 첨가한 발명예(1~10)의 경우에는 모두 우수한 평가치를 보임을 알 수 있다.

이와 반하여, S의 첨가량이 본 발명에 비해 과소하게 첨가된 비교예 4의 경우는 슬래그발생이 과다함을 알 수 있으며, 또한 S의 첨가량이 과다한 비교예 6의 경우에는 슬래그의 발생갯수를 줄일 수 있으나 용입의 깊이가 커져 내균열저항성이 열화되었고 인성이 저하됨을 알 수 있다.

또한, 철분내 산소함량이 높은 비교예(1,4-5,7-8,10)에서는 저온 인성이 열화되었으며, 철분의 함량이 본 발명예를 벗어난 비교예(2,9)에는 스파터가 과다히 발생하고 저온 인성이 저하됨을 알 수 있다.

한편, 아크 안정제로서 단지 K만을 이용한 비교예 3의 경우에는 많은 스파터 발생등 전반적인 평가치가 좋지 않았으며, 둘 이상의 아크 안정제를 사용하였으나 첨가량이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 11의 경우에도 전반적으로 그 평가치가 좋지 않았다.

상술한 바와같이, 본 발명은, 철분말과 아크안정제의 첨가량 뿐 만아니라 S의 함량을 적절히 제어하므로써 아크 이행을 안정화시키고 표면슬래그 발생을 조절하여

건전한 용접부 및 양호한 저온인성을 얻을 수 있게 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공함에 그 유용한 효과가 있다.

도 1은 S의 첨가가 용탕의 흐름을 변화시킴을 나타내는 모식도이며

도 2는 S의 첨가에 따라 용입형상이 달라짐을 나타내는 그림이다.

Claims (1)

1. 강재 외피내에 플럭스를 충전하여 구성된 플럭스 충전 와이어에 있어서,

   상기 와이어에 대한 중량%로, C:0.01~0.045%, Si:0.5~1.5%, Mn:1.0~3.0%, S:0.001~0.025%, 철분 : 9.0 ~22.5%, Na,K,Li,Rb 및 Cs로 이루어진 그룹중 선택된 2종이상의 성분의 합: 0.01~0.25%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 철분내 산소 함량이 1.5%이하, Mn/(100×S)로 정의되는 값이 1~4로 제어됨을 특징으로 하는 메탈계 플럭스 충전 와이어.