KR100569252B1

KR100569252B1 - 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR100569252B1
Application number: KR1020020001412A
Authority: KR
Inventors: 유광재; 김성국
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2006-04-10
Also published as: KR20030061058A

Abstract

오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어가 제공된다.

본 발명은, 스테인레스강제 외피에 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서, 중량%로, TiO₂:3.0∼7.0%, SiO₂: 0.5∼3.0%, ZrO₂: 0.1∼ 1.5%, Al ₂O₃: 0.1∼1.0%, Al분말: 0.3∼1.2%, 금속 불화물: 0.05∼0.5%, Bi₂O₃: 0.02∼0.15%, K₂O+Na₂O: 0.05∼0.5%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 0.5~3.0%, 잔여 금속성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, Al분말/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂)의 값이 0.05∼0.18을 만족하는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.

본 발명의 와이어는, 탄산가스(CO₂)나 Ar과 15∼25%CO₂ 혼합가스 중 어느 보호가스로 용접하여도 양호한 전자세 용접성 및 아크 안정성, 낮은 수준의 스패터 발생량을 얻을 수 있다.

보호가스, 스테인레스강, 전자세 용접성, 스패터

Description

오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어{Flux cored wire for welding austenitic stainless steel}

본 발명은 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 보호가스로서 탄산가스(CO₂)나 Ar과 15∼25%CO₂혼합가스 중 어느 것을 사용하더라도 양호한 전자세 용접성, 아크 안정성 및 낮은 수준의 스패터 발생량을 얻을 수 있는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.

플럭스 충전와이어의 용접에는 통상 보호가스로서 탄산 가스 또는 이의 혼합 가스가 이용되고 있다. 그 중, 탄산가스를 사용하여 용접할 경우에는 혼합가스에 비하여 용접시 스패터 발생이 많은 반면, 용입이 용이하고 가격이 저렴하기 때문에 산업 현장에서 많이 사용되어지고 있다. 그러나 이러한 탄산가스 사용으로 스패터가 발생이 많아지면, 스패터가 부착된 스테인레스강의 표면에서 부식이 발생하게 되어 내부식성이 현저히 열화되고, 이에 따라, 용접작업후 그라인딩이나 산세등의 방법으로 발생된 스패터를 제거해야 하는데, 이것은 상당한 비용과 노력이 요구된다.

또한, 보호가스로서 혼합가스를 사용하여 용접하는 경우에는 스패터 발생량은 적지만, 혼합가스로 사용되는 Ar가스의 가격이 탄산 가스에 비하여 상대적으로 비싸고 용접시에 용입이 충분하지 않다는 단점이 있다. 따라서 용접부의 고품질이 요구되는 특수한 경우에만 보호가스로서 혼합가스를 사용하는 것이 일반적이었다.

한편 스테인레스강의 용접시 전자세 작업성을 확보하기 위하여 ZrO₂, Al₂O₃, MgO등의 고융점 산화물을 사용하는 방법이 종래에 있었다. 이러한 고융점 산화물을 사용하면, 스테인레스강 용접시, 특히 입향 상진이나 오버헤드의 용접자세에서도 용융 슬래그의 빠른 응고때문에 양호한 작업성을 쉽게 얻을 수 있었다. 그러나 이러한 고융점 산화물의 양이 많아짐에 따라 아크 안정성이 저해되고 스패터 발생이 증가하는 문제가 있으며, 아울러, 전자세 용접작업성을 확보하기 위해서는 상당한 양의 고융점 산화물 사용이 필수적인데 이러한 산화물들을 적정량으로 제어하는 것 역시 쉽지 않다는 문제가 있었다.

특히, 혼합가스를 보호가스로 사용하는 경우에는 고융점 산화물을 용융시키는데 아크 에너지가 다량 소모되므로 모재로 유입되는 열량이 적어져 용입 불량과 같은 용접 결함을 야기하게 되는것을 피할 수 없었다.

그러므로 보호가스로서 탄산 가스를 사용할 때에도 스패터 발생량이 적을 뿐만 아니라 혼합가스하에서도 용입성이 양호한 용접 재료의 개발이 지속적으로 요청되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접용 와이어를 이루는 Al분말, 슬래그형성제등의 함량과 비를 적절히 제어함으로써 보호가스로서 탄산가스(CO₂)나 Ar과 15∼25%CO₂혼합가스 중 어느 것을 사용하더라도 양호한 전자세 용접성, 아크 안정성 및 낮은 수준의 스패터 발생량을 얻을 수 있는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

스테인레스강제 외피에 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서, 중량%로, TiO₂:3.0∼7.0%, SiO₂: 0.5∼3.0%, ZrO₂: 0.1∼ 1.5%, Al₂O ₃: 0.1∼1.0%, Al분말: 0.3∼1.2%, 금속 불화물: 0.05∼0.5%, Bi₂O₃: 0.02∼0.15%, K₂O+Na ₂O: 0.05∼0.5%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 0.5~3.0%, 잔여 금속성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, Al분말/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂)의 값이 0.05∼0.18을 만족하는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.

이하, 본발명 와이어의 조성성분 및 그 제한이유을 설명한다.

TiO₂는 슬래그 형성제로서 아크 안정 효과를 나타내는 성분으로서, 본 발명에서는 TiO₂의 함량을 와이어 전중량에 대하여 3.0∼7.0%로 제한한다. 만일 그 함량이 3.0%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 7.0%를 초과하면 과다한 양의 슬래그가 형성되어 용접 효율의 저하와 함께 혼합가스 사용시 아크 집중이 약해져 적절한 용입이 이루어지지 않기 때문이다.

SiO₂는 슬래그 형성제이며 슬래그 도포를 균일하게하는 역할을 하는 성분으로, 본 발명에서는 그 함량을 0.5∼3.0%로 제한한다. 만일 그 함량이 0.5%미만이면 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 3.0%를 초과하면 슬래그 유동성이 과다하여 슬래그가 비드 하부로 처지기 때문에 비드 형상이 불균일해 질 수 있다.

ZrO₂는 고융점 산화물로서 입향상진 및 오버헤드(over-head)용접자세에서 용융금속이 흘러내리지 않도록 하는 역할과 슬래그를 균일하게 도포시켜주는 역할을 한다. 본 발명에서는 이러한 ZrO₂첨가량을 0.1∼1.5%로 제한하는데, 이는 그 첨가량이 0.1%미만이면 상기 효과가 충분치 못하며, 1.5%를 초과하면 과다한 스패터가 발생할 뿐만 아니라 슬래그 점도가 상승하여 유동성을 저하시키므로 용접비드가 거칠어지기 때문이다.

Al₂O₃는 고융점 산화물로서 슬래그 포피성 및 전자세 용접작업성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 이러한 Al₂O₃ 첨가량을 0.1∼1.0%로 제한한다. 왜냐하면 그 첨가량이 0.1%미만이면 첨가에 따른 효과가 불충분하고, 1.0%를 초과하면 아크성 및 혼합가스 용접시 용입성이 감소하기 때문이다.

한편, 상술한 바와 같이, 종래에는 용접성을 얻기 위해 ZrO₂, Al₂O₃, MgO 등의 고융점 산화물을 사용하였기 때문에 용접시 아크력의 상당부분이 고융점 산화물을 용융시키는데 사용되었으며, 이에 따라 결과적으로 모재로 용입되는 에너지를 감소시키므로 용입 불량이 발생되었다. 특히, 이점은 혼합 가스를 보호 가스로 사용할 때 더욱 현저하게 나타났다.

따라서 본 발명에서는 상기 종래기술의 문제를 해소하고 우수한 용입성과, 전자세 용접성, 낮은 수준의 스패터 발생을 확보하기 위하여 Al 분말을 소정량 첨가함을 특징으로 한다.

Al 분말은 그 융점이 약 660℃정도로서 상기 고융점 산화물들의 융점(2000℃이상)보다 현저히 낮다. 그 결과, 보다 적은 에너지로 용융이 가능하여 모재로 유입되는 에너지를 증가시킬 수 있다. 또한, Al분말은 용융 슬래그중 산소와 반응하여 Al₂O₃를 형성하며, 플럭스중에 첨가된 Al₂O₃와 동일하게 고융점 슬래그를 형성하여 전자세 용접을 가능하게 할 뿐만 아니라 아크 안정성에 우수한 효과를 발휘하여 스패터 발생을 억제하는 역할을 한다. 그리고 이러한 Al분말외에 Mg,Zr등의 금속 분말도 상술한 목적을 위해 사용할 수 있지만, Mg,Zr등의 금속 분말을 사용하면 아크 안정성이 급격히 열화되어 스패터 발생량이 증가하므로 본 발명에서는 이들을 배제하였다.

본 발명에서는 Al분말의 첨가량을 0.3∼1.2%로 제한함이 바람직하다. 만일 그 첨가량이 0.3%미만이면 그 첨가에 따른 효과가 미비하고, 1.2%를 초과하면 아크 안정성에 악영향을 줄 수 있기 때문이다.

금속 불화물은 용접시에 피트(Pit), 블로우홀(Blow Hole)등의 용접 결함을 억제하기 위하여 일반적으로 사용된다. 본 발명에서는 NaF, Na₃AlF₆, K₂SiF ₆등의 금속 불화물중에서 선택된 1종 이상을 첨가하며, 이때 그 첨가량을 0.05∼0.5%로 제한한다. 만일 그 첨가량이 0.05%미만이면 상기 효과가 불충분하며 0.5%를 초과하면 흄(Fume)발생량이 증가하기 때문이다.

Bi₂O₃는 슬래그 박리성을 향상시키기 위하여 첨가되는 성분으로, 본 발명에서는 그 첨가량을 0.02∼0.15%로 제한한다. 왜냐하면 그 첨가량이 0.02%미만이면 상기 효과가 충분치 못하며 0.15%를 초과하면 입향 상진자세의 용접시에 용융 슬래그가 처지는 문제가 발생하기 때문이다.

K₂O와 Na₂O는 아크 안정제로써 첨가되는데, 본 발명에서는 이들의 합을 0.05 ∼0.5%로 제한한다. 만일 그 합이 0.05%미만이면 상기 효과가 충분치 못하고, 0.5%를 초과하면 보호가스로 혼합가스를 사용할 때, 아크의 집중력이 약화되어 충분한 용입이 이루어지지 않기 때문이다.

Si과 Mn은 외피에 필수적으로 함유되는 성분이며 플럭스 중에 탈산효과를 위하여 임의로 첨가할 수도 있다. 본 발명에서는 이들 Si와 Mn의 첨가량을 각각 0.2~1.2%, 0.5~3.0%로 제한하는데, 이는 이러한 성분들의 첨가량이 과도하게 많으면 아크 안정성이 저하되어 스패터 발생이 증가하며, 과소하면 탈산 효과가 충분치않기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 보호가스로서 탄산 가스나 혼합가스 모두에서 양호한 전자세 용접작업성과 충분한 용입 및 낮은 수준의 스패터 발생량을 확보할 수 있도록 Al/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂)를 0.05∼0.18의 범위로 제어할 것이 요구된다.

만일 Al/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂)의 값이 0.05 미만이면 주요 슬래그 형성제에 대한 Al의 함량이 낮아 혼합가스를 사용하여 용접할 때 충분한 용입이 이루어지지 못하고 입향 상진에서의 용접성이 저하되며, 0.18을 초과하면 Al함량이 과다하고 슬래그 형성제의 비율이 낮아 아크 안정성이 저하되고 스패터 발생이 증가할 수 있다.

본 발명의 와이어는 또한 일반적인 스테인레스강 용접용 플럭스 충전 와이어 의 경우와 동일한 이유로 금속성분으로서 Fe,Ni,Cr,Mo,Nb 등을 포함하는데, 이는 본원이 속하는 기술분야에서 자명한 사항이므로 그 구체적인 성분범위를 설명하지 않는다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

표 2와 같이 그 조성을 달리하는 플럭스를 마련하였으며, 이들을 스테인레스강제 외피에 15∼20%의 충전율로 충전하여 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어 를 각각 제조하였다. 이때, 사용된 304L 스테인레스강제 외피의 화학 조성은 표 1과 같다.

이와 같이 제조된 와이어를 이용하여 표 3의 용접조건으로 용접을 실시하였으며, 이때, 스패터 발생량, 혼합가스를 사용하여 용접하였을때의 용입성, 입향상진 용접성 및 아크 안정성을 육안으로 확인하여 그 측정결과를 표 4에 나타내었다.

표 4에서 ◎는 우수, ○는 보통, ×는 불량을 나타낸다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo
함량 (중량%)	0.023	0.54	1.10	0.020	0.008	10.1	18.30	0.10

		비교예							발명예
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
슬래그형성제	TiO₂	2.27	7.50	4.50	3.90	8.20	5.13	4.08	4.57	6.60	3.88	5.77	4.67	3.85
	SiO₂	0.64	0.45	1.65	0.88	3.50	1.11	0.61	1.83	1.44	0.95	2.71	1.39	0.73
	ZrO₂	0.21	1.27	2.00	0.57	1.48	0.05	0.21	0.82	0.91	0.73	0.26	0.31	1.39
	Al₂O₃	0.34	0.69	0.08	1.20	0.33	0.61	0.14	0.38	0.51	0.92	0.88	0.29	0.12
Na₂O+K₂O		0.60	0.39	0.07	0.22	0.48	0.03	0.16	0.17	0.09	0.42	0.28	0.37	0.22
금속불화물		0.03	0.41	0.19	0.35	0.26	0.24	0.65	0.14	0.44	0.21	0.05	0.10	0.34
Bi₂O₃		0.04	0.06	0.18	0.06	0.03	0.09	0.05	0.05	0.06	0.10	0.03	0.03	0.05
Si		0.71	0.93	0.76	0.51	0.37	1.04	0.88	0.41	0.32	1.13	0.78	0.77	0.56
Mn		2.07	1.62	1.81	2.54	2.04	1.88	0.78	1.95	2.00	1.79	0.83	2.81	2.01
Al분말		0.41	1.15	1.58	1.50	0.37	0.15	0.20	0.71	1.13	0.38	0.50	0.99	0.70
Al분말/ (TiO₂+SiO₂₊ZrO₂)		0.13	0.12	0.19	0.28	0.03	0.02	0.04	0.10	0.13	0.07	0.06	0.16	0.12
잔여		Fe +Ni+Cr+Mo+Nb+불순물

용접자세	전류(A)	전압(V)	용접속도 (cpm)	와이어 돌출 길이(mm)	극성	보호가스
수평필렛	200	29	20-30	15-25	DCEP	탄산가스 및 혼합가스
입향상진	160	25	6-10	15-25	DCEP	탄산가스 및 혼합가스

구 분

비교예

발명예

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

스패터 발생

×

○

×

○

◎

○

◎

○

혼합가스 용접 에서의 용입성

×

○

×

◎

○

◎

입향상진 용접성

○

×

◎

○

◎

아크 안정성

○

×

○

×

○

◎

○

◎

○

표 2 및 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 그 주요성분의 범위 및 Al분말/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂) 값이 적정범위로 제어된 본 발명예(8∼13)의 경우 모든 측정항목에서 우수한 결과를 보여줌을 알 수 있다.

반면, 비교예(5,6,7)은 Al분말/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂) 값이 본 발명의 범위에 미치지 못하여 보호가스로서 혼합가스를 사용한 용접에서의 용입성이 열악하고 입향 상진 용접성이 불량하였으며, 비교예(3~4)는 그 범위를 초과하여 스패터 발생이 매우 많았다.

또한, 비교예(1)은 TiO₂의 함량이 너무 낮아 스패터 발생이 많았고 아크 안정제가 과다하여 혼합가스 용접에서의 용입성이 불량하였다. 그리고 비교예(2)는 TiO₂의 함량이 너무 많아 보호가스로서 혼합가스 사용할 때 용입성이 불량하였다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 다량의 고융점 금속 산화물대신 상대적으로 융점이 낮은 Al분말을 사용하며, Al분말과 (TiO₂+SiO₂+ZrO₂)와의 비율을 적정범위로 제어하여 탄산가스(CO₂)나 Ar과 15∼25%CO₂혼합가스 중 어느 보호가스로 용접하더라도 충분한 용입과 낮은 스패터 발생량을 얻을 수 있는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어를 제공함에 유용하다.

Claims

스테인레스강 외피에 플럭스가 충전된 플럭스 충전와이어에 있어서,

중량%로, TiO₂:3.0∼7.0%, SiO₂: 0.5∼3.0%, ZrO₂: 0.1∼ 1.5%, Al₂O₃: 0.1∼1.0%, Al분말: 0.3∼1.2%, 금속 불화물: 0.05∼0.5%, Bi₂O₃: 0.02∼0.15%, K₂O+ Na₂O: 0.05∼0.5%, Si: 0.2~1.2%, Mn: 0.5~3.0%, 잔여 금속성분 및 불가피한 불순물로 이루어지며, Al분말/(TiO₂+SiO₂+ZrO₂)의 값이 0.05∼0.18을 만족하는 오스테나이트계 스테인레스강 용접용 플럭스 충전와이어