KR100668170B1 - 내청성 및 송급성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드플럭스코어드와이어 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 또는 반자동 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어 및 그 제조방법에 관한 것으로, 베이킹(Baking) 처리된 플럭스코어드와이어의 표면이 평탄한 가공면, 요철형상, 가공면을 기준하여 음의방향(와이어 중심방향)의 요부형상을 원주방향으로 갖는 혼합형상 표면중 평탄한 가공면으로만 형성된 부분의 산화막 두께가 0.10~0.90㎛범위내이고, 상기 원주형상으로부터 계산된 겉보기 원호길이(di)와 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)가 1.015~1.615 범위내인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 와이어의 표면 거칠기와 산화막의 두께를 제한함으로써, 와이어 표면에 형성된 산화막의 치밀성이 우수하고, 부분별 특성의 편차가 적으며, 내청성에 강한 Fe₃O₄의 분율이 높은 산화막을 얻을 수 있다. 이로 인해 장시간 용접시에도 송급 케이블(Cable) 및 콘택트팁(Contact tip) 내부에 미소 산화막 분말이 집적되지 않고 콘택트팁과 와이어가 안정적으로 접촉되어 송급성이 우수하며, 내청성에 강한 Fe₃O₄의 분율이 높아 장시간 방치시에도 발청이 되지 않는 내청성이 강한 플럭스코어드와이어를 얻을 수 있는 것이다.

플럭스코어드와이어, 표면거칠기, 베이킹(Baking), 산화막

Description

내청성 및 송급성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어 및 그 제조방법{Baked Flux Cored Wire for Gas Shield Arc Welding Having Excellent rust resistance and feedability and a Method for Preparing Thereof}

도 1은 가공면으로만 형성된 와이어 표면 형태를 보여주는 SEM 사진,

도 2는 가공면이 존재하지 않는 와이어 표면 형태를 보여주는 SEM 사진,

도 3은 가공면과 이 가공면을 기준으로 하여 음의 방향(와이어 중심방향)의 요부형상을 가지는 와이어 표면 형태를 보여주는 SEM 사진,

도 4는 가공면으로만 존재하는 와이어 표면에 형성된 산화막을 보여주는 SEM 사진,

도 5는 가공면이 존재하지 않는 와이어 표면에 형성된 산화막을 보여주는 SEM 사진,

도 6 및 7은 영상분석 시스템을 사용하여 실제 원호길이를 측정하기 전, 후 이미지를 각각 보여주는 SEM 사진,

도 8은 영상분석 시스템을 사용하여 겉보기 원호길이(di)를 계산하기 위한 현의 길이 측정용 이미지를 보여주는 SEM 사진,

도 9는 현의 길이(ℓ), 와이어 반지름(r), 원의 내각(Θ) 및 겉보기 원호길이(di)간의 관계를 도시한 도면,

도 10은 570℃ 이하에서 베이킹처리후 생성된 산화막의 XRD상 분석결과를 도시한 도면, 그리고

도 11은 베이킹 조건에 따른 산화막의 광학현미경 사진으로 (a)는 300℃에서 1시간 30분, (b)는 500℃에서 3시간, (c)는 650℃에서 1시간 동안 베이킹 처리하였을 경우의 광학현미경 사진이다.

본 발명은 자동 또는 반자동 가스실드아크용접에 사용되는 베이킹처리를 실시한 플럭스코어드와이어 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발청에 대한 강한 내력을 가져 장시간 방치시에도 녹이 발생하지 않고, 베이킹층의 밀착력이 우수하여 송급성이 양호한 특성을 가지는 베이킹 처리를 실시한 가스실드아크용접용 플럭스코어드와이어에 관한 것이다.

이러한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어의 제조방법은 절단된 강대를 U자형으로 구부려 플럭스를 충진하고, 소정의 사이즈로 신선한 후 베이킹을 실시하며, 이후 용접시 와이어의 송급성을 안정하게 확보하기 위하여 베이킹 처리된 와이어 표면에 오일, 왁스, MoS₂, 그라파이트 등을 함유한 표면처리제를 도포하는 공정으로 이루어진다.

신선과정중에는 원활한 신선을 하기 위하여 신선윤활제를 사용하게 되므로, 소정의 사이즈로 신선한 후에도 신선윤활제는 와이어에 잔류하게 된다. 이같이 신선후에도 와이어 표면에 잔류하는 신선윤활제에 포함된 유기물을 제거하기 위하여 베이킹 처리를 수행한다. 만약 유기물들을 제거하지 않고 용접을 행하게 되면, 웜홀(Warm hole)과 같은 용접결함과 확산성 수소량이 증가하여 용접후 용착금속의 물성에 치명적인 악영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다.

이때 베이킹 처리 방법으로는 산화성 분위기하에 베이킹을 실시하여 산화막을 생성하는 방법과 환원성 분위기하에 베이킹을 실시하여 산화막을 생성하지 않는 2가지 방법으로 나뉜다.

이 중에서 베이킹 분위기를 환원분위기로 제어하여 베이킹 처리를 실시한 종래기술로는 일본국 특개평 04-081297호를 들 수 있다. 상기 방법에 따르면 인위적으로 베이킹 분위기를 수소나 질소등으로 채워주어야 하기 때문에 생산단가가 상대적으로 높다는 단점이 있다.

한편, 산화성 분위기에서 베이킹 처리를 실시하는 기술은 베이킹로내의 분위기 산소와 유기물이 타면서 발생하는 산소가 강대 외피와 반응하여 산화막을 형성시키는 것으로, 상기 산화막의 조성은 온도와 분위기 가스에 따라 달라지게 된다.

즉, 고온산화에 해당하는 570℃ 이상에서는 FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄상이 형성되고, 저온산화에 해당하는 570℃ 이하에서는 Fe₂O₃, Fe₃O₄상이 형성되는 것으로 알려져 있다.

한편, 플럭스코어드와이어에서 베이킹 공정은 일반적인 유기물 분해온도인 300℃ 내지 570℃의 온도범위내에서 처리하는 것이 일반적이다. 이는 베이킹 온도가 너무 높을 경우 플럭스코어드와이어 내부에 충진된 플럭스의 금속분말이 산화되어 용접시 용착되거나 탈산하는 역할을 수행할 수 없기 때문이다.

산화시 생성되는 상중 Fe₂O₃보다는 Fe₃O₄가 내청성에 강하므로, 내청성이 강한 플럭스코어드와이어를 생산하기 위해서는 산화막의 Fe₃O₄ 조성이 높아야 한다. 그러나 산화막을 이루는 Fe₂O₃와 Fe₃O₄는 절연체로서 전기저항이 매우 높은 물질이므로 산화막은 용접시 동제 콘택트팁으로부터 와이어로의 통전이 불량하게 되어, 와이어의 용융이 불규칙하게 되고, 아크가 불안정하게 되어 스패터 발생량을 증가시키며, 송급성 또한 불안해지게 된다. 그리고 산화막이 치밀하지 못할 경우는 콘택트팁 내에서 와이어와 콘택트팁 간의 마찰에 의해 미소 산화막 성분이 탈락되고, 탈락된 미소 산화막 성분이 팁내에 모여서 팁막힘 현상을 유발시킨다.

따라서 송급성 및 내청성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어를 제조하기 위해서는 Fe₃O₄의 조성이 높은 조밀하고 얇은 산화막을 형성시켜야 하는 것이다.

이 같은 산화막에 대한 종래기술로는 영국특허 제1460964호를 들 수 있다.

그러나 상기 기술은 플럭스가 충진되지 않은 로드(Rod)를 신선 후 신선윤활제를 습식으로 탈지한 다음 발청을 방지하기 위하여 코팅하는 솔리드 와이어에 있어 코팅에 일반적으로 사용하는 Cu, Zn, Ag 대신얇은 산화막을 생성시키는 것을 발명의 특징으로 한다.

상기 종래기술에서 언급한 얇고 균일한 산화막을 생성시킨다는 점에 있어서는 본 발명자의 의견과 일치하나, 솔리드 와이어와 플럭스코어드와이어는 제조 기술에서 근본적인 차이를 가지고 있는 바, 예를 들면, 솔리드 와이어는 로드를 신선하는 반면, 플럭스코어드와이어는 강대 내부에 플럭스를 충진하여 신선하므로 신선 메커니즘에서도 많은 차이를 나타낼 뿐 아니라 신선후 신선윤활제를 제거시에도 솔리드 와이어는 습식으로 제거할 수 있으나, 플럭스코어드와이어는 신선윤활제를 습식으로 제거하게 되면 플럭스코어드와이어에 존재하는 이음매내로 수분이 침투하여 플럭스가 흡습됨으로써 용접시 용착금속에 치명적인 영향을 주기 때문에 습식처리대신 베이킹 처리를 요하게 된다. 따라서, 종래기술과 본 발명은 제품, 베이킹 공정 및 신선공정면에 있어 서로 상이한 것이다.

또한, 본 발명자가 제시한 제품군인 베이크드 플럭스코어드와이어에 해당하는 종래기술로는 일본국 특개소 57-127597호를 들 수 있는데, 여기서는 CO₂가 70%이상일 경우, 250℃와 550℃의 온도에서 3시간 베이킹 처리할 때 송급성 및 내청성에 우수한 얇고 조밀한 산화막이 형성된다고 기술하고 있다.

이에 대하여 본 발명자가 추적실험을 수행해본 결과 얇고 조밀한 산화막이 내청성 및 송급성에 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

하지만 종래기술내 언급된베이킹처리 분위기, 온도, 시간외에도 와이어 표면거칠기에 따라 산화막의 특성이 매우 달라짐을 추가로 확인할 수 있었다.

즉, 신선을 하게 되면, 신선와이어에는 다이스와 강대외피의 마찰에 의해 생 성되는 가공면과 신선윤활제에 의해 생성된 가공면이 존재하지 않는 요철형상의 표면이 존재하게 된다. 이중 요철형상의 표면은 가공면에 비해 비표면적이 넓어 산화성 분위기 가스와 접촉할 수 있는 면적이 넓기 때문에 가공면보다 산화막의 성장속도가 빠르다. 그 결과 가공면과 요철형상의 표면 자체가 산화막의 불균일성을 유발하는 인자로서 내청성과 송급성에 큰 영향을 끼칠 것으로 판단된다. 이는 상기 종래기술의 방법으로 요철형상이 많은 와이어를 이용하여 산화막을 생성시키고, 송급성 및 내청성 실험한 결과, 치밀하고 얇은 산화막이 형성되지 않음을 확인한 점으로부터도 명백히 뒷받침된다.

이와 동시에 산화막을 일정두께 이하로 성장시키면, CO₂ 분위기 70% 이상이 아닌 일반 공기분위기에서도 치밀한산화막을 얻을 수 있음을 확인하고, 결론적으로 치밀한 산화막을 얻기 위해서는 일정이하의 산화막 두께와 신선후 와이어의 표면 특성이 가장 중요하다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이에 본 발명의 목적은 와이어의 표면 거칠기와 산화막의 두께를 일정범위 내로 관리함으로써, 균일하고 치밀한 산화막을 생성시켜 용접시 콘택트팁 내부에 미소 산화막이 집적되지 않도록 하고, 송급성 및 내청성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어를 제공하려는데 있다.

본 발명에 의하면,

와이어 표면이 평탄한 가공면, 요철형상 및 가공면을 기준으로 하여 음의 방향(와이어 중심방향)의 요부형상이 원주 방향으로 존재하는 혼합형상 표면을 갖는 베이킹(Baking) 처리된 플럭스코어드와이어에 있어서,

상기 표면이 평탄한 가공면으로만 형성된 부분의 산화막 두께가 0.10~0.90㎛범위내임과 동시에,

겉보기 원호길이(di)와 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)가 1.015~1.615 범위에 있는 것을 특징으로 하는 송급성과 내청성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어가 제공된다.

나아가, 본 발명에 의하면,

강대외피를 조관, 플럭스 충진, 신선, 베이킹 및 표면처리제를 도포하여 얻어지는 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어의 제조방법에 있어서,

상기 강대 외피의 표면 조도는 Ra값 기준으로 0.20~1.43㎛범위내이고,

상기 조관공정을 위한 신선속도는 20~150m/min범위내이고, 이와 동시에 2차 신선속도는 100~1800m/min범위내로 제어하며,

상기 베이킹 공정은 일반 대기 분위기하에 300~570℃ 온도범위에서 20분 내지 12시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 송급성과 내청성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어를 제조하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

플럭스코어드와이어의 신선후 와이어표면은 가공면으로만 존재하는 평탄부, 가공면이 존재하지 않는 요철(凹凸)형상부, 가공면을 기준으로 음의방향(와이어 중 심방향)의 요부형상이 원주방향으로 존재하는 혼합형상 표면을 갖는다.

여기서 가공면이란 와이어 길이방향에 90° 방향의 단면을 주사전자현미경으로 1000배 확대한 이미지에 있어서 신선시 다이스의 가공을 받아서 형성된 와이어 원주방향의 평탄부를 의미하는 것으로, 상기 가공면으로만 존재하는 평탄부, 요철 형상부 및 요부 형상부의 SEM 사진을 각각 도 1 내지 3에 나타내었다.

앞서도 언급한 바와 같이, 요철 형상은 비표면적이 가공면보다 높아 산화막의 성장이 빠를 것으로 기대되는데, 가공면만이 존재할 경우의 산화막과 가공면이 존재하지 않을 경우의 산화막을 각각 도시한 도 4 및 5로부터도 보듯이, 표면 거칠기에 따라 산화막의 두께가 차이남을 확인할 수 있었다.

따라서 비표면적이 넓을수록 산화막의 성장이 빨라져 가공면과 요철부의 산화막 두께가 차이나며, 이러한 요철부의 비율이 높을수록 산화막의 불균일성은 증가되며, 막의 치밀도가 나빠져 송급성 및 내청성이 나빠진다.

또한 요철부는 산화막이 가공부보다 두꺼워 치밀성이 떨어지므로 용접시미소 산화막 성분이 콘택트팁 내부에 집적되어 팁막힘 현상을 유발시킨다. 또한 요철부는 가공면이 존재하지 않기 때문에 콘택트팁과 와이어간의 안정된 접촉이 확보되지 못할 뿐만 아니라 용접시 송급케이블 내에서 마찰에 의한 송급부하가 증가하여 송급성이 나빠지게 된다.

이에 본 발명자는 표면의 형상과 산화막의 성장관계를 연구한 결과, 겉보기 원호길이(di)에 대한 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)가 1.015~1.615 범위에 있을 경우에 와이어 부위별 편차가 적은 산화막이 형성되며, 송급성도 양호한 것을 확인 하였다.

여기서 실제 원호길이는 와이어 길이 방향에 대하여 90° 방향의 단면을 주사전자현미경으로 1000배 확대한 이미지에 있어서 측정영역에 해당하는 실제 원호길이(즉, 와이어 표면에 존재하는 요부의 둘레 길이와 가공면의 길이의 합)을 영상분석시스템을 이용하여 측정한 값이고, 겉보기 원호길이는 상기 이미지에 있어서 측정영역에 해당하는 원호길이를 와이어 실 선경을 이용하여 이론상으로 계산한 값을 의미한다.

겉보기 원호길이(di)에 대한 실제 원호길이(dr)의 비 (dr/di)는 다음과 같이 구한다.

먼저 영상분석시스템(Image Analyzing System / Image-Pro Plus 4.5, Media Cybernetics)을 사용하여 배율 1000배에서 측정하고자 하는 와이어의 실제 원호길이(dr)를 측정한다. 이때 영상분석 시스템이 구한 실제 원호길이는 와이어 표면에 존재하는 요철, 요부의 둘레 길이와 가공면의 길이의 합이 해당한다.

상기 영상분석시스템을 사용하여 실제 원호길이를 측정하기 전후 이미지를 각각 도 6 및 7에 도시하였다.

그런 다음 겉보기 원호길이(di)를 계산하기 위하여 영상분석시스템을 이용하여 역시 배율 1000배에서 와이어의 현의 길이(ℓ)를 측정한다. 그 이미지는 도 8에 도시하였다.

이같이 하여 현의 길이(ℓ)가 얻어지면 도 9에서 보듯이, 삼각함수를 이용하여 와이어 반지름(r)이 현의 길이(ℓ)와 이루는 내각(Θ: 라디안값)을 구할 수 있 으며, 이 내각을 이용하면, 와이어의 반지름(r) x 원의 내각(Θ)로부터 겉보기 원호길이(di)를 계산할 수 있다. 따라서 와이어의 실선경을 측정하여 반지름(r)을 구하면 겉보기 원호길이(di)를 계산할 수 있게 된다. 단 이 때 측정한 dr/di 값은 객관성을 부여하기 위하여 임의의 4면을 측정한 평균값을 취한다.

이같이 하여 계산된 겉보기 원호길이(di)에 대한 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)가 1.015 미만이면, 베이킹처리후 송급성 향상을 위해 와이어 표면에 부착되는 송급윤활제의 보유능력이 감소함으로써 와이어 송급성이 저하되어 바람직하지 않으며, 그 값이 1.615를 초과하면, 와이어 송급시 콘택트팁 및 송급 케이블과의 마찰저항이 증가하여 송급성이 좋지 않으며, 와이어 표면 산화막의 부분별 특성편차가 심하며, 산화막의 치밀도가 떨어져 송급성 및 내청성이 불량하므로 바람직하지 않다.

본 발명자가 제시한 표면 거칠기 인자인 dr/di값을 1.015~1.615 범위내로 관리하기 위하여 여러 실험을 실시한 결과 다음과 같은 조건이 만족되어야 하였다.

먼저 U자형으로 구부려 플럭스를 충진하기 전의 강대 외피의 조도가 0.20~1.43㎛(Ra값 기준) 범위내로 관리되어야 한다.

상기 강대 외피의 조도가 1.43㎛를 초과하면, 후 공정인 조관, 조관신선 및 2차신선의 공정을 잘 관리하더라도 신선완료후 와이어의 표면이 너무 거칠어 본 발명의 dr/di값 범위를 벗어나기 때문에 바람직하지 않으며, 0.20㎛ 미만이면, 조관 신선시 신선 윤활제의 보유 능력이 떨어져 조관 신선과 2차 신선시 다이스와 강대 외피와의 과도한 마찰 응력에 의해 와이어의 단선 발생과 dr/di 값이 1.615를 초과 하게 되므로 바람직하지 않다.

또한, 조관신선, 조관신선후 2차 신선을 적절하게 관리하여야 한다.

조관후 조관신선 속도는 dr/di값을 관리하기 위하여 20 내지 150m/min 범위내로 관리하여야 하는데, 150m/min을 초과하면 조관 롤러에 의한 U자, ○자로의 강대성형시 강대표면의 거칠기를 불균일하게 만들고, 플럭스가 강대내부의 공극을 균일하게 충진시키지 못하여 부분별 공극의 편차를 가져오게 되며, 이러한 강대 표면의 거칠기 불균일과 부분별 공극의 편차는 2차신선시 다이스와 강대외피와의 마찰에 대한 응력이 와이어에 불균일하게 전달되어 요철 형상을 유발하게 되므로 바람직하지 않다.

이와 같이 조관신선을 적절히 관리하여 강대 내부의 공극을 균일하게 플럭스로 충진시키더라도 약간의공극 편차는 잔존하게 되는데, 이러한 편차는 이후 2차 신선으로 점차 줄어들게 된다. 그런데, 2차 신선속도가 빠를수록 표면 거칠기에 미치는 영향이 크기 때문에 2차 신선속도 또한 관리가 필요한 것이다.

상기 2차 신선은 100 내지 1800m/min 범위내로 관리하여야 하는데, 1800m/min을 초과하면, 와이어감면에 따른 강대내부의 공극편차 감소의 효과가 저하함으로써 다이스와 강대외피와의 마찰에 대한 응력이 와이어에 불균일하게 전달되어 요철 형상을 유발하게 되고, 와이어 표면 거칠기가 나빠지는 문제점이 발생하게 된다.

한편, 조관 신선속도가 20m/min 미만이면서 2차 신선속도가 100m/min 미만이면, dr/di 값이 1.015 미만일 뿐만 아니라 베이킹 처리후 표면처리 공정시 윤활제 보유 능력이 좋지않아 송급성이 저하하는 문제점이 발생하였다.

또한, 가공면으로만 형성된 평탄 표면의 산화막 두께는 0.10~0.90㎛ 범위내인 것이 바람직한데, 그 두께가 0.10㎛ 미만일 경우는 신선윤활제의 유기물이 충분히 제거되지 못하여 용접금속의 물성에 나쁜 영향을 미치고, 와이어 표면에 산화막이 전체적으로 고르게 형성되지 않으며, 일부 산화막이 형성되지 않은 부분이 존재함에 따라 내청성이 좋지 않으며, 0.90㎛를 초과할 경우는 부피팽창에 의해 산화막의 치밀성이 나빠져 송급성 및 내청성이 모두 불량하므로 바람직하지 않다.

<실시예>

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1

본 실시예는 강대외피의 조도, 조관신선속도, 2차 신선속도와 표면거칠기간 상관관계를 보이기 위한 것으로, 각 수치를 하기표 1에 나타내었다.

상기표에서 보듯이, 강대의 표면조도가 0.20㎛~1.43㎛ 사이에 있고, 조관 신선속도가 20m/min에서 150m/min 사이에 있으며, 2차 신선속도가 100m/min에서 1800m/min 사이에 있는 경우(Nos. 1,2,4,5,7,8,9,11,13)는 dr/di 값이 1.015~1.615 사이를 만족하였으며, 특히 강대의 표면조도가 클수록, 조관 신선속도가 빠를수록, 2차 신선속도가 빠를수록 dr/di 값은1.615에 가까워지고, 강대의 표면조도가 낮을수록, 조관 신선속도가 늦을수록, 2차 신선속도가 늦을수록 dr/di 값은 1.015에 가까워짐을 확인할 수 있었다.

강대의 표면조도와 조관 신선속도 및 2차 신선속도 중 하나라도 본 발명의 범위를 만족하지 못했을 경우는 dr/di 값이 본 발명의 범위를 벗어났으며, 상기표내 예로는 강대의 표면조도가 부적절한 No.3,10, 조관 신선속도가 부적절한 No.6, 2차 신선속도가 부적절한 No.12,14를 들 수 있다.

실시예 2

본 실시예는 베이킹 공정조건에 따른 산화막의 형상 및 특성을 보이기 위한 것이다.

본 발명자는 상기 제시한 표면 거칠기 인자인 dr/di값이 1.015~1.615 범위내의 와이어(Nos. 1,2,4,5,7,8,9,11,13)를 이용하여 570℃이하 대기 분위기에서 온도와 시간을 변화시켜 베이킹을 실시한 산화막의 상분석을 XRD로 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.

이때 상분석에 사용된 XRD는 Philips사의 X' Pert 모델을 사용하였고, 측정조건으로Omega Scan을 실시하였으며, Omega 각도는 1°로 하였다. 측정전압 및 전류는 40kv, 30mA로 하였으며, 측정각 2Θ는 20~80°범위에서 측정하였고, Step Size는 0.02°, Time per Step은 0.4°/s로 설정하여 측정하였다.

도 10으로부터 확인할 수 있듯이, XRD측정 결과 산화막은 Fe₂O₃와 Fe₃O₄로 형성되어 있었다. 이는 종래기술관련 설명부에서 언급한 저온 산화시 생성되는 상과 일치하는 결과이다.

한편, Fe상이 함께 관찰되었는데, 이는 산화막이 워낙 얇아 강대 외피의 산화되지 않은 상의 신호까지 검출된 결과로 판단된다.

베이킹 공정조건이 미치는 영향을 측정하기 위하여, 대기 분위기에서 베이킹 온도 및 베이킹 시간을 조절하면서 생성된 산화막을 광학현미경으로 관찰하였으며, 도 11내 (a)는 300℃에서 1시간 30분, (b)는 500℃에서 3시간, (c)는 650℃에서 1시간동안 베이킹 처리하였을 때의 산화막을 각각 나타내었다.

도 11(a)는 표면 빛깔이 푸른 색으로 Fe₃O₄의 상 분율이 높았으며, 도 11(b)는 표면 빛깔이 붉은 색으로 Fe₂O₃의 상분율이 높았고, 도 11(c)는 표면 거칠기 인자인 dr/di을 1.015~1.615 사이로 관리하였음에도 불구하고 산화막이 치밀하지 못하고 부풀어 오르는 형상을 하고 있다.

이러한 사실은 다음과 같이 설명될 수 있다.

즉, 와이어 표면은 고체이고 산소공급원은 기체임으로 최초 산화막이 형성되는 층은 Fe 분율이 산소의 분율보다 훨씬 높기 때문에 Fe₃O₄의 분율이 높은 상이 형성되게 된다. 이후 산화막의 성장은 최초 생성된 산화막을 통하여 확산한 산소가 Fe와 반응하여 성장이 이루어진다. 이때 산소와 Fe가 만나 Fe₂O₃ 또는 Fe₃O₄상이 형성되고, Fe₂O₃, Fe₃O₄ 모두 하기표 2에서와 같이 부피팽창을 수반하게 된다.

이러한 부피팽창은 산화막과 강대 외피 사이에 응력을 유발하게 되고 이 응력은 산화막의 밀착력을 저하시켜 내청성 및 송급성에 악영향을 미치게 된다. 또한 산화막의 두께가 두꺼울수록 응력은 더욱 크게 작용하게 된다.

이러한 관점에서 볼 때, 도 11(b)와 도 11(c)는 과도한 산화막의 성장에 의해 Fe₂O₃의 분율이 높아지고 산화막의 밀착력이 약해져 내청성 및 송급성이 열악해진 것으로 판단된다.

실시예 3

본 실시예는 내청성 및 송급성이 우수한 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스 코어드 와이어를 제공하기 위하여 적절한 산화막의 두께를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 산화막 측정방법은 다음과 같다.

1. 와이어를 길이방향에 대하여 90° 방향으로 절단한다.

2. 수지를 이용하여 절단된 와이어를 수직 방향으로 세워 마운팅한다.

3. 마운팅 시편을 사포 200번 ~ 1500번 까지 순차적으로 폴리싱한다.

4. 연마포에 다이아몬드 페이스트를 뿌려 6㎛, 3㎛, 1㎛ 순으로 폴리싱한다.

5. 폴리싱된 와이어를 초음파로 약 10분간 세척한다.

6. 세척된 시편을 충분히 건조될 수 있게 100℃이하의 오븐에서 건조시킨다.

7. 건조된 와이어를 주사전자현미경의 후방산란전자를 이용하여 산화막 두께를 관찰한다.

8. 두께는 임의의 가공면을 4회 관찰하여 평균값으로 한다.

산화막 두께를 측정하기 위하여, 대기 분위기에서 온도와 시간을 변화시켜 실험을 실시하였으며, 실험에 사용될 수 있는 로는 가스로와 전기로가 있으나 본 실시예에서는 전기로를 사용하였다.

각 온도와 시간에 따른 가공면의 산화막의 두께와 가공면 산화막의 균일도를 하기표 3에 나타내었다.

(상기표에서, 산화막의 균일도는 임의의 4면의 가공면 산화막 두께를 측정하여 표준편차가 20% 이하이면 ○로, 20%를 초과하면 X로 나타냄)

상기표 3에서 보듯이, 베이킹 온도가 300℃ 이상이고 570℃ 이하인 Nos. 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12의 경우는 윤활제가 충분히 분해되었으며, 베이킹 처리 시간이 증가할수록 산화막 두께 또한 증가하였으며, 산화막의 균일도도 좋은 것으로 나타났다.

이에 반해, 200℃에서 베이킹 처리한 No.1은 가공면의 산화막 두께가 매우 얇게 나타났으며, 균일도 또한 좋지 않은 것으로 나타났다. 이는 200℃로 베이킹 처리시 베이킹 온도가 윤활제의 유기물 분해 온도까지 도달하지 못하여 유기물이 분해되지 않았으며, 분해되지 않은 윤활제는 와이어 표면과 산소와의 접촉을 차단하여 산화막의 생성 및 성장을 방해하는 역할을 하였다. 그러나, 와이어 표면에 윤활제가 존재하지 않는 부위에서는 산소와의 접촉에 의해 산화막이 생성, 성장하였다. 이는 산화막이 생성되는 부위와 생성되지 않은 부위가 공존하여 내청성이 열악해지고 표면이 균일한 가공면 내에서도 산화막의 불균일성을 유발하였다.

한편, 베이킹 온도가 650℃인 Nos. 13~15의 경우 산화막 생성 및 성장속도가 매우 빨랐다. 와이어 표면에 윤활제가 존재하는 부분과 존재하지 않는 부분을 비교해보면, 윤활제가 와이어 표면에 존재하는 경우는 윤활제가 잠열을 흡수하여 분해된 후 산화막이 생성, 성장하는 반면에 윤활제가 존재하지 않는 와이어 표면은 온도가 높아 빠른 속도로 산화막이 생성, 성장하게 된다. 와이어 표면의 윤활제 잔류 유무에 따라 산화막의 생성, 성장에 대한 시간적 간격이 생겼으며, 이러한 시간적 간격이 적음에도 불구하고 온도가 높아 산화반응 속도가 빠르기 때문에 표면이 균일한 가공면에서도 산화막의 균일도는 좋지 않았다. 그리고 이러한 편차는 가공면과 요철 및 요부 형상의 산화막 두께 비교시 더욱 현저하였으며, 표면 거칠기 인자값인 dr/di 값이 본 발명의 범위인 1.015~1.615 사이에 존재하더라도 송급성 및 내청성이 좋지 않은 결과를 초래하였다.

특히 No. 15의 경우에는 베이킹 온도뿐만 아니라 시간 또한 적절하지 못하여 산화막의 균일도와 두께 측면에서 모두 바람직하지 않았다. 결론적으로, 가공면의 산화막 두께가 0.10~0.90㎛내를 만족하면서 균일한 막을 형성시키기 위해서는 300℃내지 570℃이하의 온도하에 20분 내지 12시간 범위내에서 베이킹 처리를 수행하여야 함을 알 수 있었다.

이상에서 언급하였듯이, 베이크드 플럭스 코어드 와이어의 송급성 및 내청성은 와이어의 표면 거칠기와 산화막 두께의 적절한 조합에 의해 달성됨을 확인할 수 있었다.

실시예 4

본 실시예는 베이크드 플럭스코어드 와이어에 있어 와이어 표면 겉보기 원호길이(di)에 대해 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)와 가공면으로만 이루어진 부분의 산화막 두께의 조합이 플럭스 코어드 와이어의 송급성과 내청성에 미치는 영향을 보이기 위한 것이다.

본 발명의 실시 예에 사용된 와이어는 베이킹된 와이어로 AWS 규격 E71T-1, JIS 규격 YFW-C50DR 등급의 제품 1.4Φ를 사용하였다. 이때 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)와 가공면의 산화막 두께는 상기 실시예 1-3에서와 동일한 방법으로 측정하여 구하였으며, 이들의 송급성과 내청성을 측정하였다. 내청성과 관련한 염수분무시험은 시험조건상 20분 경과시 녹 발생 유무를 관찰하고, 녹이 발생하면 내청성은 X로서, 그리고 녹이 발생하지 않으면 내청성은 ○로서 표기하였다. 여기서 와이어는 1.4Φ를 사용하였으며, 염수분무조건은 표 4에 나타내었다.

송급성은 신규 5m 길이의 송급 케이블을 직경 300mm로 2회 감은 상태 (똬리모양)에서 하기표 5와 같은 용접 조건으로 평가하였다.

송급성 평가는 지속적인 용접시간이 80sec 미만으로 송급이 원활하지 못하여 용접이 불가능한 경우에는 송급성이 불량한 것으로 취급하여 X로 표기 하였으며, 100sec 이상 지속적인 용접이 가능할 경우에는 송급성을 ○로 표기하였으며, 80~100sec 범위는 보통의 송급성으로 판단하여 △로 표기하였다.

이같은 평가결과를 하기표 6에 정리하였다.

상기표 6으로 부터 보듯이, 비교예 1, 9는 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값이 본 발명의 범위를 벗어남으로써 와이어 송급시 콘택트팁 및 송급 케이블과의 마찰저항이 증가하여 송급성이 좋지 않았다.

이 중에서 비교예 1의 경우는 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값이 본 발명의 범위를 벗어났음에도 내청성은 좋은 것으로 나타났는데, 이는 가공면의 산화막 두께가 0.17㎛로 얇게 관리되었기 때문인 것으로, 다음과 같이 설명된다.

가공면의 산화막 두께가 얇다는 것은 산화막이 성장할 수 있는 조건이 짧았다는 것을 의미하며, 가공면과 요철 및 요부의 산화막 두께 편차가 크지 않음을 의미한다. 따라서, 와이어 표면 거칠기에 의해 와이어 부분별(가공면, 요철, 요부형상) 산화막 두께 편차는 존재하나, 편차가 크지않아 내청성은 좋은 결과를 나타내었다.

이에 반해 비교예 9는 와이어 표면이 거칠고 산화막 두께가 0.53㎛으로 산화막이 어느 정도 성장함에 따라 와이어 부분별 산화막의 두께 및 특성이 편차를 가져옴으로 인해 내청성 시험시 점발청을 나타내었다.

비교예 2는 가공면의 산화막 두께가 너무 얇아서 와이어 표면에 산화막이 전체적으로 고르게 형성되지 않고, 일부 산화막이 형성되지 않은 부분이 존재함에 따라 내청성 시험시 점발청이 발생되었다.

비교예 3은 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값 및 가공면의 산화막 두께가 모두 본 발명의 상한범위를 벗어남으로써, 와이어 표면 산화막의 부분별 특성편차가 심하며, 산화막의 치밀도가 떨어져 송급성 및 내청성이 좋지 않았다.

비교예 4는 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값이 너무 높아서 송급시 콘택트팁 및 송급케이블과의 마찰저항이 증가하고, 이로인해 송급성이 좋지 않았으며, 가공면의 산화막 두께도 상대적으로 너무 얇아서 산화막이 형성되지않은 부분이 일부 존재함으로써 내청성 시험시 점발청이 발생되었다.

비교예 5~7은 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값이 너무 낮아서 베이킹 처리후 송급성 향상을 위해 와이어 표면에 부착되는 송급윤활제의 보유능력이 감소함으로써 와이어 송급성이 저하하였다. 더욱이, 비교예 6의 경우는 가공면의 산화막 두께 또한 너무 두꺼워서 산화막의 치밀도가 불충분하고, Fe₂O₃의 분율이 높아짐으로 인해 내청성이 좋지 않았으며, 비교예 7의 경우는 가공면의 산화막 두께가 너무 얇아서 산화막이 형성되지않은 부분이 일부 존재함에 따라 내청성 시험시 점발청이 발생되었다.

비교예 8, 10은 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값은 본 발명의 범위내로 관리되었으나, 가공면의 산화막 두께가 너무 두꺼워서 산화막의 치밀도가 좋지 못하였고, 이로인해 송급케이블 및 콘택트팁 내부에서 산화막이 박리하여 집적됨으로써 와이어 송급성이 좋지 못하였으며, Fe₂O₃의 분율이 높아짐으로 인해 내청성 또한 좋지 않았다.

한편, 발명예 1~13은 와이어 표면 거칠기 인자(dr/di)값이 1.015~1.615 범위내이고, 가공면의 산화막의 두께가 0.10~0.90㎛의 범위로 관리됨에 따라, 산화막 생성시 내청성이 강한 Fe₃O₄의 분율이 높고, 와이어 위치별 산화막 특성의 편차가 적으며, 치밀한 산화막이 형성되었기 때문에 내청성 및 송급성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 와이어 표면 거칠기와 산화막의 두께를 특정범위내로 관 리하도록 베이킹 처리를 실시함에 의해 내청성에 강한 Fe₃O₄상의 분율이 높고, 와이어 부분별(가공면, 요철, 요부형상) 편차가 적은 얇고 치밀한 산화막을 형성시킬 수 있었으며, 결과적으로 종래의 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어에 비하여 내청성 및 송급성이 우수하였다.

Claims (3)

1. 와이어 표면이 평탄한 가공면, 요철형상 및 가공면을 기준으로 하여 음의 방향(와이어 중심방향)의 요부형상이 원주 방향으로 존재하는 혼합형상 표면을 갖는 베이킹(Baking) 처리된 플럭스코어드와이어에 있어서,

   상기 표면이 평탄한 가공면으로만 형성된 부분의 산화막 두께가 0.10~0.90㎛범위내임과 동시에,

   겉보기 원호길이(di)에 대한 실제 원호길이(dr)의 비(dr/di)가 1.015~1.615 범위내인 것을 특징으로 하는 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어.
2. 제 1항에 있어서, 상기 산화막은 그 상이 Fe₂O₃와 Fe₃O₄로 구성된 것을 특징으로 하는 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어.
3. 강대외피를 조관, 플럭스 충진, 신선, 베이킹 및 표면처리제를 도포하여 얻 어지는 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어의 제조방법에 있어서,

   상기 강대 외피의 표면 조도는 Ra값 기준으로 0.20~1.43㎛범위내이고,

   상기 조관공정을 위한 신선속도는 20~150m/min범위내이고, 이와 동시에

   조관신선후 2차 신선속도는 100~1800m/min범위내로 제어하며,

   상기 베이킹 공정은 일반 대기 분위기하에 300~570℃ 온도범위에서 20분 내지 12시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가스실드아크용접용 베이크드 플럭스코어드와이어의 제조방법.

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