KR100817828B1 - 2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프라이머 도장강판의 고속필렛 용접에 이용되는 가스실드 아크용접용 메탈코어드 와이어에 관한 것이다.

이 와이어는 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.10%, 탈산제: 1.0~4.5%, 아크안정제: 0.005~0.25%, 불화물중 F환산량: 0.005~0.30%, 플럭스 중의 산소: 0.5% 이하, 플럭스 중의 질소: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 C, 탈산제, 불화물중 F환산량, 산소 및 질소의 함량이 다음 수학식 1,

[수학식 1]

을 만족하는 것을 포함하여 이루어진다.

이 와이어는 탈산제, 아크안정제, 불화물중 F환산량 뿐만 아니라 C, 산소 및 질소에 대한 탈산제 및 불화물중 F환산량의 비의 적절한 제어를 통하여 내기공성, 작업성 및 저온 충격인성이 향상되는 효과가 있다.

아크용접, 메탈코어드, 와이어, 불화물, 탈산제, 충격인성, 내기공성, 용접작업성, 산소, 질소, 트윈탠덤

Description

2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어{Metal cored wire for high speed twin-tandem arc welding}

본 발명은 2개의 전극으로 하나의 용융지를 형성하면서 프라이머 도장강판의 고속필렛 용접에 이용되는 가스실드 아크용접용 메탈코어드 와이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어 조성을 최적화하고, 그 조성내에서 C함량, 플럭스중 산소 및 질소 함량에 대한 탈산제와 불화물 함량을 제어함으로써 용접작업성, 내기공성 및 저온인성이 향상된 2전극 고속필렛 가스실드 아크용접용 메탈코어드 와이어에 관한 것이다.

최근 조선, 교량, 철구조물 등을 제작함에 있어 점차 용접의 고속화 및 고효율화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위하여, 2개의 전극으로 하나의 용융지를 형성하여 필렛(fillet)의 양면을 용접하는 트윈탠덤(twin-tandem) 용접기법이 널리 시행되고 있다. 그러나, 상기의 용접에 사용되는 강판에는 장기간 동안의 보관으로 인한 부식, 산화 등이 발생할 우려가 있어, 통상적으로 표면에 프라이머를 도포하 고 있다. 상기 프라이머가 도포된 강판에 용접을 할 경우, 용접부에 프라이머 연소가스에 의한 피트(pit) 및 블로우홀(blow hole) 등이 발생하여 용접품질이 저하되고 추가적인 공수가 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로는 일본 공개특허공보 평6-218578호가 있다. 상기 종래기술은 아크 안정제에 대한 산화물의 구성비, 슬래그 형성제로서 TiO₂의 첨가량 및 탈산제와 산화철의 첨가량을 소정치로 제어하여 내기공성 및 작업성을 향상시키기 위한 것이다. 또 다른 종래기술로는 대한민국 특허 공개번호 2001-061851호가 있다. 상기 종래기술은 금속철, 슬래그 형성제, 불화물의 함량과 비를 적절히 조절하여 와이어의 내기공성과 슬래그 박리성을 향상시키기 위한 것이다.

그러나, 상기 종래기술들은 근본적으로 TiO₂를 주성분으로 하여 용착금속 표면에 슬래그를 형성하는 티타니아계 플럭스 충전와이어로서, 용접금속 표면 전체에 슬래그가 포피되므로써 연소가스가 내부에 잔류하여 내기공성이 열화될 가능성이 있으며 용접속도를 향상시키는데 한계가 있는 문제점이 있다.

상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 또 다른 종래기술로는 본 발명자가 출원한 대한민국 특허 출원번호 2001-84761호가 있다. 상기한 종래기술은 불화물 및 C의 함량을 적절히 제어하여 내기공성을 향상시키는 것에 관한 것이다. 그러나, 상기 종래기술은 선경 1.6mm 정도의 용접 와이어를 사용하여 용접속도 1500mm/min로 용접하는 데에는 적합하나, 선경 2.0mm 이상의 태경 와이어를 적용하여 2000mm/min 이상의 속도로 고속 용접할 경우 내기공성 및 극저온(-30℃ 이하) 충격인성 등이 열화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 와이어 조성을 최적화하고, 그 조성내에서 C함량, 플럭스 중 산소 및 질소 함량에 대한 탈산제와 불화물 함량의 적절한 제어를 통하여 우수한 내기공성과 양호한 작업성 그리고 우수한 저온 충격인성을 갖는 2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어를 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.10%, 탈산제: 1.0~4.5%, 아크안정제: 0.005~0.25%, 불화물중 F환산량: 0.005~0.30%, 플럭스 중의 산소: 0.5% 이하, 플럭스 중의 질소: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 C, 탈산제, 불화물중 F환산량, 산소 및 질소의 함량이 다음 수학식 1,

[수학식 1]

을 만족하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 비드 표면의 슬래그가 거의 발생되지 않는 메탈코어드 와이어로서, 기존의 티타니아계 플럭스 충전와이어가 가지는 내기공성이 부족한 문제점을 해결한 우수한 내기공성과 양호한 작업성 그리고 우수한 저온 충격인성을 갖는 2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어에 관한 것이다.

먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

C: 0.01~0.10중량%

상기 C는 2전극 용접에 있어서 아크를 안정화 시키며 스패터 발생을 감소시킬 뿐만 아니라 아크력을 증대시켜서 산화개재물(MnO,Al₂O₃,SiO₂등)의 용착금속내 침투를 억제시켜서 건전한 용접부를 얻을 수 있게 한다. 또한, 용접부의 인성과 강도를 유지하는데 유효한 성분이다.

상기 C의 함량이 0.01중량% 미만이면 아크력이 저하되어 결함의 발생이 용이하게 되고 용접금속의 강도와 인성이 저하되며, 0.10중량%를 초과하면 아크 안정성이 저하되고 스패터가 과도하게 발생되어 용접작업성을 열화시킨다. 또한, 과량의 C가 수소와 결합하여 메탄가스(CH₄)를 발생시켜 피트 및 블로우홀 등을 발생시키고 용접금속의 강도를 과도하게 증가시켜 저온 인성을 열화시키므로, 그 함량을 0.01~0.10중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

탈산제: 1.0~4.5중량%

상기 탈산제로는 Si,Mn,Mg,Ti,Al,Ca,Zr 등이 있으며, 용접금속 내부의 산소 및 질소의 함량을 저감하여 건전한 용접금속을 형성하고, 용탕의 점성을 증가시켜 용접중 발생하는 프라이머 연소가스에 의한 기공이 용접금속 저면에서 중앙부로 성장하는 것을 억제시키는데 유효한 성분이다. 상기 탈산제의 총합이 1.0중량% 미만이면 용접금속내 탈산이 부족하여 용접금속 내에 잔존하는 산소와 질소함량이 과도해져서 -30℃ 이하에서의 인성이 저하되며, 용탕의 점성 저하로 인해 프라이머 연소가스의 발생을 억제하지 못하여 표면에 피트, 블로우홀 등을 형성하고, 4.5중량%를 초과하면 아크의 불안정 및 스패터의 과다로 용접작업성이 열화되므로, 그 함량을 1.0~4.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

아크안정제: 0.005~0.25중량%

상기 아크안정제로는 Na,K,Li,Rb,Cs 등이 있으며, 스패터의 발생량을 저감시키고 스프레이 아크 이행성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 아크안정제의 총합이 0.005중량% 미만이면 아크 안정 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 스패터가 과다하 게 발생하는 문제가 있으며, 0.25중량%를 초과하면 아크 증기압이 상승하여 아크불안을 초래하고 용접 흄(Fume)발생이 과다하며 비드 외관이 불균일해지므로, 그 함량을 0.005~0.25중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

불화물중 F환산량: 0.005~0.30중량%

불화물은 용접금속 내부의 탈수소 작용 및 용접과정 중 용접금속의 응고를 지연시켜 용접금속 내부의 프라이머 연소 가스가 대기로 방출될 수 있는 시간을 충분히 확보한다. 상기 불화물을 적절하게 첨가하면 피트 및 블로우홀을 형성하는 프라이머 연소가스의 주된 성분인 수소를 현저하게 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 아크가 안정화되며 스패터의 발생도 저감된다. 상기 불화물은 NaF, Na₃AlF_6, K₂SiF ₆, CaF_2, LiF, MgF_2, BaF₂ 등의 형태로 첨가될 수 있다.

상기 불화물중 F환산량이 0.005중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.30중량%를 초과하면 스패터 및 흄이 과다하게 발생되며 용융금속의 점성이 낮아져 비드외관을 해치므로, 그 함량을 0.005~0.30중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

산소: 0.5중량% 이하, 질소: 0.025중량% 이하

본 발명의 와이어에 있어서, 플럭스 내부에 존재하는 산소 및 질소의 함량이 각각 0.5중량% 및 0.025중량%를 초과하면 용접과정 중 용접금속 표면에 피트 및 블로우 홀을 형성하며, 용접 후 용접금속 내부에 잔존하여 인성을 저하시킨다. 또한, 용탕의 점성을 저하하여 프라이머 연소가스에 의한 기공이 용접금속 저면에서 중앙부로 성장하는 문제를 초래하므로, 그 함량을 각각 산소 0.5중량% 이하, 질소 0.025중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 우수한 내기공성 및 양호한 작업성능 그리고 우수한 저온 충격인성 확보를 위하여 상기 C, 산소, 질소 함량에 대한 탈산제 및 불화물중 F환산량의 비를 하기 수학식 1과 같이 관리하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 C는 용접과정 중 수소와 결합하여 피트 및 블로우홀 생성의 주된 요인중의 하나인 메탄(CH₄)가스를 형성하므로 불화물을 첨가하여 수소 함량을 제어한다. 또한, 상기 플럭스내 산소와 질소는 피트 및 블로우홀 생성의 주된 요인중의 하나인 동시에 용접 금속의 저온 인성을 저하시키므로 탈산제를 첨가하여 이를 제어한다.

상기 수학식 1의 비가 2.5를 초과하면 C 함량에 비하여 불화물중 F환산량이 부족하므로 탈수소 작용이 부족하여 CH₄가스가 용이하게 형성되므로써 블로우홀을 형성하 게 된다. 또한, 산소 및 질소함량에 비하여 탈산제가 부족하므로 탈산부족에 의한 가스성분의 용접금속 중 혼입으로 인하여 저온 인성이 저하될 뿐만 아니라, 용탕의 점성 부족으로 인한 프라이머 연소가스의 부상으로 표면 결함이 발생되므로, 상기 수학식 1의 비는 2.5 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기한 조성에 Ni를 추가로 포함할 수 있다. 상기 Ni는 아크 안정성과 내기공성을 향상시키는 효과가 있고, -30℃ 이하의 저온인성을 안정화 시키는데 유효한 성분으로써 본 발명에서는 와이어에 대한 중량%로, 0.2~3.0%의 Ni을 첨가하는 것이 가장 바람직하다. 그 이유는 상기 Ni함량이 0.2중량% 미만이면 Ni첨가에 따른 효과가 적고, 3.0중량%를 초과하면 용접금속의 강도를 과도하게 증가시킬 뿐만 아니라 아크의 불안을 야기하여 비드외관이 나빠지기 때문이다.

또한, 본 발명의 메탈코어드 와이어는 CO₂ 가스 혹은, CO_2, Ar, He, O₂ 등을 혼합한 혼합가스 모두를 보호가스로 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이, 조성을 달리하여 선경 2.0mm의 메탈코어드 와이어를 각각 제조하였다. 이때 와이어를 구성하는 연강제 외피는 외피 전 중량에 대한 중량%로 C: 0.026%, Si: 0.015%, Mn: 0.18%, P: 0.010%, S: 0.015%, 나머지는 Fe 및 불순물로 이루어진 것을 사용하였다.

단, 상기 표 1에서 식①=

이다.

상기와 같이 마련된 용접용 와이어들을 하기 표 2와 같은 용접조건 하에서 트윈탠 덤(twin tandem) 1풀(pool)법으로 프라이머(primer) 도포두께가 40~50㎛인 15mm×150mm×2000mm의 T-Fillet 무기아연 프라이머 도포강판의 용접에 사용하였다. 상기 용접후 작업성, 내기공성 및 충격인성 등을 평가하여 하기 표 3에 나타내었다.

상기 작업성의 평가는 용접작업자의 관능평가를 통해 이루어졌으며, 내기공성은 용접길이 2m당 용접부 이면측 파단면 내부의 블로우홀(blow hole) 발생 정도 및 비드표면의 피트(pit) 발생 정도로 부터 평가하였다.

또한, 상기 충격인성의 평가는 미국용접협회(American Welding Society) AWS A 5.18의 규격에 준하여 행해졌으며, -30℃에서의 충격흡수 에너지가 80Joule이상이면 우수, 47~80Joule은 양호, 27~46J은 보통, 27Joule 미만은 불량으로 평가하여 표 3에 나타내었다.

선행극과 후행극 (전류/전압)	용접속도	용접각장	보호가스
500A/42V, 450A/38V	2000mm/min	5mm	Ar+20%CO2, 20ℓ/min

구분	작업성	내기공성	충격인성	종합평가
발명재1	◎	○	△	○
발명재2	○	△	○	○
발명재3	○	○	○	○
발명재4	○	○	○	○
발명재5	△	◎	◎	◎
발명재6	○	○	○	○
발명재7	△	◎	○	○
발명재8	○	◎	◎	◎
발명재9	○	○	◎	◎
발명재10	○	○	○	○
비교재1	○	×	○	×
비교재2	×	○	○	△
비교재3	○	△	×	△
비교재4	○	△	×	△
비교재5	○	×	○	△
비교재6	△	×	△	×
비교재7	×	○	△	×
비교재8	×	△	○	△
비교재9	△	×	×	×
비교재10	×	△	△	△
비교재11	×	△	△	×
비교재12	×	×	×	×
◎: 우수 ○: 양호 △: 보통 ×: 불량

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 와이어의 성분함량이 적정하게 제어된 발명재(1∼10)은 비교재(1~12)에 비하여 작업성, 내기공성, 충격인성 측면에서 모두 우수한 결과를 나타내었다. 특히, Ni이 0.2~3.0중량% 범위로 첨가된 발명재(5, 8, 9)는 더욱 우수한 내기공성 및 충격인성을 나타내는 것을 알 수 있다.

이에 반하여 비교재(1∼12)는 본 발명의 와이어 성분 조성 범위를 벗어난 것으로서, 작업성, 내기공성, 충격인성 측면에서 본 발명이 목표로 하는 결과를 얻을 수 없었다. 특히, 비교재(6, 9, 11)은 와이어 조성성분의 함량은 본 발명의 범위내에 있지만, 상기 수학식 1을 만족하지 않는 것으로 본 발명이 목표로 하는 결과를 얻지 못했다.

상술한 바와같이, 본 발명은 탈산제, 아크안정제, 불화물중 F환산량 뿐만 아니라 C, 산소 및 질소에 대한 탈산제 및 불화물중 F환산량의 비를 적절하게 제어함으로써 우수한 내기공성과 양호한 작업성 그리고 우수한 저온 충격인성을 갖는 2전극용 메탈코어드 와이어를 제공하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 와이어에 대한 중량%로, C: 0.01~0.10%, 탈산제: 1.0~4.5%, 아크안정제: 0.005~0.25%, 불화물중 F환산량: 0.005~0.30%, 플럭스 중의 산소: 0.5% 이하, 플럭스 중의 질소: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 C, 탈산제, 불화물중 F환산량, 산소 및 질소의 함량이 다음 수학식 1,

   [수학식 1]

   

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 조성에 Ni이 0.2~3.0중량% 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 2전극 고속필렛 아크용접용 메탈코어드 와이어.