KR100905602B1 - 용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 tig 용접 방법 - Google Patents

용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 tig 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TIG 용접부의 가공성 향상을 위하여 MgO 분말, CaO 분말 또는 MgO 및 CaO 분말의 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 용접 이전에 seam부에 도포하는 단계 및 상기 혼합물이 도포된 seam부를 TIG 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하여 MgO 및/또는 CaO 분말의 혼합 및 도포한 이후에 TIG 용접을 수행하는 경우, 용접부의 결정립(조직) 미세화가 이루어질 수 있어 용접부의 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
TIG 용접, seam부, 가공성, 개재물, 페라이트계 스테인리스강

Description

용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접 방법{TIG Welding Method of Ferritic Stainless Steel for Excellent Formability of Welding Part}
본 특허는 페라이트계 스테인리스강판의 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접시 용접부의 가공성을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TIG 용접개시 전에 용접이 이루어질 Seam부를 따라 MgO 및 CaO 분말을 도포함으로써 용접부의 결정립을 미세화시키고 이를 통해 TIG 용접부의 가공성을 향상시킬 수 있는 용접방법에 관한 것이다.
페라이트계 스테인리스강은 니켈을 함유하지 않은 스테인리스강으로써, 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 낮은 가격과 내응력 부식 특성이 우수하다는 장점을 갖는다. 또한, 온도변화에 의한 열팽창률이 적어 그 이용 및 수요가 점차 증가하고 있는 소재다.
이러한 페라이트계 스테인리스강은 특히 자동차 배기계용 파이프로의 이용에 대해 적극 검토되고 있으며, 실제로 여러 방면에서 자동차 배기계 관련 제품의 생산에 사용되고 있다.
일반적인 자동차 배기계 관련 제품의 제작공정은 크게 파이프를 제작하는 조관용접 공정 및 제작된 파이프를 적당한 사이즈로 확관 및 설계에 알맞게 밴딩하는 가공공정을 포함하는 조립공정으로 나눌 수 있으며, 특히 자동차 배기계용 조관공정에서 적용되는 용접방법으로는 크게 TIG 용접, ERW 용접, LBW 용접 방법 등이 있다.
이들 용접방법들 중, TIG 용접은 가장 오래전부터 사용되어 온 용접 방법으로, 용접 장치 및 설비의 초기 투자비가 저렴하여 최근까지도 널리 사용되고 있는 방법이다. 하지만, TIG 용접은 ERW 용접이나 LBW 용접에 비해 용접부의 결정립이 조대해지는 단점이 있기 때문에, 용접 이후에 수행되는 밴딩 혹은 확관과 같은 가공 공정시 용접부에 균열이 발생하는 등 용접부의 가공성이 저하되는 단점을 가진다.
삭제
따라서 이러한 문제를 해결하고 용접부 결정립을 미세화시키기 위한 방법으로 용접 직후 용접부를 급냉시키는 방법이 나타났으나, 급냉에 의한 용접부의 경도가 높아질 수 있으며, 별도의 설비 및 장치가 필요하기 때문에 비용이 증가되는 문제점이 존재한다.
또한, N2가 함유된 복합 쉴딩가스를 이용하여 용접시 강재 내의 원소와의 반응을 이용하여 질화물을 형성시키고, 이 질화물을 결정립 핵 생성 사이트로 작용을 하도록 하여 결정립을 미세화시키는 방법도 종래에 나타났으나, 이 방법은 용접부 내에 N2가 과다 혼입되어 용접부가 경화될 우려가 있다.
본 발명은 TIG 용접부의 미세화에 관한 상술한 문제점을 해결하고 아울러 저비용으로 용접부의 경도 증가없이 결정립을 미세화시키는 방법을 제안하기 위한 것이다.
본 발명은 이러한 TIG 용접부의 가공성 향상을 위하여 용매제에 MgO 분말 및 CaO 분말 중 적어도 1 이상의 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 용접 이전에 seam부에 도포하는 단계 및 상기 혼합물이 도포된 seam부를 TIG 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접방법을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명은 상기 MgO 분말의 입자 크기를 180~500㎛ 으로, 상기 CaO 분말의 입자 크기를 130~500㎛으로 한정하는 것을 특징으로 하는 TIG 용접 방법을 제공하고자한다.
나아가, 본 발명은 상기 혼합물이 글리세린 100중량부에 대하여 0.1~5중량부의 MgO 분말, CaO 분말 또는 MgO 및 CaO 분말을 혼합한 것임을 특징으로 하는 TIG 용접 방법을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명은 상기 혼합물의 도포방법이 직접 도포법, spray 도포법 및 함침 도포법으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 도포법에 의하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 TIG 용접 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 의하여 MgO 및/또는 CaO 분말의 혼합 및 도포한 이후에 TIG 용접을 수행하는 경우, 용접부의 결정립(조직) 미세화가 이루어질 수 있어 용접부의 가공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 발명자들은 이에 대해 심도있게 연구한 결과, MgO 및/또는 CaO 분말을 용접시 용접부에 혼입시키면, TiN 생성 사이트로 작용하며, 여기에서 생성된 TiN을 기점으로 결정립이 생성되어 결과적으로 TIG 용접부의 결정립이 미세화되는 것을 알게 되었다.
본 발명에서 MgO 및/또는 CaO 분말의 혼입시 MgO 분말의 입자 크기가 180~500㎛ 수준, 바람직하게는 180~300㎛ 수준으로, CaO 분말의 입자 크기가 130~500㎛ 수준, 바람직하게는 130~300㎛ 수준으로 미세화되는데, 이러한 수준의 미세한 결정립에 의하여 결국 용접부의 특성은 향상될 수 있는 것이다. 상기 MgO 및/또는 CaO의 결정립이 180㎛ 및 130㎛보다 더 미세화된다면 바람직하지만, 공정 상 이보다 더 미세화시키는 것은 어렵고, 500㎛를 초과하는 수준에서는 결정립의 미세화 효과가 미미하다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 페라이트계 스테인리스 강판에 TIG 용접이 이루어질 seam부에 MgO 및/또는 CaO 분말을 도포한다. 이 경우, 분말 자체로 도포하면 쉴딩가스에 의해 분말이 비산되어 용접부에 혼입되는 양이 감소할 수 있으므로, MgO, CaO 분말을 글리세린과 같은 점성을 가진 용매제에 혼합하여 도포한다.
또한, 상기 분말은 용매제 100g당 0.1~5g, 바람직하게는 1~2g의 함량으로 혼합하여 도포한다. 만일 0.1g 미만일 경우에는 도포량이 너무 적어져 충분한 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 반면 5g을 초과하면 용접부에 지나치게 산화성 개재물이 많이 생겨서 용접부 가공성이 오히려 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 도포제 혼합물을 seam부에 도포하기 위해서는 직접 도포, spray 도포, 용액에 함침시켜 도포하는 방법으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 방법으로 가능하며, 바람직하게는 spray 도포법에 의할 수 있다.
이렇게 용매제에 MgO 및/또는 CaO 분말을 혼합하여 도포할 경우에는 TIG 용접부를 구성하는 조직 미세화가 이루어질 수 있다. 이러한 조직 미세화는 도 2에 잘 나타나 있는데, 분말의 도포가 이루어지지 않은 경우(도 2(a))에 비해 분말의 도포가 이루어진 경우(도 2(b) 및 (c))에서, 결정립의 크기가 더 미세화된 것을 알 수 있다. 이러한 결정립의 미세화 효과에 따라 용접부 가공성은 향상될 수 있게 된다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에서는 페라이트계 스테인리스강에 TIG 용접을 DC type 용접기(최대용접전류 350A), bead on plate 방식으로 실시하였다. 본 실시예의 용접은, 용접속도 0.32m/min, 텅스텐 전극직경 : 2.5mm, Arc length : 1.5mm, 전극선단각 : 100°조건으로 수행되었다. 대상 강재로는 두께 1.5mmt의 409L이 사용되었으며, 용접 후의 결정립 크기를 하기 표 1에 나타내었다.
평가 항목 현 수준 개선 후
MgO CaO
결정립의 크기(㎛) 530 185 138
표 1을 참고하면, MgO 또는 CaO 분말을 도포하지 않고 용접을 수행한 경우에 비해 분말의 도포시에 결정립의 크기가 현저히 감소하였음을 알 수 있다.
도 3은 MgO 또는 CaO 분말을 도포한 TIG 용접부 결정립 내에 존재하는 개재물을 분석한 결과를 나타낸 것으로, 도포된 MgO 또는 CaO 분말이 용접 중 용융 pool내로 혼입되어, 일부는 분해 및 재결합되어 산화물을 이루고, 일부는 원래 산화물의 형태로서 TiN의 핵 생성 사이트의 역할을 하는 것을 알 수 있다.
이러한 현상을 살펴볼 때, 도포된 MgO 또는 CaO 분말에 의해 TiN의 생성이 촉진되고, MgO 또는 CaO 분말에 의해 생성된 TiN이 페라이트 결정립 핵 생성 사이트 역할을 하여 결정립 미세화를 촉진시켜 용접부 특성이 향상되는 것으로 판단된다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 MgO 또는 CaO를 도포한 후 상기 실시예 1의 조건으로 TIG 용접을 수행한 용접부의 온도에 따른 샤르피 충격 에너지를 측정하여 이를 바탕으로 구해진 DBTT의 결과를 하기 표 2 및 도 4에 나타내었다.
평가 항목 현 수준 개선 후
MgO CaO
DBTT(℃) -10 -28 -36
본 실시예의 도 4를 참고할 때, MgO 또는 CaO를 도포한 용접부의 샤르피 충격 에너지(-▲- 및 -▼-), 모재(-■-) 및 분말의 도포가 이루어지지 않은 경우(-●-)의 샤르피 충격 에너지를 각각 측정해본 결과, DBTT가 분말 도포 이후에 현저히 낮아져서 가공성이 대폭 향상될 수 있음을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명에 의해 분말을 도포한 후 TIG 용접을 하는 공정을 나타내는 도면.
도 2는 분말을 도포하지 않고 용접을 수행한 경우(a) 및 MgO(b), CaO(c) 분말을 도포한 후에 용접을 수행한 경우에 대한 용접부의 현미경 사진.
도 3은 MgO 또는 CaO 분말을 도포한 TIG 용접부 결정립 내에 존재하는 개재물을 분석한 결과를 나타낸 사진.
도 4는 분말 도포 후 용접시 DBTT값을 모재와 비교하는 그래프.
● 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 용접 방향
12 : 분사되는 쉴딩 가스
13 : 용접이 완료된 부위
14 : 용융 용접 풀(pool)
15 : 산화물 분말
16 : 쉴딩 가스
17 : 텅스텐 전극

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 용매제에 MgO 분말 및 CaO 분말 중 적어도 1 이상의 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 용접 이전에 seam부에 도포하는 단계; 및
    상기 혼합물이 도포된 seam부를 TIG 용접하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 MgO 분말의 입자 크기는 180~500㎛, 상기 CaO 분말의 입자 크기는 130~500㎛임을 특징으로 하는 용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접 방법.
  3. 용매제에 MgO 분말 및 CaO 분말 중 적어도 1 이상의 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 용접 이전에 seam부에 도포하는 단계; 및
    상기 혼합물이 도포된 seam부를 TIG 용접하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 혼합물은 글리세린 용매제 100중량부에 대하여 0.1~5중량부의 MgO 분말, CaO 분말 또는 MgO 및 CaO 분말을 혼합한 것임을 특징으로 하는 용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 혼합물의 도포는 직접 도포법, spray 도포법 및 함침 도포법으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 도포법에 의하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 용접부 가공성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강의 TIG 용접 방법.
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