KR100918550B1

KR100918550B1 - 용접 와이어

Info

Publication number: KR100918550B1
Application number: KR1020050092092A
Authority: KR
Inventors: 히로츠구 호리오; 료지 타카하시; 히로타카 미나미카와; 마코토 츄조야
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2009-09-21
Also published as: CN100496866C; TW200616749A; CA2521820C; KR20060051937A; TWI333439B; AU2005222500A1; CN1762646A; AU2005222500B2; CA2521820A1

Abstract

Ti 또는 Ti합금을 포함하는 용접 와이어에 있어서, 상기 용접 와이어는, 그 표면에 산소 농화층을 가지고, 또한, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속으로 이루어진군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 가지는 금속 화합물을 갖는 용접 와이어.

Ti, 용접 와이어, 산소 농화층, 알칼리 금속, 알칼리 토금속

Description

용접 와이어 {Welding Wire}

도 1은 본 발명의 용접 와이어 표면의 현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 용접 와이어 단면의 표층부의 현미경 사진이다.

도 3은 본 발명의 용접 와이어의 제조시에 있어서, 신선(伸線, wire drawing) 전의 표층부의 현미경 사진이다.

도 4는 각 금속의 전리 전압과 비점의 상관도이다.

도 5는 본 발명에서 정의하는 집중 아크(arc)의 설명도이다.

도 6은 실험예 6의 용접 와이어를 이용하여 형성한 비드(bead)를 보여주는 사진이다.

도 7은 형태 불량의 비드를 보여주는 사진이다.

도 8은 집중 아크의 일례를 보여주는 사진이다.

도 9는 확산 아크의 일례를 보여주는 사진이다.

본 발명은, Ti계 재료의 MIG용접에 이용하는 용접 와이어에 관한 것이며, 더 자세하게는, 안정된 아크(arc)와 안정된 용적이행(droplet transfer)을 양립시 키고, 우수한 비드(bead) 형상의 형성을 가능하게 하는 용접 와이어에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 용접 와이어를 Ti용사(溶射)에 이용한 경우에도, 안정된 아크와 우수한 용사 피막을 얻을 수 있다.

Ti 또는 Ti합금으로 된 부재의 용접에 관해서는, TIG용접법(Tungsten Inert　Gas　Welding) 대신에, 용접효율이 보다 우수한 MIG용접(Metal　Inert　Gas Welding)이 주목받고 있다. 이 MIG용접은, 와이어 공급기로부터 송급되는 Ti 또는 Ti합금제의 용접 와이어와 피용접재를 실드 가스(shielding gas)로 둘러싸인 상태로 양자 간에 아크를 발생시키고, 그때 생성되는 용접 와이어의 용적을 피용접재에 이행ㆍ착지시키는 것에 의해, 비드를 연속적으로 형성하는 상태로 진행된다.

그때 중요한 것은, 발생 아크의 안정화, 또한, 용접 와이어로부터의 용적이 안정하게 용접부로 이행해 착지하는 것이다. 발생 아크가 안정되어 있지 않는다든지, 용적이 안정하게 용접부로 이행하지 않는다든지 하면, 예를 들면 도 7에서 나타나듯이, 형성된 비드에 수축이 생기고, 또한 두툼해진 상태도 균일하지 않게 된다. 이러한 형상의 비드는, 용접부에 있어서의 강도 특성의 신뢰성을 보장한다고 말하기 어렵다.

그런데, Ti는 활성 금속이기 때문에, 실드 가스로써 산소-함유 가스를 사용하면, 비드 표면이 산화될 뿐만 아니라, 용접부의 연성 저하를 초래하게 된다. 그래서, 보통, 순수한 Ar가스 등과 같은 고순도의 불활성 가스가 실드 가스로써 사용되고 있다. 그러나, 실드 가스에 산소가 포함되어 있으면, 아크 발생시의 음극점(陰極點)이 용접 와이어하의 피용접재에 고정되고, 그 결과, 아크가 안정화된다는 것도 알려져 있다(비특허문헌 1을 참조).

이것은, 발생 아크의 자리에 산소가 공급되고 있으면, 음극점이 안정화되고, 그 결과적으로 발생 아크도 안정화되는 것을 의미한다. 이러한 것을 근거로 하여, 다음과 같은 Ti재의 용접용 와이어가 제안되고 있다(특허문헌 1을 참조). 이 용접 와이어는, Ti 또는 Ti합금을 포함하는 와이어의 표층부에, 와이어의 내층부보다 산소 농도가 높은 산소 농화층이 형성되어 있고, 이 산소 농화층의 두께는, 상기 와이어의 표면에 존재하는 극히 얇은 자연 산화막보다도 두꺼운 와이어이다.

이 와이어는, 예를 들면 원하는 조성의 Ti재를 일단 압연하고, 이어서 산소 함유 공기로 가열 처리해 표층부에 자연 산화막보다 두꺼운 Ti산화물층(산소 농화층)을 형성한 후, 냉간(冷間)으로 미리 정해진 와이어 직경까지 연선하여 제조되고 있다. 그리고, 이 와이어를 MIG용접의 용접 와이어로써 사용하면, 실드 가스로써 산소-함유 가스를 사용하지 않아도, 산소 농화층으로부터 발생 아크의 자리에 산소가 공급되므로, 음극점이 안정화된다. 그 결과, 형상이 양호한 비드가 형성된다.

비특허문헌 1: 일본 용접학회 전국대회 회보 65(1999), 276

특허문헌 1: 일본특허공개공보 제2003－326389호

특허문헌 1의 와이어에 관한 그 후의 연구에 의하면, 이 와이어로 MIG용접을 실시하면, 다음과 같은 현상이 발생되는 것이 판명되었다.

우선, 발생 아크의 음극점은, 어느 와이어의 경우도, 추론했던 대로 와이어하의 피용접재의 위치에 있고, 변동하는 일 없이 안정되어 있다. 그러나, 와이어의 끝 부분에서는, 도 8에 나타난 바와 같은 형상의 집중된 아크(이하, 집중 아크라고 한다)와 도 9에 나타난 것과 같은 형상의 확산된 아크(이하, 확산 아크라고 한다)의 2 종류의 아크가 발생한다. 전자의 아크는 안정화되어 있고, 후자의 아크는 불안정하다.

그리고, 전자의 집중 아크가 발생한 경우는, 와이어의 끝 부분은 반드시 용적(droplets)이 되어 이탈하여 용접부로 이행하고, 형성되는 비드의 형상ㆍ외관은 양호해진다. 그러나, 후자의 확산 아크가 발생한 경우는, 와이어 끝 부분으로부터 용적이 이탈하지 않는 경우가 있다. 또한, 용적이 이탈했다고 해도, 이탈에 필요한 시간이 길고, 따라서 용적이 용접부로 이행하는 시간도 길어진다. 그 결과, 1펄스(pulse) 통전(通電) 사이에 해당용적은 용접부로 이행하지 못하고, 용적의 이행이 완료되기 전에 다음의 1펄스 통전이 실행된다.

그렇기 때문에, 형성되는 비드의 두툼해진 상태는 균일해지지 않고, 용접 방향으로 부분적으로 수축 등이 발생하는 경우가 있다. 또한 스패터(spatter)가 다량으로 발생해, 비드의 외관이 안 좋아진다. 이러한 현상은, 와이어의 끝 부분, 즉, 양극점이 불안정화되어 있는 것에서 기인하여 발생한다고 생각된다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하여, 아크 방전시의 음극점과 양극점이 모두가 안정화되고, 그 때문에 아크는 안정화되고, 또한 용적의 이행도 안정화되어 있는 용접 와이어의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 검토하기 위하여 예의검토한 바, 이하에 나타내 는 용접 와이어, 및, 용접 장치에 의해 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명의 목적은, 이하의 용접 와이어, 및, 용접 장치에 의해 달성되었다.

(1) Ti 또는 Ti합금을 포함하는 용접 와이어에 있어서, 상기 용접 와이어는 그 표면에 산소 농화층과 알칼리 금속 및 알칼리 토금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 가지는 금속 화합물을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(2) 상기 (1)에 있어서,

상기 금속 화합물의 함유량은, 상기 용접 와이어의 총 질량에 대해서 0.002∼0.050중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(3) 상기 (1)에 있어서,

상기 용접 와이어는 그 표면에 크랙(crack)을 가지며, 상기 크랙 속에 상기 금속 화합물이 존재하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(4) 상기 (1)에 있어서,

상기 금속의 비점은 2000℃ 이하인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(5) 상기 (1)에 있어서,

상기 금속 화합물은 Ca를 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(6) 상기 (1)에 있어서,

상기 산소 농화층의 두께를 Tw, 상기 용접 와이어의 와이어 직경을 Dw로 했 을 때, Tw/Dw의 값이 0.3×10^-3∼1×10^-1이고, 상기 산소 농화층의 평균 산소 농도가 1중량% 이상인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(7) 상기 (6)에 있어서,

상기 산소 농화층의 평균 산소 농도는 1∼40중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(8) 상기 (1)에 있어서,

상기 용접 와이어의 표면 조밀도는, JIS　B0601에서 규정하는 Ry로 표시되는 표면 조밀도로, 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

(9) 상기 (6)에 있어서,

상기 산소 농화층의 두께를 Tw, 상기 용접 와이어의 와이어 직경을 Dw로 했을 때, Tw/Dw의 값이 1×10^-3∼50×10^-3이고, 상기 산소 농화층의 평균 산소 농도는 1∼30중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.

발명을 실시하기 위한 바람직한 형태

상기의 효과는, Ti 또는 Ti합금으로 된 용접 와이어에 있어서, 용접 와이어가, 그 표면에 산소 농화층을 가지고, 또한, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 가지는 금속 화합물을 갖는 용접 와이어에 의해 달성된다.

또한, 본 발명에 있어서, 용어 용접 와이어는, 용접용의 와이어는 물론 용사용의 와이어(용사 와이어)도 포함하는 의미를 가진다.

최초로, 본 발명의 용접 와이어의 표면 현미경 사진과 표층부의 단면 현미경 사진을, 각각, 도 1, 도 2로써 나타낸다. 도 1에서 분명히 알 수 있듯이, 이 용접 와이어는, 표면이 산소 농화층에서 피복되고, 그리고, 후술하는 연선 공정에서 발생하는 미세한 표면상의 크랙이 용접 와이어 표면 전체에 분포하여 형성되어 있다. 상기의 표면상 크랙은, 도 2에서 나타난 바와 같이, 용접 와이어 표면의 산소 농화층으로부터 모재 중층부로 향하는 어느 깊이의 균열로 형성되어 있다. 그리고, 그 크랙 속에, 알칼리 금속이나 알칼리 토금속을 포함한 후술의 화합물이 충전되어 있다.

본 발명에 있어서, 산소 농화층, 및, 그 평균 산소 농도는 이하와 같이 정의된다. 즉, 와이어의 단면을 경면 연마(鏡面硏磨)하고, EPMA(Electron　Probe　Micro　Analysis)에 의해 산소 농도 분포를 면 분석한다. 그 분석에 의해 얻어진 와이어 중심부에서의의 산소 농도를 1로 하고, 산소 농도가 1.2 이상(와이어 중심부에서의 산소 농도의 1.2배 이상)이 되는 영역을 산소 농화층으로 한다. 또한, 상기 산소 농도가 1.2이상이 되는 영역에서의 산소 농도의 평균치(측정점 5 곳)를, 산소 농화층의 평균 산소 농도로 한다. 또한, 와이어 단면의 주방향에 있어서, 산소 농도가 불규칙적으로 분포한 경우는, 단면 반경 방향의 여러 가지의 위치에 농도 측정원(圓)을 설정하고, 각 농도 측정원을 따라 산소 농도를 평균화하는 것에 의해, 주방향으로 평균화된 단면 반경 방향의 산소 농도 분포를 구한다. 그리고, 그 단면 반경 방향의 산소 농도 분포에 있어서, 산소 농도가 와이어 중심부에서의 산소 농도의 1.2배 이상이 되는 영역을 산소 농화층으로 한다.

본 발명의 산소 농화층의 두께는, 와이어 표면에 발생하는 자연 산화막보다 두꺼운 것이 바람직하다. 자연 산화막의 두께는, 보통, 40∼100nm이다.

또한, 본 발명의 산소 농화층은, 이하의 관계를 충족하는 것이 바람직하다.

즉, 산소 농화층의 두께를 Tw, 용접 와이어의 와이어 직경을 Dw로 했을 때, Tw/Dw의 값이 0.3×10^-3∼1×10^-1이고, 동시에, 산소 농화층의 평균 산소 농도가 1중량% 이상인 것이 바람직하다. 이러한 두께 및 평균 산소 농도를 가지는 산소 농화층을 형성하는 것으로 인해, 와이어 공급기의 콘딧 튜브(Conduit Tube) 등을 통한 와이어의 송급성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다. 또한, 아크 용접 또는 아크 용사를 실시할 때의 아크의 안정성도 양호해진다.

Tw/Dw가 0.3×10^-3(Tw가 Dw의 0.03%) 미만이 되거나, 또는, 산소 농화층의 평균 산소 농도가 1 중량% 미만이 되면, 송급성(feedability) 개선 효과가 불충분해진다. 또한, 아크가 불안정화되기 쉬워지고, 균일한 용접 비드나 용사층(溶射層)을 형성하는데 있어서 불리하게 된다. 또한, Tw/Dw가 1×10^-1(Tw가 Dw의 10%) 이상인 경우에는, 산소 농화층의 형성 처리에 매우 오랜 시간을 필요로 하고, 또한, 형성이 어려운 것에 비해 효과가 부족하다. 용접 등에 사용하는 경우는 오히려, 용접 구조의 용접 이음새 강도 저하 등과 같은 폐해를 초래하는 경우도 있다.

산소 농화층의 평균 산소 농도의 상한치에 대해서, 이하에 기재한다. 산소 농화층의 평균 산소 농도는, 산소 농화층의 전체가 산화 티탄으로 형성되어 있는 경우에 최대가 되고, 그 값은, 형성되어 있는 산화물의 분자식으로부터 계산되는 산소 함유 비율과 동일하다고 생각된다. 예를 들면, 형성되는 산화물이 TiO₂이면, 그 화학양론적인 산소 함유량으로부터 계산되는 평균 산소 농도의 상한치는 40.06 중량%(Ti의 원자량을 47.88, 산소의 원자량을 16.0으로 하여 계산)이다. 또한, TiO₂보다 산소의 화학양론비가 훨씬 더 높은 Ti산화물을 형성해도 되고, 예를 들면 Ti₂O₅를 형성하는 경우, 평균 산소 농도의 상한치는 45.52중량%가 된다. 따라서, 산소 농화층의 평균 산소 농도의 최대치가 45.52중량%를 넘는 것은, 보통 고려되지 않는다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 산소 농화층의 평균 산소 농도의 최대치는 45.52중량%라고 할 수 있다. 그러나, 산소 농화층의 평균 산소 농도를 45.52중량%로 하면, 용접 이음새의 연성 저하 등과 같은 폐해가 발생하는 경우가 있다. 따라서, 산소 농화층의 평균 산소 농도는, 40중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 아크 안정화 효과를 보다 현저하게 하기 위해서는, 산소 농화층의 두께 Tw와 와이어 직경 Dw와의 비 Tw/Dw를, 1×10^-3∼1×10^-1의 범위로 조정하는 것이 보다 바람직하다. 특히, 열산화법 등의 채용에 의해, 최표층부의 산화 티탄층(자연 산화막의 두께 40∼100nm정도와 동등, 또는, 그것보다 두껍다)에 더해서 상기의 산소 확산층이 형성되는 경우는, 산소 확산층의 부분만큼 산소 농화층의 두께가 증대하므로, Tw/Dw가 상기 바람직한 범위에 속하게 될 가능성이 높아진다.

Tw/Dw의 값 및 산소 농화층의 평균 산소 농도의 바람직한 상한에 대해서, 본 발명의 용접 와이어를 용접용의 와이어로써 이용하는 경우와 용사용의 와이어로써 이용하는 경우는 상이하다. 본 발명의 용접 와이어를 용사용 와이어로써 이용하는 경우, 용사층(溶射層)은, 용접 이음새 부분만큼 요구되는 강도가 까다롭지 않은 것도 것도 많고(물론 예외도 있다), 예를 들면, 용해 금속의 분사 매체로서 공기가 사용되는 것도 있을 수 있다. 이 경우는, 용해 Ti금속이 공기 중의 산소와 반응하면서 용사층(溶射層)으로써 퇴적하므로, 층 속의 산소 농도도 필연적으로 높아지지만, 특히 높은 강도가 요구되지 않는 경우는, 이것이라도 충분히 실용(實用)에 견딜수 있다. 또한, 본 발명의 용접 와이어를 용사용 와이어로써 사용하는 경우에는, 결과적으로 용해 상태로 산화가 진행하는 것을 고려하면, Tw/Dw의 값이나 산소 농화층의 평균 산소 농도를, 상기 상한치의 최대치까지 증가시켜도, 특별한 지장을 일으키지 않는다.

한편, 용접용의 와이어로써 이용하는 경우는, 산소 농화층이 과도하게 너무 두꺼워지거나 또는 평균 산소 농도가 과도하게 높아지면, 얻어지는 용접 구조의 용접 이음새 강도가 떨어지는 단점이 생기는 경우가 있다. 그래서, 용접용의 와이어로써 이용하는 경우, Tw/Dw는 1×10^-3∼50×10^-3(Tw가 Dw의 5%)로, 산소 농화층의 평균 산소 농도는 1∼30중량%로 제한하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 용사용 와이어로써 이용하는 경우에도, 아르곤(argon) 등의 불활성 가스를 분사 매체로써, 가능한 한 산화를 억제한 고강도의 용사층(溶射層)을 형성하고 싶은 경우는, Tw/Dw 및 평균 산소 농도를 같은 범위로 제한하는 것이 바람직한 경우도 있다.

또한, 본 발명의 용접 와이어는 Ti를 주성분으로 하는 것이다. 본 발명에 있어서, 「Ti를 주성분으로 한다」란, 와이어 중에서 가장 함유율의 높은 성분이 Ti 인 것을 의미하며, 50중량% 이상이 Ti인 것이 바람직하다. 또한, Ti합금을 채용하는 경우, 얻어지는 용접부나 용사층(溶射層)의 강도 또는 연성 향상 등을 목적으로 하여, 여러 가지 첨가 원소를 부성분으로써 함유시킬 수 있다. 이하에, 채용 가능한 첨가 원소의 예와 바람직한 첨가량의 범위를 나타낸다.

(1) Al：9중량%이하

Al는 Ti의 저온상(低溫相)인 α상(相)을 안정화시키는 동시에, α상(相) 속에 고용(固溶)하고 이것을 강화시키는 기능을 한다. 단, 그 함유량이 9중량%를 넘으면, Ti₃Al등의 중간상(금속 간 화합물)이 다량으로 형성되어, 강도 또는 연성이 저해된다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 1중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2∼8중량%의 범위로 첨가하는 것이 좋다.

(2) N 및 O의 적어도 어느 한쪽이든：합계로 0.5중량% 이하

N 및 O도, Al와 마찬가지로 α상(相) 안정화 및 강화 원소로써 기능하며, 특히 O의 첨가 효과가 현저하다. 단, 그 합계 함유량이 0.5중량%를 넘으면, 강도 또는 연성이 저해된다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 합계로 0.03중량%이상 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 합계로 0.08∼0.2중량%의 범위로 첨가하는 것이 좋다. 또한, 여기서의 산소 함유량은, 총 산소 농화층 이외의 중층부 산소 함유량을 의미한다.

(3) V, Mo, Nb 및 Ta의 1종 또는 2종 이상：합계로 45중량% 이하

이들 원소는, 모두 Ti의 고온상(高溫相)인 β상(相)의 안정화 원소이고, 열 간 가공성의 향상과 열처리성 개선에 의한 고강도화를 꾀하는데 있어서 유효하다. 단, 이들 원소는 모두 고비중 또한 고융점이고, 과잉 첨가는 Ti합금 특유의 경량 및 고비강도(高比强度)의 효과를 떨어지게 하는 것 이외에, 합금 융점의 상승에 의해 용제(溶製)에 의한 제조의 어려움을 초래하므로, 합계 첨가량의 상한을 45중량%로 한다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 합계로 1중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, Mo나 Ta는, 합금의 내식성 개선을 위해 소량 첨가되는 경우도 있다.

(4) Cr, Fe, Ni, Mn 및 Cu의 1종 또는 2종 이상：합계로 15중량% 이하

이들 원소도 β상(相)의 안정화 효과를 가지고, 열간 가공성의 향상과 열처리성 개선에 의한 고강도화를 꾀하는데 있어서 유효하다. 단, 모두 Ti와의 사이에 중간상(예를 들면, TiCr₂, TiFe, Ti₂Ni, TiMn 또는 Ti₂Cu등)을 형성하기 쉽고, 과잉 첨가는 연성 및 강도를 떨어지게 하므로, 합계 첨가량의 상한을 15중량%로 한다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 합계로 0.5중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, Ni는 합금의 내식성 개선을 위해 소량 첨가되는 경우도 있다.

(5) Sn 및 Zr의 적어도 어느 한쪽이든：합계로 20중량% 이하

이들 원소는 α상(相)과 β상(相) 양쪽을 강화하는 중성형 첨가 원소로써 알려졌다. 단, 과잉 첨가는 효과의 포화를 초래하기 때문에, 합계 첨가량의 상한을 20중량%로 한다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 합계로 0. 5중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

(6) Si：0.7중량% 이하

합금의 내크리프성(Creep rupture strength)을 강화시키고, 내열성 개선 효과를 가진다. 단, 과잉 첨가는 Ti₅Si₃ 등의 금속 간 화합물의 형성에 의해, 내크리프성(Creep rupture strength) 또는 연성의 저하를 오히려 일으키기 때문에, 첨가량의 상한을 0.7중량%로 한다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 0.03중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.05∼0.5중량%의 범위로 첨가하는 것이 좋다.

(7) Pd 및 Ru의 적어도 어느 한쪽이든: 합계로 0.5중량% 이하

합금의 내식성을 개선하는 효과를 가진다. 단, 모두 귀금속이어서 고가인 것으로부터, 효과의 포화 등도 고려해 첨가량의 상한을 0.5중량%로 한다. 한편, 상기 효과를 현저하게 하기 위해서는, 0.02중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

구체적인 합금 조성으로써, 이하와 같은 것을 예시할 수 있다(또한, 조성에 관해서는, 주성분 원소인 Ti를 선두에, 부성분 원소를, 중량%의 단위를 생략한 조성 수치와 함께 하이픈으로 결합시켜 기재한다(예를 들면, Ti-6중량%, Al-4중량% V합금은, Ti-6Al－4V라고 기재한다)).

［1］α형 합금:

Ti-5A1-2.5Sn, Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si, Ti-2.5Cu

［2］니어(Near) α형 합금:

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-2.25Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al- 2Sn-2Zr-2Mo-0.25Si, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo, Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si, Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si

［3］α＋β형 합금:

Ti-8Mn, Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.2Si, Ti-4Al-4Sn-4Mo-0.2Si, Ti-2.25Al-11Sn-4Mo-0.2Si, Ti-5Al-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr, Ti-6Al-5Zr-4Mo-1Cu-0.2Si, Ti-5Al-2Cr-1Fe

［4］β형 합금:

Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn, Ti-11V-11Zr-2Al-2Sn, Ti-15Mo-5Zr, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, Ti-22V-4Al, Ti-15V-6Cr-4Al

［5］니어(Near) β형 합금:

Ti-10V-2Fe-3Al,

［6］내식 합금(용접용으로써도 사용할 수 있지만, 용사에 의해 내식 피복층을 형성시키고 싶은 경우에, 특히 유용하다)

Ti-0.15Pd, Ti-0.3Mo-0.8Ni, Ti-5Ta

본 발명의 용접 와이어는, Ti 또는 상기 Ti합금의 잉곳(Ingot)을 일단 압연하여 코일화시킨 후, 그 압연 코일에 산화 처리를 실시하여 표면에 산소 농화층을 형성하는 것으로 얻을 수 있다.

구체적으로는, 본 발명의 용접 와이어에 있어서, 산소 농화층은, Ti계 금속 와이어를 산소를 함유한 공기 중에서 열 산화 처리하는 것으로 인해 형성할 수 있다. 산소를 함유한 공기로써는, 산소 함유 질소 공기(대기 공기를 포함한다), 또는, 산소 함유 불활성 가스 공기 외, 수증기 등, 산소 화합물을 함유한 기체 공기를 이용해도 된다. 필요ㆍ충분한 두께의 산소 농화층을 효율적으로 형성하는데는, 산소 분압이 5×10³∼15×10³Pa의 산소 함유 공기를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 처리 온도는, 예를 들면 500∼800℃로 설정하는 것이 바람직하다. 한편, 열 산화 처리 이외에도, 와이어 표면에 산화 티탄 입자를 묻거나 또는, 산화 티탄층을 증착(蒸着)이나 스퍼터링(Sputtering) 등의 기상(氣相) 성막법에 의해 형성시키고 산소 농화층으로 하는 방법을 채용할 수 있다. 또한, 산화 티탄층은, 주지의 졸-겔법(sol-gel process)에 의해 형성시켜도 된다. 그리고, 이들 방법에 의해 산화 티탄층을 형성하는 경우, 확산 열처리에 의해 상기 산소 확산층을 형성하면 더욱 좋다.

상기의 상태에 있는 코일 와이어의 단면 현미경 사진을, 도 3에서 보여준다. 도 3에서 분명히 알 수 있듯이, 이 단계에서는, 산소 농화층으로 된 표면에 크랙은 발생하고 있지 않다.

이어서, 이 코일 와이어에 냉간으로 연장선 처리를 가하고 소정 직경의 와이어로 한다. 그 때, 감 면율의 대소에 따라서 다르지만, 와이어의 표면에는, 도 1에서 보여준 바와 같이 와이어 표면으로부터 내부에 균열이 들어가고, 그것이 다수의 표면 크랙으로써 와이어의 표층부에 발생한다.

또한, 본 발명에 있어서, 감면률은 하기 식에서 정의된다.

감면률(％)=(연선 전의 와이어 단면적-연선 후의 와이어 단면적)/연선 전의 와이어 단면적×100

그리고 마지막으로, 이 표면 크랙 안에, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 가지는 금속 화합물이 충전되는 것에 의해, 도 2로 나타낸 본 발명의 용접 와이어가 형성된다.

이와 같이 하여, 산소 농화층과 금속 화합물을 갖는 본 발명의 와이어가 제조된다.

이들 금속 화합물로써는, 탄산염 등의 금속 화합물이 바람직하다. 특히, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산칼슘이 바람직하다.

금속 화합물의 크랙 내로의 충전 방법에 대해서, 이하에 기재한다. 충전 방법으로써는, 예를 들면, 이들 금속 화합물을 윤활제에 혼합하고, 상기 냉간의 연선 시에 그 윤활제를 이용하여 연선하는 것으로 인해, 표면 크랙을 발생시키는 것과 동시에 그 속에 윤활제를 충전하여, 결과적으로 금속 화합물을 표면 크랙 안에 충전하는 방법을 들 수 있다.

금속 화합물의 충전량은, 예를 들면, 윤활제로의 금속 화합물의 혼합 비율을 변화시키거나 또한, 산소 농화층의 두께를 변화시키거나 연선 시에 있어서의 감면률을 변화시키는 것에 의해 조정하는 것이 가능하다.

또한, 윤활제로써는, 일반적으로, 수산화 칼슘이나 스테아르산 칼슘 등을 혼합한 것이 사용되고 있지만, 이러한 윤활제에 예를 들면 소정 금속의 탄산염을 혼 합하면, 그 금속은 모두, 칼슘과 복합한 상태로 표면 크랙 내에 충전된다.

따라서, 칼슘 이외의 금속 화합물을 충전하는 경우에는, 연선 후에 와이어를 일단 세정하고 윤활제를 표면 크랙으로부터 제거하고, 그 다음에 소정의 금속 화합물을 이용하여 감면률 0%의 상태로 와이어를 연선기에 통과시키면 된다.

또한, 윤활제 자체에 원하는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이 포함되어 있는 경우는, 그 윤활제를 이용하여 연선하면 된다.

본 발명의 용접 와이어는, Ti재의 MIG용접용의 용접용 와이어로써 유용하다. 또한, 본 발명의 용접 와이어는, 아크의 안정성과 용적이행의 안정성도 가지고 있으므로, 아크 용사법에 있어서의 용사용 와이어로써도 이용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 알칼리 금속으로써는, Li, Na, K, Rb, Cs를 들 수 있으며, 알칼리 토금속으로써는, Ca, Sr, Ba를 들 수 있다. 또한 알칼리 금속으로부터 적당한 금속을 선택하고, 알칼리 토금속으로부터도 적당한 금속을 선택하여, 이들 화합물을 함께 이용하는 것으로 인해, 알칼리 금속과 알칼리 토금속을 모두 함유시켜도 된다.

본 발명의 금속 화합물로써는, 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 가운데, 비점이 2000℃ 이하인 금속을 가지는 것이 바람직하고, 600℃ 이상 2000℃ 이하인 금지규칙을 가지는 것이 더욱 바람직하다. 특히, K, Na, Ca 등의 1종 또는 2종 이상을 가지는 것이 바람직하다. 또한, Ca를 함유하는 금속 화합물을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 금속 화합물의 함유량은, 용접 와이어의 전 질량에 대해서, 0.002∼ 0.050중량%로 설정되는 것이 바람직하다.

금속 화합물의 함유량이 0.002중량%보다 적은 경우는, 이들 금속 화합물의 효과가 충분히 발휘되지 않기 때문에, 집중 아크의 발생률이 작아지고, 1펄스 통전으로 1용적을 발생시킨다는 목표 달성이 어려워져, 양호한 비드 형성에 어려움을 초래하기 때문이다. 또한, 금속 화합물의 함유량이 0.050중량%보다 많은 경우는, 아크력이 너무 강해지고 , 용적의 용접부로의 이행 과정에서 해당용적을 중심으로 스팩터 현상이 발생하여, 그것에 의해, 비드는 물론 용접부 이외의 곳에서도 외관 이 거칠어지기 때문이다.

또한, 1펄스 통전으로 1용적을 실현한다는 점에서 말하면, 금속 화합물의 함유량은, 용접 와이어의 총 질량에 대해서 0.007∼0.015중량%인 것이 바람직하다.

이들 금속은, 모두, 모재를 구성하는 주성분인 Ti에 비해 비점과 전리 전압이 낮다. 이것을 도 4로 나타낸다. 본 발명의 용접 와이어 표면에 존재하는 크랙 중에는 이들 금속이 존재하므로, MIG용접시에, 아크열에 의해 모재(Ti)가 용융하기 전에, 이들 금속이 전리한 금속 증기가 되어 아크의 위치에 존재하게 된다. 그 때문에, 발생 아크는 집중 아크가 되어 안정화된다.

또한, 본 발명에서 말하는 「집중 아크」란, 다음과 같은 아크로서 정의된다. 그것을 도 5에 근거하여 설명한다. 직경 D의 와이어를 아크 방전시키고, 아크의 경계부를 눈으로 관찰한다. 경계부가 판별할 수 없을 만큼 희미해지고 있는 아크의 경우는, 당연히 집중 아크라고 인정하지 않고, 확산 아크라고 부른다.

그리고, 와이어의 하단면으로부터 와이어의 직경 D만큼 하부(下部)의 위치에 저면을 가지는 원추대를 가정하고, 이 원추대의 측면과 저면이 이루는 각도를 θ로 했을 때, θ≥60℃로 되어 있는 경우의 아크를 집중 아크로 한다. θ≥60℃로 하는 것으로, 반드시 용적(droplet)을 형성할 수 있다.

본 발명의 용접 와이어는, 상기와 같은 특징을 가지기 때문에, MIG용접을 하는 장치 등의 와이어 공급기에 이용할 수 있다.

본 발명의 용접 와이어 표면의 표면 조밀도는, 최대 높이를 Ry로 하여 10㎛ 이하인 것이, 와이어 공급기 내에서의 와이어의 송급성(feedability)을 향상시키는 관점에 있어 바람직하다. 그리고, 상기한 바와 같은 두께 및 평균 산소 농도로 산소 농화층을 형성하는 것은, 표면 조밀도가 이러한 수치로 조정된 와이어 표면을 얻는데 있어서도 당연히 유리하게 작용한다. 또한, 와이어의 표면 조밀도는, 산술 평균 조밀도 Ra로 하여 0.5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 최대 높이 Ry 및 산술 평균 조밀도 Ra의 하한값에 대해서는 특별한 제한은 없으며, 비용에 걸맞게 적당히 설정된다. 또한, 본 발명자들은, Ry를 1.0㎛정도까지, Ra를 0.1㎛정도까지 작게 할 수 있는 것을 확인하고 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 표면 조밀도는, JIS:B0601(1994)에 규정된 방법에 의해 측정된 것을 의미한다.

또한, 와이어 공급기 내에서의 와이어의 버클링(Buckling)을 방지하기 위해서는, 와이어의 인장 강도(tensile strength)가 400MPa∼1500MPa인 것이 바람직하다. 인장 강도(tensile strength)가 400MPa 미만에서는 버클링 방지를 충분히 방지하는 것이 어려워지며, 1500MPa를 초과하면 와이어의 유연성(Flexibility)이 손상되어 파손이나 감는데 불편하다는 결함이 생긴다. 와이어의 인장 강도(tensile strength)는, 예를 들면 연선 가공의 최종 단계를 냉간 가공에서 하는 경우에, 그 냉간 가공의 감면률 조정이나, 그 후에 변형 제거를 위한 어닐(Anneal)을 행하는 경우는, 그 어닐 온도와 시간의 가감에 의해 조정할 수 있다. 와이어의 인장 강도(tensile strength)는, 400MPa∼1200MPa인 것이 보다 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명의 실시 형태를 실험예에 근거하여 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명은 이들 실험예로 한정되는 것은 아니다.

실험예 1~25

(1) 용접 와이어의 제조

JIS　H4670에서 규정된 Ti 와이어(JIS　2종, 와이어 직경 1.6mm)를 준비하였다. 본 실험예를 위해, 두꺼운 산소 농화층을 갖는 실험예 1∼22는 온도 750℃로 6분간의 가열 처리를 하여, 표면에 산소 농화층을 형성했다. 얇은 산소 농화층을 갖는 실험예 23∼25는 450℃에서 가열 처리한 것을 제외하고는 상기 실험예 1∼22와동일하게 실시하였다.

한편, 표 1에서 나타낸 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 탄산염 분말을 준비했다. 또한, 윤활제로써는, KOSHIN(수산화 칼슘과 스테아르산 칼슘의 혼합물, 쿄에이샤 카가쿠(주)의 상품명)을 준비했다. 이들 윤활제를 이용하여, 냉간으로 연선 처리를 실시하고, 와이어 직경(Dw) 1.0mm의 용접 와이어로 했다. 이 때의 감면률은 37.5%이다.

칼슘 이외의 금속을 단독으로 산소 농화층과 공존시키는 경우는, 연선 후의 와이어를 일단 LIGHT CLEAN(세제)으로 세정하여 KOSHIN을 씻어내고, 그 다음에 그 와이어를 감면율 0%로 소정 금속의 탄산염 분말을 이용해 연선기에 통과시키고 표면 크랙 내에 충전했다. 산소 농화층을 갖지 않는 실험예 25는 연선 후에 상기와 같은 방법으로 단순히 세척된다. 얻어진 각 용접 와이어에 대해, 하기와 같은 방법으로 금속 화합물의 금속 함유량(중량%), 산소 농화층의 두께(Tw:㎛)와 평균 산소 농도, 인장 강도(tensile strength)(MPa), 표면 조밀도, 동마찰 계수를 측정했다.

금속 함유량: 유도 결합 플라스마 발광 분광법으로 분석.

산소 농화층: 상술한 바와 같이, 와이어의 단면을 경면 연마하고, 그 연마면에 대해, EPMA로 산소 농도 분포를 면 분석하고, 단면 중심부에 있어서의 산소 농도를 1로 하여, 산소 농도가 1.2 이상(단면 중심부의 산소 농도의 1.2배 이상)이 되는 영역을 산소 농화층으로 했다.

평균 산소 농도: 상술한 바와 같이, 산소 농화층에 있어서의 산소 농도의 평균치(측정점 5 곳)를 구하고, 그것을 산소 농화층의 평균 산소 농도로 했다.

산소 농화층의 두께: 산소 농화층의 두께의 평균치로 했다.

인장 강도(tensile strength): 와이어로부터 길이 100mm의 시험 부분을 자르고, 인스트롱형(Instron type) 인장 시험기를 이용해 크로스 헤드 속도 1.0mm/분으로 끌어 응력-왜곡선을 측정함과 동시에, 최대 응력값을 인장 강도로써 읽어냈다.

표면 조밀도: 와이어의 세로 방향으로 평가 길이를 설정하는 형태로, JIS:B0601(1994)에 규정된 방법에 의해 조밀도 곡선을 측정하여, 최대 높이 Ry(㎛)와 산술 평균 조밀도 Ra(㎛)의 값을 각각 읽어냈다.

동마찰 계수: 보덴-레벤형(Bowden-Leben Type) 마찰 시험기를 이용해 측정했다. 구체적으로는, 와이어 시료를 시료대 위에 설치하고, 위에서부터 프레스용의 강철을 쌓아 올리고, 그 강철을 일정 중량의 분동으로 누르면서 시료대를 일정 속도로 이동시켰을 때의 마찰력을, 변형 게이지식(Strain gauge type)의 하중 검출기에 의해 검출한다.

이상의 결과를 일괄하여 표 1로 나타냈다.

(2) MIG용접

표 1로 나타낸 각 와이어를 이용하여, 표 2로 나타낸 조건으로 MIG용접을 실시했다.

용접시에 있어서의 와이어의 송급성, 아크의 안정성, 스패터의 발생량을 하기와 같은 방법으로 평가했다. 또한, 형성된 비드의 형상, 이음부의 인장 강도와 연장을 하기와 같은 방법으로 평가했다.

와이어의 송급성(feedability): 용접 중에 와이어의 버클링(buckling)이 발생하지 않은 경우를 "AA", 와이어의 버클링이 발생한 경우를 "B"로 평가했다.

아크의 안정성: 용접 개시 2초 후부터 7초까지의 5초간에 걸쳐, NAC사의 하이 스피드 카메라 시스템 모델 1000(1화상/1ms)을 이용하여 발생 아크의 상태를 촬영하고, 그 화상으로부터 아크의 안정성을 평가했다.

집중 아크의 발생률이 80%이상의 경우를 "AA", 65∼80%의 경우를 "A", 65%보다 낮은 경우를 "B"로 하여 평가했다.

스패터(spatters) 발생량: 100㎜의 용접 길이를 기준으로, 용접재에 부착된 1㎜이상의 직경을 갖는 스패터의 발생량을 측정했다. 용접 종료 후, 피용접재로의 스패터 부착 상태를 눈으로 관찰했다. 1㎜이상의 직경을 갖는 스패터가 부착되어 있지 않은 경우를 "AA", 직경범위를 갖는 1∼10의 스패터가 부착되어 있는 경우를 "A", 직경범위를 갖는 11이상의 스패터가 부착되어 있는 경우를 "B"로 평가했다.

비드 형상: 용접 후에 비드를 눈으로 관찰하여, 폭이 균일하고 외관이 매끄러운 경우를 "AA", 비드의 폭이 작고 불규칙한 경우를 "A", 비드의 폭이 크고 불규칙한 경우를 "B"로 하여 평가했다.

이음새부의 인장 강도: 측정값이 340MPa 이상의 경우를 "AA", 그 이하의 경우를 "B"로 하여 평가했다.

이상의 결과를 일괄하여 표 3으로 나타냈다.

표 1과 표 3으로부터 분명히 알 수 있듯이, 알칼리 금속이나 알칼리 토금속을 가지는 실험예의 와이어를 이용하면, 어느 경우에도 아크는 안정화되고, 또한 비드 형상도 양호하게 되어 있다. 또한, 적절한 양의 금속 화합물을 함유하는 실험예 1∼20에 있어서, 그 효과는 보다 뛰어나다.

그러나, 금속 화합물을 전혀 가지고 있지 않고, 산소 농화층의 두께도 얇은 실험예 25의 와이어를 이용하면, 집중 아크의 발생이 적게 되고, 스패터도 많아져, 그 때문에 비드 형상은 악화되어 있다.

또한, 실험예 6의 와이어를 이용하여 형성된 비드의 형상을 보여주는 사진을 도 6으로 나타낸다. 도에서 분명히 알 수 있듯이, 이 와이어를 이용하면, 폭이 균일하고 두툼해진 상태도 균일하여, 외관, 형상 모두 양호한 비드를 형성할 수 있다.

실험예 26∼41

표 4에 기재한 조성을 가지는 Ti합금재를 모재로 하여, 표 4에 기재된 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 종류와 함유량에 따라, 실험예 1∼25와 같은 방법에 의해 와이어를 제조했다.

실험예 26∼41의 와이어를 이용해 MIG용접을 실시했다. 결과를 표 5로 나타낸다.

실험예 42∼53

모재(母材)는 실험예 1∼24와 마찬가지로 JIS　2종으로 되고, 표 6에 기재된 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 종류와 함유량에 따라, 와이어를 제조했다.

실험예 42∼53의 와이어를 와이어 공급기의 용사 유니트에 설치하고 용사총(Welding gun)에 송급하여 피처리물의 표면에 용사했다. 그 때의 와이어의 송급성, 아크의 안정성을 조사했다. 결과를 표 7로 나타낸다.

알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 비점과 전리 전압은 Ti의 융점과 전리 전압보다 낮기 때문에, 아크 열에 의해 모재(Ti 또는 Ti합금)가 용해되기 전에, 알칼리 금속이나 알칼리 토금속은 발생 아크의 자리에 전리한 금속 증기로써 존재한다. 그렇기 때문에, 발생한 아크주(柱)는 안정되고, 그것이 집중 아크가 된다. 또한, 산소 농화층의 산소도 발생 아크를 안정화시키고, 동시에 용해된 용접 와이어 끝 부분의 표면장력을 저하시켜, 생성된 용적이 와이어 끝 부분으로부터 이탈하기 쉬워진다.

이러한 것으로부터, MIG용접에 있어서, 1펄스(pulse) 통전으로 1용적을 확실히 용접부로 이행할 수 있다. 그 결과, 형상ㆍ외관이 양호한 피드의 형성이 가능해진다.

산업상의 이용가능성

본 발명의 용접 와이어는, 발생하는 아크가 집중 아크가 되고, 1펄스의 통전으로 확실히 1개의 용적이행을 실현할 수 있으므로, 용접부의 비드의 형상ㆍ외관이 뛰어나다. 이 용접 와이어는, Ti재의 MIG용접시의 용접용 와이어나, Ti용사시의 용사용 와이어로써 유용하다.

Claims

Ti 또는 Ti합금을 포함하며, 표면에 산소 농화층과 알칼리 금속 및 알칼리 토금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 가지는 금속 화합물을 갖는 용접 와이어에 있어서,

상기 용접 와이어는 그 표면에 크랙(crack)을 가지며, 상기 크랙 속에 상기 금속 화합물이 존재하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제1항에 있어서,

상기 금속 화합물의 함유량은, 상기 용접 와이어의 총 질량에 대해서 0.002∼0.050중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
삭제
제1항에 있어서,

상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 비점은 2000℃이하인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제1항에 있어서,

상기 금속 화합물은 Ca를 포함하는 금속화합물인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제1항에 있어서,

상기 산소 농화층의 두께를 Tw, 상기 용접 와이어의 와이어 직경을 Dw로 했을 때,

Tw/Dw의 값이 0.3×10^-3∼1×10^-1이고,

상기 산소 농화층의 평균 산소 농도가 1중량% 이상인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제6항에 있어서,

상기 산소 농화층의 평균 산소 농도는 1∼40중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제1항에 있어서,

상기 용접 와이어의 표면 조밀도는, JIS　B0601에서 규정하는 Ry로 표시되는 표면 조밀도로, 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.
제6항에 있어서,

상기 산소 농화층의 두께를 Tw, 상기 용접 와이어의 와이어 직경을 Dw로 했을 때,

Tw/Dw의 값이 1×10^-3∼50×10^-3이고,

상기 산소 농화층의 평균 산소 농도는 1∼30중량%인 것을 특징으로 하는 용접 와이어.