KR101042208B1 - 셀프 쉴디드(ｓｅｌｆ－ｓｈｉｅｌｄｅｄ) 아크 용접 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

셀프 쉴디드(ｓｅｌｆ－ｓｈｉｅｌｄｅｄ) 아크 용접 플럭스 충전 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 490MPa급 연강 및 아연도금강재 등의 용접시 아크를 더욱 안정시키고 스패터 발생 및 기공결함 발생을 억제함은 물론, 균일한 슬래그 형성을 유도하여 우수한 비드외관을 얻을 수 있는 용접성능이 우수한 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명은 강제 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, Ca계 탄산염: 5.5~9.5%, Al 함유물: Al 환산치로 12.0~18.0%, Mg 함유물: Mg 환산치로 2.0~5.0%, 금속 Ba, Li 및 Sr계 불화물을 포함하고, 상기 불화물 중의 F의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 3.5~5.0%이고 상기 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 8.0~12.0%, 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 1.3~2.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
셀프 쉴디드, 기공결함, 비드외관, 슬래그 유동성

Description

셀프 쉴디드(ｓｅｌｆ－ｓｈｉｅｌｄｅｄ) 아크 용접 플럭스 충전 와이어{SELF-SHIELDED ARC WELDING FLUX CORED WIRE}
본 발명은 연강 및 아연도금강재 등의 용접에 사용되는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 용접시 아크를 더욱 안정시키고 스패터 발생 및 기공결함 발생을 억제함은 물론, 균일한 슬래그 형성을 유도하여 우수한 비드외관을 얻을 수 있고 슬래그 제거가 용이한 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어는 탄산가스, 아르곤, 헬륨 등과 같은 쉴드 가스(shield gas)를 외부로부터 공급받지 않고 플럭스 충전 와이어 자체에서 가스를 발생시켜 용접부가 대기중의 수분 및 질소가스 등과 접촉하지 않도록 하는 용접재료이다. 이는 쉴드 가스를 발생시키는 성분을 강제 외피 내에 충전함으로써 가능하며, 쉴드 가스 공급이 곤란한 작업환경에서 경량의 철골 구조물 용접이나 소규모 용접에 주로 이용되고 있다.
그러나 종래의 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어는 Li, Ca, Sr, Ba계 탄산염, 금속철, 합금철, 금속 불화물 및 탈산제 등의 플럭스 조성 성분의 함량을 제어함으로써, 용접작업성과 용접부의 인성 및 내결함성을 동시에 확보하고자 하였으나 실제 용접현장에서 요구하는 수준에는 미치지 못하였으며, 생성된 슬래그의 포피 균일성이 확보되지 못하여 비드외관이 불량하고 슬래그 제거 작업에 장시간이 소요되는 등의 문제를 가지고 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 아크 안정성 및 슬래그 유동성이 우수하여 용접작업이 용이할 뿐만 아니라, 기공과 같은 용접결함 발생이 억제되고 균일한 슬래그 형성을 유도함과 동시에, 슬래그 제거를 용이하게 함으로써 건전한 비드 외관을 얻을 수 있는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명은 강제 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,
상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, Ca계 탄산염: 5.5~9.5%, Al 함유물: Al 환산치로 12.0~18.0%, Mg 함유물: Mg 환산치로 2.0~5.0%, 금속 Ba, Li 및 Sr계 불화물을 포함하고, 상기 불화물 중의 F의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 3.5~5.0%이고 상기 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 8.0~12.0%, 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 1.3~2.0을 만족하는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명은 불화물 중의 금속 Ba, Li 및 Sr 함량과 Al 및 Mg 함량과의 비를 적절히 제어함으로써 아크를 더욱 안정시키고 스패터 발생 및 기공결함 발생을 억 제함은 물론, 균일한 슬래그 형성을 유도하여 우수한 비드외관을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 한 측면은 강제 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, Ca계 탄산염: 5.5~9.5%, Al 함유물: Al 환산치로 12.0~18.0%, Mg 함유물: Mg 환산치로 2.0~5.0%, 금속 Ba, Li 및 Sr계 불화물을 포함하고, 상기 불화물 중의 F의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 3.5~5.0%이고 상기 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 8.0~12.0%, 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 1.3~2.0을 만족하는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접용 플럭스 충전 와이어를 제공하는 것이다.
이하, 본 발명의 플럭스 조성성분에 대하여 상세히 설명한다.
먼저 상기 플럭스는 Ca계 탄산염을 포함한다. Ca계 탄산염은 본 발명에서 중요한 첨가물 중 하나로 쉴드 가스를 발생시켜 용융지를 대기로부터 보호하고, 균일한 슬래그 형성에 효과가 있을 뿐만 아니라 슬래그 제거를 용이하게 하는 역할을 한다. 또한 적정량 첨가하면 슬래그 유동성을 향상시킬 뿐만 아니라 균일한 비드외관을 형성하는데 효과가 있는데, 본 발명에서는 Ca계 탄산염을 5.5~9.5중량% 첨가하는 것이 바람직하다. 그 함량이 5.5중량% 미만이면 생성되는 전체 슬래그량이 감 소하고 슬래그 유동성이 떨어져 슬래그 형성이 불균일해지고, 또한 슬래그 제거가 어려워 일부 슬래그가 비드표면에 잔재하는 문제가 발생할 수 있다. 반면 9.5중량%를 초과하게 되면 슬래그량이 과도하게 증가하고 경질의 슬래그 생성으로 슬래그 유동성이 저하되어 볼록한 형태의 비드외관을 형성하는 단점이 있다.
상기 Ca계 탄산염으로는 백운석, 방해석, 석회석 등을 들 수 있다.
상기 플럭스는 금속 알루미늄(Al)과 Al계 합금 또는 화합물로 이루어진 Al 함유물을 Al 환산치로 12.0~18.0중량% 포함한다. Al은 용접금속의 탈산 및 탈질에 효과가 있다. 그 함량이 12.0중량% 미만이면 아크 크기가 작아짐과 동시에 아크 안정성이 저하되어 용접작업성이 떨어지고 블로우 홀 및 피트와 같은 기공 결함이 발생할 수 있다. 반면에 18.0중량%를 초과하면 아크 크기가 과도하게 커지므로 아크 안정성이 현저하게 저하되어 입자가 큰 스패터가 과도하게 발생할 뿐만 아니라, 용융풀의 증기압을 상승시켜 용접흄의 발생을 증가시키는 문제가 있어 바람직하지 않다.
상기 플럭스는 금속 마그네슘(Mg)과 Mg계 합금 또는 화합물로 이루어지는 Mg 함유물을 Mg 환산치로 2.0~5.0중량% 포함한다. Mg는 탈산 및 탈질에 효과가 있으며, 대기중으로부터 용융금속을 보호하는 역할을 한다. 그 함량이 2.0중량% 미만에서는 용접금속내 탈산 기능이 저하되고, 대기로부터 용융금속을 보호하는 기능이 약해져 블로우 홀 및 피트와 같은 기공결함이 다량 발생할 수 있다. 그러나 5.0 중량% 초과에서는 아크 세기는 증가하나 아크가 불안정해지고 아크열에 의한 Mg의 격렬한 반응으로 스패터 발생량이 급격하게 증가하여 용접작업성이 저하되고 용접흄 발생량이 많아지는 단점이 있다.
본 발명의 플럭스 중에 첨가되는 금속 불화물은 아크성 및 슬래그 유동성을 안정화하여 스패터 발생을 저감하고 용접작업성을 향상시키는 역할을 하는데, 이 금속 불화물 중에 함유된 금속 바륨(Ba), 리튬(Li) 및 스트론튬(Sr)은 용접 중 아크열에 의해 분해되는 각 물질별 온도 차이로 인하여 아크 형태를 조절하고 아크를 안정적으로 유지시켜 스패터 발생량을 저감시키는데 효과가 있을 뿐만 아니라, 개별 물질이 분해되어 산화물 형태로 응고되는 시간적 차이로 인하여 슬래그 유동성을 조절하는 기능이 있다. 상기 플럭스에 첨가되는 불화물 중에 함유된 금속 바륨(Ba), 리튬(Li), 스트론튬(Sr)의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 8.0~12.0중량%로 한다. 8.0중량% 미만에서는 아크 안정성이 저하되고 생성되는 슬래그량이 적어 용접 비드 표면을 완전하게 포피하지 못하는 단점이 있을 뿐만 아니라, 슬래그 유동성이 저하되어 비드외관이 나빠지게 된다. 반면, 12.0중량% 초과에서는 아크 세기가 과도하게 증가하여 아크가 불안정하게 되고, 슬래그가 적정량 이상으로 과다하게 생성될 뿐만 아니라 슬래그가 선행하여 슬래그 혼입에 의한 용접결함을 유발하는 단점이 있다.
또한 본 발명의 플럭스에 포함되는 금속 불화물에서 플루오르(F)의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 3.5~5.0중량% 포함한다. 불화물에서 해리된 F는 가스 발생제로 작용하고 일부는 슬래그 형성에 영향을 미친다. 불화물 중의 F 환산치가 3.5중량% 미만이면 슬래그 형성이 미흡하게 되어 비드 외관이 저하되고 대기로부터 용융지를 보호하는 차폐기능이 저하되어 블로우 홀과 같은 용접결함이 발생할 수 있다. 반면에 5.0중량%를 초과하게 되면 아크 안정성 및 슬래그 유동성이 저하되고, 비드 표면에 슬래그가 불균일하게 형성될 뿐만 아니라 스패터 발생량이 증가하여 용접작업이 어렵게 되는 단점이 있다.
본 발명의 플럭스는 상기 성분 이외에 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명은 상기 성분 이외에 아래의 관계식을 만족한다.
본 발명에서는 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)으로 정의되는 값이 1.3~2.0을 만족한다. 상기 값이 적정 범위내에 있을 경우, 아크성과 슬래그 유동성이 우수하고, 우수한 용접작업성 및 블로우 홀이나 피트와 같은 기공 결함이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있다. 그 값이 1.3 미만에서는 아크 안정성 및 슬래그 유동성이 저하되고, 아크 분위기 중의 산소 및 질소 농도 증가로 인하여 블로우 홀과 같은 기공 발생이 증가하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 반면에 2.0을 초과하는 경우 아크 크기가 과도하게 커지고 아크 안정성이 나빠져서 대립의 스패터를 발생시킴과 동시에 비드외관이 열악해지고 슬래그 혼입과 같은 용접결함을 발생시키는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
표 1에 나타난 바와 같은 조성을 갖는 플럭스를 마련한 후, 이들을 사용하여 15~25%의 충전율로 플럭스 충전와이어를 각각 제조하였다. 표 1의 조성에서 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것이다. 이때 사용된 강제 외피의 조성을 표 2에 나타내었다. 이들 각 와이어를 이용하여 두께 10㎜의 SM490 모재에 표 3에 나타난 용접조건으로 용접을 시행하였다.
구분 Ca계 탄산염
(중량%)		 Al 환산치
(중량%)		 Mg 환산치
(중량%)		 금속 Ba, Li 및 Sr 함량
(중량%)		 F 함량
(중량%)		 (Al환산치+Mg환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr 함량)
발명예1 7.5 15.0 2.5 11.43 4.77 1.53
발명예2 9.5 13.0 2.5 11.85 4.65 1.31
발명예3 6.0 12.5 2.0 8.63 3.87 1.68
발명예4 9.5 17.5 4.5 11.50 4.80 1.91
발명예5 8.0 12.0 4.5 11.42 4.58 1.44
발명예6 8.0 17.0 2.5 11.15 4.65 1.75
발명예7 8.5 18.0 4.0 11.85 4.65 1.86
발명예8 6.0 16.0 2.0 9.60 3.70 1.88
발명예9 6.5 13.0 4.0 10.33 4.17 1.65
발명예10 8.0 16.0 3.5 10.65 4.25 1.83
발명예11 5.5 13.0 5.0 9.15 3.85 1.97
비교예1 8.0 12.0 2.0 14.17 5.53 0.99
비교예2 9.0 17.5 5.0 7.22 3.78 3.12
비교예3 12.0 16.0 2.5 9.72 4.28 1.90
비교예4 8.5 12.0 2.0 11.65 3.85 1.20
비교예5 7.5 16.0 7.0 7.60 3.30 3.03
비교예6 5.5 16.5 3.0 9.07 3.63 2.15
비교예7 9.0 19.0 6.5 12.11 4.89 2.11
비교예8 3.0 18.0 3.0 12.00 5.00 1.75
비교예9 9.0 11.0 1.5 11.50 4.85 1.09
구분 C Si Mn P S Fe
함량(중량%) 0.02 0.007 0.184 0.008 0.006 잔부
적용모재 SM490 10mmt
와이어 선경 1.2㎜
용접자세 아래보기(1F)
용접조건 220A/20V/30cpm
와이어 돌출길이 20㎜
상기와 같이 각 와이어에 대한 용접을 시행하여 아크성, 슬래그성, 스패터 발생, 비드외관 및 결함발생 정도를 평가하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4에서 아크성과 비드외관은 용접작업자의 관능평가를 통해 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△), 불량(×)으로 평가하였다. 또한 슬래그성 중 포피 균일성은 비드 중앙을 기준으로 비드 중심 및 비드 중심 외곽에 형성된 슬래그 두께 편차가 10% 이내인 경우 매우 우수(◎), 11~20% 이면 우수(○), 21~30% 이면 보통(△), 30%를 초과하는 불균일한 포피 형태인 경우 불량(×)으로 평가하였으며, 슬래그 제거성은 일정한 힘을 가하여 슬래그를 제거할 때 제거가 용이하고 슬래그 잔재가 없을 경우 매우 우수(◎), 슬래그 제거가 보통 수준이며 슬래그 잔재가 없을 경우 우수(○), 슬래그 제거가 보통 수준이며 슬래그 잔재가 소량 있을 경우 보통(△), 슬래그 제거가 어렵고 잔재가 많을 경우 불량(×)으로 평가하였다. 스패터 발생 정도는 그 발생률이 5% 이하인 경우 매우 우수(◎), 6~10%인 경우 우수(○), 11~15%인 경우 보통(△), 15%를 초과하는 경우 불량(×)으로 평가하였다. 그리고 결함발생 정도는 필렛 용접 후, 용접 시작부, 용접 중앙부, 크레이터부를 관찰하여 기공이 없으면 양호(○), 기공이 관찰되면 불량(×)으로 평가하였다.

 아크성
 슬래그성 스패터
발생		 비드외관
 결함발생
 종합평가
유동성 포피균일성 슬래그제거
발명예1 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎
발명예2 ◎ ○ ◎ ○ ○ ○ ○ ○
발명예3 ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ○ ◎
발명예4 ○ ◎ ○ ○ ○ ◎ ○ ○
발명예5 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎
발명예6 ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ◎
발명예7 ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ○ ◎
발명예8 ◎ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ◎
발명예9 ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ◎
발명예10 ○ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ○ ◎
발명예11 ◎ ○ ○ ○ ◎ ○ ○ ○
비교예1 × × △ × △ △ × ×
비교예2 × × △ △ × × × ×
비교예3 △ × △ × △ × ○ ×
비교예4 △ × × △ △ × × ×
비교예5 △ × × △ × △ × ×
비교예6 × △ △ × △ △ × ×
비교예7 × × △ × × × ○ ×
비교예8 △ × × × △ △ ○ ×
비교예9 × △ △ × ○ × × ×
상기 표 4에 나타난 바와 같이 발명예 1 내지 11은 본 발명 범위를 모두 만족하는 경우로써, 아크성 및 슬래그성이 우수하고 스패터 발생이 적으며 양호한 비드외관을 얻을 수 있었다. 또한 비드 표면에 용접결함 발생이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있었다.
이에 반해 비교예 1은 금속 Ba, Li, Sr환산치가 본 발명범위를 초과하여 아크가 불안하고 슬래그량이 과도하게 증가되어 슬래그 유동성이 열악할 뿐만 아니라 슬래그 선행으로 용접작업이 어려웠고, 용접부에 슬래그가 혼입되어 용접결함이 발생하였다. 또한 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위를 벗어난 경우로, 아크 이행 특성 저하로 용접금속내 탈질 효과가 미비하여 용접비드 표면에 작은 피트와 같은 결함이 육안으로 확인되었다.
비교예 2는 금속 Ba, Li, Sr 환산치가 본 발명범위 미만이며, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위를 초과한 경우로 아크성이 현저하게 저하되고 슬래그 유동성이 저하되었으며, 대립의 스패터 발생으로 용접작업이 어려웠을 뿐만 아니라 슬래그 혼입과 같은 용접결함이 발생하였다.
비교예 3은 Ca계 탄산염의 함량이 본 발명범위를 초과한 경우로, 슬래그 점성 증가로 슬래그 유동성이 저하되었으며, 비드 퍼짐성이 떨어져 비드 외관이 저하되고 비드 가장자리에 잔재하는 슬래그가 완전히 제거되지 않는 문제가 있었다.
비교예 4는 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위 미만인 경우로, 슬래그 유동성이 저하되고 용접비드 표면에 슬래그가 균일하게 포피되지 못하는 문제가 있었으며 비드 표면에 용접결함이 다소 발생하였다.
비교예 5는 Mg 환산치, 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량 및 F 함량이 본 발명범위를 벗어나고 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위를 초과한 경우로, 슬래그 유동성이 열악해지고 대립의 스패터 발생이 증가하여 용접작업성이 저하되었다. 또한 생성되는 슬래그량이 작고 슬래그 포피가 불균일하였으며, 차폐기능이 급격히 저하되어 용접비드 표면에 결함이 발생하였다.
비교예 6은 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위를 초과한 경우로 아크성이 바람직하지 않았으며 용접 후 일부 슬래그가 비드 중앙부에 얇게 잔재하여 제거되지 않는 문제가 있었다.
비교예 7은 Al 환산치 및 Mg 환산치, 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량이 본 발명범위를 벗어나고, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위를 초과한 경우로, 아크성 및 슬래그 유도성이 나빠지고 용접비드 가장자리에 형성된 슬래그가 제거되지 않는 문제가 있었으며, 스패터 발생량이 과도하게 증가되어 용접 작업이 어려운 문제가 있었다.
비교예 8은 Ca계 탄산염의 함량이 본 발명범위 미만인 경우로, 생성되는 슬래그량이 작고 슬래그 포피가 불균일하며 슬래그 제거 작업에도 문제가 있었다.
비교예 9는 Al 환산치 및 Mg 환산치와 (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 본 발명범위 미만인 경우로, 아크가 불안하고 슬래그 유동성이 바람직하지 않았으며, 슬래그 일부가 용접비드 표면에 잔재하여 비드외관이 좋지 않았다. 또한 슬래그 혼입으로 인한 용접결함을 유발하여 건전한 용접부 확보가 어려웠다.

Claims (1)

  1. 강제 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서,
    상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, Ca계 탄산염: 5.5~9.5%, Al 함유물: Al 환산치로 12.0~18.0%, Mg 함유물: Mg 환산치로 2.0~5.0%, 금속 Ba, Li 및 Sr계 불화물을 포함하고, 상기 불화물 중의 F의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 3.5~5.0%이고 상기 금속 Ba, Li 및 Sr의 함량은 플럭스 전중량에 대하여 8.0~12.0%, 나머지는 Si, Mn, 철분 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al 환산치 + Mg 환산치)/(금속 Ba, Li 및 Sr의 함량)의 값이 1.3~2.0을 만족하는 것을 특징으로 하는 셀프 쉴디드(self-shielded) 아크 용접용 플럭스 충전 와이어.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR900001676A (ko) * 1988-07-12 1990-02-27 에.뚜레 레메뜨르 2-[(4- 피페리디닐)메틸)-1,2,3,4-테트라히드로이소퀴놀린, 그의 제법 및 치료에의 이용
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