KR101091469B1 - 순수 Ａｒ 실드 가스 용접용 ＭＩＧ 플럭스 코어드 와이어 및 ＭＩＧ 아크용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 강(鋼)용 순수 Ar-MIG 용접용 용접와이어는, 외피로서 탄소강의 강 스트립을 파이프 형상으로 용접한 것 또는 심리스(seamless) 강관을 이용하여 내부에 플럭스를 충전하여 신선(伸線)한 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 플럭스는 와이어 전체 질량당 7 내지 27질량%를 차지하고, 와이어는 플럭스 중에 흑연을 와이어 전체 질량당 0.16 내지 2.00질량% 함유하며, 그 밖에 철분을 플럭스 전체 질량당 20질량% 이상 함유한다. 이러한 구성에 의해, 고가의 금속 자원 및 온실효과 가스를 사용하지 않고, 또한 슬래그 및 흄의 발생을 억제하여, 더 높은 정적 인장강도와 피로강도를 갖는 용접 이음매를 얻을 수 있다.

Description

순수 Ａｒ 실드 가스 용접용 ＭＩＧ 플럭스 코어드 와이어 및 ＭＩＧ 아크용접 방법{PURE Ar GAS SHIELDED WELDING MIG FLUX-CORED WIRE AND MIG ARC WELDING METHOD}

본 발명은, 순수 Ar 가스를 실드 가스로서 사용하여, 강재(鋼材)끼리 MIG 아크용접하기 위해 사용되는 순수 Ar 실드 가스 용접용 MIG 플럭스 코어드 와이어, 및 이 와이어를 용접 토치로부터 풀어내면서 가스 실드 아크용접하는 MIG 아크용접 방법에 관한 것이다.

모재(母材)가 알루미늄 합금재인 경우와 달리, 강재의 가스 실드 아크용접에서는, 순수 Ar을 사용한 불활성 가스 아크용접 방법은 실질적으로 불가능하다고 여겨져 왔다. 그 이유는 강재를 전극으로 하는 경우, 전자 방출은 에너지적으로 낮은 산화물을 필요로 하기 때문이라고 여겨지고 있다. 순수 Ar 가스로는 강판 또는 와이어 선단 표면에 산화물이 형성되지 않는다. 따라서, 일반적으로는, CO₂ 단독 또는 Ar에 CO₂ 또는 O₂가스를 혼합한 것을 실드 가스로서 사용하고 있다. 그러나, CO₂ 및 O₂와 같은 산화성 가스가 존재하면, 용융 상태에 있어서 필연적으로 철이 산화되어, 그 성질을 열화시키므로, 산화제로서 보다 산소와 친화성이 강한 Si, Mn 또는 Ti와 같은 비철원소를 와이어로부터 첨가함으로써, 탈산(脫酸)반응을 일으켜, 슬래그로서 배출시키고 있다. 다시 말해, 산화성 가스를 사용하므로, 이음매 성능에는 필요가 없는 고가의 원소를 첨가하고 있는 것이다. 또한, 실드 가스로서는 저렴한 CO₂가 가장 많이 이용되고 있지만, 온실효과 가스로서 알려져 있어, 사용을 가능한 한 자제해야 한다.

이에 대하여, 순수 Ar 가스를 실드 가스로서 사용한 용접은, 산화물인 슬래그 및 흄(fume)이 원리적으로 거의 발생하지 않게 되므로, 슬래그 부착에 의해 야기되는 도장 성상의 불량, 또는 흄 흡인에 따른 인체에 대한 악영향에 대하여, 개선 효과를 기대할 수 있다.

이와 같이, 순수 Ar 가스용접은 온실효과 가스의 비사용, 귀중한 금속의 절약, 용접부의 외관향상, 용접장의 위생환경 개선이라는 많은 관점에서 유익하다. 또, 전극으로서, 비소모전극인 텅스텐을 사용하여, 용접봉을 전극ㆍ모재간에 발생하는 아크열로 용융하는 TIG 용접법에서는, 순수 Ar 가스가 사용 가능하지만, 와이어 자체로부터 아크를 발생하는 MAG 용접법 및 MIG 용접법과 비교하면, 저항 발열 효과가 없으므로, 매우 능률이 낮다는 결점이 있다.

예컨대, 강(鋼)의 순수 Ar-MIG 용접법으로서, 강의 심에 다른 재료의 강 스 트립을 감은 특수한 용접와이어가, 일본 특허 공개 제2006-205204호에 개시되어 있다. 또한, 그 외에, 특수한 형상의 토치를 이용하여, 순수 Ar 실드 가스의 주위에 산화성 가스를 흐르게 한 유사적인 순수 Ar 용접법이, 일본 특허 공개 제2007-44736호에 개시되어 있다. 또한, 흑연을 0.10 내지 0.7질량%, 그 외에 적당량의 원소를 첨가한 플럭스 코어드 와이어를 이용함으로써, 슬래그 량 저감에 의한 도장성의 개선과, 마텐자이트 변태 온도를 저하시켜 압축잔류응력을 부여함으로써, 이음매 피로강도를 개선하는 용접 방법이 일본 특허 공개 제2006-272405호에 개시되어 있다.

그러나, 일본 특허 공개 제2006-205204호에 개시되어 있는 용접와이어는 제조가 곤란하며, 또한 조성도 Ni, Cr 등을 다량으로 함유하므로 매우 고가이기 때문에 실용성이 부족하다. 또한, 일본 특허 공개 제2007-44736호에 개시된 용접 토치는, 산화성 가스를 이용한다는 점에서는 종래 알려진 범위 내이며, 용접 토치가 특수한 형상이므로 실용성이 부족하다. 또한, 일본 특허 공개 제2006-272405호에 개시된 실드 가스와 흑연의 조합은, 대량의 흄을 발생시키므로 환경 상 바람직하지 않다. 또한, 산소가 실드 가스로부터 공급되므로 슬래그 저감 효과가 한정적이다. 게다가, 용접 금속의 산소 함유량은 수 100ppm으로 높고, Ms점의 저하 효과가 한정적이다. 또, 이 Ms점이란, 냉각 중에 오스테나이트가 마텐자이트로 변태하기 시작하는 온도를 나타낸다. 더욱이, 고 탄소강에 있어서, 산화물은 개재물로서 응고 크랙을 일으키기 쉽다는 결점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 특수한 토치를 사용할 필요가 없고, 고가의 금속 자원을 반드시 사용할 필요가 없으며, 또한, CO₂와 같은 온실효과 가스를 사용하지 않으면서도, 슬래그 및 흄의 발생이 억제됨과 아울러, 정적 인장강도 및 피로강도가 우수한 용접 이음매를 얻을 수 있는 순수 Ar 실드 가스 용접용 MIG 플럭스 코어드 와이어 및 MIG 아크용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 플럭스 코어드 와이어는, 순수 Ar 실드 가스를 사용한 MIG 용접에 사용되는 플럭스 코어드 와이어로서, 강제(鋼製) 외피 내에 플럭스를 충전하여 이루어지고, 상기 플럭스 중에, 흑연을 와이어 전체 질량당 0.16 내지 2.00질량% 함유하고, 철분을 플럭스 전체 질량당 20질량% 이상 함유한다.

상기 와이어는, 상기 플럭스 중에, Ti 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 와이어 전체 질량당 0.03 내지 5.00질량% 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 와이어는, 와이어 전체 질량당, C : 0.16 내지 2.00질량%를 함유하고, 또한, Si : 2.00질량% 이하, Mn : 10.00질량% 이하, Al : 1.00질량% 이하, Mg : 1.00질량% 이하, Ni : 3.00질량% 이하, Cr : 3.00질량% 이하, Nb : 3.00질량% 이하, V : 3.00질량% 이하, Mo : 3.00질량% 이하, Cu : 3.00질량% 이하, B : 0.0200질량% 이하, 희토류 금속(REM) : 0.50질량% 이하, F : 0.50질량% 이하, Ca : 0.50질량% 이하, K, Na 및 Li : 총량 1.00질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하며, 또한 불순물은, P : 0.030질량% 이하, S : 0.030질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 와이어는, C가 와이어 전체 질량당 0.45 내지 2.00질량%이면 바람직하다.

본 발명에 따른 MIG 아크용접 방법은, 상술한 순수 Ar 실드 가스 용접용 MIG 플럭스 코어드 와이어를 사용하여, JIS K 1105의 1급 또는 2급의 순수 Ar을 실드 가스로서 사용하고, 상기 와이어를 양극으로 하여 음극의 모재와의 사이에 아크를 발생시켜, MIG 용접한다.

이 경우에, 상기 아크를 형성하기 위한 전원으로서, 펄스 전원을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모재로서, 인장강도가 490㎫ 이상인 강판을 적합하게 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 토치 등 용접 장치를 그대로 사용하고, 와이어 조성 및 실드 가스를 적절히 조합함으로써, 온실효과 가스를 사용하지 않고, 또한, 반드시 고가의 금속 자원을 필요로 하지 않으면서도, 슬래그 및 흄의 발생을 억제할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따르면, 높은 정적 인장강도와 피로강도를 갖는 용접 이음매를 얻을 수 있다. 이에 따라, 강재용으로서 저비용으로 안정한 순수 Ar-MIG 용접을 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1은, 본 실시형태의 순수 Ar 가스를 실드 가스로서 사용하는 MIG 용접 방법을 나타내는 사시도이다. 용접 토치(1)를 향해서 용접와이어(13)가 연속적으로 공급되고, 용접와이어(13)는 용접 토치(1)의 중심부를 통과하여 용접 토치(1)의 선단으로부터, 모재(21)를 향해서 송출된다. 이 용접와이어(13)를 양극으로 하고, 모재(21)를 음극으로 하여, 전원장치(도시하지 않음)로부터 용접 전압이 인가되고, 용접와이어(13)와 모재(21)의 사이에 아크(31)가 형성된다. 이 아크(31)에 의해, 용접와이어(13) 및 모재(21)가 용융되어, 용융지(溶融池;175)가 형성된다. 이 경우에, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 용접와이어(13)와 모재(21)의 사이에 형성되는 용융지(175)의 근방에는, 실드 가스로서 순수 Ar 가스가 공급되고, 아크(31) 및 용융지(175)의 주변을 외기로부터 차단하고 있다.

용접와이어(13)를 용접선(도 1의 경우는 V홈의 맞댐용접)을 따라 이동시킴으로써, 용융지(175)가 응고되어, 용접 금속에 의한 용접 비드(173)가 형성된다. 이에 따라, 용접 이음매를 얻을 수 있다.

다음으로, 이 순수 Ar 가스 실드 MIG 용접에 있어서, 순수 Ar 가스분위기에 있어서의 아크(31)의 불안정 메커니즘을 고속카메라 등을 이용하여 관찰한 결과에 대하여 설명한다. 도 2(a), (b)는 그 거동을 나타내는 모식도이다. 순수 Ar 가스분위기에서는, 산화성 가스를 이용했을 때의 분자의 분해시에 생기는 흡열반응, 및 가스 고유의 전위 경도가 발생하지 않으므로, 보통의 솔리드 와이어(11) 또는 플럭스 코어드 와이어(13)에서 용적(액적)(19)의 선단으로부터 그 상부의 아크 발생점의 거리(15)가 매우 커져, 도 2(a)에 도시된 바와 같은 가늘고 긴 액기둥(17)이 생긴다. 또한, 모재(21)의 표면의 음극점은 산화물이 형성되기 어려우므로 불안정하며, 넓은 범위를 아크 발생점으로 하여 격렬하게 떠돌게 된다. 이것은 결과적으로 용접 비드(173) 근방에 형성되는 클리닝 폭이 되므로 확인할 수 있다. 아크(31)가 매우 불안정한데 대하여, 와이어 선단의 액기둥(17)도 가늘고 길어, 그 영향을 받 기 쉽고, 아크점의 이동과 함께 그 에너지에 의해 액기둥(17)은 주위로 비산하여, 격렬한 스퍼터(171)가 발생한다. 그 때문에, 용접 비드(173)는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 사행(蛇行)하는 등 정상이 되지 않아, 용접이 불가능해진다.

이 현상에 대하여,

(1) 전기적으로 아크 방출을 촉진하기 쉬운 원소를 아크 발생부분, 다시 말해, 양극점에 노출시킨다.

(2) 에너지 포텐셜을 내려, 양극점과 음극점을 안정하게 하는 산소를 와이어(13)로부터 공급한다.

(3) 강력한 탈산 효과를 갖고, 용융된 철의 표면장력을 높이는 것에 의해 액기둥(17)이 아닌 구형의 액적(19)이 되도록 하여 아크(31)의 지향 방향의 영향을 받기 어렵게 한다. 이상의 3가지에 의해 아크(31)의 안정성을 개선한다.

본원 발명자 등에 의한 연구의 결과, (1)을 실현하기 위해서는 흑연이 유효한 것을 발견했다. 흑연은 탄소의 한 형태이며, 더구나 저렴하다. 용단의 가우징 봉으로서 사용되는 것에서 알 수 있듯이, 탄소 아크라 불리는 강력한 아크 발생원으로서 작용한다. 고온에서도 안정하므로, 가스 실드 아크용접에서도 아크 발생점이 될 수 있다. 흑연은 솔리드 와이어(11)의 형태로는 아크(31)에 공급하는 것이 불가능하며, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 플럭스 코어드 와이어(13)의 형태가 필수적이다.

(2)의 산소를 와이어(13)로부터 공급하는 수단으로서, 플럭스(131) 내에 철분을 혼입시키는 것이 유효한 것을 발견했다. 구체적으로, 철은 대기중에서 불안 정하므로, 표면에 산소가 흡착 또는 산화되어 있는 것이 보통이다. 철분은 솔리드 형태보다 단위 질량당 표면적이 크므로, 훨씬 산소량이 높아져 있고, 아크 발생점에서 그라파이트와 마찬가지로 안정 발생점을 형성한다.

도 3(b)에 비드 형상을 도시한 바와 같이 (1), (2)만으로 순수 Ar 분위기에서 안정한 아크(31)를 얻을 수 있는 것을 알았다. 또한, (3)으로 하여 Ti 또는 Zr을 상승 첨가함으로써, 와이어(13)의 선단을 구형의 용적(19)으로 할 수 있어, 아크(31)의 안정화와 스퍼터(171)의 비산을 억제할 수 있는 것을 발견했다.

순수 Ar 가스를 이용하여 용접할 수 있게 되면, 형성되는 용융지(175)는 50ppm 이하의 매우 적은 산소량이므로, 탈산 원소가 반드시 필요하지는 않게 된다. 그렇게 하면, 습윤성의 조정 등을 목적으로 하여, 용접 비드(173)의 형상을 향상시키기 위해 필요한 만큼의 탈산 원소를 필요에 따라 첨가하면 좋다. 강도 및 인성 등의 기계적 특성의 향상에 대해서도 마찬가지이다. 이하에 본 발명에 따른 와이어(13)의 각 성분의 한정에 대하여 상술한다.

「흑연 : 와이어의 전체 질량당 0.16 내지 2.00 질량%」

상술한 대로, 흑연을 플럭스로서 첨가함으로써 순수 Ar 분위기 중에서도 안정한 아크 발생원이 된다. 이것은 와이어의 전체 질량당 0.16질량% 이상일 때에 유효해진다. 결과적으로 저 스퍼터화에 효과적이고, 용접 비드의 직선성에 관해서도 일반적인 CO₂계의 용접과 마찬가지로 우수하다. 바람직하게는 0.25질량% 이상, 더 바람직하게는 0.45질량% 이상으로 하면 아크 안정성, 저 스퍼터성, 직선성이 향 상된다. 한편, 흑연이 2.00질량%를 초과하면 아크력이 과잉이 되어, 스퍼터가 다발하고, 또한 수소 균열도 다발한다. 따라서 2.00질량%를 흑연의 상한으로 한다.

「철분 : 플럭스의 전체 질량당 20질량% 이상」

상술한 대로, 철분은 미세하므로 산소를 표면에 다량으로 보지(保持)하고 있고, 순수 Ar 환경하의 아크 발생점에서 흑연과 공존함으로써 아크 발생원이 된다. 이것은 플럭스의 전체 질량당 20질량% 이상일 때에 유효하다. 과잉 첨가시의 단점은 없으므로, 상한을 마련할 필요는 없고, 40질량% 이상이면 보다 바람직하다. 또, 철분의 정의로서는 Fe농도 95질량% 이상이고 또한 입도가 500㎛ 이하인 분체로 한다.

「외피 : 탄소강의 강 스트립을 파이프 형상으로 성형한 것 또는 심리스(seamless) 강관」

본 발명의 플럭스 코어드 와이어의 구조는 종래와 같다. 와이어의 제조 방법은 외피가 되는 강 스트립의 길이 방향으로 플럭스를 살포하고 나서, 감싸듯이 강 스트립 양단을 가압하여, 원형 단면으로 성형하여 신선(伸線)하는 방법, 또는 외피가 되는 굵은 직경의 심리스 강관에 플럭스를 충전하여 신선하는 방법이 있지만, 본 발명에서는 어느 방법이라도 상관없다. 또한, 심(seam)이 있는 것과 없는 것이 있지만, 이것도 어느 것이라도 상관없다. 외피의 성분에 대해서는 조금도 규정할 필요가 없지만, 비용면과 신선성의 면에서 연강(軟鋼) 재질을 이용하는 것이 일반적이다. 또한, 표면에 구리 도금을 실시하는 경우도 있지만, 이것도 어느 것이라도 상관없다.

「Ti, Zr : 와이어의 전체 질량당 각각 0.03 내지 5.00질량%」

순수 Ar 분위기에서의 아크 안정성을 극적으로 개선시키는 수단은, 흑연과 철분을 플럭스로서 이용하는 것이지만, 이들과 공존하여, 안정화 효과를 더 높이는 것이 Ti와 Zr이다. 이들을 적당량 첨가하면 와이어 선단의 용적을 입자상화하여, 흔들림을 억제할 수 있다. 이 효과가 발휘되는 하한은 0.03질량%이다. 한편, 5.00질량%를 초과하여 첨가하면 용접 금속 중에 Ti 또는 Zr이 개재물로서 과잉 잔류되어, 균열을 발생시키거나, 용적이 지나치게 커져서 반대로 아크를 불안정화시킨다. 또, Ti, Zr의 첨가원료로서는, 일반적인 페로타이타늄, 페로지르코늄, 산화 타이타늄, 산화 지르코늄, 금속 타이타늄, 금속 지르코늄, 타이타늄 산소다, 타이타늄산 칼륨, 지르콘 샌드, 그 밖의 화합물을 포함해서 어떠한 형태라도 상관없다. 또, 실드 불량시에 슬래그가 발생하는 경우가 있으므로, 방지를 위해 더 바람직하게는 1.50질량% 이하이다.

「C : 와이어의 전체 질량당 0.16 내지 2.00질량%」

순수 Ar 아크 안정제로서 흑연을 이용하므로, 용접 금속의 강도를 높이기 위해 필요한 C량은 기본적으로는 흑연으로부터 충분히 조달할 수 있다. 따라서 C로서의 규정량은 흑연의 규정량과 동일하다. 단, C는 흑연 이외에도 SiC 등의 화합물로서 첨가 혹은 혼입하는 것도 있으므로 독립적으로 규정했다. 0.45질량% 이상인 경우는, 압축 잔류 변형이 부여되어, 이음매 피로강도도 높일 수 있다. 0.60질량% 이상 첨가하면 이음매 피로강도를 더 높일 수 있다. 한편, C가 2.00질량%를 초과하면 스퍼터가 다발하므로 C의 상한치는 2.00질량%로 한다.

「Si : 와이어의 전체 질량당 2.00질량% 이하」

일반적인 용접와이어에는 용철의 산화를 억제하기 위해 탈산제를 첨가하고 있다. 그러나, 순수 Ar-MIG 용접에서는 산화가 일어나지 않으므로, 탈산제를 첨가하지 않더라도 용접 가능해진다. 따라서, Si없이도 문제는 없다. 또, 0.50질량% 이상 첨가하면 비드 지단부(止端部)의 형상이 개선되어, 보다 바람직하다. 한편, 2.00질량%를 초과하면 용융지의 점성이 과잉이 되어, 고속 용접시에 험핑하기 쉬워진다. 따라서, 상한 2.00질량%이다. 또, Si의 첨가 원료로서는 금속 실리콘, 페로실리콘, 실리콘 망간, 규사, 칼리장석, 지르콘 샌드, 규산 소다 등이 있다.

「Mn : 와이어의 전체 질량당 10.00질량% 이하」

Mn도 또한 Si와 마찬가지로 일반적인 용접 재료로서는 탈산 목적으로 첨가되어 있다. 그러나, 순수 Ar-MIG 용접에서는 산화가 일어나지 않으므로, 탈산제를 첨가하지 않더라도 용접 가능해진다. 따라서, Mn없이도 문제는 없다. 또, 0.50질량% 이상 첨가하면 비드 지단부의 형상이 개선되어, 보다 바람직하다. 일반적으로는 비용면을 고려하여 3.0질량%를 상한으로 하여도 충분하지만, 이음매 피로강도를 개선하는 기능을 갖게 하는 경우는 Mn을 더 첨가하면 효과적이다. 한편, 10.00질량%를 초과하면 용융지의 점성이 과잉이 되어, 고속 용접시에 험핑하기 쉬워진다. 따라서, 상한 10.00질량%로 한다. 또, Mn의 첨가 원료로서는 금속 망간, 페로망간, 실리콘 망간 등이 있다.

「P, S : 와이어의 전체 질량당 각각 0.030질량% 이하」

P, S는 고온 균열 내성을 저하시키는 원소이며, 본 발명의 목적에서는 특별 한 적극첨가의 의미는 없다(무첨가라도 문제는 없다). 따라서, 종래 와이어와 동등하게 공업적 생산성과 비용을 고려하여 각각 0.030질량% 이하로 억제한다.

「Al, Mg : 와이어의 전체 질량당 각각 1.00질량% 이하」

Al, Mg도 또한 강력한 탈산제로서 이용되고 있다. 그러나, 순수 Ar-MIG 용접에서는 산화가 일어나지 않으므로, 탈산제를 첨가하지 않더라도 용접 가능해진다. 따라서, Al, Mg없이도 문제는 없다. 단, 0.10질량% 이상 첨가하면 아크력을 높여, 용해 깊이를 크게 하는 효과가 있다. 한편, 1.00질량%를 넘어 첨가하면 스퍼터(171)가 많아진다. 따라서, 상한은 각각 1.00질량%로 한다. 또, 첨가원료로서는 금속 알루미늄, 페로알루미늄, 금속 마그네슘, 알루미늄 마그네슘 등이 있다.

「Ni, Cr, Nb, V, Mo, Cu의 모든 원소 각각 : 와이어의 전체 질량당 3.00질량% 이하」

Ni, Cr, Nb, V, Mo, Cu는 무첨가라도 문제없지만, 각각 적당한 양을 첨가함으로써 Ms점을 저하시키거나, 적절한 강도를 확보하는 효과가 있다. 그들 효과가 나타나기 위해서는 최저 0.05질량%가 필요하다. 한편, 3.00질량%를 초과하면, 용융지의 점성이 상승하여 고속 용접시에 험핑한다. 또한, 강도 과잉으로 균열이 발생하는 단점이 생기므로 3.00질량% 이하로 한다. 또, Cu를 와이어 표면에 도금한 경우, 도금부를 포함한 비율로 한다.

「B : 와이어의 전체 질량당 0.0200질량% 이하」

B는 무첨가라도 문제없지만, 소량 첨가로 Ms점을 저하시키고, 또한 용접 금속의 인성을 향상시킬 수 있다. 이 효과는 O.0010질량% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 0.0200질량%를 넘는 첨가는 균열을 발생시키므로 이 이하로 한다.

「REM : 와이어의 전체 질량당 0.50질량% 이하」

REM은 희토류 금속(Rare Earth Metal)의 의미로 La, Ce 등으로 일반적으로 구성된다. 무첨가라도 문제없지만, 0.01질량% 이상 REM을 첨가하면 MIG 용접시에 아크 안정성이 향상되고, 또한 용접 금속의 산소량을 보다 저하시켜 Ms점을 저하시킬 수 있다. 한편, 0.50질량%를 넘는 첨가는 아크 안정화 효과가 포화되어, 반대로 용적이 대립화하므로 스퍼터가 증가한다. 또한, 비용도 오른다.

「K, Na, Li의 합계 : 와이어의 전체 질량당 1.00질량% 이하」

K, Na, Li도 또한 무첨가라도 문제없지만, 각각 적당한 양을 첨가함으로써 전자 방출을 용이하게 하고, 아크 안정화와 용적의 이행을 원활하게 하여 스퍼터 발생량을 저하시킨다. 그 효과는 적어도 1종의 원소를 합계 0.001질량% 이상 첨가함으로써 발휘된다. 한편, 합계 1.00질량%를 넘는 첨가는 그 효과가 포화되어 버리고, 아크력이 약해져 용해 깊이가 얕아진다. 그 때문에, 용융지가 불안정해져 험핑하는 등의 문제가 생긴다. 따라서, 상한은 합계 1.00질량%이다. 또, K, Na, Li는 K₂O, Na₂O, Li₂O를 주성분으로 하는 장석, 소다 유리, 칼리 유리를 원료로서 플럭스에 첨가하는 것이 일반적이다.

「F, Ca : 와이어의 전체 질량당 각각 0.50질량% 이하」

F, Ca도 또한 무첨가라도 문제없지만, 각각 적당한 양을 첨가함으로써 강력한 탈산 작용을 갖고, 용접 금속의 담금질성을 높인다. 그 효과는 최저 0.005질 량% 이상이 필요하다. 한편, F 또는 Ca가 0.50질량%를 초과하면, 용융지(175)의 점성이 상승하여 고속 용접시에 험핑한다. 또한, 스퍼터의 발생량이 증가하므로, F 및 Ca는 각각 0.50질량% 이하로 한다.

또, 본 발명의 와이어의 플럭스율(충전율)은 종래의 플럭스 코어드 와이어와 특별히 다른 것은 없지만, 통상 와이어의 전체 질량당 7 내지 27질량%이다. 7질량% 미만으로는 흑연 및 철분 등의 MIG 아크용접에서 필요한 플럭스 원소를 필요량 확보할 수 없고, 성형 가공도 곤란하다. 한편, 27질량%를 초과하면 외피가 얇아져 신선가공 중에 단선이 발생하기 쉬워져, 제조가 곤란하다.

본 발명의 와이어의 플럭스 성분으로서는, 흑연, 철분, Ti원 및 Zr원에 더하여, 다음과 같은 물질을 포함할 수 있다. 즉, Si원(전술), Mn원(전술), Al원(전술), Mg원(전술), Ni, Cr, Nb, V, Mo, Cu의 금속분 또는 합금분, B의 금속분, 합금분, 산화물, REM(La, Ce), K원(전술), Na원(전술), Li원(전술), F원, Ca원 등을 들 수 있다. 또한, 외피로서 연강을 이용한 경우, 외피에 함유되는 성분은 C, Mn, Si, P, S 정도이므로, 그들 이외의 원소, 및 Mn이나 Si에 대해서 외피에서만으로는 부족한 몫을 보충하도록, 플럭스에 첨가하는 물질을 정할 필요가 있다.

「Ar : JIS K 1105의 1급 또는 2급」

본 발명에 있어서의 "순수 Ar"의 표기는 과학상의 100% Ar이 아니라, 공업제품으로서의 순수 Ar이다. JIS K 1105에는 공업용 Ar이 규정되어 있고, 1급이 순도 99.999체적% 이상, 2급이 순도 99.995체적% 이상이다. 모두 본 용접와이어(13) 및 용접법의 조합으로서 문제없이 사용 가능하다. 그 이하의 순도의 Ar 가스에서도 본 용접와이어는 적용할 수 있지만, 흄량 또는 스퍼터량의 증가, 금속 강도저하 또는 슬래그 발생 등의 악영향이 생긴다.

「전원장치 : 펄스 전원」

용접기는 일반적으로 소모 전극식　아크용접용으로 이용되는 정전압 특성 전원이라도 문제없다. 그러나, MIG 용접에 있어서의 아크 안정성을 더 향상시키기 위해서는 펄스 용접기와의 조합을 가장 권할만하다. 순수 Ar 용접에서는 험핑 발생에 관한 용적 이탈의 규칙성에 대하여, 산화성 가스를 이용한 MAG 용접보다 뒤떨어진다. 따라서, 평균 전류에 관계없이 항상 높은 전류의 작용으로 핀치력을 부여할 수 있어, 규칙 바른 용적이탈을 실현할 수 있는 펄스 용접법이 바람직하다. 펄스의 설정에 대해서는 특별히 한정하지 않지만, 피크전류 350 내지 600A, 베이스전류 30 내지 100A, 1피크간(상승개시~피크정상기~상승종료)에 0.8 내지 5.0밀리초가 일반적으로 사용된다.

「모재 강도 490㎫ 이상의 강판」

순수 Ar 분위기에서의 MIG 용접법의 최대의 효과는, 용접와이어에 첨가되는 귀중한 금속 자원 및 온실효과 가스를 사용하지 않으면서도, 용접부에 슬래그를 발생시키지 않는 것이다. 그 장점을 얻기 위해, 모재에 대해서는 아무런 제한을 요하지 않고, 범용적으로 적용할 수 있다. 또한, 본 와이어의 성분의 하나인 흑연량을 더 한정함으로써, 용접 이음매의 피로강도를 높이는 효과도 얻을 수 있다. 용접 금속의 변태 팽창으로 강재 열 영향부에 발생하는 잔류 응력을 저감할 수 있는 이유는, 용접 금속이 팽창할 때에 강재측에 발생하는 응력도 용접 금속으로의 반력 에 의해 압축 응력이 되는 것에 의한다. 이 때문에, 보다 높은 반력을 기대할 수 있는 고강도 강판일수록 피로 특성의 개선도 크다고 기대할 수 있다. 강재 강도가 낮은 경우는, 반력도 낮아지지 않을 수 없고, 변태 종료 후의 열수축으로 다시 인장 응력 상태로 되돌아가버릴 위험이 있기 때문이다. 인장 응력이 잔류하여버리면 피로강도 개선은 바랄 수 없다. 그 때문에, 피로강도 향상을 기대할 수 있는 하한으로서, 490㎫를 설정했다. 또, 상한에 대해서는 특별히 한정할 필요는 없다. 현재 일반에 실용화되어 있는 박강판의 강도는 1500㎫ 정도가 최대이며, 이 정도까지의 강판이면, 본 발명의 와이어로 피로강도의 개선을 도모할 수 있고, 또한 이음매 인장강도의 면에서도 용접 금속의 오버매칭을 달성할 수 있다.

<실시예>

시험 1로서, 판두께 12㎜의 SS400강판을 이용하여 도 1에 도시된 바와 같은 맞댐 용접을 행했다. 표 1에 본 시험에 이용한 플럭스 코어드 와이어용 강 스트립의 조성을 나타내고, 이것을 외피로 하여, 표 2a, 2b, 3a, 3b, 4a 및 4b에 나타내는 조성의 플럭스 코어드 와이어를 제조했다. 단, 비교예 No.65, 66만 솔리드 와이어(11)이다. 또, 각 원소는 기본적으로 적극 첨가인 것을 기입하고, "-"는 무첨가 취급으로 한다. 또한, P, S는 모두 불순물 취급이지만 관례상 분석치를 개시하고 있다. 또, 각 원소의 함유량은 와이어의 전체 질량당 비율을 나타내지만, 철분만 플럭스 전체 질량당 비율이다. 시험 1의 실시 조건으로서, 실드 가스는 JIS K 1105 1급의 Ar 가스로 하고, 와이어 직경은 1.2㎜, 와이어 돌출길이 15㎜, 용접 전류 280A, 용접 속도 40㎝/분으로 했다. 극성은 역극성(와이어가 플러스이고 모재 가 마이너스), 용접 전류는 통상의 직류 정전압 특성기와 펄스 용접기의 양쪽으로 했다.

평가에 대해서는 전류, 전압을 연속 측정하여, 1분당 1번도 아크의 불안정이 일어나지 않은 것을 ◎, 1분당 1회 이상 4회 이하 아크의 불안정이 일어난 것을 ○, 1분당 5회 이상 8회 이하 아크의 불안정이 일어난 것을 허용 하한의 △, 1분당 9회 이상의 아크의 불안정을 일으킨 경우는 용접 불가로서 ×로 했다. 또한, 펄스 용접기의 경우에 스퍼터량도 측정하여, 0.5g/분 이하를 양호로 ◎, 0.50g/분 초과 1.00g/분 이하를 ○, 1.00g/분 초과를 다량 스퍼터로서 ×로 했다. 또한, 용접 비드의 형상을 기능 평가했다. 용접 비드의 가장자리가 가지런하고, 매우 직선성이 우수한 것을 ◎, 험핑 기미 등, 불안정한 부분이 드물게 보이지만, 실용적으로 문제없는 레벨을 ○, 용접 비드가 사행하고 있다고 판단되는 것을 불가로서 ×로 했다. 또한, 용접 비드의 균열의 확인을 행하여, 전혀 균열이 없는 경우는 ○, 용접길이 1m당 1부분 균열이 보인 경우를 △, 2부분 이상 균열이 보인 경우를 불가로서 ×로 평가했다. 이들의 평가 결과를 표 6a, 6b 및 7에 나타낸다. 표 6a, 6b 및 7에서는, 직류 정전압 특성기를 이용한 결과를 "P무"로 펄스 용접기를 이용한 결과를 "P유"로서 나타낸다.

다음으로 시험 2로서, 시험 1의 펄스 용접기를 이용한 조건에서의 평가가 ◎ 및 ○인 용접와이어를 이용하여, 표 5에 나타내는 조성의 강판끼리를 도 4와 같이 포개어 필렛용접하여, 피로 시험을 행했다. 시험 2의 용접 실시 조건으로서는, 실드 가스는 JIS K 1105 2급의 Ar가스, 실드 가스 유량은 15리터/분으로 하고, 와이어 직경은 1.2㎜, 와이어 돌출길이 15㎜, 용접 전류 270A, 용접 속도 120㎝/분으로 하고, 토치의 전진후퇴각은 0°(용접선에 대하여 직각)로 했다. 피로 시험은 용접 워크로부터 도 5에 나타내는 피로 시험편(231)을 채취하여, 양 진동 평면 굽힘 피로 시험을 행했다. (주파수 25㎐, 정현파응력) 10⁷회에서의 시간 강도를 피로강도로 정의하여 비교했다. 200㎫ 미만은 피로강도 향상 효과 없음으로서 ×, 200㎫ 이상을 효과 있음으로서 ○로 하여, 그 결과를 표 6a, 6b 및 7에 나타낸다.

No.1 내지 53은 와이어 조성이, 플럭스 중에 흑연을 와이어 전체 질량당 0.16 내지 2.00질량% 함유하고, 플럭스 전체 질량당 철분을 20질량% 이상 함유하는 본 발명의 범위를 만족하는 실시예이다. 순수 Ar 실드 가스에 있어서, 이들 플럭스 코어드 와이어는 아크가 안정하고, 스퍼터가 적고, 용접 비드의 직선성도 우수하다. 결과적으로, CO₂가스 실드 용접 또는 Ar+CO₂가스 실드 용접과 같은 안정성을 갖는 용접이 가능하다. 또한, CO₂가스를 이용하지 않으므로, 지구 온난화 방지에 공헌할 수 있다.

실시예 중에서도, 실시예 No.1 내지 20, 22 내지 35, 및 38 내지 53은, Ti 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 와이어 전체 질량당 0.03 내지 5.00질량% 함유한다. 이들 실시예에서는, 아크가 더 안정하며, 보다 적합하다.

또한 그 중에서도, 실시예 No.1 내지 20, 23 내지 25, 및 27 내지 35는, 와이어 전체 질량당, C : 0.16 내지 2.00질량%를 함유하고, 또한, Si : 2.00질량% 이하, Mn : 10.00질량% 이하, Al : 1.00질량% 이하, Mg : 1.00질량% 이하, Ni : 3.00질량% 이하, Cr : 3.00질량% 이하, Nb : 3.00질량% 이하, V : 3.00질량% 이하, Mo : 3.00질량% 이하, Cu : 3.00질량% 이하, B : 0.0200질량% 이하, 희토류 금속(REM) : 0.50질량% 이하, F : 0.50질량% 이하, Ca : 0.50질량% 이하, K, Na 및/또는 Li : 총량 1.00질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하며, 또한 불순물은, P : 0.030질량% 이하, S : 0.030질량% 이하로 규제한 와이어이다. 이들 실시예에서는, 비드의 형상 및 내균열성이 더 양호해져, 보다 적합하다.

또한 그 중에서도, 실시예 No.2, 6 내지 8, 10 내지 15, 17, 19, 20, 23 내지 25, 및 27 내지 35는, C를 와이어 전체 질량당, 0.45 내지 2.00질량%로 규제한 와이어이다. 이들 실시예에서는, 이음매 피로강도가 높아져, 보다 적합하다.

No.54 내지 66은 비교예이다.

비교예 No.54 내지 58은 흑연량이 적고, 일반적인 CO₂가스 실드 용접 또는 Ar+CO₂가스 실드 용접용 플럭스 코어드 와이어에 상당한다. 흑연이 적으므로, 순수 Ar 분위기에 있어서는 아크가 안정되지 않고, 용접 비드가 사행하여, 스퍼터(171)가 다량으로 발생하여, 종래 알려진대로 실질적으로 용접불가이다.

비교예 No.59는 흑연 및 C의 함유량이 과잉이며, 아크력이 지나치게 강하여 스퍼터가 다량으로 발생하고, 또한 균열도 다발했다.

비교예 No.60 내지 62는 흑연량에 대해서는 만족하지만, 플럭스 중의 철분 비율이 과소이며, 역시 아크가 불안정하고 용접 비드가 사행하여, 스퍼터(171)가 다량으로 발생했다.

비교예 No.63은 일반적으로 시판되고 있는 플럭스 코어드 와이어의 하나로, 흑연량, 철분 비율 모두 과소이며, 아크가 전혀 안정되지 않고 용접 비드가 사행하여, 스퍼터가 다량으로 발생하여, 종래 알려진대로 실질적으로 용접불가이다.

비교예 No.64는 흑연 및 C의 함유량이 과잉이고 또한 철분비율이 과소이다. 역시 아크가 불안정하고 스퍼터가 다량으로 발생하고, 또한 균열도 다발했다.

비교예 No.65, 66은 솔리드 와이어이다. 솔리드 와이어에서는 흑연도 철분도 그 형태를 유지한 채로 첨가할 수는 없으므로, 순수 Ar 분위기에서 용접하는 것이 불가능했다.

또, 표에는 기재하지 않고 있지만, 실시예 No.30의 와이어로 Ar 90체적% + CO₂ 10체적% 실드 가스를 이용하여 용접한 경우는, 아크의 안정성이 나빠 흄이 다량으로 발생하고, 또한 이음매 피로강도도 200㎫ 미만에서 향상되지 않았다. 때문에 순수 Ar 실드 가스가 본 용접와이어에 최적이고, 또한 이음매 피로강도 향상에도 순수 Ar 가스 와이어가 적합한 것이 확인되었다.

본 발명, 다시 말해, 순수 Ar을 이용한 MIG 용접 시공에서는, 와이어 성분 이외로부터는 산소원이 없으므로 대량으로 흑연을 첨가하더라도 흄량이 매우 적고, 거의 슬래그가 발생하지 않는다. C를 0.45질량% 이상으로 높이면, 아크의 안정성을 개선할 수 있다. 또한, Ms점은 철 중의 산소량이 적을수록 저하된다. 본 수단에서는 용접 금속의 산소량이 수 10ppm으로 매우 적으므로, C의 효과를 보다 높일 수 있어서, Ms점을 더 낮추어 피로강도의 개선 효과가 높다. 또한, 개재물이 되는 산화물이 거의 없으므로 응고 균열을 일으키기 어렵다는 부차적인 효과가 있다.

도 1은 시험 1의 실시예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.

도 2(a)는 종래까지의 용접와이어를 이용한 용접상태를 나타내는 모식도이고, (b)는 본 발명의 용접와이어를 이용한 용접상태를 나타내는 모식도이다.

도 3(a)는 종래까지의 용접와이어를 이용하여 순수 Ar 실드 가스 MIG 용접을 실시한 후의 비드 형상을 나타내는 상면사진과 측면사진이고, (b)는 본 발명의 용접와이어를 이용하여 순수 Ar 실드 가스 MIG 용접을 실시한 후의 비드 형상을 나타내는 상면사진과 측면사진이다.

도 4는 시험 2의 실시예를 모식적으로 나타내는 측면도이다.

도 5는 시험 2에 이용한 피시험편인 용접모재를 나타내며, (a)는 평면도이고, (b)는 측면도이다.

Claims (7)

1. 순수 Ar 실드 가스를 사용한 MIG 용접에 사용되는 플럭스 코어드 와이어로서, 강제(鋼製) 외피 내에 플럭스를 충전하여 이루어지고, 상기 플럭스 중에, 흑연을 와이어 전체 질량당 0.16 내지 2.00질량% 함유하고, 철분을 플럭스 전체 질량당 20질량% 이상 함유하는 플럭스 코어드 와이어.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 플럭스 중에, 추가로 Ti 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 와이어 전체 질량당 0.03 내지 5.00질량% 함유하는 플럭스 코어드 와이어.
3. 제 1 항에 있어서,

   와이어 전체 질량당, C : 0.16 내지 2.00질량%를 추가로 함유하고, 또한 Si : 2.00질량% 이하, Mn : 10.00질량% 이하, Al : 1.00질량% 이하, Mg : 1.00질량% 이하, Ni : 3.00질량% 이하, Cr : 3.00질량% 이하, Nb : 3.00질량% 이하, V : 3.00질량% 이하, Mo : 3.00질량% 이하, Cu : 3.00질량% 이하, B : 0.0200질량% 이하, 희토류 금속(REM) : 0.50질량% 이하, F : 0.50질량% 이하, Ca : 0.50질량% 이하, K, Na 및 Li : 총량 1.00질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 추가로 함유하며, 또한 불순물로서, P : 0.030질량% 이하, S : 0.030질량% 이하로 규제되어 있는 플럭스 코어드 와이어.
4. 제 3 항에 있어서,

   C가 와이어 전체 질량당 0.45 내지 2.00질량%인 플럭스 코어드 와이어.
5. 제 1 항에 기재된 플럭스 코어드 와이어를 사용하고, JIS K 1105의 1급 또는 2급의 순수 Ar을 실드 가스로서 사용하여, 상기 와이어를 양극으로 하여 음극의 모재와의 사이에 아크를 발생시켜, MIG 용접하는 MIG 아크용접 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 아크를 형성하기 위한 전원으로서, 펄스 전원을 사용하는 MIG 아크용접 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 모재는 인장강도 490㎫ 이상의 강판인 MIG 아크용접 방법.

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