KR101157572B1 - 티타니아계 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

티타니아계 플럭스 충전 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접중에 발생하는 퓸(Fume) 발생량을 감소시킬 수 있는 티타니아계 플러스 충전 와이어에 관한 것으로서, 플럭스 전중량에 대한 중량%로, TiO2: 30~55%, MgO: 2~7%, SiO2: 2~7%, Na2O: 0.5~6%, K2O: 0.5~2%, Si: 3~10%, Mn: 7~20%, Mg+Al: 1~5%, 불화물: 0.5~1%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고, 플럭스 중의 결정수 함량이 0.15%이하이고, [플럭스 중의 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2이하인 것을 포함하는 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

Description

티타니아계 플럭스 충전 와이어{TITANIA TYPE FLUX CORED WIRE}
본 발명은 금속 외피내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접중에 발생하는 퓸(Fume) 발생량을 저감시킬 수 있는 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
티타니아계 플럭스 충전 와이어는 탁월한 비드 외관, 용접성능 및 우수한 용접효율 등으로 인하여 연강과 50kgf/㎟급 또는 60kgf/㎟급의 고장력강 구조물 용접에 널리 사용되고 있다.
그러나, 상기 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 용접 작업성은 우수하지만, 다른 용접기법과 비교하면 단위시간당 발생하는 퓸(Fume) 발생량이 증가하는 문제가 있다. 용접 중 퓸(Fume) 발생량이 과도하면, 작업장의 환기가 충분히 이루어지지 않은 상태에서 장기간 작업하는 경우, 작업자의 호흡기 질환을 유발시키는 원인이 될 수 있다.
지금까지, 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 이용하여 용접을 행함에 있어서, 아크 안정제와 탈수소제 기능을 갖는 불화물(NaF 등)이 퓸(Fume) 발생의 주요 원인임을 알면서도 용착금속의 확산성 수소 제어를 위하여 불화물의 사용량을 제한하지 못하고 있어, 퓸(Fume) 발생량의 감소에 한계가 있었다.
따라서, 용착금속의 확산성 수소를 제어하면서, 퓸(Fume) 발생을 최소화 할 수 있는 플럭스 충전 와이어에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일측면은 용착금속 확산성 수소함량의 증가를 억제하고 양호한 아크 안정성을 얻는 동시에, 용접중 퓸(Fume) 발생량을 저감시킬 수 있는 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 플럭스 전중량에 대한 중량%로, TiO2: 30~55%, MgO: 2~7%, SiO2: 2~7%, Na2O: 0.5~6%, K2O: 0.5~2%, Si: 3~10%, Mn: 7~20%, Mg+Al: 1~5%, 불화물: 0.5~1%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,
플럭스 중의 결정수 함량이 0.15%이하이고, [플럭스 중의 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2이하인 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.
본 발명의 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 용착금속의 확산성 수소함량의 증가를 억제하고, 양호한 아크 안정성을 확보할 수 있으며, 용접 중 발생되는 퓸(Fume) 발생량을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 불화물(NaF 등)을 함유한 티타니아계 플럭스 충전 와이어 용접시, 퓸(Fume) 발생량이 증가하기 때문에 불화물 배제를 위한 플럭스 조성에 대한 실험을 거듭하였고, 이러한 연구 실험 결과, 플럭스 중의 결정수 함량을 최소화하고, 상기 결정수 함량과 불화물 함량의 비를 적정범위로 제어하는 경우, 불화물 사용을 억제함에 따른 퓸(Fume) 발생량 감소 효과와 아울러, 용착금속의 확산성 수소 함량 또한 적정수준으로 관리 가능함을 밝혀 내고 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명 플럭스의 조성에 대하여 상세히 설명한다. 하기 함량의 범위는 금속 외피내에 충전된 플럭스 전중량에 대한 중량%(이하, %)로 나타낸다.
TiO2: 30~55%
TiO2는 아크안정성을 향상시키고, 비드 표면을 균일하게 하여 비드 외관을 향상시키는 역할을 한다. 그 함량이 30% 미만으로 함유되면 슬래그량이 부족하게 되어 아크 안정성이 저하될 뿐만 아니라, 슬래그의 포피성이 열화되어 비드외관이 열악해진다. 또한, 그 함량이 55%를 초과하면 슬래그가 과다해져 입향하진 등의 용접자세에서 용융금속이 흘러내리고 외관이 열악해지므로, 그 함량을 30~55%로 하는 것이 바람직하다.
MgO: 2~7%
MgO는 고융점 슬래그 형성제로서 하향 필렛 용접이나 입향상진의 용접자세에서 슬래그의 응고속도를 향상시켜 비드의 처짐을 방지하고 외관을 안정화시키는 역할을 한다. 상기 MgO의 함량이 2% 미만이면 슬래그 응고속도가 지연되어 비드가 처지거나 외관이 나빠지는 반면에, 7%를 초과하게 되면 용융성이 저하되어 스패터 발생량이 증가하는 단점이 있으므로, 그 함량을 2~7%로 하는 것이 바람직하다.
SiO2: 2~7%
SiO2는 슬래그의 점성을 향상시키며 슬래그가 비드 표면에 고르게 응고하도록 하는 역할을 한다. 그러나 그 함량이 2% 미만으로 너무 적으면 슬래그 점성이 작아져 포피성 저하 및 비드 불균일을 초래하며, 7%를 초과하여, 과다하게 첨가되면 언더컷이 발생하고 스패터 발생량이 증가하므로, 그 함량을 2~7%로 하는 것이 바람직하다.
Na2O: 0.5~6%
Na2O는 아크 안정제로서 사용되고 용융성을 향상시키는 성분이다. 그 함량이 0.5% 미만이면 아크 안정제로서의 효과가 부족하고, 용융성 저하에 따라서 스패터 발생량이 증가한다. 반면 그 함량이 6%를 초과하면 아크 집중이 과다하여 비드 외관을 해치게 되므로, 그 함량을 0.5~6%로 하는 것이 바람직하다.
K2O: 0.5~2%
K2O도 Na2O와 마찬가지로 아크 안정제로 사용되고 용융성을 향상시키는 역할을 한다. 그 함량이 0.5% 미만에서는 첨가에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 2%를 초과하는 경우에는 용입이 부족하여 퓸(Fume)의 발생이 증가할 수 있기 때문에, 그 함량을 0.5~2%로 하는 것이 바람직하다.
Si: 3~10%
Si는 탈산제 및 슬래그 형성제로서, 비드 퍼짐성을 향상시켜 비드외관을 양호하게 하고, 페라이트 안정화 원소로 고온 균열을 억제하는 효과가 있다. 그 함량이 3% 미만이면 상기 효과를 기대하기 어렵고, 10%를 초과하게 되면, 인성이 열화되고, Fe-S-Si-O 화합물을 형성하여 고온 균열을 초래하기 때문에, 그 함량을 3~10%로 하는 것이 바람직하다.
Mn: 7~20%
Mn은 탈황제로서 저융점 화합물의 형성을 방지하고 강도를 상승시킴과 아울러 탈산효과도 있으며, 비드외관과 형상을 개선하고 양호한 작업성을 얻을 수 있도록 하는 성분이다. 그 함량이 7% 미만이면 상기 효과를 기대할 수 없으며, 20%를 초과하면 아크 안정성과 용융성이 저하되고 강도도 지나치게 증가하여 고온균열의 가능성이 높아지는 문제가 있으므로, 그 함량을 7~20%로 하는 것이 바람직하다.
Mg+Al: 1~5%
Mg와 Al은 강력한 탈산제로서 기능을 발휘하여 용착금속을 건전하게 한다. 그러나, 상기 함량이 1% 미만이면 탈산기능을 제대로 발휘하기 어렵고, 5%를 초과하면 용착금속의 건전성은 좋아질 수 있으나, 고온 산화물 형성으로 인하여 슬래그 응고속도가 빨라져 비드결이 거칠어지는 단점이 있으므로, 그 함량을 1~5%로 하는 것이 바람직하다.
불화물: 0.5~1%
불화물은 강력한 탈수소제로서 기능을 발휘하여 용착금속의 확산성 수소함량을 낮추어 저온 균열 등의 용접결함을 방지하는 역할을 한다. 그 함량이 0.5% 미만이면 상기 역할을 기대하기 어렵고, 1%를 초과하는 경우에는 퓸(Fume)의 발생이 급격히 증가하므로, 그 함량을 0.5~1%로 하는 것이 바람직하다.
상기 불화물로는 NaF, Na3AlF6, Na2SiF6, KF, K3AlF6, K2SiF6, CaF, MgF2 등이 있다.
나머지는 철분 및 불가피한 불순물으로 포함하여 조성된다. 그러나, 상기 성분이외에 다른 성분의 첨가를 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 와이어는 플럭스 중의 결정수 함량이 0.15% 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 플럭스 중의 결정수 함량은 결정수 함량이 낮은 광물질을 선택적으로 사용하거나 플럭스의 일부 또는 전체를 열처리하는 등의 방법으로 제어할 수 있는데, 충진된 플럭스 중의 결정수 함량을 0.15% 이하로 제어하는 경우 용착금속의 확산성 수소 함량을 적정수준으로 안정화 할 수 있다. 플럭스를 구성하는 일부 광물질은 자연적으로 함유된 결정수를 포함하고 있는데, 이 결정수의 함량이 많으면 용착금속 확산성수소 발생량을 증가시키는 원인이 되므로, 가능한 그 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하기 때문에, 본 발명에서는 그 함량을 0.15%이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 와이어는 상기 플럭스 중의 결정수 함량에 대한 불화물의 비인 [플럭스 중의 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2이하인 것이 바람직하다. [플럭스 중의 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2 이하로 제어될 경우에 퓸(Fume) 발생량 감소 효과와 아울러, 용착금속의 확산성 수소 함량 또한 적정수준으로 관리가 가능한 효과가 있다.
본 발명의 와이어는 플럭스의 충진율이 10~25%인 것이 바람직하고, 사용되는 금속외피의 조성은 C: 0.01~0.06%, Si: 0.02%이하, Mn: 0.1~0.5%, P 및 S가 각각 0.03%이하이고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 연강을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 갖는 플럭스가 금속 외피내에 충진율 17%로 충진된 직경 1.4㎜ 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였다. 하기 표 1에서 철분 등은 철분 및 불가피한 불순물을 의미한다.
이와 같이 마련된 각 플럭스 충전 와이어들로 용접을 행한 후, 용접작업자의 관능평가를 통하여 아크 안정성, 비드외관, 용접 작업성을 관찰하고, 그 결과치를 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△), 불량(×)으로 구분하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
아울러 표 3의 용접조건으로 용접을 2회씩 행하여, 퓸(Fume) 발생량을 측정하였으며, 그 결과치가 800㎎/분 이하는 매우 우수(◎), 800㎎/분 초과 900㎎/분 이하는 우수(○), 900㎎/분 초과는 미흡(×)으로 각각 구분하여, 표 2에 나타내었다.
또한 각 플럭스를 1050℃로 가열하여 발생하는 결정수와 표 4의 조건으로 용접하여 발생한 확산성 수소 발생량을 측정하여 용착금속 100g당 함유하는 확산성 수소량이 8㎖이하이면 양호(○), 8㎖ 초과하면 미흡(×)으로 구분하여, 표 2에 나타내었다.
구분 TiO2 MgO SiO2 Na2O K2O Si Mn Mg+Al 불화물 철분 등 결정수 결정수/불화물
발명예1 44.0 3.3 3.3 1.5 1.0 5.3 10.2 1.7 0.6 29.1 0.09 0.15
발명예2 45.0 2.5 5.5 3.6 0.6 4.7 15.4 2.0 0.8 19.9 0.07 0.09
발명예3 41.0 4.6 3.4 4.3 1.1 6.2 12.6 2.5 0.7 23.6 0.13 0.19
발명예4 39.0 3.5 4.7 2.9 0.7 7.1 8.6 4.0 0.9 28.6 0.08 0.09
발명예5 33.0 6.4 3.6 3.2 0.6 5.6 16.2 3.0 0.8 27.6 0.13 0.16
발명예6 44.0 5.2 5.2 1.0 1.7 4.3 13.5 2.6 1.0 21.5 0.13 0.13
발명예7 35.0 3.6 5.4 3.5 0.5 9.8 18.7 3.2 0.5 19.8 0.09 0.18
발명예8 37.0 5.0 4.3 3.3 0.9 6.6 9.9 3.5 0.6 28.9 0.08 0.13
발명예9 46.0 4.7 6.0 4.1 1.2 5.9 14.1 4.0 0.7 13.3 0.06 0.09
발명예10 39.0 6.1 3.9 2.5 0.8 7.2 15.3 3.6 0.9 20.7 0.05 0.06
비교예1 39.0 4.1 4.2 2.2 1.2 4.9 13.6 3.2 0.6 27.0 0.21 0.35
비교예2 42.0 3.2 3.9 3.1 1.1 5.3 10.7 2.6 0.9 27.2 0.19 0.21
비교예3 38.0 3.7 4.2 3.9 0.6 5.5 16.5 2.7 0.5 24.4 0.16 0.32
비교예4 44.0 3.3 3.4 4.2 0.9 6.9 9.9 3.8 0.8 22.8 0.22 0.28
비교예5 39.0 5.1 4.1 3.8 1.1 6.4 14.7 3.5 1.3 21.0 0.08 0.06
비교예6 41.0 6.2 3.9 4.1 1.3 5.4 15.6 3.4 1.5 17.6 0.14 0.09
비교예7 45.0 4.7 5.1 5.2 0.9 4.9 16.2 2.9 2.1 13.0 0.11 0.05
비교예8 46.0 4.5 2.8 4.3 1.6 5.7 12.5 3.3 0.3 19.0 0.10 0.33
비교예9 45.0 3.0 4.5 2.6 1.2 5.5 16.2 2.9 0.5 18.6 0.13 0.26
비교예10 44.0 3.5 3.2 3.8 1.5 6.4 15.6 3.2 0.6 18.2 0.15 0.25
비교예11 45.0 8.2 3.6 2.5 1.2 5.5 16.2 2.9 0.6 14.3 0.09 0.15
비교예12 59.0 3.6 2.4 3.8 1.3 6.1 13.8 2.8 0.8 6.4 0.09 0.11
구분 아크안정성 비드외관 용접작업성 퓸(Fume)발생량 확산성 수소 발생량
발명예1 ○ ○ ○ ◎ ○
발명예2 ◎ ◎ ◎ ○ ○
발명예3 ◎ ◎ ◎ ◎ ○
발명예4 ○ ○ ◎ ○ ○
발명예5 ○ ○ ◎ ○ ○
발명예6 ○ ○ ○ ○ ○
발명예7 ○ ○ ○ ◎ ○
발명예8 ○ ○ ○ ◎ ○
발명예9 ◎ ◎ ◎ ○ ○
발명예10 ◎ ◎ ◎ ○ ○
비교예1 ○ ○ ○ ◎ ×
비교예2 ◎ ○ ○ ○ ×
비교예3 ○ ○ ○ ◎ ×
비교예4 ◎ ◎ ◎ ○ ×
비교예5 ◎ ○ ◎ × ○
비교예6 ◎ ◎ ◎ × ○
비교예7 ◎ ○ ○ × ○
비교예8 ◎ ◎ ◎ ◎ ×
비교예9 ◎ ◎ ◎ ◎ ×
비교예10 ◎ ◎ ◎ ◎ ×
비교예11 × × × ◎ ○
비교예12 ○ × × ○ ○
전류 전압 용접속도 Stick out 보호가스 용접시간 퓸(Fume)포집시간
300V 32A 30cpm 20㎜ CO2 20ℓ/min 30초 3분
전류 전압 용접속도 Stick out 보호가스 수소측정법 수소포집시간
300V 32A 35cpm 20㎜ CO2 20ℓ/min 가스크로마토 그래피법 72hr.
상기 표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 조성을 만족하고, 불화물 함량이 0.5~1% 이면서, [플럭스 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2이하를 만족하는 발명예 1 내지 10은 모두 양호한 퓸(Fume) 발생량과 확산성 수소 발생량을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이에 반해 비교예 1 내지 4는 플럭스 결정수 함량 및 [플럭스 결정수 함량 / 불화물 함량]의 값이 0.2를 초과하여 확산성 수소 발생량이 증가되었고, 비교예 5 내지 8에서는 플럭스의 불화물의 함량이 1%를 초과하여 퓸(Fume) 발생량이 증가하거나, 0.5% 미만으로 확산성 수소 발생량이 증가되는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 9 내지 10에서는 플럭스의 조성이 본 발명의 범위를 벗어나 용접성, 비드외관 및 용접 작업성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 9 및 10은 플럭스 결정수 함량 및 불화물 함량이 본 발명범위를 만족하지만,[플럭스 결정수 함량 / 불화물 함량]의 값이 0.2를 초과하여 확산성 수소 발생량이 증가되는 것을 알 수 있다. 그리고, 비교예 11 및 12는 플럭스의 조성이 본 발명의 범위를 벗어나 용접성, 비드외관 및 용접작업성이 저하되는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 플럭스 전중량에 대한 중량%로, TiO2: 30~55%, MgO: 2~7%, SiO2: 2~7%, Na2O: 0.5~6%, K2O: 0.5~2%, Si: 3~10%, Mn: 7~20%, Mg+Al: 1~5%, 불화물: 0.5~1%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    플럭스 중의 결정수 함량이 0.15%이하이고, [플럭스 중의 결정수 함량 / 불화물 함량]이 0.2이하인 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 불화물은 NaF, Na3AlF6, Na2SiF6, KF, K3AlF6, K2SiF6, CaF 및 MgF2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어에 대한 플럭스 충진율이 10~25%인 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
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