KR101243006B1 - Ａｌ도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법 - Google Patents

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Abstract

Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법은 Al도금 페라이트계 스테인리스강에 아크(Arc)를 형성하는 단계; 및 아크 형성시 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 아크를 형성시키는 전극을 보호하기 위한 보호가스를 공급하는 단계;를 포함하고, 보호가스는 0.1~0.4wt%의 활성가스; 및 나머지는 불활성가스와 불가피한 가스를 혼합하여 공급한다.

Description

Ａｌ도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법 {ALUMINIUM PLATED FERRITIC STAINLESS STEEL WELDING METHOD}
본 발명은 Al도금이 이루어진 폐라이트계 스테인리스강의 용접방법에 관한 것이다.
일반적으로 오스테나이트계의 스테인리스강은 니켈(Ni)을 포함하고 있으며, 우수한 기계적 특성, 내식성, 용접성 등으로 인해 산업적으로 널리 사용되고 있다. 그런데, 이러한 오스테나이트계의 스테인리스강은 특성향상을 위해 함유되는 Ni의 가격이 비쌀 뿐만 아니라 가격/생산의 불안정성으로 인해 Ni을 함유하지 않는 페라이트계 스테인리스강에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다.
페라이트계 스테인리스강은 BCC(체심입방격자)의 결정학적 구조와 고온에서 상온까지 상변태가 없는 페라이트 단상 조직의 특성을 갖는다.
이러한 페라이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 응력부식균열에 대한 저항성 및 열팽창특성이 우수하고, 가격경쟁력이 높으며, 이러한 기계적 특성에 따라 자동차 배기계 등에 대한 사용량이 증가하고 있다.
최근에는 자동차 배기계 산업에 있어서 보증연한이 확대되고 있는 추세이며, 이에 따라 배기계 부재의 내구성향상에 대한 요구가 있으며, 그에 따라 응축수 환경하에서의 내식성의 향상이 크게 중요시 되고 있다. 이러한 산업계의 요구에 따라 페라이트계 스테인리스강의 내식성 향상을 목적으로 강재 표면에 Al 또는 Al-Si계 합금을 도금하여 내식성을 크게 향상시킨 소재가 개발되었다.
이러한 소재가 파이프(Pipe)나 머플러(Muffler) 등과 같은 배기계 부품으로 적용되기 위해서는 용접공정을 거치게 되며, 특히 용접재료가 사용되지 않는 GTA(Gas Tungsten Arc welding) 용접이 적용되는 경우에는 강재 표면에 도금되어 있는 Al 또는 Al-Si계 합금성분이 용융풀에 섞여 들어가 Fe-Cr-Al계 금속간화합물을 형성하거나, Matrix내 고용되어 용접부를 경화시킬 수 있다. 특히 배기계 부품 적용시 확관, 벤딩 등 심한 가공이 수반되는 GTA용접Pipe의 경우에는 용접부의 인성 저하로 가공 중 용접부에 파단이 발생할 수 있다.
도 1의 (a) 내지 (d)는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부의 EPMA 성분 분석결과를 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부의 전체적인 EPMA 성분 분석결과이고, 도 1의 (b) 내지 (d)는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부 중 알루미늄(Al), 철(Fe), 규소(Si)의 성분 분석 결과이다.
도 1을 참고하면, 18wt%Cr의 페라이트계 스테인리스강(12)의 표면에 Al-8wt%Si의 도금층(14)을 형성한 Al도금 스테인리스강(10)의 용접부 단면에 대한 EPMA 성분을 파악할 수 있다. 이때, Al도금 스테인리스강(10)의 용접시 Ar가스를 보호가스로 사용하였다.
여기서, Al도금 스테인리스강(10)의 용접부의 경우, 표면과 이면에는 도금층(14)으로 인한 Al 농화가 보이며, 특히 용융부 내부에서 모재부와는 달리 Al성분의 농화가 관찰된다.
한편, 도 2는 Al도금 스테인리스강과 일반 스테인리스강(미도금재)의 용접부의 Chapy V-notch impact 시험결과를 도시한 그래프이다.
도 2에 도시된 Al도금 스테인리스강과 일반 스테인리스강의 용접부의 Chapy V-notch impact 시험결과와 경도 분포를 통해 Al 도금재 용접부의 경화와 그에 따른 충격특성 저하를 볼 수 있다.
도금재와 미도금재는 동일 용접조건(용접전류 60A, 용접속도 0.3mpm)으로 용접되었으며, 보호가스로는 100%의 Ar가스를 사용하였다.
이와 같은 실험결과는 도 1에서도 나타난 바와 같이, 용접중 용접부로 도금층의 Al 성분이 혼입됨에 따라 고용강화 및 금속간화합물 생성에 기인한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, X1선도는 스테인리스강에 대한 시험특성선도이고, X2는 스테인리스강의 용접부에 대한 시험특성선도이며, X3은 Al도금 스테인리스강에 대한 시험특성선도이고, X4는 Al도금 스테인리스강의 용접부에 대한 시험특성선도이다. 이때 스테인리스강의 용접부는 TIG 용접에 의해 형성되었고, 이때의 용접조건은 용접전류 60A, 용접속도 0.3mpm가 사용되었다.
이와 같이, 종래에는 Al도금성분의 용접부 혼입을 방지하기 위해 용접 전에 용접 위치의 표면 도금층을 기계적 또는 화학적 방법을 사용하여 제거하고 있으나, 이로 인해 생산성이 저하될 수 있으며, 표면도금층의 제거 깊이를 제어하기 어렵고, 제거된 표면도금층으로 인해 미관 등이 저하되는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접시 표면의 Al도금층이 용융풀로 유입되는 것을 방지할 수 있는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법은 Al도금 페라이트계 스테인리스강에 아크(Arc)를 형성하는 단계; 및 아크 형성시 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 아크를 형성시키는 전극을 보호하기 위한 보호가스를 공급하는 단계;를 포함하고, 보호가스는 Al도금성분과 반응하여 Al도금성분을 슬래그로 부유시키기 위한 0.1~0.4wt%의 활성가스, 나머지는 불활성가스와 불가피하게 함유되는 가스를 포함한다.
또한, 활성가스는 O2, N2 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 불활성가스는 Ar, He 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, Al도금 스테인리스강의 용접시 사용되는 보호가스에 Al과 친화성을 갖는 활성가스를 혼합함으로써, Al도금성분을 부유물로 개재할 수 있으며, 이에 따라 Al도금성분이 용접부로 혼입되는 것을 억제할 수 있으며, 이로 인해 용접부의 가공성 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예를 적용하면, 배관계에 많이 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강을 비용이 저렴한 Al도금 스테인리스강으로 대체할 수 있으며, 이에 따라 비용절감 효과와 함께 용접부 또는 확관, 벤딩 등의 가공에 의해 발생하는 파단 등의 불량을 방지할 수 있다.
도 1의 (a) 내지 (d)는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부의 EPMA 성분 분석결과를 도시한 도면.
도 2는 Al도금 스테인리스강과 일반 스테인리스강(미도금재)의 용접부의 Chapy V-notch impact 시험결과를 도시한 그래프.
도 3의 (a) 내지 (d)는 보호가스의 혼합비율에 따른 Al 도금 스테인리스강의 용접부에 대한 EPMA 정량분석결과를 도시한 도면.
도 4는 보호가스 중 O2 가스 혼합량에 따른 GTA용접부 개재물 크기 분포를 도시한 도면.
도 5는 보호가스 중 O2 가스 혼합량에 따른 GTA용접부 개재물의 면적율을 도시한 도면.
도 6은 순 Ar 가스를 사용하여 용접한 GTA용접부를 TEM전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면.
도 7은 Ar+0.5wt%O2 가스를 사용하여 용접한 GTA용접부를 TEM전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면.
도 8은 GTA용접부의 Ti(C, N)계 석출물을 EDX전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면.
도 9는 GTA용접부의 Al-Mg-Ca계 산화물을 EDX전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면.
도 10은 GTA용접부의 TiN의 복합개재물을 EDX전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면.
도 11은 보호가스의 O2 가스 혼합량에 따른 개재물의 면적율과 용접시편에 대한 Charpy 충격시험의 DBTT 평가 결과를 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법은 Al도금 페라이트계 스테인리스강에 아크(Arc)를 형성하는 단계; 및 아크 형성시 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 보호가스를 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 보호가스는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 공급되어 전극의 산화를 방지할 수 있다.
본 실시예에서 보호가스는 전극의 산화를 방지하기 불활성가스를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 가스에 용융특성의 개선과 표면에 도금된 Al과 친화되는 특성을 갖는 활성가스를 혼합하여 공급할 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 Al도금 페라이트계 스테인리스강은 용접시 아크에 의해 용융되어 용융풀 상태로 된다. 이때, 스테인리스강의 표면에 형성된 Al도금성분이 용융풀로 혼입될 수 있다.
한편, 아크의 형성시 공급되는 활성가스는 Al도금성분과 친화도가 높은 가스가 사용될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 활성가스는 산소(O2)가스가 사용될 수 있다. 그리고, Al도금성분은 활성가스인 O2와 만나 산화알루미늄(Al2O3)를 생성할 수 있다.
한편, 산화알루미늄은 기재인 스테인리스강 보다 비중이 작으며, 이에 따라 용융풀 내에서 비중차에 의해 산화물의 슬래그로 부유할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 활성가스의 혼합량은 0.1~0.4wt%일 수 있다.
본 실시예에서 활성가스의 혼합량이 0.1wt% 미만일 경우, Al도금성분과의 반응량이 크지 않아 부유물로 형성되는 량이 미미하다. 따라서, 본 실시예에서는 Al도금성분을 슬래그로 부유시키기 위해서는 활성가스의 혼합량은 0.1wt% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 활성가스의 혼합량이 0.4wt%를 초과할 경우, 용융풀 내의 Al도금성분과 만나 산화알루미늄을 형성시키는데 효과가 있으나 전극의 산화를 가속시킬 수 있으므로 혼합량이 제한될 수 있고, 부유하는 알루미늄 산화물이 많아져서 용융풀 표면으로 부유됨과 동시에 용접금속 내부에서 그대로 응고될 수 있으며, 미처 부유되지 못한 상태에서 응고되는 현상이 발생할 수 있다.
이와 같이, 활성가스의 혼합량이 0.4wt%를 초과하게 되면, 부유되지 못하고 응고되는 산화알루미늄 등에 의해 저온충격인성이 저하될 수 있으므로, 본 실시예에서 활성가스의 혼합량은 0.4wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 실시예에서 활성가스로는 산소(O2) 가스가 혼합되는 것으로 설명하고 있으나, 이러한 활성가스의 다른 일례로 질소(N2) 가스가 혼합되는 것도 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예 1)
Fe-18wt%Cr의 스테인리스강(일례로 STS 439)의 표면에 Al(Al-8%Si)을 용융 도금한 Al도금 스테인리스강(판두께 1.0mm t) 냉연강판에 대한 GTA용접을 실시하였다. GTA용접은 DC 전원으로 텅스텐전극을 음극으로 하는 DCEN모드에서 비드 온 플레이트 용접(Bead on plate welding)을 실시하였다.
사용전극으로는 텅스텐-2%산화토륨(1.6mm φ)을 사용하였으며, 전극선단각도는 60°, 아크 길이(Arc length)는 1.5mm, 이면보호가스는 100%Ar(5l/min)을 사용하였다.
또한, 용접전류는 완전용입이 이루어지는 60A를 사용하였다.
용접 아크 보호가스로는 불활성가스의 일예로 Ar 가스를 기준으로 하여 사용하였고, 활성가스의 일례로 O2가스를 0.01wt%단위까지 제어할 수 있는 Mass flow controller를 장착한 혼합장치를 이용하여 0~1.0wt%까지 0.1wt%단위로 제어한 혼합가스를 사용하였다.
용접부의 Al혼입상태는 EPMA로 정성/정량분석을 실시하였으며, JIS(Japanese Standards Association)에 의한 청정도 분석, 용접부 충격특성은 시험온도 -100~140℃의 범위에서 Charpy 충격시험을 실시하였다. 용접부의 개재물 분석은 전자현미경(TEM, SEM)을 이용해 관찰하였다.
도 3의 (a) 내지 (d)는 보호가스의 혼합비율에 따른 Al 도금 스테인리스강의 용접부에 대한 EPMA 정량분석결과를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, Al도금 스테인리스강(10)의 GTA용접부에 대한 EPMA 실험을 통해 정량분석결과를 보면 다음과 같다.
먼저, 18wt%Cr의 페라이트계 스테인리스강(12)의 표면에 Al-8wt%Si의 도금층(14)을 형성한 Al도금 스테인리스강(10)에 보호가스를 공급하여 용접을 실시한다.
여기서, 보호가스로 100%Ar 가스가 사용될 경우, 도 3의 (a)와 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 3의 (a)를 보면, 보호가스로 순 Ar 가스를 사용한 경우, 용접금속에 상당한 량의 Al이 혼입되어 있음을 알 수 있다.
한편, 도 3의 (b) 내지 (d)는 각각 보호가스로 Ar+0.2wt%O2 가스, Ar+0.5wt%O2 가스, Ar+1.0wt%O2 가스를 사용한 경우, Al의 혼입정도가 적어짐을 알 수 있다.
이러한 결과는 활성가스로 사용된 O2 가스의 혼합에 의해 형성된 산화물과 용융금속 사이의 밀도차이에 의해 혼입된 Al이 제거되었기 때문으로 판단된다.
또한, 이와 같이 보호가스에 혼합되는 O2 가스의 혼합량이 0.4wt%를 초과하면, 혼입된 Al에 의해 취성이 높아지게 되며, 이에 따라 가공성이 나빠지고, 외부 응력 부가시 쉽게 파괴될 수 있다. 이러한 특성은 보호가스로 사용된 Ar+0.5wt%O2 가스의 시험결과를 통해 확인할 수 있다.
도 4는 보호가스 중 O2가스 혼합량에 따른 GTA용접부 개재물 크기 분포를 도시한 도면이고, 도 5는 보호가스 중 O2 가스 혼합량에 따른 GTA용접부 개재물의 면적율을 도시한 도면이다.
도 4와 도 5는 청정도분석을 통해 얻을 수 있으며, 개재물의 크기분포 및 면적율 측정결과를 통해 보호가스로 활성가스, 일례로 O2 가스의 혼합량이 증가함에 따라 개재물의 양 및 크기가 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, O2 가스의 혼합량이 증가함에 따라 개재물의 양 및 크기가 증가함을 알 수 있다.
도 6와 도 7은 순 Ar 가스와 Ar+0.5wt%O2 가스를 사용하여 용접한 GTA용접부를 TEM전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면이고, 도 8 내지 도 10는 GTA용접부의 Ti(C, N)계 석출물, Al-Mg-Ca계 산화물, TiN의 복합개재물을 EDX전자현미경으로 분석한 결과를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 10를 참고하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
먼저, GTA용접부를 Al도금 스테인리스강의 GTA용접부를 TEM전자현미경으로 분석하면 도 6에 도시된 주로 크기가 1㎛ 미만인 Ti(C, N)계 석출물(110)과, 도 7에 도시된 0.5㎛이상의 Al-Mg-Ca계 산화물(120)과 TiN의 복합개재물(130)이 주로 관찰된다.
이러한 분석 결과를 보면, 용접 보호가스로 순 Ar 가스를 사용한 경우, 전자현미화학분석(EPMA)결과에서 보인 도금성분인 Al의 혼입에 의한 Al계 산화물이 다수 관찰될 것이라는 예상과 달리 주로 미세한 Ti(C,N)계 석출물과 약간의 Al계 복합산화물만이 관찰되었다.
반면, 보호가스 중에 활성가스, 일례로 O2 가스를 혼합한 경우, Al계 복합산화물의 관찰빈도가 높았다.
이는 보호가스 중 O2 가스의 혼합에 의한 산화물의 생성과 부유로 용접금속부의 Al의 혼입은 어느 정도 감소하지만, 그만큼 용접금속의 응고와 함께 고착되는 산화물의 양이 증가하기 때문으로 판단된다.
도 11은 보호가스의 O2 가스 혼합비율에 따른 개재물의 면적율과 용접시편에 대한 Charpy 충격시험의 DBTT 평가 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, X5선도는 개재물의 면적율에 대한 선도이고, X6선도는 DBTT에 대한 선도이다.
도 11을 참고하면, DBTT는 O2 가스 혼합량 증가에 따라 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보인다.
최초 DBTT 감소는 도 3에서 보았듯이 O2 가스 혼합량이 증가함에 따라 용접금속 중의 Al혼입 감소에 의한 것으로 판단되며, 이후 DBTT의 증가는 도4 및 도 5에서 알 수 있듯이 보호가스에 의한 O2 가스의 공급으로 인한 산화물의 증가와 관계가 있는 것으로 판단된다.
통상적인 배기계부재의 가공이 이루어지는 온도를 고려하면, DBTT가 15℃이하를 만족하는 것이 바람직하며, 본 발명에 따르면, Ar에 O2 가스의 혼합량이 0.1~0.4wt%수준의 경우에 얻어질 수 있다.
즉, 이러한 혼합비는 과잉 산화물 생성에 의한 DBTT의 상승 없이, 도금성분의 용접부로의 혼입을 억제하기 위해 필요한 양이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10 : Al도금 스테인리스강 12 : 스테인리스강
14 : 도금층

Claims (3)

  1. Al도금 페라이트계 스테인리스강에 아크(Arc)를 형성하는 단계; 및
    상기 아크 형성시 상기 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 상기 아크를 형성시키는 전극을 보호하기 위한 보호가스를 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 보호가스는 Al도금성분과 반응하여 Al도금성분을 슬래그로 부유시키기 위한 0.1~0.4wt%의 활성가스, 나머지는 불활성가스와 불가피하게 함유되는 가스를 포함하는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성가스는 O2 및 N2 가스 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 불활성가스는 Ar 및 He 가스 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 Al도금 페라이트계 스테인리스강의 용접방법.
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