KR101289964B1

KR101289964B1 - 플럭스 코어드 용접 와이어 및 이를 이용한 육성 용접의 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR101289964B1
Application number: KR1020110014275A
Authority: KR
Inventors: 순 이즈타니; 레이이치 스즈키; 유시 사와다; 히로히사 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2013-07-26
Also published as: US20120055903A1; JP5411820B2; KR20120024360A; JP2012055899A

Abstract

[과제] 용착 속도, 용착 효율이 크다는 장점을 가지는 플럭스 코어드 용접 와이어를 이용하여 육성 용접을 한 경우에, 양호한 용접 작업성 및 저 희석률을 실현함과 더불어, 내식성이 우수한 용접부를 얻을 수 있는 플럭스 코어드 용접 와이어 및 육성 용접의 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
[해결수단] 외피 내에 플럭스가 충전됨과 더불어, 순 Ar을 실드 가스로서 사용하는 가스 실드 아크 용접용의 플럭스 코어드 용접 와이어로서, 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 C: 0.20질량% 이하, Si: 15.00질량% 이하, Mn: 20.00질량% 이하, P: 0.0500질량% 이하, S: 0.0500질량% 이하, Cr: 15.0∼50.0질량%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

플럭스 코어드 용접 와이어 및 이를 이용한 육성 용접의 아크 용접 방법{FLUX-CORED WELDING WIRE, AND ARC WELDING METHOD FOR OVERLAY WELDING USING THE SAME}

본 발명은 육성(肉盛) 용접을 대표하는 이재(異材) 용접에 이용되는 가스 실드 아크 용접용의 플럭스 코어드 용접 와이어와 이를 이용한 육성 용접의 아크 용접 방법에 관한 것이다.

육성 용접이란, 내식성의 향상, 모재의 보수·재생, 모재 표면의 경화 등의 목적을 위해 모재 표면에 금속을 용착시키는 용접이다. 이 육성 용접의 시공은 모재 성분의 희석이 용접 금속에 큰 영향을 미쳐 버린다는 관점에서, 시공시에 모재를 가능한 한 녹이지 않도록 하는 것이 바람직하다.

특히, 연강 또는 저합금강에 스테인레스 등의 내식성이 높은 합금을 이재 용접하는 육성 용접은 모재 성분의 희석이 커서, 통상 이 희석률을 고려하여 용접 재료를 선정할 필요가 있었다. 그 중에서도 경계부(초층)는 희석이 매우 크기 때문에, 경계부만 첨가 원소가 상이한 용접 재료를 이용할 필요가 있었다.

그리고, 모재 성분의 희석에 의해 용접 금속의 조직이 변화되면 고온 균열이 발생하는 것을 고려하더라도, 가능한 한 희석을 작게(용입을 작게) 하여 페라이트＋오스테나이트의 용접 금속 조직(페라이트량 4∼8%)을 제어할 필요가 있다.

한편, 이재 용접의 일례로서 압력 용기 내면에의 육성 용접을 들 수 있고, 그 용접법은 띠형상 용접 재료를 이용한 서브머지드 아크나 일렉트로슬래그 용접법 주체로 행해지고 있지만, 이들 용접법이 적용 불가능한 장소에는 가스 실드 아크 용접법이나 피복 아크 용접법이 적용되고 있다. 특히, 가스 실드 아크 용접법은 능률이 높고 자동화, 반자동화가 가능하기 때문에 급속히 보급되고 있다.

이러한 사정을 감안하여, 가스 실드 아크 용접법에 의해 육성 용접을 실시하는 경우에 모재 성분의 희석률을 저감시키는 기술이 창출되고 있고, 예컨대 특허문헌 1에는, 위빙(weaving) 조건을 소정 범위로 한정함으로써 양호한 용접 비드 형상과 용입이 얻어지는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허공개 평8-206832호 공보

그러나, 특허문헌 1에 따른 기술은, 위빙 조건이 규정 범위로부터 벗어나면 스패터(spatter)가 발생하는 외에, 별도 위빙을 행하기 위한 장치가 필요하게 된다. 나아가, 100% CO₂를 실드 가스로서 사용하고 있기 때문에, 스패터, 퓸(fume)이 많은 경향이 있어 작업성 및 위생면에서 어려움이 있다.

또한, 가스 실드 아크 용접용 와이어에는 솔리드 와이어와 플럭스 코어드 용접 와이어가 존재하는데, 플럭스 코어드 용접 와이어는 용착 속도, 용착 효율이 크다는 장점을 가지고 있는 반면, 솔리드 와이어에 대하여 퓸이 많이 발생하는 단점이 존재하고, 게다가 Cr을 함유하는 성분에서는 유해성이 높다고 여겨지는 6가 크로뮴을 발생하게 되어 용접 작업자의 건강이 나빠질 가능성이 높아, 그 삭감이 기대되고 있다.

그래서, 본 발명은, 용착 속도, 용착 효율이 크다는 장점을 가지는 플럭스 코어드 용접 와이어를 이용하여 육성 용접을 한 경우에, 양호한 용접 작업성 및 저 희석률을 실현함과 더불어, 내식성이 우수한 용접부를 얻을 수 있는 플럭스 코어드 용접 와이어 및 육성 용접의 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 이하의 사항에 관하여 검토했다.

통상, 육성 용접에서는 100% CO₂ 또는 Ar＋20% CO₂가 실드 가스로서 이용되고 있지만, 실드 가스 중에 O₂, CO₂ 등이 혼입되면, 산화물이 생성되기 쉬워져 퓸 증가 등 작업성 악화가 발생하고, 아크가 집중됨으로써 용입이 깊어져(모재 성분의 희석이 커져) 버린다.

그래서, 본 발명자들은, 실드 가스로서 불활성 가스인 Ar 100%의 순 Ar 가스를 이용하는 것을 생각했다. 왜냐하면, 순 Ar 가스는 전위 경도가 낮기 때문에 아크 폭이 확대되어 용입을 억제하는 효과가 있기 때문이다. 나아가, Ar 가스는 불활성이기 때문에, 100%로 이용하면 용접에서 발생하는 금속 증기가 산화되기 어려워지므로 퓸량이 저감된다는 장점을 갖기 때문이다.

그러나, 종래 Ar 가스는 전극 소모식 아크에서는 사용되어 오지 않았다. 그 이유는, 순 Ar 가스를 이용한 용접은 전위 경도가 낮은 성질 때문에 아크 길이(전극간 거리)가 길어지고, 플라즈마 기류의 영향이 커져 버려, 용적 이행 형태로서는 전극 선단의 용융부(액 기둥)가 가늘어지는 스트리밍(streaming) 이행이나 액 기둥 자신이 회전하는 로테이팅(rotating) 이행이 되기 쉽기 때문이다. 게다가, 용융지 측의 표면에서는 산화물이 음극점으로서 아크 발생점이 되지만, 불활성 가스인 순 Ar 가스 중에서는 안정된 산화물이 생성되기 어렵기 때문에, 아크 발생점이 이동하여 아크가 불안정해지기 때문이다.

이 전극 선단이 가늘어지는 현상과 아크가 불안정해지는 현상이 서로 작용하여, 완더링(wandering) 현상이라고 불리는 현저한 비드 형상 불량이 발생하거나, 스패터가 증가하는 등의 작업성 열화가 발생하거나 한다는 단점이 있었다. 따라서, 강(鋼)계 와이어(플럭스 코어드 용접 와이어)에서는 순 Ar 가스 적용시의 이 문제를 회피하는 수법이 없다고 여겨져, 순 Ar 가스는 사용할 수 없다는 것이 상식이 되어 왔다.

이에 대하여, 문헌 1(「용접기술」, 2006년 2월호, p64 "하이브리드 와이어의 제안")에 있는 (1) 2중 솔리드(문헌 2: 일본 특허공개 2006-205204)나, 마찬가지로 순 Ar 가스를 활용하는 (2) 탄소강 순 ArFCW(문헌 3: 일본 특허공개 2009-255125), (3) 플라즈마 MIG라는 기술이 존재하지만, 모두 비용이나 안정화 대책이 불충분했다. 또한, (2)의 기술에서는 탄소강의 플럭스 코어드 용접 와이어에서 순 Ar 실드 가스를 적용하고 있지만, 고 Cr 스테인레스나 Ni 합금에서는 검토되고 있지 않았다. 탄소강의 플럭스 코어드 용접 와이어에서는 순 Ar 실드 가스 중의 아크 안정화에 흑연을 플럭스로서 이용하고 있지만, 흑연을 첨가하면 필연적으로 용접 금속 중의 탄소량이 증가해 버린다. 한편, Cr을 대량으로 함유하는 스테인레스강이나 Ni 합금은 탄소가 대량으로 존재하면 입계에서 Cr 탄화물을 생성하여, Cr 결핍에 의한 입계 부식이나 그에 따른 응력 부식 균열이 발생하기 때문에, 순 Ar 실드 가스의 안정화에 흑연은 사용할 수 없다. 이것이, 스테인레스강이나 Ni 합금에서 순 Ar 실드 가스가 적용되지 않았던 이유이다.

상기 현상에 대하여, 본 발명에서는 흑연을 이용하는 일 없이 Cr 금속 분말을 이용함으로써 순 Ar 분위기 중에서 아크를 안정시켰다. 또한, 와이어 중에 Mn, Si 등의 강탈산 원소를 적량 함유시킴으로써 용융지 상에 안정된 산화물을 생성시켜 아크의 안정화를 더욱 도모했다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는, 외피 내에 플럭스가 충전됨과 더불어, 순 Ar을 실드 가스로서 사용하는 가스 실드 아크 용접용의 플럭스 코어드 용접 와이어로서, 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 C: 0.20질량% 이하, Si: 15.00질량% 이하, Mn: 20.00질량% 이하, P: 0.0500질량% 이하, S: 0.0500질량% 이하, Cr: 15.0∼50.0질량%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 Ni: 5.00∼80.00질량%를 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 Ti: 1.00질량% 이하, Al: 1.000질량% 이하, Mo: 15.000질량% 이하, Nb: 5.00질량% 이하, N: 0.0800질량% 이하, Cu: 5.00질량% 이하, V: 1.000질량% 이하 중 1종 이상을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 외피 내에 플럭스가 충전되어 있고(와이어의 중심에 플럭스가 충전되어 있고), 이 플럭스가 용접 중에도 용해되지 않기 때문에 플럭스의 기둥으로서 존재한다. 따라서, 이 플럭스의 기둥이 심이 되기 때문에, 솔리드 와이어와 같이 전극 선단의 용융부(액 기둥)가 가늘어지거나 회전하거나 하는 현상을 억제할 수 있어, 용적 이행을 안정시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는, 순 Ar 중에서도 강한 탈산력을 가지는 Mn, Ti, Al 등을 플럭스 코어드 와이어 내에 적량 첨가함으로써, 용융지 상에 안정된 산화물을 공급할 수 있어, 아크를 더욱 안정시킬 수 있다. 이에 의해, 정상인 비드 형상이 얻어지고, 스패터를 저감시킬 수 있다. 나아가, 순 Ar 실드 가스 용접의 효과로서 저 퓸, 저 희석률을 실현할 수 있어, 육성 용접으로서 최선의 결과를 얻을 수 있다. 더불어, 희석률이 작기 때문에, 초층 성분의 제어가 불필요해짐과 더불어, 용접 금속 조직도 용이하게 제어 가능해진다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 상기 외피에 스테인레스강을 이용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 외피에 스테인레스강을 이용하고 있기 때문에, 와이어 자체의 내식성을 향상시켜 녹슬기 어렵게 할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 플럭스 충전율이 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 7∼27질량%인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 플럭스 충전율을 소정 범위로 한정함으로써, 전극 선단의 용융부(액 기둥)가 가늘어지는 현상을 억제할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 육성 용접의 아크 용접 방법은 소정의 플럭스 코어드 용접 와이어를 이용함과 더불어, 순 Ar을 실드 가스로서 이용하여 아크 용접을 행하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 육성 용접의 아크 용접 방법은 순 Ar을 실드 가스로서 이용하여 용접하기 때문에, 저 퓸, 저 희석률을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 육성 용접의 아크 용접 방법은, 상기 아크 용접에서, 용접 전류로서 펄스 전류를 이용하고, 상기 펄스 전류의 피크 전류가 350∼550A, 피크 전류 기간이 0.5∼3.5msec임과 더불어, 상기 피크 전류 기간이 0.8∼3.0msec인 경우는 상기 피크 전류가 350∼550A이고, 상기 피크 전류 기간이 0.5msec 이상 0.8msec 미만인 경우는 상기 피크 전류가 500∼550A이며, 상기 피크 전류 기간이 3.0msec 초과 3.5msec 이하인 경우는 상기 피크 전류가 350∼380A인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 육성 용접의 아크 용접 방법은 펄스 전류를 용접 전류로서 이용하기 때문에, 용접 작업성(저 스패터, 저 퓸)을 향상시킬 수 있다. 또한, 피크 전류 및 피크 전류 기간을 소정 범위로 규정함으로써, 용접 작업성 향상을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어 및 육성 용접의 아크 용접 방법에 의하면, 순 Ar을 실드 가스로서 이용함과 더불어, 플럭스 코어드 용접 와이어가 소정의 조성이기 때문에, 양호한 용접 작업성(저 스패터, 저 퓸) 및 저 희석률을 실현함과 더불어, 내식성이 우수한 용접부를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어에 의하면, 와이어 자체의 내식성을 향상시킬 수 있음과 더불어, 전극 선단의 용융부(액 기둥)가 가늘어지는 현상을 억제할 수 있다.

도 1은 각 실드 가스를 이용한 용접에서의 Cr 희석률과 퓸량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 각 실드 가스를 이용한 용접에서의 모재 및 용접 금속의 단면 매크로 사진이다.
도 3은 펄스 전류를 용접 전류로서 이용했을 때의 펄스의 적정 조건을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어 및 육성 용접의 아크 용접 방법을 실시하기 위한 형태에 관하여 설명한다.

≪플럭스 코어드 용접 와이어≫

본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어(이하, 적절히 와이어라고 칭함)는, 통형상을 이루는 외피와, 그 외피의 내측에 충전된 플럭스로 이루어진다. 한편, 플럭스 코어드 용접 와이어는, 외피에 이음매가 없는 심리스(seamless) 타입, 외피에 이음매가 있는 심(seam) 타입 중 어느 형태이어도 좋다.

또한, 플럭스 코어드 용접 와이어는 와이어 표면(외피의 외측)에 구리 도금이 실시되어 있어도 좋고 실시되어 있지 않아도 좋다.

그리고, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 소정량의 C, Si, Mn, P, S, Cr을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 플럭스 코어드 용접 와이어의 성분량(C, Si, Mn, P, S, Cr량)의 수치 범위를 그 한정 이유와 함께 기재한다. 한편, 성분량은 외피와 플럭스에서의 성분량의 총합으로 나타내고, 와이어(외피＋플럭스)에 포함되는 각 성분의 질량을 와이어의 전체 질량에 대한 비율로 규정한다.

<C: 0.20질량% 이하(0질량%를 포함함)>

C는 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 고용(固溶)되어 강도를 상승시키는 원소이다. C는 0.20질량%를 초과하여 과잉으로 존재하면 Cr의 탄화물을 생성시켜, 내식성이 열화되거나 응력 부식 균열의 원인이 되거나 한다. 또한, 스패터가 다발하는 원인도 되기 때문에, C량은 적을수록 바람직하고, 무함유이어도 문제는 없다. 따라서, C의 범위는 0.20질량% 이하(0질량%를 포함함)로 한다.

<Si: 15.00질량% 이하(0질량%를 포함함)>

Si는 유효한 탈산제이며, 또한 강력한 페라이트 생성 원소이다. 그러나, 순 Ar 가스 용접에 있어서는 산화되기 어렵고, 동일한 페라이트 생성 원소인 Cr이 필수적으로 첨가되기 때문에, 무함유이어도 문제 없이 용접할 수 있다. 한편, Si는 0.20질량% 이상의 첨가이면 비드 지단부(止端部)의 형상이 개선되어 보다 바람직하다. 한편, Si는 15.00질량%를 초과하면 페라이트상 증가 때문에 취화(脆化)되어 균열이 발생한다. 또한, 고속 용접시에 험핑(humping)이 일어나는 등 하여 비드 형상이 조악해진다. 따라서, Si의 범위는 15.00질량% 이하(0질량%를 포함함)로 하고, 바람직하게는 0.20∼15.00질량%로 한다.

<Mn: 20.00질량% 이하(0질량%를 포함함)>

Mn은 Si와 마찬가지로 유효한 탈산제이다. 또한, 오스테나이트 안정화 원소이며, 변태점을 낮추는 효과가 있다. 그러나, 순 Ar 가스 용접에 있어서는 탈산의 필요가 없기 때문에, 무함유이어도 문제 없이 용접할 수 있다. 한편, Mn은 20.00질량%를 초과하면 오스테나이트 단상이 되어 깨지기 쉬워지거나, 고속 용접시에 험핑이 일어나는 등 하여 비드 형상이 조악해지거나 한다. 따라서, Mn의 범위는 20.00질량% 이하(0질량%를 포함함)로 한다.

<P, S: 0.0500질량% 이하(0질량%를 포함함)>

P, S는 유해한 불순물이며, 입계에 공정(共晶) 막을 생성하거나 편석하거나 함으로써 균열을 촉진한다. 따라서, P, S는 0.0500질량% 이하로 억제한다. 이 때 첨가량이 0질량%이어도 하등 문제는 없다.

<Cr: 15.0∼50.0질량%>

Cr은 내식성 재료의 기본 성분이 되고, 내식성이 우수하여, 예컨대 스테인레스강의 가장 중요한 원소이기도 하다. 또한, Cr은 Fe보다도 300℃ 이상 융점이 높아 아크 중의 플럭스 기둥을 안정화시키고, 또한 전리 전압은 Fe보다도 1eV 정도 작게 전리하기 쉽기 때문에 아크 안정성에 관해서도 양호하여 순 Ar 실드 가스 용접의 안정성을 더욱 향상시키는 효과가 있다. 이 첨가량이 15.0질량%를 하회하면 부동태를 유지하지 못하게 되어, 부식에 의한 균열이 일어나게 된다. 한편, 50.0질량%를 초과하여 첨가하면 취화에 의한 균열이 발생한다. 따라서, Cr의 범위는 15.0∼50.0질량%의 범위로 한다.

잔부의 Fe는 외피를 구성하는 Fe, 및/또는 플럭스에 첨부되어 있는 철분, 합금 분말의 Fe가 상당한다.

잔부의 불가피 불순물은 상기 성분 이외의 성분을, 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위로 함유하는 것이 허용된다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 상기 와이어 성분에 더하여 추가로 Ni를 소정량 함유하는 것이 바람직하다.

이하, 플럭스 코어드 용접 와이어의 성분량(Ni량)의 수치 범위를 그 한정 이유와 함께 기재한다.

<Ni: 5.00∼80.00질량%>

Ni는 Ms점을 저하시켜 오스테나이트를 안정화시킴과 더불어 내식성과 저온 인성을 향상시킨다. 예컨대, 오스테나이트계 스테인레스강, 인코넬, 하스텔로이 등의 주요 원소이다. 또한 Ni는 지나치게 많으면 오스테나이트 단상이 되어 고온 균열이 발생하기 쉬워지는 특징을 가진다. 이 때문에, 첨가량이 5.00질량%를 하회하면 오스테나이트가 불안정해지고 마르텐사이트가 생기게 하여, 현저히 경화되는 것에 따른 균열이 발생한다. 한편, 80.00질량%를 초과하면 고온 균열이 발생한다. 따라서, Ni의 범위는 5.00∼80.00질량%로 한다.

또한, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어는 상기 와이어 성분에 더하여 추가로 소정량의 Ti, Al, Mo, Nb, N, Cu, V 중 1종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.

이하, 플럭스 코어드 용접 와이어의 성분량(Ti, Al, Mo, Nb, N, Cu, V량)의 수치 범위를 그 한정 이유와 함께 기재한다.

<Ti: 1.00질량% 이하>

Ti는 강탈산 원소이며 안정된 산화물, 탄화물, 질화물을 형성하여 결정립의 미세화 등에 기여하는 원소이다. 또한, Ti는 순 Ar 가스 중에서도 안정된 산화물을 형성하기 때문에, 아크가 안정된다. 순 Ar 가스에 있어서의 용접을 위해 탈산 원소로서 Ti는 불필요하게 되어, Ti 무함유이어도 상관 없다. 또한, 작업성에 있어서도 플럭스 기둥에 의해 용융부가 안정되기 때문에, Ti 무함유이어도 종래 용접법(Ar＋20% CO₂)보다 스패터는 저감한다. 한편, 1.00질량%를 초과하여 첨가하면 안정에 필요 이상의 산화물이 생성되어, 스패터가 종래법 이상으로 증가한다. 한편, 0.10질량% 이상의 Ti를 첨가하면 산화물을 기점으로 하여 아크가 보다 안정되어, 순 Ar 가스 중에서도 더욱 안정된 용접이 가능해진다. 한편, 0.80질량%를 초과하여 첨가하면 안정에 필요 이상의 산화물이 생성되어 스패터가 증가하기 쉽다. 따라서, Ti의 범위는 1.00질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.10∼0.80질량%의 범위로 한다.

<Al: 1.000질량% 이하>

Al은 Ti와 마찬가지로 강탈산 원소이며 안정된 산화물, 탄화물, 질화물을 형성하여 결정립의 미세화 등에 기여하는 원소이고, 순 Ar 가스 중에서도 안정된 산화물을 형성한다. 그러나, Ti 산화물 쪽이 열 전자 방출 특성은 낮아(Ti 산화물: 2∼4eV, Al 산화물: 4∼5eV), Ti 산화물이 아크 안정화에 대하여 주된 작용을 하고 있다. 따라서, Al은 보조적인 역할이며, 무함유이어도 상관 없지만, 안정화 효과가 나타나기 위해서는 0.050질량% 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 1.000질량%를 초과하여 다량으로 첨가하면, 안정에 필요 이상의 산화물이 생성되어 스패터가 증가한다. 따라서, Al의 범위는 1.000질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.050∼1.000질량%로 한다.

<Mo: 5.000질량% 이하>

Mo는 첨가함으로써 용접 금속의 강도를 높이고, 나아가 탄화물을 형성하여 기계적 성질을 개선한다. 또한, 페라이트 생성 원소이기도 하다. Mo는 무첨가이어도 문제 없지만, 강도 조정이나 페라이트량 조정을 위해서는 0.05질량% 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 15.000질량%를 초과하여 첨가하면, 강도 과잉으로 균열이 발생한다. 따라서, Mo는 15.000질량% 이하로 한다.

<Nb: 5.00질량% 이하>

Nb는 페라이트 생성 원소로서 작용함과 더불어, 강력한 탄화물 생성 원소가 된다. 또한, 용접 금속의 강도를 위해 Nb는 무첨가이어도 문제 없지만, Cr의 탄화물화를 방지하고 내식성을 확보하기 위해서는 0.50질량% 이상의 첨가가 바람직하다. 또한, 5.00질량%를 초과하여 첨가하면, 강도 과잉에 의한 균열이나, Ni 첨가량이 높을 경우 NbC의 과잉 석출에 의한 입계에서의 액화 균열이 발생한다. 따라서, Nb는 5.00질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.50∼5.00질량%의 범위로 한다.

<N: 0.0800질량% 이하>

N은 Ti, Al 등과 질화물을 생성시키고, 결정립의 미세화 등에 효과가 있음과 더불어, 강력한 오스테나이트 생성 원소이다. 0.0800질량%를 초과하여 첨가하면, (1) Ti가 전부 질화물이 되고, Cr 탄화물이 생성되기 쉬워지거나, 또는 (2) Cr 질화물이 생성됨으로써, 필요한 Cr량이 부족하여 응력 부식 균열이 발생한다. 결정립의 미세화는 탄화물로도 가능하기 때문에, 무첨가이어도 문제 없다. 따라서, N은 0.0800질량% 이하로 한다.

<Cu: 5.00질량% 이하>

Cu는 오스테나이트 생성 원소이며, 용접 금속의 강도를 높이는 효과를 갖는다. Cu는 무첨가이어도 문제 없지만 강도 확보를 위해 필요에 따라 첨가하여도 상관 없다. 한편, 5.00질량%를 초과하여 첨가하면 입계 취화를 일으켜 균열이 발생한다. 따라서, Cu는 5.00질량% 이하로 한다.

<V: 1.000질량% 이하>

V는 C나 N에 대한 친화력이 높고, 안정된 탄화물, 질화물을 생성한다. V는 무첨가이어도 문제 없지만, C나 N량을 저감시키기 위해 필요에 따라 첨가하여도 상관 없다. 한편, 1.000질량%를 초과하여 첨가하면, 강도 과잉에 의해 균열이 발생한다. 따라서, V는 1.000질량%로 한다.

그 밖에, 필요에 따라, 내식성을 향상시키기 위해 Co, Ta, W를 각각 5질량% 이하, 1질량% 이하, 5질량% 이하(외피와 플럭스의 각 성분량의 총합) 함유하여도 좋다.

외피의 재질은, 연강이더라도 스테인레스강이더라도 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에서의 조성이 상기 규정 범위가 된다면 특별히 제한은 없다. 그러나, 와이어 자체에 내식성을 가지게 하여 녹슬기 어렵게 하는 관점에서, 외피로서는 스테인레스강이 바람직하다.

또한, 플럭스는 각 규정 원소의 금속 재료, 각 산화물, 합금 등을 분쇄한 것으로 구성된다.

<플럭스 충전율>

본 발명에 따른 플럭스 코어드 용접 와이어의 플럭스 충전율은 7∼27질량% 정도인 것이 바람직하다. 플럭스 충전율이 7질량% 미만이거나 27질량%를 초과하면, 순 Ar 가스 용접 분위기에서의 아크 안정화 효과가 소실되기 때문이다.

한편, 이 플럭스 충전율은, 외피 내에 충전되는 플럭스의 질량을 와이어(외피＋플럭스)의 전체 질량에 대한 비율로 규정한 것이다.

≪플럭스 코어드 용접 와이어의 제조 방법≫

플럭스 코어드 용접 와이어의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 제조 공정으로 제조하면 좋다. 예컨대, 연강 또는 스테인레스의 후프를 U자형으로 성형하고, U자형 성형 후프에 플럭스를 충전한 후, 플럭스를 내부에 충전한 통형상 형(型)으로 성형하고, 목적 직경까지 신선하는 공정에 의해 제조하면 좋다.

≪육성 용접의 아크 용접 방법≫

본 발명에 따른 육성 용접의 아크 용접 방법은 순 Ar 가스를 실드 가스로서 이용함과 더불어, 상기 성분의 플럭스 코어드 용접 와이어를 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 용접 전류를 펄스 전류로 하여 아크 용접을 행하는 것이 바람직하다.

이하, 순 Ar 가스와 펄스 조건에 관하여 상세하게 기재한다.

본 발명에 적용하는 순 Ar 가스란 순수한 100% Ar이 아니라 공업 제품으로서의 순 Ar이 된다. JIS K1105에서는 공업용 Ar이 규정되어 있고, 1급: 순도 99.99% 이상, 2급: 순도 99.90% 이상이라고 되어 있다. 상기에 규정된 순도의 것은 본 발명의 조합으로서 적용 가능하다. 또한, 이것 이하의 순도인 것도 적용 가능하지만, 퓸량이나 희석률의 저감 효과가 작아진다.

<펄스의 조건: 피크 전류, 피크 전류 기간>

용접기는 일반적인 소모 전극식 아크 용접용으로 하고 있는 정전압 특성 전원을 이용한다. 순 Ar 실드 가스 용접에서는 용접 작업성을 더욱 향상시키기 위해 펄스를 권장한다. 펄스는 피크 전류와 피크 전류 기간으로 설정하고, 피크 전류: 350∼550A, 피크 전류 기간: 0.5∼3.5msec(피크 전류 기간이 0.8∼3.0msec인 경우는 피크 전류가 350∼550A, 피크 전류 기간이 0.5msec 이상 0.8msec 미만인 경우는 피크 전류가 500∼550A, 피크 전류 기간이 3.0msec 초과 3.5msec 이하인 경우는 피크 전류가 350∼380A)의 범위에서는 직류에 있어서의 순 Ar 실드 가스 용접보다도 스패터가 저감하여, 용접 작업성의 개선을 확인할 수 있다. 따라서, 펄스의 설정은 상기 범위로 규정한다. 보다 바람직하게는, 피크 전류: 350∼550A, 피크 전류 기간: 0.8∼3.0msec이다.

한편, 일반적으로 베이스 전류는 100A 이하이다.

한편, 펄스 전류를 용접 전류로 하는 아크 용접이란, 전극과 피용접물 간에 교대로 반복하는 피크 전류와 베이스 전류를 통전시켜 아크를 발생시키는 용접이다. 그리고, 피크 전류란 피크 전류의 전류값이며, 피크 전류 기간이란 1주기당 당해 피크 전류가 흐르는 기간이다.

본 발명은 이재의 육성 용접에 적용되는 것이며, 육성을 하는 모재의 재질은 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로 이용되는 재질로서는, 연강 또는 Cr이나 Mo가 첨가된 내열강 등을 들 수 있다.

[실시예]

이하에 본 발명의 실시예를 설명한다. 와이어 직경: 1.2φ(직경 1.2mm), 외피재: 스테인레스(와이어 No. 39에 나타내는 외피 조성)인 플럭스 코어드 용접 와이어(와이어 No. [1]∼[35])를 표 1에 나타낸다. 추가로, 플럭스 코어드 용접 와이어의 외피 성분을 연강 및 스테인레스로 하여 외피 성분을 변화시킨 와이어(와이어 No. [36]∼[41])를 표 2에 나타낸다. 또한, 비교용 솔리드 와이어(와이어 No. [42]∼[47])의 조성을 표 3에 나타낸다.

표 1, 표 2에 나타내는 플럭스 코어드 용접 와이어와 표 3에 나타내는 비교용 솔리드 와이어를 가스 실드 아크 용접에 사용하여, 스패터량, 퓸량, Cr의 희석률, 비드 외관, 균열에 대하여 평가를 행했다. 이들의 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 펄스 조건을 변경한 경우의 평가를 표 5에 나타낸다.

표 4의 100% CO₂ 가스 실드 아크 용접 조건은 직류 전류-전압: 240A-32V, 모재-칩 사이 거리: 25mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 30cm/min이었다.

표 4의 Ar＋20% 가스 실드 아크 용접 조건은 직류 전류-전압: 240A-30V, 모재-칩 사이 거리: 25mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 30cm/min이었다.

표 4의 100% Ar 가스 실드 아크 용접 조건은 직류 전류-전압: 240A-30V, 모재-칩 사이 거리: 25mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 30cm/min이었다.

표 4의 Ar(솔리드)의 용접 조건은 직류 전류-전압: 240A-32V, 모재-칩 사이 거리: 25mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 30cm/min이었다.

표 5의 100% Ar 가스 실드 아크 용접 조건(펄스시의 조건)은, 표 5에 기재한 피크 전류, 피크 시간으로 행함과 더불어 와이어 송급 속도(9.8m/min)로 행했다.

상기 용접 조건은 하기 평가 공통의 용접 조건으로 했다. 또한 모재는 표 6의 조성을 대표로 하는 SS400강을 이용했다.

<스패터량의 측정>

발생한 스패터의 측정은, 각 예 모두 공통으로, 용접부의 양 측면에 구리판으로 작성한 상자를 설치(상세하게는, 높이 200mm×폭 100mm×길이 500mm의 상자를 용접선에 대하여 측면에 2개 배치)하여 용접을 행하고, 1분 동안에 발생한 스패터 전부를 상자 속(상자 내)으로부터 채취하고, 모은 스패터의 전체 질량을 측정하여 스패터량(g/min)으로 했다.

표 4 중에서, 통상 사용되는 가스 조건 중에서 가장 스패터량이 낮은 Ar＋20% 가스 실드 아크 용접시의 측정 스패터량은 0.84∼0.91g/min이기 때문에, 그것을 약간 하회하는 0.80g/min을 기준으로 하여 0.80g/min 이상이었던 경우는 개선되지 않았다고 해서 ×로 하고, 0.80g/min을 하회한 경우(미만인 경우)는 종래보다도 스패터가 저감되었다고 해서 ○로 했다.

또한, 표 5에서는 직류시에 발생하는 측정 스패터량(0.56∼0.68g/min)을 약간 하회하는 0.55g/min을 기준으로 하여 0.55g/min 이상이었던 경우는 펄스의 효과가 없다고 해서 ×로 하고, 0.55g/min을 하회한 경우(미만인 경우)는 펄스에 의해 스패터가 저감되었다고 해서 ○로 했다.

<퓸량의 측정>

퓸량의 측정은 JIS Z3920에 준거한 방법으로 채취하여 평가를 행했다. 통상 사용되는 가스 조건 중에서 가장 퓸량이 낮은 Ar＋20% 가스 실드 아크 용접시의 측정 퓸량은 462∼482mg/min이기 때문에, 그것을 약간 하회하는 450mg/min을 기준으로 하여 450mg/min 이상이었던 경우는 종래의 기술에 비하여 개선되지 않았다고 해서 ×로 하고, 450mg/min을 하회한 경우(미만인 경우)는 종래보다도 퓸량이 개선되었다고 해서 ○로 했다.

<Cr의 희석률 평가>

내식성 용접 재료의 육성에 있어서 Cr의 희석률은 중요한 요인이다. 표 4, 표 5 중의 화학 조성은 육성 용접 초층(용착 금속 초층)의 중앙부를 추출하여 분석을 행한 결과이다. 모재 중에 Cr은 첨가되어 있지 않기 때문에, Cr의 희석률은 용착 금속 초층의 Cr량(wt%)/와이어의 Cr량(wt%)으로 산출했다. 통상 사용되는 것 중에서 가장 희석률이 낮은 Ar＋20% 가스 실드 아크 용접시의 희석률은 30.4∼36.5%이기 때문에, 그것을 약간 하회하는 30%를 기준으로 하여 30% 이상이었던 경우는 종래의 기술에 비하여 개선되지 않았다고 해서 ×로 하고, 30%를 하회한 경우(미만인 경우)는 종래보다도 퓸량이 개선되었다고 해서 ○로 했다.

<비드 외관의 평가>

비드의 외관 평가는 육안으로 행했다. 비드의 가장자리가 가지런하고 직선성이 우수한 것을 ○, 비드가 크게 사행(蛇行)하고 있다고 판단되는 것을 ×로 했다.

<균열의 평가>

용접 균열 시험은 JIS Z3158에 준거한 y형 용접 균열 시험으로 행하고, 용접부의 표면 균열 유무를 육안으로 확인하여, 표면 균열이 없는 경우를 균열성이 ○,표면 균열이 있는 경우를 균열성이 ×라고 평가했다.

여기서, 표 4는 표 1의 와이어(No. [1]∼[35])를 각 실드 가스 용접으로 평가한 것이다. No. 1∼23은 본 발명의 실시예가 되고, 그 중 No. 1∼17은 와이어 No. [1]∼[17]을 순 Ar 실드 가스로 평가한 것이다. 어느 경우도 스패터량, 퓸량, 희석률은 저감되어 있고, 비드 외관은 양호하며 균열도 없다. 또한, No. 18∼23은 외피를 변경한 것이지만(와이어 No. [36]∼[41]), 외피의 조성을 변경하여도 와이어 전체의 조성이 동일하면 마찬가지의 개선 효과가 얻어진다.

한편, 표 4의 No. 24∼57은 비교예가 된다. No. 24∼28은 와이어 No. [1]∼[5]를 Ar＋20% CO₂ 실드 가스로 평가한 예이며, 종래 대로의 용접법이 된다. 또한, No. 29∼33은 와이어 No. [1]∼[5]를 100% CO₂ 실드 가스로 행한 것이며, 이 조합도 종래부터 이용되고 있는 용접법이다. 표 4에 나타내는 평가와 같이, 종래 사용하고 있는 실드 가스로는 와이어를 변화시켜도 스패터량, 퓸량, 희석률이 높아진다.

No. 34∼51은 와이어 No. [18]∼[35]를 순 Ar 실드 가스로 평가한 것이다. No. 34는 스패터량, 퓸량, 희석률에 문제 없지만 P의 과잉 첨가에 의해 균열이 발생한다. No. 35는 S의 과잉 첨가에 의해 균열이 발생한다. No. 36은 Ni량이 과잉으로 높고, Cr량이 낮기 때문에 균열이 발생한다. No. 37은 C의 과잉 첨가에 의해 스패터가 증가할 뿐만 아니라 균열이 발생한다. No. 38은 Al의 과잉 첨가에 의해 음극점이 흐트러져 비드가 사행하고, 스패터도 증가한다. No. 39는 Si, No. 40은 Mn의 과잉 첨가 때문에 비드가 사행한다. No. 41은 N의 과잉 첨가에 의해 균열이 발생하고, No. 42는 Ni량이 지나치게 낮아 마르텐사이트＋페라이트의 조직이 되어 균열이 발생한다. No. 43은 Cr량이 지나치게 높아 취화되어 균열이 발생한다. No. 44는 Nb량, No. 45는 Mo량, No. 46은 Cu량의 과잉 첨가에 의해 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 균열이 발생한다. No. 47은 Ti량의 과잉 첨가에 의해 음극점이 흐트러져 비드가 사행하고, 스패터도 증가한다. No. 48은 V의 과잉 첨가에 의해 용접 금속의 강도가 지나치게 높아져 균열이 발생한다. No. 49, 50은 플럭스 충전율이 지나치게 높아, 플럭스로부터 비산하는 스패터가 많아진다. No. 51은 플럭스율이 지나치게 낮아 안정된 용적 이행이 되지 않고, 스패터가 증가한다.

No. 52∼57은 솔리드 와이어를 순 Ar 실드 가스로 평가한 것이다. 어느 경우도 퓸량, 희석률, 내균열성에 문제 없지만, 아크 불안정이 되고, 스패터의 증가 및 비드의 사행이 일어난다.

표 5는 와이어 No. [1]을 기준으로 순 Ar 실드 가스 용접에서 펄스 전류의 조건을 변경한 경우의 결과가 된다.

No. 58∼102는 펄스 조건 실시예가 되며, 퓸, Cr 희석률, 비드 외관, 균열에 관해서도 문제 없고, 스패터량은 직류의 용접시 이하가 되어, 펄스의 효과를 엿볼 수 있다.

한편, No. 103∼121은 퓸, Cr 희석률, 비드 외관, 균열에 관해서는 좋은 결과가 얻어졌다. 그러나, 펄스 적성 조건으로부터 벗어나고 있었기 때문에, 스패터량이 조금 많은 결과가 되었다.

표 4, 5의 결과를 퓸량과 Cr 희석률의 관점에서 도시한 것을 도 1에 나타낸다. 실드 가스를 순 Ar로 함으로써 퓸량과 Cr 희석률이 개선되고, 나아가 펄스화에 의해 Cr의 희석률이 개선됨을 알았다.

또한, 도 2에서는 각 가스 실드 용접, 순 Ar 펄스 용접의 단면 매크로 사진을 나타내는데, 당해 사진으로부터, 순 Ar 펄스 용접은 용입이 작아 희석률이 보다 작아짐을 알았다.

도 3은 펄스를 적용한 경우에 스패터 저감이 가능해지는 조건 범위를 도시했다.

이상의 실시예로부터, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 플럭스 코어드 용접 와이어 및 육성 용접의 아크 용접 방법의 용접 작업성(저 스패터, 저 퓸), 희석률의 우위성이 실증되었다.

Claims

외피 내에 플럭스가 충전됨과 더불어, 순 Ar을 실드 가스로서 사용하는 소모 전극식의 가스 실드 아크 용접용의 플럭스 코어드 용접 와이어로서,
상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여
C: 0.20질량% 이하,
Si: 15.00질량% 이하,
Mn: 20.00질량% 이하,
P: 0.0500질량% 이하,
S: 0.0500질량% 이하,
Cr: 15.0∼50.0질량%,
Ti: 0.10~0.80질량%
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 구성되고,
플럭스 충전율이 상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 7∼27질량%인 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 용접 와이어.
제 1 항에 있어서,
상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여 Ni: 5.00∼80.00질량%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 용접 와이어.
제 1 항에 있어서,
상기 플럭스 코어드 용접 와이어 전체 질량에 대하여
Al: 1.000질량% 이하,
Mo: 15.000질량% 이하,
Nb: 5.00질량% 이하,
N: 0.0800질량% 이하,
Cu: 5.00질량% 이하,
V: 1.000질량% 이하
중 1종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 용접 와이어.
제 1 항에 있어서,
상기 외피에 스테인레스강을 이용하는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 용접 와이어.
삭제
제 1 항에 기재된 플럭스 코어드 용접 와이어를 이용함과 더불어, 순 Ar을 실드 가스로서 이용하여 아크 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 육성(肉盛) 용접의 아크 용접 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 아크 용접에서, 용접 전류로서 펄스 전류를 이용하고, 상기 펄스 전류의 피크 전류가 350∼550A, 피크 전류 기간이 0.5∼3.5msec임과 더불어,
상기 피크 전류 기간이 0.8∼3.0msec인 경우는 상기 피크 전류가 350∼550A이고, 상기 피크 전류 기간이 0.5msec 이상 0.8msec 미만인 경우는 상기 피크 전류가 500∼550A이며, 상기 피크 전류 기간이 3.0msec 초과 3.5msec 이하인 경우는 상기 피크 전류가 350∼380A인 것을 특징으로 하는 육성 용접의 아크 용접 방법.