KR101320469B1 - 희유 기체 차폐를 이용한 제 1철 강의 금속심 기체 금속아크 용접 - Google Patents

희유 기체 차폐를 이용한 제 1철 강의 금속심 기체 금속아크 용접 Download PDF

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Abstract

탄소강, 저합금강 및 페라이트계 스테인리스강에 대한 순수한 Ar 차폐 기체에서 금속심 와이어 전극의 기체 금속 아크 용접이 기술되어 있다. 이러한 차폐 기체는 솔리드 와이어를 이용한 기체 금속 아크 용접 공정에서 실현되지 않은 여러 가지 이점을 제공한다. 금속심 와이어에 일반적으로 사용되는 기체 혼합물을 함유한 표준 아르곤/산소와 비교했을 때, 이러한 이점은 용접 작업 후 보다 용이한 세척을 제공하는 향상된 용접부 외관, 감소된 용접 증기 및 더 적은 용접 스패터를 위해 용접부 표면에 감소된 규산염 아일랜드를 포함한다. 이점은 또한, 보다 얇은 물질에 대한 용접이나 불량한 접합부 장착(joint fit-up)을 처리하는데 바람직한 감소된 아크 투과를 포함한다. 보다 낮은 전압 요건은 또한 더 얇은 물질에서 용접하는 것을 가능하게 한다. 용접 부착물 중 더 낮은 산소 함량은 더 나은 강도(toughness)와 모든 위치에서의 보다 용이한 용접을 제공한다.

Description

희유 기체 차폐를 이용한 제 1철 강의 금속심 기체 금속 아크 용접{METAL-CORE GAS METAL ARC WELDING OF FERROUS STEELS WITH NOBLE GAS SHIELDING}
도 1은, 기체-금속 아크 용접 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는, 샤르피 V-노치 강도 시험(Charpy V--Notch toughness test) 결과를 나타낸 도면.
도 3과 4는, 증기 챔버(fume chamber) 시험 결과를 나타낸 도면.
도 5는, 순수한 Ar에서 만들어진 금속심 와이어 용접부의 단면도.
도 6은, 75% Ar/25% CO2에서 만들어진 금속심 와이어 용접부의 단면도.
도 7은, 순수한 Ar에서 만들어진 솔리드 와이어 용접부(solid wire weld)의 단면도.
도 8은, 75% Ar/25% CO2에서 만들어진 금속심 와이어 용접부의 전면도.
도 9는, 순수한 Ar에서 만들어진 금속심 와이어 용접부의 전면도.
도 10은, 순수한 Ar에서 만들어진 솔리드 와이어 용접부의 전면도.
도 11은, 금속심 와이어 공정의 전압-암페어 특징을 나타내는 도면.
도 12는, 솔리드 와이어 공정의 전압-암페어 특징을 나타내는 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 용접용 총 11,13: 금속 시트
12: 기체 노즐 14: 소모성 전극
15: 용융된 금속 층(pool) 16: 기체 차폐
18: 전기 아크
본 발명은 일반적으로, 탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강의 기체 금속 아크 용접에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 차폐 기체가 비산화 희유 기체 또는 희유 기체 혼합물인, 탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강의 기체 금속 아크 용접 공정에 관한 것이다.
기체 금속 아크 용접(GMAW)은, 충전재 금속과 작업물(work piece)간의 전기 아크가 충전재 금속과 작업물을 가열시키고 이들을 서로 용접시키는 용접 공정이다. 충전재 금속은 일반적으로 소모성 전극으로, 소비되는 대로 신속하게 이 공정에 공급된다. 전기 아크는 소모성 전극의 첨단부와 작업물이 금속 사이에 형성된다. GMAW 용접 공정은 많은 다른 용도에서뿐만 아니라, 두 장의 시트 금속을 결합시키는데 사용될 수 있다. GMAW을 위한 배열과 용접용 총의 한 가지 예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 소모성 전극(14)은 용접용 총(10)을 통해 용접 공정에 공급된다. 전극(14)은 금속 시트(11과 13)를 이루는 작업물과 전극간에 형성된 전 기 아크(18)를 통해 용융된다. 이 용접 공정은 일반적으로, Ar, CO2 및 이들의 혼합물과 같이 외부에서 공급되는 기체의 차폐 대기에서 수행되는데, 이들 차폐 대기는 용접용 총(10)의 기체 노즐(12)을 통해 이 용접 공정에 들어오고, 기체 차폐(gas shield)(16)를 형성해서 아크, 전극의 첨단 및 용융된 금속의 층(pool)(15)을 차폐시킨다. GMAW 공정의 이점은, 기체 차폐와 안정된 전기 아크로 인해, 보다 신속하고 스패터(spatter)와 합금 원소의 손실이 거의 없이 제조될 수 있는 고 품질의 용접이다.
기체 금속 아크 용접에는 속이 채워진 금속심 와이어 전극(solid and metal-core wire electrode)이 일반적으로 사용되는데, 이는 이들 전극이 고속의 용접 속도로 단일 또는 다중 패스 공정에서 고 강도의 용접을 생성하기 때문이다. 이러한 용접 와이어는, 원하는 최종 사용 용도의 요건을 만족시키기 위해 우수한 인장 강도, 연성 및 충격 강도를 갖는 속이 채워진 비 다공성의 용접 비드를 형성하도록 제조된다. 작은 슬래그 아일랜드나 슬래그의 가는 선이 종래의 기체 금속 아크 용접 공정에서는 용접 토우(weld toe)에 흔히 남아있지만, 속이 채워진 금속심 와이어는 슬래그(slag) 형성을 최소화하도록 또한 제조된다. 슬래그 라인이나 아일랜드는 페인팅 또는 코팅 전 제거되어야만 하고, 그렇지 않으면 결국 코팅 후 벗겨져서, 금속을 주변 공기 중에 노출시키고, 부식을 용이하게 하며, 작업물의 외관에 좋지 않게 영향을 미친다.
솔리드 와이어는 용접 와이어 중 가장 인기 있는 유형의 와이어인 것으로 생 각된다. 솔리드 와이어로 수행될 수 있는 연속 용접은, 소모성 막대 전극(consumable stick electrode)을 구비한 차폐 금속 아크 용접과 비교해서 더 높은 생산성을 일으킨다. 솔리드 와이어는 특정한 화학물질의 열간 압연 봉(hot rolled rod)을 원하는 직경으로 연신해서 만들어진다. 다음으로 솔리드 와이어가 세척되고, 필요할 경우 구리 도금된다. 솔리드 와이어에 존재하는 Mn과 Si이 용접 공정 중 산화되고 고립된 가는 슬래그 아일랜드를 생성한다. 솔리드 와이어의 생산성 이점은 때로, 용접부 표면에 형성되는 슬래그 부착물 또는 아일랜드를 제거하는데 필요한 시간에 의해 상쇄된다.
금속심 전극은, 구조 제작에서 향상된 생산성을 위해 솔리드 용접 와이어에 대한 하나의 대안으로 점차 사용된다. 금속심 용접 와이어는 금속 외장(metal sheath)과 여러 분말 물질의 조성물을 함유한 심(core)을 구비한 복합 관형 충전재 금속 전극이다. 금속심 와이어의 심 조성물은 일반적으로 충전재 물질로 철 분말을 포함한다. 심 조성물은 전체 와이어 중량 중 약 1 내지 45%를 포함한다. 철 분말 함량은 일반적으로 크고 일반적으로 전체 와이어 중량 중 약 0 내지 44%를 포함한다. 금속심 와이어 제조 중, 심 조성물이 혼합되고 강철 스트립 위에 부착되며, 이 강철 스트립은 성형 밀(forming mill)에서 심 조성물을 중심으로 관 또는 외장으로 형성된다. 심 조성물을 둘러싸는 강철 외장은 다음으로 리듀싱 다이(reducing die)를 통해 특정한 직경으로 연신된다. 금속심 와이어는 증가된 용접 부착 속도(weld deposition rate)를 제공하고, 솔리드 와이어보다 더 넓고 보다 적합한 투과 프로파일(penetration profile)을 제공한다. 또한, 금속심 와이어는 스패터를 적게 생 성하고 향상된 아크 안정성을 제공하며, 솔리드 와이어에 비해 향상된 적심 특징과 틈을 연결하는 능력(gap-bridging)을 갖는 용접 부착물을 생산한다. 그러나, 금속심 와이어가 제공하는 이러한 생산성 이점은 때로, 용접부의 표면에 형성되는 슬래그 부착물 또는 아일랜드를 제거하는데 필요한 시간에 의해 상쇄된다.
솔리드 와이어를 이용한 기체 금속 아크 용접이 제 1철 합금을 용접하기 위해 사용되면, 용접 산업에서는 차폐 기체가 Ar과 특정한 비율의 CO2 및/또는 O2의 혼합물로 항상 이루어진다는 것이 알려져 있고 일반적이다. 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접을 위해 불활성 희유 기체인 Ar (때로 He)에 CO2, O2와 같은 활성 기체를 첨가하는 것은, 과도한 용접 증기를 일으키고 용접의 기계적 특성에 유해한 효과를 일으킴에도 불구하고, 변하기 쉬운 아크를 안정화시키고, 더 나은 침투를 이루며, 보다 나은 용접 비드 적심을 이루기 위해 필요한 것으로 간주된다. 이러한 기계적 특성의 저하는 용접 금속에 산화물 함유물을 형성하는 활성 기체 CO2 및/또는 O2에 의해 일어난다. 규소 아일랜드는 일반적으로, 용접부에 눈에 보이는 표시나 자국을 남기는 임의의 페인팅 또는 코팅 작업 전에 용접 표면에서 제거되어야만 한다.
차폐 혼합물 중 활성 기체의 유해한 산화 효과가 아크를 불안정화 시키지 않고 줄어들 수 있으면, 용접 조건의 개선뿐만 아니라, 제 1철 합금 용접부의 기계적인 특성이 바람직할 것이다.
본 발명의 설명 전반에서, "순수한 Ar" 또는 "순수한 희유 기체" 또는 "순수한 불활성 기체" 또는 "100% Ar"은 상업적으로 이용 가능한 순도를 의미하는 것으로 이해해야만 하고, 이는 예를 들어, 99.9%, 99.99%, 99.97% 및 최대 100%까지 이와 유사한 백분율일 수 있다. 차폐 기체의 어떠한 조성이 본 발명에 의해 생각되는 "희유 기체"로 간주되는지를 예시하는 것이 유용하다. 100% 미만의 순수한 Ar, 또는 "순수한 희유 기체"의 경우, 차폐 기체 혼합물은 최대 2%의 N2 또는 N2O5를 가질 것이다. 산화 기체의 잔류량(최대 1%)이 희유 기체 차폐 혼합물에 남아있을 수 있다는 것이 본 발명에 의해 또한 생각된다.
본 발명은, 순수한 희유 기체 차폐 대기 (예를 들어, Ar 또는 He 또는 희유 기체 혼합물)에서 금속심 소모 전극을 사용해서 기체 금속 아크 용접 공정으로 탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강을 용접할 수 있다. 금속심 와이어로 제 1철 합금을 용접하는 동안 Ar/CO2 또는 Ar/O2 혼합물을 순수한 Ar 차폐 기체(순수한 불활성 단일 원소 기체)로 치환하는 것은 보통 용접 비드 표면에 형성되는 슬래그의 양을 크게 줄인다. 금속심 와이어 전극은 기체 금속 아크 용접 공정의 아크 불안정성을 극복하고, 용접 제 1철 합금에서 우수한 비드 적심 품질을 유지시키는데 사용된다. 금속심 와이어는 AWS A5.18, AWS A5.28, 및 AWS A5.9에 정의된 산업 규격에 따라 선택될 수 있다.
탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강과 같은, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접은 기체 금속 아크 용접 장치에 소모성 금속심 전극을 공급하는 단계를 포함한다. 금속심 전극은 종래의 구조로, 심 조성을 특징으로 하는 심과 외장이다. 이 공정은 소모성 금속심 전극 둘레에 희유 차폐 대기를 형성하기 위해 희유 차폐 기체를 사용한다. 제 1철 합금 작업물과 소모성 금속심 전극 사이에 아크가 점화되면, 금속심 전극은 용융되어 작업물 위에 용접부를 형성한다. 탄소강 전극을 이용해서 기술된 방법은, 용접 금속에서 0.06 중량%를 초과하지 않는 산소 백분율을 얻을 뿐만 아니라, 증기 발생 속도를 0.25 그램/분 이하로 줄이기 위해, 용접기가 제 1철 금속 작업물을 용접하도록 한다. 기술된 방법은 약 0.2V 내지 약 0.3V의 범위 내에서 표준 편차를 특징으로 하는 매우 안정된 아크를 제공한다. 생성된 용접부는, 0℉에서 적어도 약 50 ft-lb이고 -20℉에서 적어도 약 41 ft-lb인 용접 금속의 강도를 특징으로 한다.
페라이트계 스테인리스강을 용접하기 위해 본 발명에 의해 제공된 주요 이점 중 한 가지는 감소된 투과이다. 예를 들어, 배기 다기관(exhaust manifold), 촉매 변환기(catalytic converter), 머플러(muffler)와 같은 자동차 부품용 관(tubing)과 같은 이러한 물질은 일반적으로 얇은 벽을 갖는다. 감소된 투과는 이러한 물질이 얇은 벽을 통해 연소되거나 부품을 손상시키지 않으면서 용접될 수 있도록 한다.
순수한 불활성 기체 차폐 대기에서 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접에 사용된 금속심 와이어는, 저 탄소 금속심 와이어, 스테인리스강 금속심 와이어, 저 합금 금속심 와이어 등을 포함한다.
저 탄소 금속심 와이어는, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음 와이어 조성을 일반적으로 갖는다.
저 탄소 금속심 와이어 조성
와이어 실시예 1 실시예 2
C 0.005 - 0.150% 0.005 - 0.040%
Mn 0.5 - 2.5% 1.4 - 1.8%
Si 0.2 - 1.2% 0.8 - 1.2%
Ti 0.001 - 0.100% --
B 0.0001 - 0.0200% --
O2(ppm) 100 - 500 200 - 400
Fe 잔량 잔량
심(core) 조성물은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
전체 전극의 백분율로 저 탄소 금속심 와이어의 심 조성
심 실시예 1 실시예 2
Mn 0.1 - 2.5% 1.40 - 1.80%
Si 0.2 - 2.0% 0.8 - 1.2%
Ti 0.001 - 0.100% --
B 0.0001 - 0.0200% --
Fe 0.2 - 10.0% 1.5 - 2.5%
충전% 0.001 - 12% 2.5 - 6.0%
강철 외장은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
저 탄소 금속심 와이어의 외장 조성
외장 실시예 1 실시예 2
C 0.005 - 0.150% 0.005 - 0.040%
Mn 0.1 - 1.1% 0.2 - 0.4%
Ti 0.001 - 0.100% --
B 0.0001 - 0.0200% --
Fe 잔량 잔량
페라이트계 스테인리스강 금속심 와이어는, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의 다음 와이어 조성을 일반적으로 갖는다.
스테인리스강 금속심 와이어 조성
와이어 실시예1 실시예 2 실시예 3
C 0.01 - 0.30% 0.01 - 0.04% 0.01 - 0.04%
Mn 0.2 - 1.0% 0.3 - 1.0% 0.3 - 1.0%
Si 0.1 - 1.0% 0.1 - 0.8% 0.1 - 0.8%
Cr 10.5 - 20.0% 10.5 - 13.5% 15 - 20%
Ni 0.01 - 1.0% 0.01 - 0.4% 0.01 - 0.4%
Ti 0.001 - 1.5% 0.40 - 1.50% 0.4 - 1.5%
Nb 0.01 - 1.0% 0.01 - 0.20% 0.01 - 0.20%
O2(ppm) 100 - 1000 300 - 800 300 - 800
Fe 잔량 잔량 잔량
심 조성물은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
전체 전극의 중량%로서 스테인리스강 금속심 와이어의 심 조성
심 실시예1 실시예 2 실시예 3
Mn 1.0 - 2.0% 0.3 - 0.8% 0.2 - 0.8%
Si 0.3 - 2.5% 0.1 - 0.3% 0.1 - 0.8%
Cr 10.5 - 20.0% 10.5 - 13.5% 15.0 - 20.0%
Ni 0.01 - 1.0% 0.01 - 0.4% 0.01 - 0.4%
Ti 0.01 - 1.5% 0.4 - 1.5% 0.4 - 1.5%
Nb 0.01 - 1.0% 0.01 - 0.2% 0.01 - 0.4%
Fe 0.01 - 2.0% 0.3 - 1.5% 0.3 - 1.5%
충전% 0.001 - 30% 11.0 - 18% 16 - 23%
강철 외장은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
페라이트계 스테인리스강 금속심 와이어의 외장 조성
외장 실시예1 실시예 2 실시예 3
C 0.005 - 0.150% 0.005 - 0.040% 0.005 - 0.040%
Mn 0.1 - 1.1% 0.2 - 0.4% 0.2 - 0.4%
Ti 0.001 - 0.100% -- --
B 0.0001 - 0.0200% -- --
Fe 잔량 잔량 잔량
저합금 금속심 와이어는, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음 와이어 조성을 일반적으로 갖는다.
저합금 금속심 와이어 조성
와이어 실시예 1 실시예 2
C 0.005 - 0.15% 0.07 - 0.10%
Mn 0.5 - 2.5% 1.00 - 1.30%
Si 0.2 - 1.2% 0.40 - 0.80%
Cr 0.01 - 9.0% --
Ni 0.01 - 9.0% 3.00 - 3.30%
Ti 0.001 - 0.100% --
Mo 0.01 - 5.0% --
B 0.0001 -0.0200% --
O2(ppm) 100 - 500 200 - 400
Fe 잔량 잔량
심 조성물은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
전체 전극의 중량%로서 저합금 금속심 와이어의 심 조성
심 실시예 1 실시예 2
C 0.005 - 0.030% 0.015 - 0.045%
Mn 0.5 - 2.5% 0.50 - 0.80%
Si 0.2 - 1.2% 0.50 - 0.70%
Cr 0.01 - 9.0% --
Ni 0.01 - 9.0% 3.0 - 3.3%
Ti 0.001 - 0.100% --
Mo 0.01 - 5.0% --
B 0.001 -0.020% --
Fe 0.1 - 10.0% 1.0 - 2.0%
충전% 0.001 - 30% 2.5 - 6.0%
강철 외장은, 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다음을 포함한다.
저합금 금속심 와이어의 외장 조성
외장 실시예 1 실시예 2
C 0.005 - 0.15% 0.03 - 0.05%
Mn 0.2 - 1.5% 0.2 - 0.6%
Fe 잔량 잔량
100% 불활성 기체 차폐 대기에서 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접과 사용될 수 있는 와이어의 전체 중량을 기준으로, 대략적인 범위 내의, 다른 금속심 와이어 조성이 표 10에 제공된다.
금속심 와이어 조성
원소 중량% 범위
일반적으로 연강 저합금
C 0.0 - 0.13 0.0 - 0.12 0.0 - 0.13
Mn 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5
Si 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0
Cr 0.0 - 10.5 0.0 - 0.5 0.0 - 10.5
Ni 0.0 - 3.75 0.0 - 0.5 0.0 - 3.75
Ti 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1
Mo 0.0 - 1.2 0.0 - 0.5 0.0 - 1.2
B 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1
V 0.0 - 0.25 0.0 - 0.5 0.0 - 0.25
Sb/Bi/Ge 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3
Fe 85.6 - 99.25 96.25 - 99.25 85.6 - 99.0
제시된 표에서 원소 백분율은 1퍼센트의 100분의 1 이내로 기록되었지만, 당업자는 이러한 백분율이 산업상의 규격을 반영하는 것이고, 본 발명의 기술적인 한계는 아니라는 점을 인식할 것이다. Sb, Bi 및 Ge는 함께 사용되거나 이와 다른 방법으로 사용될 수 있다. Sb는 바람직한 첨가제이다. 가장 전형적인 실시예에서, 와이어(와 용접 비드)는 최소 0.5%의 Mn과 최소 0.2%의 Si를 함유한다. 전형적으로, 와이어(와 용접 비드)는 최소 0.003%의 탄소를 함유할 것이다. 연강과 저합금강에 대한 산업 규격은 Cr, Ni, Mo, V, Ti, B, Sb, Bi 및 Ge가 결합된 양을 0.5% 미만으로 한정한다. 더 많은 양이 사용될 수 있지만, 산업 규격은 만족되지 않을 것이다.
본 발명에 따른 용접부의 분석은, 합금 첨가가 슬래그 아일랜드와는 달리 용접부에 위치해서, 금속심 와이어의 경우, 금속 첨가가 외장 또는 심에 행해질 수 있도록 한다는 것을 보여주었다. 편의를 위해, 첨가는 일반적으로 심에 행해진다. 금속심 와이어를 위해 와이어의 전체 중량을 기준으로 한 심과 외장 조성은 표 11과 표 12에 제공된다.
금속심 와이어에 대한 심 조성
원소 중량% 범위
일반적으로 연강 저합금
C 0.0 - 0.13 0.0 - 0.12 0.0 - 0.13
Mn 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5
Si 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0
Cr 0.0 - 10.5 0.0 - 0.5 0.0 - 10.5
Ni 0.0 - 3.75 0.0 - 0.5 0.0 - 3.75
Ti 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1
Mo 0.0 - 1.2 0.0 - 0.5 0.0 - 1.2
B 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1 0.0 - 0.1
V 0.0 - 0.25 0.0 - 0.5 0.0 - 0.25
Sb/Bi/Ge 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3
Fe 0.0 - 44.0 0.0 - 44.0 0.0 - 44.0
외장 조성
원소
 중량% 범위
일반적으로 연강 저합금
C 0.0 - 0.13 0.0 - 0.12 0.0 - 0.13
Mn 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5 0.0 - 3.5
Si 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0 0.0 - 2.0
Sb/Bi/Ge 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3 0.04 - 0.3
Fe 55.25 - 99.25 55.25 - 99.25 55.0 - 99.0
안티몬이 원소 금속이나 화합물 또는 Sb2S3; SbF3; Sb2(SO4)3; 또는 Sb2O3와 같은 합금으로 심에 첨가될 수 있다. 비스무트는 (BiO)2CO3, Mn2Bi3, 또는 Bi4Ge3O12와 같은 금속으로 첨가될 수 있다. 게르마늄은 금속이나 비스무트를 구비한 상기 화합물로 첨가될 수 있다. 안티몬 산화물이 금속 분말에 첨가될 수 있다. 슬래그는 산화물로 만들어진다. 슬래그의 양을 줄이기 위해서는, 심 조성물에서 산화물의 양이 최소한으로 유지하는 것이 일반적이다. 슬래그 조절 첨가제는 약 0.3 내지 2.0 중량%의 양만큼 심 조성물에 함유되어 있는 것이 바람직하다 (와이어 중 0.04 내지 0.3 중량%). 전형적으로, 이러한 물질은 와이어의 전체 중량을 기준으로 약 0.04 내지 0.3%, 바람직하게는 0.14 내지 0.21%의 양만큼 첨가된다.
다음의 (그러나 이에 제한되지 않는) 상업적으로 이용 가능한 탄소강과 저 합금강 금속심 와이어 중 임의의 것은, 본 명세서에 기술된 안티몬, 비스무트 및/또는 게르마늄을 포함하도록 변형될 수 있다. 다음의 표 13과 14는 이러한 제품과 이들의 전형적인 부착물 화학물질을 나타낸다.
탄소강
Metalloy®
제품		 AWS 분류 C Mn Si P S Fe
70 E70C-6M 0.06 1.39 0.70 0.011 0.014 잔량
71 E70C-6M 0.09 1.47 0.70 0.008 0.013 잔량
70× E70C-6M 0.04 1.50 0.70 0.008 0.013 잔량
76 E70C-6C 0.09 1.29 0.61 0.010 0.016 잔량
E70C-6M 0.05 1.56 0.75 0.009 0.013
71R E70C-6C 0.06 1.62 0.63 0.011 0.016 잔량
E70C-6M 0.09 1.67 0.67 0.012 0.018
Galvolloy® E70C-GS 0.03 0.50 0.30 0.015 0.015 잔량
저 합금강
Metalloy?
제품		 AWS 분류 C Mn Si Ni Cr Mo Cu Fe
80B2 E80C-B2 0.07 0.78 0.42 1.25 0.47 잔량
0.06 0.82 0.29 1.36 0.50
80D2 E90C-G 0.10 1.27 0.30 0.01 0.49 0.05 잔량
0.08 1.94 0.66 0.02 0.50 0.02
80N1 E80C-Ni1 0.05 1.11 0.36 0.88 0.13 잔량
0.05 0.86 0.21 0.97 0.14
80N2 E80C-Ni2 0.06 1.16 0.37 2.42 잔량
0.03 0.77 0.28 2.23
80W E80C-G 0.04 1.19 0.63 0.61 0.55 0.54 잔량
90 E90C-G 0.05 1.32 0.33 1.89 0.37 잔량
0.03 1.30 0.28 1.72 0.41
90B3 E90C-B3 0.09 0.62 0.39 2.07 1.01 잔량
0.07 0.70 0.35 2.30 1.00
110 E110C-G 0.07 1.63 0.48 2.22 0.21 0.59 잔량
상술된 금속심 와이어에 대해서, 제 1철 합금 용접시, 예를 들어 Ar과 같이 순수한 불활성 (희유) 단일 원소 기체로, Ar/CO2 또는 Ar/O2 혼합물로 치환하는 것은 매우 안정된 아크를 제공하고, 용접 비드 표면 위의 슬래그의 양을 크게 줄인다는 것이 밝혀졌다. 희유 기체의 혼합물은 또한 차폐 대기로 또한 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용된 희유 기체는, 아래 표 15에 제시된 예시적인 조성을 나타낸다. 표 15는 희유 기체만을 포함하거나, 잔류량의 질소나 산화 기체가 있는 희유 기체를 포함하는, 가능한 희유 기체 혼합물 조성을 예시한다.
희유 기체 질소 함유 기체 산화 기체
Ar He Ne, Rd 또는 Xe N N2O5 O2 CO2
1 100% - - - - - -
2 0-100% 0-100% - - - - -
3 0-100% 0-100% 0-100% - - - -
4 99.1-100% - - - - <1.0% -
5 98-100% - - - - - <2%
6 99-100% - - - <1% - -
7 98-100% - - <2% - - -
8 98 - 100% <2% - -
9 99 - 100%- - - <1%
10 97 - 100% <2% <1%
바람직한 차폐 기체는 제 1번 조성으로, 100%라는 것은 상업적으로 이용 가능한 순수한 Ar을 나타낸다. 100% 순수한 것으로 기재된 표 15의 다른 기체 조성은 이러한 기체의 상업적으로 이용 가능한 농도를 나타내고, 이는 전형적으로 0.1%의 불순물을 함유한다. 시험 용접 작업 동안, 표 15에 제시된 고순도의 희유 기체가 매우 잘 작용하고, 100% 순수한 희유 기체를 사용하는 추가 비용은 일반적으로 보증되지 않는 것으로 밝혀졌다 (100% 순수한 희유 기체가 상당히 더 나은 용접 결과를 낳지는 않기 때문에). 표 15에 나타낸 잔류량의 O2 또는 CO2를 함유하는 단일 원소 희유 기체 또는 희유 기체 혼합물은, 본 발명을 설명하기 위해 "비산화(non-oxidizing)"인 것으로 간주되는 것으로 또한 이해해야 한다.
금속심 와이어와 솔리드 와이어의 차이는, 금속심 와이어는 매우 안정한 아크와 훨씬 더 나은 비드 프로파일을 갖는다는 점이다. 본 발명자는, 임의의 특별한 설명 이론에 제한되지 않고, 이러한 차이는 금속심 와이어의 본질적으로 더 높은 산소 함량 때문일 수 있는 것으로 생각한다. 금속심 와이어에 함유된 산소의 양은 아크 특징과 비드 프로파일을 개선하는데 충분하지만, 슬래그 형성을 획기적으로 줄이기에는 적다. 또한, 비드 표면의 산화의 감소는 더 깨끗하고 밝으며 미적으로 더 보기 좋은 용접 금속을 제조한다.
이제 도 2로 돌아가서, 생성된 용접 부착물 중 산소 함량의 시험과 함께 샤르피 V-노치 강도 시험(Charpy V--Notch toughness test)의 대표적인 결과가 예시되어 있다. 이 결과는, 100% Ar 차폐 대기와 90% Ar/10% CO2 차폐 대기에서 금속심 와이어 전극을 이용한 기체 금속 아크 용접을 위해 제공된다. 이 시험에 의하면, 순수한 Ar 차폐 대기에서 생성된 용접은, 용접 부착물 중 더 적은 산소 함량을 갖고 (0℉에서 적어도 약 50 ft-lb이고 -20℉에서는 적어도 41 ft-lb로, 순수한 Ar 용접에 대해 용접 부착물 중 약 0.05 중량%의 산소 함량), 우수한 강도를 나타낸다. 또한, 용접 금속 중 높은 산소 레벨은 부착물의 강도를 감소시켜, 용접부에서 더 적은 산소 농도를 생성하는 본 발명의 용접 공정은, 고강도 파이프라인 용접 등과 같은 용도에 적합하게 된다. Ar 차폐에서 금속심 와이어를 용접해서 만들어진 용접 부착물 중 산소 레벨은, 100% Ar에서 솔리드 와이어를 용접해서 만들어진 용접 부착물에서 발견되는 산소 레벨과 비슷한 것으로 밝혀졌다.
예시적인 증기 챔버(fume chamber) 시험 결과가, 100% Ar 차폐 대기에 대해 도 3에, 90% Ar/90% CO2 차폐 대기에 대해서는 도 4에 제공되어 있다. 다음과 같이 도 3-4에서, 증기의 생성 속도는 90% Ar/10% CO2 차폐 대기와 다른 Ar 차폐 대기의 동일한 시험 조건에서 금속심 와이어를 이용한 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접에서 2배 이상 낮았다 (0.55 그램/분과 비교해서 0.2 그램/분). 이러한 결과는, 본 발명에 따른 용접 공정이 크게 감소된 용접 증기 생성을 특징으로 하는 것을 보여준다. 용접 증기 미립자(welding fume particulate)는 또한 페인팅이나 코팅 작업 전에 제거될 필요가 있어서, 용접 증기 생성의 감소는 이 문제를 해결한다.
도 5-7에는 서로 다른 차폐 대기에서 금속심 와이어를 용접해서 생성되고, 아크 투과의 차이를 보여주는 용접부의 단면이 도시되어 있다. 도 5의 용접부는 100% Ar에서 용접된 금속심 용접 와이어에 의해 생성되었다. 도 6의 용접부는 75% Ar/25% CO2에서 금속심 와이어를 용접해서 생성되었다. 도 7의 용접부는 100% Ar 차폐에서 솔리드 와이어를 용접해서 생성되었다. Ar 대기에서 금속심 와이어를 용접해서 생성된 용접부는 (도 5), 차폐 기체에서 산소로 용접된 금속심 와이어에 의해 생성된 용접부 및 Ar에서 솔리드 와이어에 의해 생성된 용접부와 비교했을 때 더 작은 아크 투과를 나타낸다. 순수한 Ar 공정에서 용접된 금속심 와이어에서 더 작은 아크 투과는 얇은 플레이트를 통한 연소와 작업물을 손상시킬 위험 없이 보다 얇은 플레이트를 용접하기 위한 능력을 제공한다. 금속심 와이어는 얇은 게이지 물질(gauge material)에서 로봇식 또는 반자동의 용접 장치(welding application)에서 흔히 사용되기 때문에, 비용과 용접 성분의 중량을 줄이기 위해 물질을 두께를 줄이는 것이 바람직하다. 증명된 바와 같이, 금속심 와이어의 순수한 Ar 차폐는 아크 투과를 줄여서, 로봇식과 반자동 장치에 이러한 용접 공정이 적합하도록 한다.
도 8-10에 도시된 시험 결과는, 감소된 슬래그 형성, 보다 깨끗한 용접부 및 감소된 스패터를 수반하는 용접과 같은 본 발명의 이점을 예시한다. 75% Ar/25% CO2 차폐에서 금속심 와이어를 용접해서 생성된 용접부는, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 슬래그와 스패터를 나타낸다. 순수한 Ar 차폐에서 솔리드 와이어를 용접해서 생성된 용접부는 또한 한층 더한 슬래그 형성과 스패터를 나타낸다. 가장 깨끗한 용접부는 도 9에 예시된 바와 같이, Ar 차폐에서 금속심 와이어를 용접해서 생성되었다.
순수한 Ar에서 용접된 금속심 와이어는 Ar/CO2 혼합물 차폐 대기에서 용접된 금속심 와이어보다 작은 2-5 볼트에서 일반적으로 작동하는 것으로 또한 밝혀졌다. 보다 작은 전압 소비는 용접 중 전체 열 투입을 감소시키고, 아크 투과를 더 감소시키며, 더 얇은 작업물을 용접하도록 한다. 감소된 열 투입은 또한, 용융된 금속이 더 빨리 고체화되어, 보다 낮은 고체화 속도에서 가능한 것보다 다양한 용접 위치에서 용접기가 접합부를 용접하도록 한다. 도 11은 금속심의 순수한 Ar 용접 공정에서 아크의 전압-암페어 특징을 나타낸다. 도 12는 솔리드 와이어의 100% Ar 공정에서 아크의 전압-암페어 특징을 나타낸다. 도 11의 금속심 순수한 Ar 공정은 약 0.2 내지 약 0.3V의 표준 전압 편차를 갖는 매우 안정된 아크를 나타내는 반면, 도 12의 솔리드 와이어 순수한 Ar 공정의 아크는 훨씬 더 큰 표준 편차 (약 6V)를 갖는 매우 불규칙적인 아크를 보여준다.
본 발명을 상세하고 그 특정 실시예에 관해서 설명하기 때문에, 당업자에게는 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않으면서 여러 변형과 변화가 가능하다는 것이 분명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강의 기체 금속 아크 용접에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 차폐 기체가 비산화 희유 기체 또는 희유 기체 혼합물인, 탄소강, 저 합금강 및 페라이트계 스테인리스강의 기체 금속 아크 용접 공정에 관한 것이다.

Claims (10)

  1. 제 1철 합금(ferrous alloy)의 기체 금속 아크 용접 방법(gas-metal arc welding)으로서,
    기체 금속 아크 용접 장치에 소모성 금속심 전극(consumable metal-core electrode)을 공급하는 단계로서, 상기 금속심 전극은 외장(sheath)과, 심 조성(core composition)을 특징으로 하는 분말 금속 심(core)을 갖는, 소모성 금속심 전극을 공급하는 단계와,
    상기 소모성 금속심 전극 둘레에 비산화 차폐 대기(non-oxidizing shielding atmosphere)를 형성하기 위해 Ar을 사용하는 단계와,
    상기 비산화 차폐 기체 대기에서 탄소강, 저합금강(low alloy steel) 또는 페라이트계 스테인리스강(ferritic stainless steel) 작업물(work piece)을 용접하기 위해 제 1철 합금 작업물과 상기 소모성 금속심 전극 사이에 아크를 점화시키는 단계와,
    용접 금속 중 산소의 백분율이 0.06 중량% 이하인 용접 금속을 발생시키는 단계를 포함하며,
    증기 생성 속도가 0.25 그램/분 이하이고,
    아크의 안정성이 0.2 V 내지 0.3 V의 범위 내의 표준 편차를 특징으로 하는, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접 방법.
  2. 제 1항에 있어서, Ar의 비산화 차폐 대기는 1% 이하의 N2, N2O5, O2 또는 CO2 잔량을 포함하는, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 심은 최대 45 중량%의 금속 분말을 포함하고, 철 분말은 상기 심 조성물 중 최대 44%를 차지하는, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 금속심 전극의 심 조성은 산소를 포함하는, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 용접 금속의 강도(toughness)가 0℉에서 50 ft-lb 이상이고, -20℉에서 41 ft-lb 이상인 것을 특징으로 하는, 제 1철 합금의 기체 금속 아크 용접 방법.
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