KR101370403B1 - 코어드 와이어용 충진재 및 저희석률 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

코어드 와이어용 충진재 및 저희석률 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합금 분말 및 플럭스를 포함하는 조성물로 이루어지고, 상기 합금 분말 대 플럭스의 중량비는 25:1 내지 700:1이고, 상기 플럭스는 플럭스 전체 중량을 기준으로 SiO2 60~85%, Al2O3 1~15%, 및 MgO 1~35%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재를 제공한다.
본 발명에 따른 충진재가 충진된 플럭스 코어드 와이어로 오버레이 용접을 하는 경우 용접부의 희석률 및 희석률 편차가 최소화되므로 합금 분말의 초기 상태 및 용접 후 상태 간의 질량 비율의 변동폭이 적고 변형유기상변태와 같이 합금조성의 공차(tolerance)가 매우 작은 합금을 이용하는 것이 가능하여 용접 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 플럭스 코어드 와이어로 오버레이 용접을 하는 경우 언더컷, 사행비드, 기공 발생 등이 억제되어 용접부의 비드 형상을 양호하게 유지할 수 있고, 용접 표면의 열화 내지 크랙으로 인한 용접 불량을 방지할 수 있다.

Description

코어드 와이어용 충진재 및 저희석률 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어{Filler for cored wire and flux cored wire for overlay welding with low dilution rate}
본 발명은 외피-코어(Sheath-core) 구조의 코어드 와이어에서 코어를 구성하는 성분으로 사용되어 오버레이 용접시 용접부의 희석율 및 이의 편차를 최소화하고 용접부의 비드 형상을 양호하게 유지시킬 수 있는 충진재 및 상기 충진재를 포함하는 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
접합금속소재는 도 1에서 보이는 바와 같이 구조접합용, 라미네이트 접합용, 오버레이 접합용으로 구분될 수 있다. 오버레이 접합소재는 기계부품에 내마모성, 내부식성 등과 같은 표면성능을 부여하기 위해 저렴한 모재 표면 위에 용접공법을 통해 덧씌워지는 접합소재를 말한다. 오버레이 접합소재는 제품형태에 따라 솔리드 와이어, 코어드 와이어, 용접봉 등으로 구분된다. 내마모, 내마식 용도의 오버레이 접합소재는 합금원소의 함량이 높기 때문에 솔리드 와이어로는 제조가 어렵고, 용접봉 제품은 대면적 오버레이를 위한 공정자동화에 효율적이지 못하다. 이러한 이유로 대부분의 내마모, 내마식 오버레이 접합소재는 코어드 와이어 형태로 제조되고 있다. 코어드 와이어는 외피-코어(Sheath-core) 구조의 와이어로서, 구체적으로 금속으로 이루어진 외피재(sheath)를 말아서 그 내부에 용접용 플럭스나 합금분말을 충진한 형태의 와이어를 말한다. 일반적으로 코어에 해당하는 충진재의 주성분이 용접용 플럭스이면 플럭스 코어드 와이어라고 하고, 주성분이 합금분말이면 메탈 코어드 와이어라고 하는데 합금분말도 용접용 플럭스의 일종으로 간주하여 플럭스 코어드 와이어로 통칭하기도 한다. 이러한 플럭스 코어드 와이어를 이용한 오버레이 용접은 주로 경화 육성(hard facing), 표면 클래딩(surface cladding), 버터링(buttering) 등에 적용된다. 경화 육성이란 금속부품의 마모되기 쉬운 표면에 내마모성 경질 금속을 용착시키는 처리를 말하며, 표면 클래딩이란 모재의 표면에 모재와 특성이 다른 금속 분말, 금속 와이어 등을 녹여 새로운 금속층을 입히는 기술로서 정밀 기계 부품에서 높은 경도, 내마모성, 내식성, 내열성 등이 요구되는 부품 생산에 사용되고 있으며, 버터링이란 맞대기 용접을 할 때, 모재의 열 영향을 방지하기 위하여 홈(groove) 표면에 다른 종류의 금속을 표면 피복 용접하는 것을 말한다.
오버레이 접합소재는 용접공법을 통해 모재 위에 덧씌워지기 때문에 모재의 용융 및 혼합으로 인한 합금성분의 희석이 필연적으로 발생하며, 오버레이 접합 소재의 희석율은 용접공정조건에 따라 최대 40%까지 편차가 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 변형유기상변태와 같이 합금조성의 공차(tolerance)가 매우 작은 합금의 경우에는 오버레이 용접시 발생하는 희석률 편차로 인해 성능이 구현될 수 없게 되므로 이러한 오버레이 접합 금속의 희석률 변동을 최소한으로 억제하는 방안이 요구된다. 또한, 용접의 신뢰성 내지 안정성은 용접부의 형상에 의해 영향을 받는데, 일반적으로 용접부의 비드 외관이 언더컷(비드 퍼짐성이 불량한 경우)이거나 용접부가 사행비드 형태를 가지거나 용접부의 비드에 기공이 형성되는 경우 용접이 불량함을 의미하고, 그로 인해 용접 표면의 열화 내지 크랙 등이 발생하는 문제가 있다.
이러한 오버레이 접합 소재의 희석률 및 희석률 편차를 최소화하고 용접 비드의 외관을 양호하게 하기 위하여 용접용 플럭스를 사용하는 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0120645호에는 용접 비드의 희석율을 최소화하고 용접 비드의 양호한 퍼짐성을 얻기 위하여 Mn, Al, Si, Ti, ZrO2, NaF 및 MgF2가 소정 질량 비율로 첨가되어 조성된 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0340640호에는 중량비로 SiO2:13-20%, CaF2:16-21.5%, MgO:38.5-48%, Al2O3:16-22% 및 (Na2O+K2O+MnO+FeO):0.5-6.0%로 구성되고, 개재물 혼입이 없고, 비드 외관이 우수하며 표면 산화가 안 일어나는 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0462037호에는 중량%로 SiO2 : 7~10%, CaO: 2~5%, MgO: 12~20%, Al2O3 : 35~45%, TiO2 : 5~10%, CaF2 : 13~17%, Na2O+K2O+MnO≤ 10%를 포함하여 조성되고, (CaO+CaF2)/TiO2 비가 1.8~2.3로 제어되고, 건전한 비드 외관과 우수한 충격 인성을 갖는 용접금속을 확보함에 유용한 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0466204호에는 SiO2 11-21 중량%, Al2O3가 37-51 중량%, TiO2가 2-13 중량%, CaO 가 0.5-5 중량%, CaF2가 6-19 중량%, MnO가 2-10 중량%, MgO가 5-17 중량%, Na2O, K2O, Li2O 중 1성분 혹은 그 이상의 합이 0.05-5 중량%, 총 Fe 함량이 0.5-7 중량%, CO2(탄산염광물에서의 환산치)가 0.5-3 중량%의 함량을 가지고, 용접강의 우수한 인장 강도 및 충격 인성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 비드 외관이 균일하고 슬래그 박리성도 개선하는 효과를 달성할 수 있는 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0550334호에는 중량%로 SiO2 : 10∼20％, Al2O3 : 20∼35％, MgO : 20∼30％, CaF2 : 10∼25％, CaO : 1∼3％, FeO : 1∼5％, MnO : 4∼8％, Na2O＋K2O : 1∼3％를 포함하여 조성되고; MgO/(SiO2＋CaO)가 1.00∼2.20이고 CO2함량이 1％이하이며; 그 입도가 1.7mm(ASTM 12메쉬)를 초과하는 플럭스가 10%이하이고 500㎛(ASTM 35메쉬)미만인 플럭스가 10%이하로 구성되어 있고, 양호한 비드 외관 및 우수한 충격 인성을 확보하는데 유용한 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0774156호에는 플럭스 전체 중량에 대하여, SiO2: 12.0~20.0%, Al2O3: 18.0~27.0%, ZrO2: 6.0~12.0%, CaO: 6.0~12.0%, CaF2: 7.0~16.0%, MnO: 2.0~5.0%, MgO: 20.0~29.0%, Na2O, K2O, Li2O 중 1성분 또는 그 이상의 합: 1.5~4.5%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하고, 용접시 양호한 아크안정성, 슬래그 박리성을 가지고, 내포크마크성, 내피트성과 같이 용접결함을 억제하는 특성을 가지며, 비드 외관이 우수한 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 공보 제10-0359483호에는 금속제 외피에 플럭스를 충진하여 이루어진 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 플럭스가 와이어 전체 중량에 대하여, 0.01 ~ 0.1 중량%의 C, 0.5 ~ 10 중량%의 SiO2 , 1.0 ~ 3.0 중량%의 Mn, 0.1 ~ 2.0 중량%의 MgO, 0.5 ~ 3.0 중량%의 Al2O3 , 5.0 ~ 15 중량%의 TiO2 및 0.5 ~ 5.0 중량%의 Ni를 함유하고, Mn과 Si의 중량비(Mn/Si)가 1.2 ~ 2.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하며, 작업성, 용접성 및 저온 내크랙성을 개선시키고 우수한 비드 형상을 얻을 수 있는 용접용 플럭스 코어드 와이어가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 공보 제10-0628828호에는 튜브형태의 Fe 스트립 내에 텅스텐탄화물계 초경합금이 충전된 초경합금 코어드 용접 와이어로서, 텅스텐탄화물을 유효함량 기준으로 22.5∼30.0 wt%, 오스테나이트 안정화 원소인 Mn과 C의 혼합물을 Ni당량 기준으로 0.05∼0.2wt%, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되고, 용접 플럭스로서, Ca-Titanate, TiO2, Na화합물 및 K화합물 중에서 선택된 어느 하나 1wt% 이하 또는 Al, Mg 및 Zr 중에서 선택된 어느 하나 1wt% 이하를 더 포함할 수 있는 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접 와이어가 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경 하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 외피-코어(Sheath-core) 구조의 코어드 와이어에서 코어에 해당하는 충진재로서, 용접시 용접부의 희석률 및 희석률 편차를 최소화하고, 동시에 용접부의 비드 형상을 양호하게 유지할 수 있는 충진재를 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명의 두 번째 목적은 오버레이 용접시 접합 소재로 사용되고 용접의 안정성과 신뢰성을 부여할 수 있는 플럭스 코어드 와이어를 제공하는데에 있다.
본 발명의 상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예는 합금 분말 및 플럭스를 포함하는 조성물로 이루어지고, 상기 합금 분말 대 플럭스의 중량비는 25:1 내지 700:1이고, 상기 플럭스는 플럭스 전체 중량을 기준으로 SiO2 60~85%, Al2O3 1~15%, 및 MgO 1~35%를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 예는 금속 외피 및 상기 외피 내에 충진된 충진재를 포함하는 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다. 이때, 충진재는 합금 분말 및 플럭스를 포함하는 조성물로 이루어지고, 상기 합금 분말 대 플럭스의 중량비는 25:1 내지 700:1이고, 상기 플럭스는 플럭스 전체 중량을 기준으로 SiO2 60~85%, Al2O3 1~10%, 및 MgO 1~35%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어에서 상기 충진재의 충진율은 외피 및 충진재를 합한 총 중량을 기준으로 20~40%인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 충진재가 충진된 플럭스 코어드 와이어로 오버레이 용접을 하는 경우 용접부의 희석률 및 희석률 편차가 최소화되므로 합금 분말의 초기 상태 및 용접 후 상태 간의 질량 비율의 변동폭이 적고 변형유기상변태와 같이 합금조성의 공차(tolerance)가 매우 작은 합금을 이용하는 것이 가능하여 용접 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 플럭스 코어드 와이어로 오버레이 용접을 하는 경우 언더컷, 사행비드, 기공 발생 등이 억제되어 용접부의 비드 형상을 양호하게 유지할 수 있고, 용접 표면의 열화 내지 크랙으로 인한 용접 불량을 방지할 수 있다.
도 1은 접합금속소재의 용도에 따른 분류를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하는데에 사용된 플럭스 코어드 와이어의 제조라인을 나타낸 사진이다.
도 4는 단일패스 오버레이 용접부의 희석률 측정을 위해 채취한 시료의 사진이다.
도 5는 용접시 용접부에 형성되는 비드의 종단면 형상을 구조적으로 나타낸 것이다.
도 6은 충진재로 합금 분말만을 포함한 코어드 와이어(와이어 비교제조예 11)를 이용하여 30V의 용접 전압 조건에서 용접한 본 발명의 용접 비교시험예 11에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 7은 본 발명의 용접 시험예 2-2-2에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 8은 본 발명의 용접 시험예 6에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 9는 본 발명의 용접 비교시험예 2에서 얻은 결과로서, 비드의 외관이 언더컷 형태인 용접부의 단면을 나타낸 사진이다. 도 10은 본 발명의 용접 비교시험예 3에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 11은 본 발명의 용접 비교시험예 5-1에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 12는 본 발명의 용접 비교시험예 6-1에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 13은 본 발명의 용접 비교시험예 8에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 14는 본 발명의 용접 비교시험예 10에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 첫 번째 측면은 코어드 와이어용 충진재에 관한 것으로서 관한 것으로서, 본 발명에 따른 코어드 와이어용 충진재는 합금 분말 및 플럭스를 포함하는 조성물로 이루어진다. 이때, 상기 합금 분말 대 플럭스의 중량비는 25:1 내지 700:1인 것이 바람직하고, 30:1 내지 600:1인 것이 더 바람직하며, 50:1 내지 350:1인 것이 가장 바람직하다. 합금 분말 대 플럭스의 중량비가 상기 범위를 벗어나면, 용접시 희석율 및 그 편차를 크게 하거나 용접부에 기공이 발생할 염려가 있다. 이하, 본 발명의 코어드 와이어용 충진재를 플럭스 및 합금 분말로 나누어 설명한다.
플럭스
본 발명에 따른 코어드 와이어용 충진재를 구성하는 플럭스는 SiO2, Al2O3, 및 MgO를 필수성분으로 포함하여, 이들 성분들의 다양한 상호작용 및 배합비에 의해 성능이 발휘된다.
상기 플럭스에서 SiO2는 슬래그 형성제의 하나로서 용융 슬래그의 점성과 융점을 조정하여 용접부 비드의 외관을 미려하게 하고 양호하게 하는 역할을 한다. 플럭스 내에서 SiO2 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 60~85%로 제한되며, 60~80%인 것이 바람직하고, 65~75%인 것이 더 바람직하다. SiO2 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 다른 성분들의 함량이 제한될 수 있고, 용접시 희석율 또는 그 편차를 크게 하거나 용접부의 형상이 사행비드가 될 염려가 있다.
또한, 상기 플럭스에서 Al2O3는 용적을 미세화시켜 스프레이 아크를 형성시키며 비드의 파형을 적게하고 슬래그 박리성을 향상시키는 성분이다. 플럭스 내에서 Al2O3의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 1~15%로 제한되며, 1~10%인 것이 바람직하고, 2~8%인 것이 더 바람직하다. Al2O3 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 다른 성분들의 함량이 제한될 수 있고, 용접시 희석율 또는 그 편차를 크게 하거나 용접부의 형상이 사행비드가 될 염려가 있다.
또한, 상기 플럭스에서 MgO는 탈산제 및 슬래그 형성제로서 플럭스의 용융 온도를 제어하여 적정 점도를 유지하는 역할을 한다. 플럭스 내에서 MgO의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 1~35%로 제한되며, 2~30%인 것이 바람직하고, 5~20%인 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 코어드 와이어용 충진재를 구성하는 플럭스는 바람직하게는 K2O, CaCO3, CaO 또는 Na2O에서 선택되는 1종 이상을 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하, 바람직하게는 7% 이하로 더 포함할 수 있다. 상기 플럭스에서 K2O는 슬래그의 표면장력 및 점성을 조절하여 희석율 및 그 편차를 최소화시키고 용접부 비드에 기공이 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다. 플럭스 내에서 K2O의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하로 제한되며, 0.1~7%인 것이 바람직하고, 1~5%인 것이 더 바람직하다. K2O의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 다른 성분들의 함량이 제한될 수 있다. 또한, 상기 플럭스에서 CaCO3는 용접 중에 용접부를 차폐하는 기능을 가진 이산화탄소를 발생시키고 수소 및 질소의 분압을 감소시켜 용접 금속으로 침입을 방지한다. 또한, CaCO3는 슬래그의 점성 및 응고 온도를 조정하여 용접금속의 충격강도를 향상시키는 역할을 한다. 플럭스 내에서 CaCO3의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하로 제한되며, 2~10%인 것이 바람직하고, 2~8%인 것이 더 바람직하다. CaCO3의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우 용접시 희석율을 상승시키고 용접부의 비드 형상이 언더컷으로 형성될 염려가 있다. 또한, 상기 플럭스에서 CaO는 슬래그의 점성 및 응고 온도를 조정하고, 용접금속의 충격 강도를 향상시키는 역할을 한다. 플럭스 내에서 CaO의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하로 제한되며, 1~10%인 것이 바람직하다. CaO의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우 용접시 희석율 또는 그 편차를 크게 하거나 용접부의 형상이 사행비드가 될 염려가 있다. 또한, 상기 플럭스에서 Na2O는 보통 플럭스 제조시 원료 분말에 함유된 불순물로 플럭스 특성에 큰 영향을 미치지 않으나, 적정 수준으로 포함되는 경우 플럭스 구성분말들을 서로 응집시키는 바인더로 작용하거나 아크 안정성을 확보하는 역할을 한다. 플럭스 내에서 Na2O의 함량은 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하로 제한되며, 0.1~5%인 것이 바람직하고, 1~5%인 것이 더 바람직하다.
합금 분말
본 발명에 따른 코어드 와이어용 충진재를 구성하는 합금 분말은 코어드 와이어 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 철을 필수성분으로 하고, 크롬, 망간, 규소, 탄소 또는 붕소에서 선택된 1종 이상을 부수성분으로 포함하는 합금에서 선택되는 것이 바람직하다. 구체적으로 합금 분말은 철-크롬 합금, 철-크롬-탄소 합금, 철-망간 합금, 철-붕소 합금 또는 철-규소 합금에서 선택된 1종 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 이러한 합금 분말은 철-크롬 합금(예를 들어 Fe-70Cr), 철-크롬-탄소 합금(예를 들어 Fe-60Cr-7C), 철-망간 합금(예를 들어 Fe-75Mn) 및 철-규소 합금(Fe-75Si)으로 이루어질 수 있고, 그 조성비는 크게 제한되지 않으나, 합금 분말 전체 중량을 기준으로 철-크롬 합금 55~65%, 철-크롬-탄소 합금 5~15%, 철-망간 합금 20~30%(예를 들어 Fe-75Mn) 및 철-규소 합금 잔량으로 구성될 수 있다. 또한, 합금 분말은 철-크롬 합금(예를 들어 Fe-70Cr), 철-크롬-탄소 합금(예를 들어 Fe-67Cr-8C), 철-붕소 합금(예를 들어 Fe-19B) 및 철-규소 합금(예를 들어 Fe-75Si)으로 이루어질 수 있고, 그 조성비는 크게 제한되지 않으나, 합금 분말 전체 중량을 기준으로 철-크롬 합금 0~5%, 철-크롬-탄소 합금 85~95%, 철-붕소 합금 2~10% 및 철-규소 합금 잔량으로 구성될 수 있다. 또한, 합금 분말은 1종의 합금으로 이루어질 수 있는데, 이러한 합금의 종류로는 철-크롬-탄소-규소 합금, 철-크롬-탄소-망간 합금, 철-크롬-탄소-붕소-규소 합금 등이 있다.
본 발명의 다른 측면은 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 와이어는 도 2에서 보이는 바와 같이 외피(10) 및 상기 외피 내에 충진된 충진재(20)를 포함하는 외피-코어(Sheath-core) 구조를 가진다. 이때 충진재는 전술한 본 발명의 충진재를 사용한다. 또한, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어에서 충진재의 충진율은 (외피 및 충진재를 합한 총 중량을 기준으로 한 충진재의 중량%)은 20~40%인 것이 바람직하며, 25~35%인 것이 더 바람직하다. 충진재의 충진율이 상기 범위를 벗어나는 경우 용접시 희석율 또는 그 편차가 커지나 용접부 비드에 기공이 발생하여 전체적으로 용접 품질이 저하될 염려가 있다. 본 발명의 플럭스 코어드 와이어에서 외피를 형성하는 재료는 용접 분야에서 통상적으로 사용되는 금속이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 연강(mild steel)인 것이 바람직하다. 연강은 탄소의 양이 적고 비교적 연한 탄소강으로 탄소의 함유량이 중량 기준으로 0.2% 전후, 예를 들어 0.12~0.25%인 보통강을 말한다. 플럭스 코어드 와이어는 보통 연강 스트립에 충진재를 충진하고, 연강 스트립을 와이어 형태로 가공하여 제조된다. 또한, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어 내에서 충진재를 구성하는 플럭스의 함량은 플럭스 코어드 와이어 전체 중량(외피, 합금 분말 및 플럭스를 합한 총 중량)을 기준으로 0.05~2%인 것이 바람직하고, 0.05~1%인 것이 더 바람직하며, 0.1~1%인 것이 가장 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 내용을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 용접용 플럭스의 제조
하기 표 1에 표시된 바와 같이 원료 분말을 배합하여 플럭스를 제조하였다.
플럭스 구분 플럭스 조성(중량%, 플럭스 전체 중량 기준)
SiO2 Al2O3 MgO K2O CaCO3 CaO Na2O
플럭스 제조예 1 60 5 35
플럭스 제조예 2 70 10 20
플럭스 제조예 3 75 15 10
플럭스 제조예 4 85 2 13
플럭스 제조예 5 84 14 2
플럭스 제조예 6 75 10 10 5
플럭스 제조예 7 75 10 10 5
플럭스 제조예 8 75 10 10 5
플럭스 제조예 9 75 10 10 5
플럭스 비교제조예 1 40 5 35 20
플럭스 비교제조예 2 40 5 35 20
플럭스 비교제조예 3 40 5 35 20
플럭스 비교제조예 4 40 5 35 20
플럭스 비교제조예 5 100
플럭스 비교제조예 6 100
플럭스 비교제조예 7 70 30
플럭스 비교제조예 8 55 5 40
2. 코어드 와이어용 충진재의 제조
하기 표 2에 표시된 바와 같이 플럭스와 합금 분말을 혼합하여 코어드 와이어용 충진제를 제조하였다. 이때 사용한 합금 분말은 Fe-70Cr 합금 59 중량부, Fe-60Cr-7C 합금 11 중량부, Fe-75Mn 합금 26 중량부 및 Fe-75Si 합금 4 중량부를 혼합한 것이다.
충진재 구분 충진재 조성
합금 분말 사용량
(g)		 플럭스 종류 플럭스 사용량
(g)
충진재 제조예 1-1 700 플럭스 제조예 1 1
충진재 제조예 1-2 250 플럭스 제조예 1 10
충진재 제조예 2-1 700 플럭스 제조예 2 1
충진재 제조예 2-2 300 플럭스 제조예 2 1
충진재 제조예 2-3 250 플럭스 제조예 2 10
충진재 제조예 3-1 700 플럭스 제조예 3 1
충진재 제조예 3-2 250 플럭스 제조예 4 1
충진재 제조예 4-1 700 플럭스 제조예 4 10
충진재 제조예 4-2 250 플럭스 제조예 5 1
충진재 제조예 5-1 700 플럭스 제조예 5 10
충진재 제조예 5-2 250 플럭스 제조예 6 1
충진재 제조예 6 300 플럭스 제조예 6 1
충진재 제조예 7 300 플럭스 제조예 7 1
충진재 제조예 8 300 플럭스 제조예 8 1
충진재 제조예 9 300 플럭스 제조예 9 1
충진재 비교제조예 1 300 플럭스 비교제조예 1 1
충진재 비교제조예 2 300 플럭스 비교제조예 2 1
충진재 비교제조예 3 300 플럭스 비교제조예 3 1
충진재 비교제조예 4 300 플럭스 비교제조예 4 1
충진재 비교제조예 5-1 300 플럭스 비교제조예 5 1
충진재 비교제조예 5-2 300 플럭스 비교제조예 5 10
충진재 비교제조예 6-1 300 플럭스 비교제조예 6 1
충진재 비교제조예 6-2 300 플럭스 비교제조예 6 10
충진재 비교제조예 7 300 플럭스 비교제조예 7 1
충진재 비교제조예 8 300 플럭스 비교제조예 8 1
충진재 비교제조예 9 1000 플럭스 제조예 2 1
충진재 비교제조예 10 150 플럭스 제조예 2 10
충진재 비교제조예 11 300 - -
3. 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제조
도 3에 보이는 플럭스 코어드 와이어의 제조라인(한국생산기술연구원 전북센터 보유)을 이용하여 플럭스 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하였다. 하기 표 3은 각각의 플럭스 코어드 와이어를 제조하는데에 사용된 충진재와 충진률을 나타낸 것이다. 플럭스 코어드 와이어를 제조하기 위해 사용된 외피는 폭 8㎜의 연강(mild steel) 스트립을 사용하였는데, 충진률에 따라 그 두께를 달리하였다. 충진률이 25%, 또는 30%인 경우 두께 0.3㎜의 스트립을 사용하였고, 충진율이 35%인 경우 두께 0.25㎜의 스트립을 사용하였다.
플럭스 코어드 와이어의 제조공정은 크게 조관공정, 인발공정 및 권취공정으로 나누어진다. 이때, 플럭스 코어드 와이어 총중량 대비 충진재 중량의 백분율로 표현되는 충진률은 조관공정에서 스트립 이송속도 대비 충진재의 투입량에 의해 조정된다. 인발공정에서는 조관이 완료된 3㎜의 코어드 와이어를 감면율을 고려하여 설계된 5개의 다이스를 통과시켜 1.6㎜의 플럭스 코어드 와이어로 제조하였다. 정렬 권취공정은 레벨러를 이용하여 제조된 와이어의 잔류응력을 완화시키고 스킨패스를 통해 원형을 교정한 후 스풀에 고르게 감아주는 공정으로 와이어의 송급성에 매우 큰 영향을 미치는 부분이다. 와이어 스풀은 송급성에 도움이 되도록 곡률을 가능한 크게 유지하기 위하여 7㎏ 용량의 내경이 큰 플라스틱 스풀을 사용하였다.
플럭스 코어드 와이어 구분 사용된 충진재 종류 충진율(%)
와이어 제조예 1-1 충진재 제조예 1-1 30
와이어 제조예 1-2 충진재 제조예 1-2 30
와이어 제조예 2-1 충진재 제조예 2-1 30
와이어 제조예 2-2-1 충진재 제조예 2-2 25
와이어 제조예 2-2-2 충진재 제조예 2-2 30
와이어 제조예 2-2-3 충진제 제조예 2-2 35
와이어 제조예 2-3 충진재 제조예 2-3 30
와이어 제조예 3-1 충진재 제조예 3-1 30
와이어 제조예 3-2 충진재 제조예 3-2 30
와이어 제조예 4-1 충진재 제조예 4-1 30
와이어 제조예 4-2 충진재 제조예 4-2 30
와이어 제조예 5-1 충진재 제조예 5-1 30
와이어 제조예 5-2 충진재 제조예 5-2 30
와이어 제조예 6 충진재 제조예 6 30
와이어 제조예 7 충진재 제조예 7 30
와이어 제조예 8 충진재 제조예 8 30
와이어 제조예 9 충진재 제조예 9 30
와이어 비교제조예 1 충진재 비교제조예 1 30
와이어 비교제조예 2 충진재 비교제조예 2 30
와이어 비교제조예 3 충진재 비교제조예 3 30
와이어 비교제조예 4 충진재 비교제조예 4 30
와이어 비교제조예 5-1 충진재 비교제조예 5-1 30
와이어 비교제조예 5-2 충진재 비교제조예 5-2 30
와이어 비교제조예 6-1 충진재 비교제조예 6-1 30
와이어 비교제조예 6-2 충진재 비교제조예 6-2 30
와이어 비교제조예 7 충진재 비교제조예 7 30
와이어 비교제조예 8 충진재 비교제조예 8 30
와이어 비교제조예 9 충진재 비교제조예 9 30
와이어 비교제조예 10 충진재 비교제조예 10 30
와이어 비교제조예 11 충진재 비교제조예 11 30
4. 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어의 용접시험
앞에서 제조한 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 용접모재에 가스금속아크용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)을 수행하였다. 용접용 플럭스의 첨가 영향을 조사하기 위해 가스금속아크용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)은 단일패스 오버레이 용접 방법을 사용하였다. 단일패스 오버레이 용접 모재로 길이 150㎜, 폭 50㎜, 두께 20㎜인 연강(mild steel) 재질의 모재를 사용하였다.
용접시 사용한 공정조건은 다음과 같다.
* 용접 송급속도 : 5.5m/min
* 용접 속도 : 4㎜/sec
* 컨텍트팁과 모재간의 거리(contact tip to work piece distance, CTWDCTWD) : 22㎜
* 용접 보호가스 : 순수 아르곤
용접 플럭스 첨가 및 용접 전압에 따른 용접부의 희석률 변화를 측정하기 위해 용접 전압을 24V에서 34V까지 변화시키면서 오버레이 용접을 수행하였고, 용접 후 워터젯으로 시험편을 절단하여 도 4와 같이 시편당 3개의 단면을 확보한 다음 폴리싱과 매크로 에칭 후 용접부의 비드 단면을 분석하였다. 도 5는 용접시 용접부에 형성된 비드의 종단면 형상을 구조적으로 나타낸 것이다. 도 5에서 Ar 은 육성부 면적을 나타내고, Ap는 모재용융부 면적을 나타낸다. 용접부의 희석률은 하기의 수학식 1을 통해 계산하였다. 또한, 용접 전압별 희석률 중에서 최대 희석률과 최소 희석률을 선택하고, 이의 차이를 희석률 편차로 나타내었다.
Figure 112012036743651-pat00001
또한, 30V의 용접 전압 조건에서 얻은 용접부의 외형 및 단면 사진을 통해 용접부 비드의 외관을 평가하였고, 그 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.
오버레이
용접시험
구분		 용접시 사용된 플럭스 코어드 와이어 희석률 용접부 비드의 외관
최대
희석률		 최소
희석률		 희석률
편차
용접 시험예 1-1 와이어 제조예 1-1 19.52 15.31 4.21 양호
용접 시험예 1-2 와이어 제조예 1-2 19.94 15.06 4.88 양호
용접 시험예 2-1 와이어 제조예 2-1 19.62 15.64 3.98 양호
용접 시험예 2-2-1 와이어 제조예 2-2-1 19.25 16.07 3.18 양호
용접 시험예 2-2-2 와이어 제조예 2-2-2 19.21 17.02 2.20 양호
용접 시험예 2-2-3 와이어 제조예 2-2-3 18.94 16.86 2.08 양호
용접 시험예 2-3 와이어 제조예 2-3 19.33 15.74 3.59 양호
용접 시험예 3-1 와이어 제조예 3-1 19.56 16.55 3.01 양호
용접 시험예 3-2 와이어 제조예 3-2 19.73 14.38 4.35 양호
용접 시험예 4-1 와이어 제조예 4-1 19.05 15.83 3.22 양호
용접 시험예 4-2 와이어 제조예 4-2 18.89 15.21 3.68 양호
용접 시험예 5-1 와이어 제조예 5-1 19.68 15.47 4.21 양호
용접 시험예 5-2 와이어 제조예 5-2 19.23 15.18 4.05 양호
용접 시험예 6 와이어 제조예 6 19.69 17.64 2.05 양호
용접 시험예 7 와이어 제조예 7 19.02 15.98 3.04 양호
용접 시험예 8 와이어 제조예 8 18.98 16.42 2.56 양호
용접 시험예 9 와이어 제조예 9 19.21 15.47 3.74 양호
용접 비교시험예 1 와이어 비교제조예 1 26.39 20.41 5.99 양호
용접 비교시험예 2 와이어 비교제조예 2 20.97 17.83 3.14 언더컷
용접 비교시험예 3 와이어 비교제조예 3 25.02 13.56 11.46 사행비드
용접 비교시험예 4 와이어 비교제조예 4 22.27 16.95 5.32 기공
용접 비교시험예 5-1 와이어 비교제조예 5-1 22.23 16.43 5.80 사행비드
용접 비교시험예 5-2 와이어 비교제조예 5-2 27.05 19.36 7.69 사행비드
용접 비교시험예 6-1 와이어 비교제조예 6-1 22.58 16.87 5.71 사행비드
용접 비교시험예 6-2 와이어 비교제조예 6-2 21.87 13.04 8.83 사행비드
용접 비교시험예 7 와이어 비교제조예 7 22.36 16.68 5.68 사행비드
용접 비교시험예 8 와이어 비교제조예 8 20.83 16.52 4.31 기공
용접 비교시험예 9 와이어 비교제조예 9 26.39 18.41 7.98 양호
용접 비교시험예 10 와이어 비교제조예 10 21.16 16.69 4.46 기공
용접 비교시험예 11 와이어 비교제조예 11 33.62 17.95 15.67 양호
상기 표 4에서 용접부의 형상이 사행비드가 아니고 기공이 발생하지 않으며 비드의 단면 형상이 언더컷(undercut)이 아닌 경우 용접부 비드의 외관을 양호한 것으로 평가하였다.
도 6은 충진재로 합금 분말만을 포함한 코어드 와이어(와이어 비교제조예 11)를 이용하여 30V의 용접 전압 조건에서 용접한 본 발명의 용접 비교시험예 11에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 7은 본 발명의 용접 시험예 2-2-2에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 8은 본 발명의 용접 시험예 6에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 9는 본 발명의 용접 비교시험예 2에서 얻은 결과로서, 비드의 외관이 언더컷 형태인 용접부의 단면을 나타낸 사진이다. 도 10은 본 발명의 용접 비교시험예 3에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 11은 본 발명의 용접 비교시험예 5-1에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 12는 본 발명의 용접 비교시험예 6-1에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 13은 본 발명의 용접 비교시험예 8에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다. 도 14는 본 발명의 용접 비교시험예 10에서 얻은 결과로서, 용접부의 외형(좌) 및 단면(우)을 나타낸 사진이다.
상기 표 4 및 도 6 내지 도 14에서 보이는 바와 같이 본 발명의 와이어 제조예 1 내지 9에서 얻은 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 오버레이 용접하는 경우 용접부의 최대 희석률은 20 이하이고, 희석률 편차는 5 이하이며, 용접부의 비드 외관이 전체적으로 양호함을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 와이어 비교제조예 1 내지 11에서 얻은 코어드 와이어를 이용하여 오버레이 용접하는 경우 최대 희석률이 20을 초과하거나, 희석률 편차가 5를 초과하거나, 용접부의 비드 외관이 불량(언더컷, 사행비드, 또는 기공 발생)함을 알 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고서도 많은 변형을 실시하여 특정 상황 및 재료를 본 발명의 교시내용에 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명을 실시하는데 계획된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시 태양으로 국한되는 것이 아니며, 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 합금 분말 및 플럭스를 포함하는 조성물로 이루어지고,
    상기 합금 분말 대 플럭스의 중량비는 25:1 내지 700:1이고,
    상기 플럭스는 플럭스 전체 중량을 기준으로 SiO2 60~85%, Al2O3 1~15%, 및 MgO 1~35%를 포함하고,
    상기 합금 분말은 합금 분말 전체 중량을 기준으로 철 23.4~36.6%, 크롬 41.6~67.15%, 탄소 0.35~7.6%, 규소 0.75~9.75% 및 잔량으로 망간 또는 붕소에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플럭스는 잔량으로 K2O, CaCO3, CaO 또는 Na2O에서 선택되는 1종 이상을 플럭스 전체 중량을 기준으로 10% 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 합금 분말은 2종 이상의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 합금 분말은 철-크롬 합금, 철-크롬-탄소 합금, 철-망간 합금 및 철-규소 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 합금 분말은 철-크롬 합금, 철-크롬-탄소 합금, 철-붕소 합금 및 철-규소 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 합금 분말은 상기 합금 분말은 1종의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 합금 분말은 철-크롬-탄소-붕소-규소 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 코어드 와이어용 충진재.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 금속 외피 및 상기 외피 내에 충진된 충진재를 포함하고,
    상기 충진재는 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 충진재에서 선택되는 것을 특징으로 하는 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 충진재의 충진율은 외피 및 충진재를 합한 총 중량을 기준으로 20~40%인 것을 특징으로 하는 오버레이 용접용 플럭스 코어드 와이어.
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