KR101579927B1 - 다전극 고염기성계 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스 - Google Patents

다전극 고염기성계 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스 Download PDF

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현대종합금속 주식회사
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Abstract

본 발명은 다전극 용접에 적합한 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스에 관한 것으로서, 특히 소결형 플럭스의 성분조성 및 성분관계를 면밀히 제어함으로써, 다전극 용접에서 아크 안정성 및 양호한 비드외관을 얻을 수 있으며, 동시에 저온 충격인성을 우수하게 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공하고자 하는 것이다.

Description

다전극 고염기성계 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스 {AGGLOMERATED FLUX FOR MULTI-ELECTRODE HIGH-BASIC SUBMERGED ARC WELDING}
본 발명은 다전극 용접에 적합한 고염기성계 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스에 관한 것이다.
일반적으로 서브머지드 아크 용접에 사용되는 플럭스는 그 제조방법에 따라 크게 용융형 플럭스와 소결형 플럭스의 두 가지로 구분된다.
이 중, 용융형 플럭스는 플럭스 원료를 1400℃ 이상의 고온에서 용해, 냉각, 분쇄하여 제조하는 것으로 합금원소의 첨가가 불가능하여 용접금속의 기계적 성질 및 화학성분의 조절이 용이하지 못하며, 용접비드 가장자리에 슬래그가 잔류하는 등 용접작업성이 열등하다는 등의 단점을 가지고는 있으나, 제조방법상 유리상의 치밀한 플럭스 입자를 형성하여 흡습이 용이하지 않다는 장점이 있다.
반면, 소결형 플럭스는 플럭스의 원료를 바인더와 혼합한 후 고온에서 소결하여 제조하는 것으로 합금원소의 첨가로 용접금속의 기계적 성질 및 화학성분을 조절하는데 용이하며 용접작업성이 우수하다는 등의 장점이 있으나, 대기중의 수분에 의한 흡습이 용이하다는 단점 또한 가지고 있다. 특히, 고온다습한 기후조건에서의 소결형 플럭스의 용접은 용접결함을 유발하여 용접품질을 저해하는 중요한 요인 중의 하나이다.
한편, 서브머지드 아크 용접하는 경우 1~2개의 전극을 이용하는 방식을 일반적으로 사용하고 있으나, 생산 속도를 향상시키기 위하여 용접재와 용접기의 성능 향상이 지속적으로 요구되어 현재 3~4개의 전극을 이용하는 용접이 증가하였으며, 저온 충격을 요구하지 않거나, 0℃에서 -30℃의 충격인성을 요구하는 분야는 유동성이 좋은 기존의 산성계 또는 중염기성계 플럭스로 3~4개의 전극에서도 양호한 용접성을 확보할 수 있다.
그러나, -40℃ 이하의 저온 충격인성을 요구하는 분야에서 사용되는 고염기성계 플럭스의 경우, 3~4 개의 전극을 적용하는 용접에서는 용접성이 저하되어 결함 및 슬래그(Slag) 박리성 저하가 발생하여 적용하지 못하고 있는 실정이다.
이를 해결하기 위하여, 저온 충격이 우수한 다전극용 용접재 개발이 진행되어 왔으나, 중염기성계는 충격인성이 불안정하고, 고염기성계의 경우에는 용접성이 불안정하여 현재까지 -40℃ 이하의 저온 충격인성이 요구되는 분야에서는 1~2개의 전극을 이용하여 용접을 진행하고 있다.
본 발명의 일 측면은, 서브머지드 아크 용접에 이용되는 소결형 플럭스의 성분조성 및 성분관계를 면밀히 제어함으로써, 다전극 용접에서 아크 안정성 및 양호한 비드외관을 얻을 수 있으며, 동시에 저온 충격인성을 우수하게 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 플럭스 전 중량에 대하여 중량%로, CaF2: 20~30%, MgO: 20~40%, Al2O3: 15~30%, SiO2: 5~15%, CaO: 2~10%, FeSi: 1~5%, K불화물계: 1~5%, MnO: 5% 이하(0% 포함), 기타 불가피한 불순물을 포함하고, (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비가 8~21을 만족하는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공한다.
본 발명에 의하면, 펄럭스의 성분조성과 성분간의 관계식을 최적화함으로써, 다전극 용접시 양호한 용접작업성과 저온 충격인성을 확보할 수 있는 고염기성계의 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공하는 효과가 있다.
본 발명자들은 다전극 용접시 아크 안정성과 양호한 비드 외관을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 저온 충격인성을 우수하게 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공하기 위해 깊이 연구한 결과, 상기 플럭스의 조성과 그 조성비를 제어하는 경우 목표로 하는 물성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스는 플럭스 전 중량에 대하여 중량%로, CaF2: 20~30%, MgO: 20~40%, Al2O3: 15~30%, SiO2: 5~15%, CaO: 2~10%, FeSi: 1~5%, K불화물계: 1~5%, MnO: 5% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기와 같이 성분조성을 제어하는 이유에 대하여 하기에 구체적으로 설명할 것이나, 이때 특별한 언급이 없는 한 각 조성의 함량은 중량%를 의미한다.
CaF2: 20~30%
CaF2는 아크 안정성 및 슬래그 유동성을 제어하기 위해 첨가되는 성분으로서, 슬래그의 점성을 높여 비드 형상을 양호하게 하는 효과를 가진 염기성 산화물이다. 본 발명에서 상기 CaF2는 용접금속 중의 산소량 및 질소량을 제어하여 충격인성을 향상시키는데 유효하게 작용한다.
상술한 효과, 특히 충격인성을 충분히 얻기 위해서는, 20% 이상으로 CaF2를 첨가하는 것이 바람직하나, 다만 그 함량이 30%를 초과하게 되면 슬래그 융점이 너무 상승하여 유동성이 저하되며, 저입열 용접에서 슬래그 잔해성과 박리성이 나빠져 비드 외관을 해치는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 CaF2의 함량은 20~30%로 제한하는 것이 바람직하다.
MgO: 20~40%
MgO는 용접금속중의 산소량을 저감시켜 용접금속의 인성을 향상시키는 효과가 있으며, 슬래그 박리성을 확보하는데 유용하지만, 반면에 흡습이 용이한 성분이다.
플럭스 조성 중 이러한 MgO의 함량이 20% 미만이면 MgO에 의해 얻을 수 있는 효과를 충분히 확보할 수 없으며, 반면 그 함량이 40%를 초과하게 되면 슬래그 점도가 너무 높아지거나 융점이 너무 상승하게 되어 다전극 용접에서 슬래그 유동성이 나빠져 비드외관이 불량해지고 슬래그 혼입이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라, 플럭스가 흡습에 민감해져 확산성 수소가 상승하여 저온균열을 유발할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 MgO의 함량은 20~40%로 제한하는 것이 바람직하다.
Al2O3: 15~30%
Al2O3는 슬래그의 연화온도를 상승시킴과 더불어, 슬래그의 점도 및 응고온도를 조졀하여 비드외관을 양호하게 하고, 용접작업성을 향상시키는데 유효한 성분이다.
이러한 Al2O3의 함량이 15% 미만이면 슬래그의 점도 및 응고온도의 상승효과가 불충분하여 언더컷(under cut)이 발생하는 등 비드 외관을 저해할 우려가 있다. 반면, 그 함량이 30%를 초과하게 되면 고입열 다전극 용접시 여성고가 과도하게 높아져 고온 균열 발생율이 높아지고, 충격인성을 안정적으로 확보하지 못하게 된다.
따라서, 본 발명에서 Al2O3의 함량은 15~30%로 제한하는 것이 바람직하다.
SiO2: 5~15%
SiO2는 슬래그의 유동성을 제어하여 용접비드의 형상에 영향을 미치며, 그 함량에 따라 슬래그의 염기도에 영향을 미치는 산성 산화물이다.
이러한 SiO2의 함량이 5% 미만이면 슬래그 유동성이 부족하여 비드의 형상이 불안정하고 비드 폭이 불균일해지는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 15%를 초과하게 되면 비드 표면에 슬래그 잔해가 발생할 뿐만 아니라, 플럭스의 염기도가 저하되어 용접금속 중의 산소량 증가에 따른 충격인성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명에서 SiO2의 함량은 5~15%로 제한하는 것이 바람직하다.
CaO: 2~10%
CaO는 슬래그의 점도 및 응고온도를 조정하며, 용접금속의 충격강도를 향상시키는 효과가 있는 반면, 내흡습성이 약한 탄산화합물의 형태로 첨가되므로 흡습되기 쉬운 성분이다.
이러한 CaO의 함량이 2% 미만이면 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 10%를 초과하게 되면 플럭스가 흡습에 민감해질 뿐만 아니라, 고속 용접에서 포크마크(pocmark)를 유발하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 CaO의 함량은 2~10%로 제한하는 것이 바람직하다.
FeSi: 1~5%
FeSi는 용접금속에 Si을 이행시키고, 내포크마크성을 향상시키기 위해 첨가하는 성분으로서, 그 함량이 1% 미만이면 고속 용접시 포스마크가 발생하고, 인장강도가 저하하는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 5%를 초과하게 되면 용접작업성은 양호하지만 용착금속 내 불순물 증가로 인해 저온 충격인성이 저하되고, 과도한 Si 이행으로 인해 연신율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 FeSi의 함량은 1~5%로 제한하는 것이 바람직하다.
K불화물계: 1~5%
본 발명에서는 불화물계 원료로써 KF를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 KF는 플럭스의 염기도를 조절하여 저온 충격인성을 확보하고, 동시에 고입열 용접에서 아크를 안정시켜 용접부 표면 돌기 및 표면 주름을 감소시켜주는 효과가 있다.
상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 1% 이상으로 KF를 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 5%를 초과하게 되면 확산성 수소를 증가시켜 저온 균열을 유발할 가능성이 높으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서 KF의 함량은 1~5%로 제한하는 것이 바람직하다.
MnO: 5% 이하(0% 포함)
MnO는 슬래그의 점성을 조정하여 슬래그의 유동성을 부드럽게 하는 역할을 하는 산화물이다. 본 발명에서는 상기 MnO의 함량을 5% 이하로 제한하는 것이 바람직한데, 만일 5%를 초과하게 되면 고입열 용접에서 응고속도가 느려져 잔해가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 저온 충격인성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 MnO의 함량을 5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
(CaF2+SiO2)/K불화물계: 8~21
본 발명의 플럭스는 상술한 성분조성을 모두 만족함과 아울러, 안정적인 다전극 용접성과 저온 충격인성을 동시에 만족하기 위하여 (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비를 제어하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비가 8 미만이면 확산성 수소가 상승하고 저온 균열에 민감해지며 저온 충격인성이 저하되는 문제가 있다. 반면, 그 값이 21을 초과하게 되면 아크 안정성과 다전극 용접성이 저하되고 슬래그 유동성이 과도하게 증가하여 비드 폭이 불균일해지고, 대입열 용접시 용접부에 언더컷이 발생하고, 불안정한 용탕으로 인해 슬래그에 드래곤백이 발생되는 문제가 있다. 여기서, 드래곤백이란 통상의 얇은 슬래그가 아닌 용접부의 험핑과 유사한 형태로 솟아오르는 형태로 슬래그 상부가 용의 등 지느러미처럼 솟아오른 형상을 의미한다. 이러한 드래곤백 현상은 불안정한 아크로 인해 용융된 플럭스가 위로 솟아오른 상태에서 굳어졌을 때 발생하게 된다.
따라서, 본 발명에서 (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비는 8~21로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 KF뿐만 아니라 CaF2도 불화물계 원료로서 플럭스의 염기성을 향상시키는 성분이다. 고염기성계 플럭스의 경우 주로 MgO와 CaF2가 높은 함량을 차지하는데, 이때 상기 CaF2의 함량이 20% 이상이면 저온 충격인성을 확보하는데 기여한다. 그러나, 그 함량이 30%를 초과하게 되면 저입열 용접성이 저하될 뿐만 아니라, 다전극 용접에서 고속으로 용접하는 경우 용탕의 유동성이 급격히 저하되어 안정한 외관을 확보할 수 없다.
따라서, 본 발명에서는 상기 (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비를 제어함과 동시에, CaF2의 함량을 20~30%로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 일반적으로 불화물계 원료는 슬래그의 융점을 상승시켜 유동성을 저하시키나, K와 Na계 불화물 원료는 용탕의 유동성을 안정화시키는 역할을 하며, 다전극 용접에서 안정적인 외관을 확보하는 동시에, 불화물계인 CaF2와 유사하게 저온 충격인성을 확보하는데 기여한다.
다만, Na계 불화물의 경우 1폴(pole) 용접에서는 K계 불화물과 유사한 효과를 나타내지만, 고속 다전극 용접시에는 K계 불화물 대비 박리성이 저하하는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 Na계 불화물 보다는 K계 불화물을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상술한 성분 이외에 본 발명에서 제공하는 플럭스의 물성에는 영향을 미치지 않지만, 상기 플럭스를 적당한 크기의 입자로 만드는데 사용되는 고착제(binder)를 더 포함할 수 있으며, 예컨대 Na2O, K2O 등이 추가로 포함될 수 있으며, 기타 불가피한 불순물이 포함된다.
본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 이용하여 다전극 용접시 용접부의 저온 충격인성을 우수하게 확보할 수 있으며, 특히 -50℃에서 100J 이상의 충격인성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 용접모재에 하기 표 2의 성분조성을 갖는 와이어를 이용하여 하기 표 3과 같은 용접 조건으로 비드 온 플레이트(Bead on Plate, BOP) 용접, 멀티패스(Multi-run) 용접, 파이프 벗트(Pipe butt) 용접을 실시하였다. 이때, 용접에 사용된 플럭스의 조성은 하기 표 4에 나타내었다. 상기 용접은 각각의 성분조성에 따라 마련된 플럭스를 이용하여 1~4폴(pole) 용접을 각각 행한 후, 용접 외관 및 멀티패스 용접 물성 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 이때의 물성 관찰기준은 아래와 같은 기준으로 설정하였다.
[1폴(pole) 내포크마크(pockmark)성 판단기준]
◎: 0.5mm porkmark 1개 이하 / 30cm
○: 0.5mm porkmark 2개 이하(1개 초과) / 30cm
△: 0.5mm porkmark 3~4개 / 30cm
×: 0.5mm porkmark 4개 초과 / 30cm
[2폴(pole), 3폴(pole) 및 4폴(pole) 용접 외관]
◎: 양호
○: 비드(bead)선 또는 결 중 하나가 불안정
△: 비드(bead)선 및 결 모두 불안정
×: 험핑비드
[1폴(pole) AWS Multi-run Deposition 충격인성]
◎: -70℃에서 충격인성 100J 이상
○: -60℃에서 충격인성 100J 이상
△: -60℃에서 충격인성 50J 이상
×: -60℃에서 충격인성 50J 미만
[3폴(pole) Multi-run Deposition 충격인성]
◎: -50℃에서 충격인성 150J 이상
○: -50℃에서 충격인성 100J 이상
△: -50℃에서 충격인성 50J 이상
×: -50℃에서 충격인성 50J 미만
모재 두께
(mm)		 성분조성(중량%)
C Si Mn P S Fe 및 기타 불순물
SS400 12 0.12 0.28 1.05 0.015 0.007 나머지
와이어경
(mm)		 성분조성(중량%)
C Si Mn P S Fe 및 기타 불순물
4.0 0.10 0.30 1.73 0.016 0.009 나머지
구분 전류
(A)		 전압
(V)		 용접속도
(cm/min)		 입열량
(kJ/cm)		 비고
1pole DC+ 500 30 50 18.0 BOP
2pole DC+ 1150 30 54 65.0 BOP
AC 750 32
3pole DC+ 700 31 100 37.4 Multi-run
Deposition
AC 650 32
AC 600 33
4pole DC+ 1150 30 96 65.4 Longitudinal
pipe butt
AC 800 32
AC 700 32
AC 650 34
1pole DC+ 550 30 40 24.7 AWS Multi-run
Deposition
구분 성분조성(중량%) (CaF2 +SiO2)/K불화물
CaF2 MgO Al2O3 SiO2 CaO FeSi KF 기타
발명예 1 27 21 23 15 8 1 2 3 21.0
발명예 2 20 27 29 8 4 4 3 5 9.3
발명예 3 23 34 25 12 2 2 2 2 17.5
발명예 4 25 24 28 12 3 2 2 4 18.5
발명예 5 22 36 21 10 9 1 4 2 8.0
발명예 6 28 28 15 13 5 3 4 4 10.3
비교예 1 35 21 23 15 8 1 2 2 25.0
비교예 2 20 27 35 8 4 4 3 4 9.3
비교예 3 23 34 25 18 - 2 2 2 20.5
비교예 4 30 40 17 4 6 3 2 5 17.0
비교예 5 27 36 21 10 9 - 4 2 9.3
비교예 6 28 28 15 13 5 3 6 4 6.8
비교예 7 15 34 28 12 3 2 2 8 13.5
비교예 8 21 45 21 10 9 1 4 - 7.8
비교예 9 28 28 15 13 5 3 - 7 -
비교예 10 25 24 28 12 3 2 1 5 37.0
상기 성분조성 이외의 잔부는 MnO, Na2O 및 기타 불가피한 불순물이다.
구분
 1폴(pole)
내포크마크성		 2폴(pole)
용접외관		 3폴(pole)
용접외관		 4폴(pole)
용접외관		 1폴, 3폴
충격인성
발명예 1 △ ◎ ◎ ◎ ◎
발명예 2 ○ ◎ ○ ○ ○
발명예 3 ○ ○ ◎ ◎ ◎
발명예 4 ◎ ○ ◎ ◎ ○
발명예 5 ○ ○ ◎ ○ ○
발명예 6 ○ ◎ ○ ◎ ○
비교예 1 × △ ○ △ ○
비교예 2 ○ ◎ ○ △ ×
비교예 3 ○ ○ ◎ ○ ×
비교예 4 △ × ○ ○ ○
비교예 5 × × △ × ◎
비교예 6 △ × ○ △ ×
비교예 7 ◎ ○ △ × △
비교예 8 ◎ △ × × ○
비교예 9 ○ × × × △
비교예 10 × × ○ △ ○
상기 표 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 플럭스의 성분조성 및 성분비가 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1 내지 6은 용접성과 충격인성 모두 양호한 수준을 나타내었으며, 특히 발명예 2 내지 6은 전체적인 물성에서 양호한 결과를 나타내었다.
반면, 일부 성분의 조성이 본 발명을 만족하나 성분비((CaF2+SiO2)/K불화물계)가 본 발명의 범위를 벗어나고, 특히 그 값이 8 미만인 비교예 6 및 8의 경우 2~4폴(pole)의 다전극 용접에서 용접성이 불안정하고, 험핑이 발생하였다.
또한, 그 값이 21을 초과하는 비교예 1 및 10은 1폴(pole) 용접에서 다량의 포크마크가 나타났으며, 비드(bead)선이 불안정한 현상이 발생하였다.
한편, 플럭스 내 성분조성으로 K불화물을 함유하지 않은 비교예 9의 경우 1폴(pole) 용접은 양호하였지만, 2~4(pole)의 다전극 용접시 용접선 불안정과 함께 다량의 험핑이 발생하였다.
또한, (CaF2+SiO2)/K불화물 성분비는 본 발명을 만족하는 반면 그 외 성분조성이 본 발명을 만족하지 않는 비교예 2, 3, 4, 5 및 7의 경우 비교예 2 및 3은 각각 Al2O3의 함량이 과도하고 CaO가 함유되지 못함에 따라 충격인성의 저하가 나타났으며, 비교예 4의 경우 SiO2의 함량이 불충분하여 1폴(pole) 또는 2폴(pole) 용접시 용접성이 저하된 결과가 나타났다. 그리고, 비교예 5는 FeSi가 함유되지 못함에 따라 용접성이 전체적으로 저하되었으며, 비교예 7의 경우에는 CaF2가 불충분하여 3~4폴(pole)의 다전극 용접시 험핑이 나타났으며, 충격인성도 충분히 확보되지 못하였다.

Claims (3)

  1. 플럭스 전 중량에 대하여 중량%로, CaF2: 20~30%, MgO: 20~40%, Al2O3: 15~30%, SiO2: 5~15%, CaO: 2~10%, FeSi: 1~5%, K불화물계: 1~5%, MnO: 5% 이하(0% 포함), 기타 불가피한 불순물을 포함하고, (CaF2+SiO2)/K불화물계의 성분비가 8~21을 만족하는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 K불화물계는 불화칼륨(KF)인 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플럭스를 이용하여 다전극 용접시 용접부의 충격인성이 -50℃에서 100J 이상인 용접부가 얻어지는 것인 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스.
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