KR101624886B1 - 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어 - Google Patents

가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어 Download PDF

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Abstract

가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어가 개시된다. 본 발명의 일 측면인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어는 금속외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.08%, TiO2: 4.0~9.0%, Si: 0.2~0.8%, Mn: 1.0~3.0%, Mg: 0.1~1.0%, 불화물의 F 환산량: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~7.0%을 포함하고, Na, K, Li 및 Ca으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 합계 0.1~1.0% 포함하며, 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1로 정의되는 R이 0.1~2.0인 것을 특징으로 한다.
[관계식 1]
R=(C*F*Mg/TiO2)*104

Description

가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어{TITANIA BASED FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING}
본 기술은 금속외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 중 발생하는 흄(Fume) 발생량을 저감할 수 있는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
플럭스 충전 와이어 전극은 탁월한 비드외관, 양호한 아크안정성 및 우수한 용접작업성 등으로 인하여 최근 그 사용이 증가되고 있는데, 상기 플럭스 충전 와이어 전극은 다른 용접 전극과 비교할 때, 단위시간 당 발생하는 흄(Fume) 발생이 많아, 환경오염의 문제가 있을 뿐만 아니라, 작업장 내 환기가 충분히 이루어지지 않은 상태에서 장기간 작업이 이뤄지는 경우, 작업자의 호흡기 질환을 유발하는 원인이 될 수 있는 문제가 있다. 이러한 흄(Fume)은 솔리드 와이어 전극을 사용할 때보다 1.7~2배 이상 발생된다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1에서는 철계 합금, 용접조건 하 산소와 반응성이 있는 금속류 및 용접성 향상 금속류를 포함하는 플럭스 조성물을 사용하여 흄 발생량을 저감하는 기술에 대해 개시하고 있다. 특히 합금철을 포함하여 산소와 반응할수 있는 두가지 이상의 금속류(티타늄, 알루미늄, 보론)가 첨가되면 흄을 저감할 수 있다고 언급하고 있다.
또한, 특허문헌 2에서는 가스실드 아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 있어서 금속 외피에 포함된 탄소 함량을 제어하여 흄 발생량을 저감하는 기술에 대해 개시하고 있다. 또한 플럭스 내 개별원료별 흄 발생량을 추측하였으나 이는 플럭스 내 성분 조합 시 흄 발생량 변화를 예측하기가 어렵다.
미국 등록특허공보 제4,122,238호 미국 등록특허공보 제4,510,374호
본 발명은 흄 발생량 저감과 함께 양호한 용접작업성을 확보할 수 있는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어는, 금속외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.08%, TiO2: 4.0~9.0%, Si: 0.2~0.8%, Mn: 1.0~3.0%, Mg: 0.1~1.0%, 불화물의 F 환산량: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~7.0%을 포함하고, Na, K, Li 및 Ca으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 합계 0.1~1.0% 포함하며, 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1로 정의되는 R이 0.1~2.0인 것을 특징으로 한다.
[관계식 1]
R=([C]×[F]×[Mg]/[TiO2])×104
(단, [C],[F],[Mg],[TiO2]는 각각 C, F, Mg, TiO2 함유량의 중량 %임)
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 플럭스 충전 와이어를 이용하여 가스실드 아크 용접을 수행할 경우, 아크안정성이 우수하고, 스패터 발생율이 4% 미만으로 낮아 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라, 흄 발생량 800mg/min 이하로 용접 중 발생되는 흄(Fume) 발생량을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명자들은 티타니아계 플럭스 충전 와이어 용접시, 흄(Fume) 발생량을 저감할 수 있는 방안에 대한 실험을 거듭하였고, 그 결과, 플럭스 조성 중 C, F, Mg 성분은 흄 발생량을 가속화시키며, 증기압이 낮은 TiO2 성분은 흄 발생량을 둔화시킴을 밝혀내었다. 더욱이, 상기 성분의 조성범위를 적절히 제어할 경우 흄(Fume) 발생을 현저히 저감할 수 있음을 밝혀내고, 본 발명에 이르게 되었다.
나아가, 플럭스 조성 중 아크안정제인 알칼리금속의 함량을 적정수준으로 관리할 경우, 양호한 용접작업성이 확보될 뿐만 아니라, 흄(Fume) 발생 저감에 크게 기여함을 추가적으로 밝혀낼 수 있었다.
이하, 본 발명의 일 측면인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명 플럭스 충전 와이어의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다.
C: 0.01~0.08중량%
C는 본 발명 와이어의 금속외피 및 플럭스에 포함되는 성분으로, 용접금속의 인성과 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 C의 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 용접금속의 인성 및 강도가 저하되며, 반면, 0.08중량%를 초과하는 경우에는 용입 깊이가 증가하고 스패터가 다량 발생할 뿐만 아니라, 용융금속(용융지)의 폭발 현상을 심화시켜 흄(Fune) 발생량이 급증하는 문제가 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.01~0.08중량%로 제한함이 바람직하며, 0.02~0.08중량%로 제한함이 보다 바람직하다.
TiO2: 4.0~9.0중량%
TiO2는 용접시 주된 슬래그 형성제로서 대기로부터 용융금속(용융지)을 보호하는 역할을 한다. 상기 TiO2 함량이 4.0중량% 미만인 경우에는 슬래그량이 부족하여 용융금속을 대기로부터 충분히 보호할 수 없고, 전자세 용접시 슬래그 응고속도가 느려 용접성이 저하된다. 반면, 그 함량이 9.0중량%를 초과하는 경우에는 슬래그 형성이 과다하고 용융성 및 유동성이 저하되며, 슬래그의 일부가 용접금속 내부에 혼입되어 용접부의 기계적 성능이 크게 열화되는 문제가 있으므로, 상기 TiO2 함량은 4.0~9.0중량%로 제한함이 바람직하다.
Si: 0.2~0.8중량%
Si은 용접금속의 강도를 유지함과 아울러 슬래그 유동성과 비드형상을 향상시키는 역할을 한다. 상기 Si 함량이 0.2중량% 미만인 경우에는 용접금속의 인장강도 및 충격인성이 저하되며, 슬래그의 유동성 및 비드 외관이 저하되는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 0.8중량%를 초과하는 경우에는 용접금속 내 도상 마르텐사이트의 변태를 촉진하여 저온 충격인성이 저하되며, Fe-S-Si-O 화합물을 형성하여 고온균열이 발생할 우려가 있으므로, 상기 Si 함량은 0.2~0.8중량%로 제한함이 바람직하며, 0.2~0.65중량%로 제한함이 보다 바람직하다.
Mn: 1.0~3.0중량%
Mn은 탈황제로서 S의 편석에 의한 저융점 화합물의 형성을 방지하고, Mn 개재물 형성으로 저온인성과 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 Mn의 함량이 1.0중량% 미만인 경우에는 용접금속의 강도가 저하되고 소입성 부족에 따라 용접금속의 조대화가 촉진되며 저온인성이 열화되는 문제가 있으며, 반면, 3.0중량%를 초과하는 경우에는 용융성이 저하되며, 슬래그 응고속도가 느려지고, 비드외관이 나빠지는 문제가 있으므로, 상기 Mn의 함량은 1.0~3.0중량%로 제한함이 바람직하며, 1.5~3.0중량%로 제한함이 보다 바람직하다.
Mg: 0.1~1.0중량%
Mg는 강탈산제로서 용융금속 내의 산소와 반응하여 비금속 개재물의 생성을 억제하며 용접금속의 청정도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 Mg의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 상기 효과를 기대하기 어려우며, 반면, 1.0중량%를 초과하는 경우에는 산화되어 흄(Fume)의 발생이 급증하며, 슬래그 포피성을 열화시키는 문제가 있다. 따라서, 상기 Mg의 함량은 0.1~1.0%로 제한함이 바람직하다.
불화물의 F 환산량: 0.01~0.1중량%
불화물은 강력한 탈수소제로서, 용착금속의 확산성 수소 함량을 낮추어 저온 균열 등 용접결함을 방지하는 역할을 한다. 상기 불화물의 F 환산량이 0.01중량% 미만인 경우에는 상기 효과를 기대하기 어려우며, 반면, 0.1중량%를 초과하는 경우에는 금속 플루오르 화합물의 높은 증기압으로 인하여 흄(Fume)의 발생이 급증하며, 용접성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 불화물의 F 환산량은 0.01~0.1중량%로 제한함이 바람직하다. 한편, 상기 불화물로는 NaF, Na3AlF6, Na2SiF6, KF, K3AlF6, K2SiF6, CaF, MgF2 등이 있다.
B: 0.002~0.007중량%
B는 BN을 형성하여 입계 페라이트의 생성을 억제하고 조직을 미세화시킴으로써 용접부의 강도 및 인성을 증가시키는 역할을 한다. 상기 B의 함량이 0.002중량% 미만인 경우에는 상기 효과를 기대하기 어려우며, 반면, 0.007중량%를 초과하는 경우에는 붕화물이 연속적인 망상으로 형성되어 경화에 의한 충격치 감소가 일어나며, 인성도 열화될 뿐만 아니라, 용융성 저하 및 균열 발생의 우려가 있으므로, 상기 B의 함량은 0.002~0.007중량%로 제한함이 바람직하다.
철분: 2.0~7.0중량%
철분은 용접시 용접금속량을 증대시키고 산소와 결합하여 산화물을 형성하는 역할을 한다. 상기 철분의 함량이 2.0중량% 미만인 경우에는 용접금속량이 충분치 않고, 아크 불안 및 슬래그 유동성 저하를 초래할 수 있으며, 반면, 7.0중량%를 초과하는 경우에는 흄, 스패터의 과다발생 및 슬래그 박리성을 저하시키는 문제가 있으므로, 상기 철분의 함량은 2.0~7.0중량%로 제한함이 바람직하며, 2.0~6.0중량%로 제한함이 보다 바람직하다.
Na, K, Li 및 Ca으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상: 0.1~1.0중량%
Na, K, Li 및 Ca은 아크안정제로서, 용접시 아크의 안정화를 이루어 양호한 작업성을 확보하는데 기여한다. 만약 Na, K, Li 및 Ca 함량의 합이 0.1중량% 미만인 경우에는 아크 불안, 스패터의 증가 등이 발생하여 작업성이 저하되는 문제가 있으며, 반면, 1.0중량%를 초과하는 경우에는 아크 불안과 함께 흄(Fume) 발생량이 급증하는 문제가 있으므로, 상기 Na, K, Li 및 Ca 함량의 합은 0.1~1.0중량%로 제한함이 바람직하다.
상기 조성 이외에 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
다만, 그 중 Nb 및 V는 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
Nb: 0.03중량% 이하, V: 0.03중량% 이하
Nb 및 V는 불가피하게 첨가되는 불순 원소로서, 결정입계에 석출하여 고용강화에 의해 용접부 강도 및 경도를 증가시켜 용접금속의 인성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 Nb의 함량은 0.03중량% 이하로 제어함이 바람직하며, 상기 V의 함량은 0.03중량% 이하로 제어함이 바람직하다.
본 발명의 플럭스 충전 와이어는 상기 합금조성을 만족함과 더불어, 하기 관계식 1로 정의되는 R이 0.1~2.0인 것이 바람직하며, 0.1~1.5인 것이 보다 바람직하다. 상기 R이 0.1 미만인 경우에는 모재와 용접재간의 아크성 및 용융성 저하로 스패터 증가 및 용접성 저하 문제가 있으며, 반면, 2.0을 초과하는 경우에는 흄(Fume) 발생량이 급증하는 문제가 있다.
[관계식 1]
0.1≤([C]×[F]×[Mg]/[TiO2])×104≤2.0
여기서, [C],[F],[Mg],[TiO2]는 C, F, Mg, TiO2 함유량의 중량 %를 각각 나타낸다.
본 발명에 따른 플럭스 충전 와이어를 이용하여 가스실드 아크 용접을 수행할 경우, 아크안정성이 우수하고, 스패터 발생율이 4% 미만으로 낮아 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라, 흄 발생량 800mg/min 이하로 용접 중 발생되는 흄(Fume) 발생량을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
강재 외피에 플럭스를 충전하여, 하기 표 1의 조성을 갖는 직경 1.2mm, 충전율 10~20%의 타타니아계 플럭스 충전 와이어를 마련하였다. 이 때, 강재 외피는 중량%로, C: 0.02%, Si: 0.002%, Mn: 0.20%, P: 0.010% 및 S: 0.009%를 포함하는 연강재를 이용하였다.
표 2의 조건으로 용접을 행한 후, 용접작업자의 관능평가를 통해 아크안정성을 관찰하고, 스패터의 발생정도를 측정하였다. 아크안정성 결과는 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△), 불량(X)으로 구분하여 표 4에 나타내었으며, 스패터의 발생정도는 그 발생율이 3% 미만인 경우는 매우 우수(◎), 3% 이상 4% 미만인 경우는 우수(○), 4% 이상 5% 미만인 경우는 보통(△), 5% 이상인 경우는 불량(X)으로 구분하여 표 4에 나타내었다.
아울러, 표 3의 조건으로 용접을 2회씩 행한 후, 한국산업규격 KS D 0062에 따라 흄 발생량을 측정하였다. 흄 발생량은 800mg/min 미만인 경우는 합격, 800mg/min을 초과하는 경우 불합격으로 구분하여 표 4에 나타내었다.
Figure 112014090315524-pat00001
용접조건 용접모재 용접자세 보호가스 가스유량 용접전류/전압 용접장
SS400 12mmt
(Fillet)		 1G 100%CO2 20L/min. 280A/31V 50cm
용접조건 용접모재 용접자세 보호가스 가스유량 용접전류/전압 용접속도 흄포집시간
SS400 12mmt
(Flat)		 1G 100%CO2 20L/min. 280A/31V 30cm/min 30sec
구분 아크안정성 스패터 발생정도 흄발생량(mg/min)
발명예1 ○ ◎ 720 합격
발명예2 ○ ○ 790 합격
발명예3 ◎ ○ 735 합격
발명예4 ◎ ○ 775 합격
발명예5 ○ ○ 778 합격
발명예6 ○ ○ 680 합격
발명예7 ○ ◎ 710 합격
발명예8 ○ ○ 785 합격
비교예1 X △ 790 합격
비교예2 △ △ 1020 불합격
비교예3 △ △ 995 불합격
비교예4 △ X 820 불합격
비교예5 X △ 1058 불합격
비교예6 △ X 825 불합격
비교예7 X △ 845 불합격
비교예8 △ X 1064 불합격
비교예9 X X 1008 불합격
비교예10 X △ 998 불합격
비교예11 △ △ 1025 불합격
비교예12 X △ 815 불합격
비교예13 X X 705 불합격
비교예14 X X 695 불합격
표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금조성을 만족하는 발명예 1 내지 8을 이용하여 가스실드 아크 용접을 한 경우, 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라 흄 발생량이 800mg/min 이하임을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 1 내지 12는 어느 하나 이상의 조건이 본 발명에서 요구하는 범위를 만족하지 않아 용접작업성이 열위하게 나타났고, 흄 발생량도 800mg/min를 초과하는 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 특히, 비교예 1, 4, 6, 7, 12는 관계식 1로 정의되는 R이 본 발명이 제어하는 범위를 만족하여 흄 발생량이 낮은 편에 속하나, 아크안정제인 Na, K, Ca 및 Li의 함량의 합이 1.0%를 초과하여 아크안정성 저하와 합께 스패터 발생량이 높게 나타났으며, 비교예 3은 본 발명의 합금조성을 모두 만족하나 관계식 1로 정의되는 R이 본 발명이 제어하는 범위를 만족하지 않아 ? 발생량이 높게 나타났다. 비교예 13, 14는 아크안정제인 Na, K, Ca 및 Li의 함량의 본 발명이 제어하는 범위를 만족하나, 관계식 1로 정의되는 R이 본 발명이 제어하는 범위에 미달하여 아크성 저하 및 스패터 발생량이 높게 나타났다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 금속외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어 전중량에 대한 중량%로, C: 0.01~0.08%, TiO2: 4.0~9.0%, Si: 0.2~0.8%, Mn: 1.0~3.0%, Mg: 0.1~1.0%, 불화물의 F 환산량: 0.01~0.1%, B: 0.002~0.007%, 철분: 2.0~7.0%을 포함하고, Na, K, Li 및 Ca으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 합계 0.1~1.0% 포함하며, 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 관계식 1:
    [관계식 1]
    R=([C]×[F]×[Mg]/[TiO2])×104
    로 정의되는 R이 0.1~2.0이며, [C],[F],[Mg],[TiO2]는 각각 C, F, Mg, TiO2 함유량의 중량 %인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 불화물은 NaF, Na3AlF6, Na2SiF6, KF, K3AlF6, K2SiF6, CaF 및 MgF2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 불가피한 불순물은 Nb: 0.03중량% 이하 및 V: 0.03중량% 이하를 포함하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 와이어를 이용한 가스실드 아크 용접시, 흄 발생량이 800mg/min 이하인 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어.
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