KR101662373B1

KR101662373B1 - 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법

Info

Publication number: KR101662373B1
Application number: KR1020130164805A
Authority: KR
Inventors: 나오히데 후루카와; 게이토 이시자키
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2016-10-04
Also published as: JP5845168B2; CN103909328A; CN103909328B; JP2014128812A; KR20140086893A

Abstract

용접 슬래그량을 증가시킴이 없이, 대각장(大脚長)의 수평 필릿 용접에서 양호한 비드 형상을 수득할 수 있는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법을 제공한다.
가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어로서, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Ts≤6667ρ+1277
[수학식 2]
Ts≥-5000ρ+1545
[수학식 3]
Ts≥6667ρ+1230
[수학식 4]
Ts≤-5000ρ+1580

Description

가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법{FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING, AND GAS SHIELDED ARC WELDING METHOD}

본 발명은, 주로 조선이나 교량 등의 강 구조물의 수평 필릿(fillet) 용접에 이용되는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.

종래부터, 용접 작업을 고능률로 행하기 위해서, 플럭스 함유 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접이 다양한 분야에서 행해지고 있다. 예컨대, 수평 필릿 용접에 이용되는 플럭스 함유 와이어로서, 실드 가스로서 저렴한 CO₂ 가스를 사용하고, 또한 각 용접 구조물의 용접에 있어서 요구되는 고속 용접 시의 비드 형상(오버랩, 언더컷)을 개선하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어가 개시되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 또한, 필릿 용접부의 피로 강도 집중에 비추어 이루어진, 비드 형상을 개선하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어가 개시되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).

일본 특허공개 평09-271984호 공보 일본 특허공개 평02-99297호 공보

최근, 선박의 분야에서는 공통 구조 규칙(CSR) 및 신도장(新塗裝) 기준(PSPC)이라고 하는 새로운 규칙이 개정되어 대상 선박의 건조가 개시되고 있다. CSR이 적용됨으로써 상대적으로 강판이 두꺼워지는 경향이 있고, 그것에 부수되어 수평 필릿 용접부의 최대 각장(脚長)이 6mm 정도로부터 8mm 정도로 증가하고 있음과 함께 그 비율도 증가하고 있다. 그러나, 종래의 필릿 전용의 플럭스 함유 와이어에서는, 1 패스 시공에서 8mm의 각장은 수득할 수 없기 때문에 2 패스 시공으로 되는 경우도 있어, 건조 능률을 저하시킨다고 하는 단점이 현재화되고 있다.

또, 1 패스 시공이 가능했다고 하여도, 1 패스 시공에서는 용접 속도가 필연적으로 저하되어 용접 입열량이 증가된다. 그 결과, 용접 비드가 하각(下脚)측으로 편육(偏肉)되는 것이 많아, 모재와의 친밀성이 나빠지고 피로 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, 용접 후에 그라인더나 보수 용접 등의 수정 작업이 발생하여, 생산성을 저하시키고 있었다. 또한, 하각측으로 편육된 오버랩 형상이나, 슬래그 포피(包皮) 불량에 기인되는 언더컷이 발생되기 쉽다고 하는 문제가 있었다. 또한, PSPC가 적용됨으로써, 용접 비드 지단부(止端部) 근방의 도장성의 관점에서도 필릿의 외관 형상의 개선이 점점더 중요해지고 있다.

또, 종래부터 개발 및 실용화되어 있는 대각장(大脚長)을 고려한 수평 필릿 전용의 플럭스 함유 와이어는, 용접 슬래그량을 증가시킴으로써 용접 비드를 개선시킨 것이다. 따라서, 슬래그 발생량이 많기 때문에 5mm 정도의 작은 각장 목적의 용접 시에는 내기공성(耐氣孔性)이 뒤떨어져, 비드의 형상 불량을 일으킨다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로서, 용접 슬래그량을 증가시킴이 없이, 대각장의 수평 필릿 용접에서 양호한 비드 형상을 수득할 수 있는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은 예의 검토한 결과, 이하의 사항을 발견했다.

도 1은 용접 금속의 각장과 슬래그의 상태를 나타내는 모식도이다.

가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 이용하여 수 종류의 강판을 시험하여 수평 필릿 용접 시의 비드 형상을 평가한 바, 형상 평가가 각각 상이한 것이었다. 그래서, 용접 재료와 비드 형상의 관계를 파악·정리하기 위해서는, 와이어 성분 단체(單體)를 고려하는 것만으로는 불충분하다고 생각했다. 그리고, 용접 후에 형성되는 슬래그(1)에 착안하고, 슬래그의 주된 특성인 점도와 응고 온도에 착안하여 정리한 바, 용접 금속(2)에서의 비드 형상과의 관계를 잘 정리할 수 있다는 것을 발견했다. 거기에서 수많은 용접 시험, 평가를 거듭하여 슬래그 특성과 비드 형상의 관계를 파악하고, 용접 슬래그량을 증가시킴이 없이, 대각장 용접 시에 형상이 양호해지는 최적의 슬래그 성분 범위를 특정했다(도 2 참조).

즉, 본 발명에서는, 와이어 성분에서는 그 영향에 대하여 충분히 파악할 수 없기 때문에, 용접 후의 슬래그 특성에 대하여 후기하는 수학식 1 내지 4의 파라미터를 이용하여 규정하는 것으로 했다.

또한, 수학식 1 내지 4의 범위로 함으로써 소각장(小脚長) 용접 시에서도, 내기공성을 열화시킴이 없이, 양호한 비드 형상을 수득할 수 있었다.

한편, 본 발명에서, 대각장이란 7 내지 10mm 정도의 각장을 말하고, 소각장이란 4 내지 6mm 정도의 각장을 말한다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어(이하, 적절히, 플럭스 함유 와이어 또는 단순히 와이어라 함)는, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어로서, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

Ts≤6667ρ+1277

[수학식 2]

Ts≥-5000ρ+1545

[수학식 3]

Ts≥6667ρ+1230

[수학식 4]

Ts≤-5000ρ+1580

이러한 구성에 의하면, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 수학식 1 내지 4를 만족시킴으로써 이하의 작용을 나타낸다.

수학식 1을 만족시킴으로써 비드 지단부의 친밀성이 악화되지 않고서, 플랫(flat) 비드 외관이 된다. 수학식 2를 만족시킴으로써 용융 상태의 슬래그가 완전히 굳어질 때까지 시간을 요함이 없고, 용접 금속의 비드 늘어짐이 억제된다. 수학식 3을 만족시킴으로써 반용융 상태의 슬래그가 용접 금속의 응고 과정에서 장시간 표면을 덮는 경우가 없고, 웜홀(worm hole) 등의 기공 결함이 생기지 않는다. 수학식 4를 만족시킴으로써 유동성이 모자라는 반용융 상태의 슬래그가 즉시 굳어지는 경향이 없고, 용접 금속의 비드 표면에 요철이 생겨 형상이 불균일해지는 것이 방지된다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,

금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 TiO₂ 환산값: 35 내지 50질량%,

금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 SiO₂ 환산값: 9 내지 16질량%,

금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al₂O₃ 환산값: 3 내지 8질량%,

금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 ZrO₂ 환산값: 7 내지 14질량%,

금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,

금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 MnO 환산값: 14 내지 20질량%

인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 용접 후의 슬래그의 성분 중, 소정량의 Ti를 함유함으로써, 아크 안정성 및 슬래그 포피가 보다 양호해짐과 함께, 슬래그의 점성이 지나치게 높아지지 않고, 내기공성이 보다 향상된다. 또한, 소정량의 Si, Al, Zr, Mg, Mn을 함유함으로써, 비드 형상, 내기공성, 용접 금속의 기계 성능, 용접 작업성이 보다 양호해진다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 상기 용접 후의 슬래그 발생량이 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 예컨대 5mm 정도의 작은 각장 목적의 용접 시에서도 내기공성이 보다 양호해진다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어는, 상기 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,

금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 2.0 내지 5.0질량%,

금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6 내지 2.0질량%,

금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2 내지 0.4질량%,

금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6 내지 1.0질량%,

금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2 내지 0.5질량%,

금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 Mn 환산값: 2.0 내지 4.0질량%,

아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%

인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 소정량의 Ti, Si, Al, Zr, Mg, Mn을 함유함으로써, 비드 형상, 내기공성, 용접 금속의 기계 성능, 용접 작업성이 보다 양호해진다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법으로서, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 범위에서 용접 작업을 행하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

Ts≤6667ρ+1277

[수학식 2]

Ts≥-5000ρ+1545

[수학식 3]

Ts≥6667ρ+1230

[수학식 4]

Ts≤-5000ρ+1580

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,

금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,

금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 MnO 환산값: 14 내지 20질량%

인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 상기 용접 후의 슬래그 발생량이 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 상기 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,

아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%

인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법의 순서에 의하면, 상기한 본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어에서 설명한 작용을 나타낸다.

본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법에 의하면, 대각장의 수평 필릿 용접에서의 비드 형상을 개선할 수 있다. 또한, 소각장의 수평 필릿 용접에서도, 양호한 비드 형상이 수득된다. 그 때문에, 용접 후의 수정 작업 시간을 저감할 수 있고, 건조 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 용접 구조물의 품질 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 용접 금속의 각장과 슬래그의 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 용접 후의 슬래그 특성에서의 슬래그의 점도 ρ[Pa·s]와 응고 온도 Ts[℃]의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 진동식 점도 측정법에서 이용하는 그래프의 일례이다.
도 4는 실시예에서의 용접 조건에서 용접 와이어 목적 위치와 토치 각도를 나타내는 모식도이다.
도 5(a)는 실시예에서의 언더컷의 측정 폭을 나타내는 모식도이고, 도 5(b)는 실시예에서의 플랭크(flank) 각을 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 상세하게 설명한다.

<플럭스 함유 와이어>

본 발명의 플럭스 함유 와이어는, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것이다.

[수학식 1]

Ts≤6667ρ+1277

[수학식 2]

Ts≥-5000ρ+1545

[수학식 3]

Ts≥6667ρ+1230

[수학식 4]

Ts≤-5000ρ+1580

즉, 이 수학식 1 내지 4는, 도 2의 사각의 테두리로 둘러싼 범위 내로 된다. 이하, 수학식 1 내지 4의 범위로 한 이유에 대하여 설명한다.

<Ts≤6667ρ+1277>

비드에서는, 슬래그의 응고 온도가 높을수록 비드 늘어짐이 적은 플랫 비드 외관이 수득된다. 한편, 응고 온도가 지나치게 높으면 비드 지단부의 친밀성이 악화되는 경향이 있다. 따라서, 용접 후의 슬래그 특성은 수학식 1의 범위로 한다.

<Ts≥-5000ρ+1545>

비드에서는, 슬래그의 점도 및 응고 온도가 낮을수록 용융 상태의 슬래그가 완전히 굳어질 때까지 시간이 필요하고, 용접 금속의 비드 늘어짐을 억제할 수 없어진다. 따라서, 용접 후의 슬래그 특성은 수학식 2의 범위로 한다.

<Ts≥6667ρ+1230>

비드에서는, 슬래그의 점도가 높고 응고 온도가 낮으면 반용융 상태의 슬래그가 용접 금속의 응고 과정에서 장시간 표면을 덮는 것이 되어, 웜홀 등의 기공 결함을 생성시켜 버린다. 따라서, 용접 후의 슬래그 특성은 수학식 3의 범위로 한다.

<Ts≤-5000ρ+1580>

비드에서는, 슬래그의 점도가 높고, 또한 응고 온도가 높을수록 유동성이 모자라는 반용융 상태의 슬래그가 즉시 굳어지는 경향이 되어, 용접 금속의 비드 표면에 요철이 생겨 형상이 불균일해진다. 따라서, 용접 후의 슬래그 특성은 수학식 4의 범위로 한다.

슬래그의 점도 ρ[Pa·s]와 응고 온도 Ts[℃]의 측정은, 예컨대 JIS Z8803에 준거한 진동식 점도 측정법에 의해 행할 수 있다. 여기서, 고온 점성의 평가에는 진동편식 점도 측정 장치를 이용할 수 있다. 이 장치에서는, 예컨대 대기 중에서 진동수 16.9Hz, 진동폭 1.5mm로 조정 후, 점도계 교정용 표준액(JIS 8809)으로 교정을 실시한다. 그리고, 백금 도가니 내에서 슬래그를 1600℃ 부근까지 용융시킨 후, 냉각을 개시하여 냉각 과정에서의 점도를 측정한다.

본 발명에서는, 예컨대 상기 장치를 이용하여, 슬래그 점도는 용융 금속의 고액 공존 온도 부근(1450 내지 1500℃)에서의 점도를 측정하여 평균한 값으로 평가하고, 또한 응고 온도는, 점도 상승 시의 온도로 평가한다.

진동편식 점도 측정법에서의 슬래그 점도 및 응고 온도는, 예컨대 도 3에 나타내는 것과 같은 그래프를 이용하여 산출할 수 있다. 도 3에서, 원으로 둘러싼 부위의 부근이 점도 상승 시의 온도이다. 한편, 도 3은 슬래그 점도 및 응고 온도의 산출 방법의 일례에 대하여 모식적으로 나타낸 그래프이다.

슬래그의 점도 및 슬래그의 응고 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 슬래그의 점도는 0.023 내지 0.030Pa·s가 바람직하다. 또한, 슬래그의 응고 온도는 1410 내지 1450℃가 바람직하다.

본 발명의 플럭스 함유 와이어에서, 상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,

금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,

금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 MnO 환산값: 14 내지 20질량%

인 것이 바람직하다.

여기서, 「금속 Ti」란, 「순금속 Ti」 및 「합금 Ti」 중의 1종 이상을 의미한다. 「금속 Si」, 「금속 Al」, 「금속 Zr」, 「금속 Mg」, 「금속 Mn」에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 「산화물」이란, 「단일 산화물」 및 「복합 산화물」 중의 1종 이상을 의미한다. 「단일 산화물」이란, 예컨대 Ti이면 Ti 단독의 산화물(TiO₂)을 말한다. 「복합 산화물」이란, 이들의 단일 산화물이 복수 종류 집합한 것과, 예컨대 Ti, Fe, Mn 등의 복수의 금속 성분을 포함하는 산화물의 양쪽을 말한다. 한편, 「화합물」에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 「금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 TiO₂ 환산값」이란, 「금속 Ti」, 「Ti 산화물」 및 「Ti 화합물」의 합계를 「TiO₂」로 환산한 값이다. 다른 원소에 대해서도 마찬가지이다.

이들에 대해서는, 후기하는 플럭스 함유 와이어의 성분에서도 마찬가지이다.

이하, 슬래그의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다.

<TiO₂ 환산값: 35 내지 50질량%>

TiO₂는 티타니아계 플럭스 함유 와이어의 슬래그 주성분이다. TiO₂ 환산값이 35질량% 이상이면, 용접 시의 아크 안정성이 향상되기 쉽고, 또한 슬래그 포피가 양호해지기 쉽다. 한편, 50질량% 이하이면, 슬래그의 점성이 낮아져 내기공성이 향상되기 쉬워진다. 따라서, TiO₂ 환산값은 35 내지 50질량%로 하는 것이 바람직하다.

<SiO₂ 환산값: 9 내지 16질량%, Al₂O₃ 환산값: 3 내지 8질량%>

SiO₂ 및 Al₂O₃는 슬래그의 점도를 증가시키고, 응고 온도를 저하시키는 작용을 갖는다. 대각장 용접 시의 비드 형상을 플랫으로 하기 위해서는 응고 온도는 높은 쪽이 바람직하기 때문에, 본 성분에 대해서는, 극력 첨가는 억제하는 쪽이 바람직하다. 그러나, 용접 금속의 기계 성능, 용접 작업성과의 밸런스로부터 최적의 범위로서, SiO₂ 환산값은 9 내지 16질량%, Al₂O₃ 환산값은 3 내지 8질량%로 하는 것이 바람직하다.

<ZrO₂ 환산값: 7 내지 14질량%, MgO 환산값: 3 내지 10질량%>

ZrO₂ 및 MgO는 슬래그의 점도를 저하시키고, 응고 온도를 증가시키는 작용을 갖는다. 본 성분은 응고 온도를 높게 함으로써, 용접 금속의 응고 과정에서 슬래그가 용접 비드 늘어짐을 억제하는 작용이 있다. 또한, 본 성분의 첨가에 의해 슬래그 점도가 저하함으로써, 슬래그의 유동성이 좋고 내기공성의 향상으로도 이어진다. 그러나, 용접 금속의 기계 성능 및 용접 작업성과의 밸런스로부터 최적의 범위로서, ZrO₂ 환산값은 7 내지 14질량%, MgO 환산값은 3 내지 10질량%로 하는 것이 바람직하다.

Mn0는 슬래그의 점도 및 응고 온도를 함께 저하시키는 작용이 있다. 본 성분은 상한을 20질량%로 함으로써, 용접 금속의 비드 늘어짐을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 하한값은 용접 금속의 기계 성능과의 밸런스로부터 14질량%로 하는 것이 바람직하다. 따라서, MnO 환산값은 14 내지 20질량%로 하는 것이 바람직하다.

<잔부: Fe 및 불가피적 불순물>

슬래그의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.

불가피적 불순물로서, 예컨대 Na, K, Bi, F의 산화물 및 화합물 등을 각각 3질량% 미만을 함유하여도 좋다. 단, 이들의 성분, 수치에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 플럭스 함유 와이어에서, 상기 용접 후의 슬래그 발생량이 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것이 바람직하다.

슬래그 발생량을 이 범위로 함으로써 예컨대 5mm 정도의 작은 각장 목적의 용접 시에서도 내기공성이 보다 양호해진다.

본 발명의 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,

아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%

인 것이 바람직하다.

또, 플럭스 충전율(와이어 전체 질량에 대한 플럭스의 질량)은 특별히 규정되는 것은 아니지만, 일반적인 수평 필릿 용접용 플럭스 함유 와이어와 마찬가지로 10 내지 25질량%인 것이 바람직하다.

또한, 용접 후의 슬래그 발생량을 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%로 하기 위해서, 와이어 전체 질량당, Ti, Si, A1, Zr, Mg, Mn의 산화물량의 합계를 4 내지 9질량% 함유시키는 것이 바람직하다.

이하, 와이어의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다.

TiO₂는 티타니아계 플럭스 함유 와이어의 슬래그 주성분이며, 슬래그의 점도를 증가시키고, 응고 온도를 저하시키는 작용이 있다. 또한, 와이어 중의 금속 Ti, Ti 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 TiO₂와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Ti 환산값으로 2.0 내지 5.0질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

SiO₂는 슬래그의 점도를 증가시키고, 응고 온도를 저하시키는 작용이 있다. 또한, 와이어 중의 금속 Si, Si 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 SiO₂와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Si 환산값으로 0.6 내지 2.0질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

Al₂O₃는 SiO₂와 마찬가지로 슬래그의 점도를 증가시키고, 응고 온도를 저하시키는 작용이 있다. 또한, 와이어 중의 금속 Al, Al 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 Al₂O₃와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Al 환산값으로 0.2 내지 0.4질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

ZrO₂는 슬래그의 점도를 저하시키고, 응고 온도를 증가시키는 작용이 있다. 또한, 와이어 중의 금속 Zr, Zr 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 ZrO₂와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Zr 환산값으로 0.6 내지 1.0질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

MgO는 ZrO₂와 마찬가지로 슬래그의 점도를 저하시켜, 응고 온도를 증가시키는 작용이 있다. 또한, 와이어 중의 금속 Mg, Mg 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 Mg0와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Mg 환산값으로 0.2 내지 0.5질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

Mn0는 슬래그의 점도, 응고 온도를 함께 저하시키는 작용이 있지만, 기계 성능과의 밸런스로부터 Mn의 첨가는 필요 불가결하여, 첨가량에 상한을 설정함으로써 용접 시의 비드 늘어짐을 최소한으로 억제하고 있다. 와이어 중의 금속 Mn, Mn 화합물에 대해서도 아크 직하에서 이온으로 분해되어, 산소와 결합함으로써 Mn0와 동등한 효과가 수득된다. 그 때문에, 본 성분의 와이어 중의 함유량은 특별히 정하지 않지만, Mn 환산값으로 2.0 내지 4.0질량% 첨가하는 것이 바람직하다.

<아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%>

플럭스 함유 와이어는, 아크 안정제로서, 예컨대 Na, K, F를 0.1 내지 1.0질량% 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, Na, K, F원으로서는 소다 장석, 칼륨 장석, 규불화칼륨, 규불화소다 등으로부터 첨가된다.

<잔부: Fe 및 불가피적 불순물>

플럭스 함유 와이어 전체에서의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 그리고, 상기한 와이어 성분 외에, 와이어 성분으로서 플럭스 중에, Ca, Li 등을 탈산 등의 미(微)조정제로서, 또한 Cu, Co, N을 용접 금속의 추가적인 경화제로서, 소량 함유시킬 수도 있다. 이들 원소는, 본 발명의 목적에는 영향을 미치지 않는다. 또한, 플럭스 중에는 상기의 원소 이외의 알칼리 금속 화합물을 미량으로 포함한다.

또한, 불가피적 불순물로서, 예컨대 C, B, Ni, Mo, Cr, Nb, V 등을 각각 C: 0.1질량% 미만, B: 0.0003질량% 미만, Ni: 0.1질량% 미만, Mo: 0.01질량% 미만, Cr: 0.30질량% 미만, Nb: 0.10질량% 미만, V: 0.10질량% 미만을 함유하여도 좋다. 단, 이들의 성분, 수치에 한정되는 것은 아니다.

<기타>

플럭스 함유 와이어의 제조 방법으로서는, 대강(帶鋼, strip steel)의 길이 방향으로 플럭스를 산포하고 나서 감싸넣도록 원형 단면으로 성형하여 신선하는 방법이나, 큰 직경의 강관에 플럭스를 충전하여 신선하는 방법이 있다. 그러나, 어느 쪽의 방법이어도 본 발명에는 영향이 없기 때문에, 어느 쪽의 방법으로 제조하여도 좋다. 또한, 심(seam)이 있는 것과 없는 것이 있지만, 이것도 어느 것이어도 좋다. 외피의 성분에 대해서는 전혀 규정할 필요는 없지만, 비용면과 신선성의 면에서 연강의 재질을 이용하는 것이 일반적이다. 또한, 표면에 구리 도금을 실시하는 경우도 있지만, 도금의 유무는 불문한다.

본 발명의 플럭스 함유 와이어는, 상기 와이어 성분의 범위 내에서 각 성분을 조정함으로써, 슬래그 점도와 응고 온도를 조정할 수 있다. 단, 본 발명에서 규정하는 수학식 1 내지 4를 만족시키는 것이면, 상기 와이어 성분의 범위에 한정되는 것은 아니다.

<가스 실드 아크 용접 방법>

본 발명의 가스 실드 아크 용접 방법은, 상기한 구성의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 이용하여 행해진다.

상기 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,

아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%

인 것이 바람직하다.

그리고, 용접 후의 슬래그 특성 중, 슬래그의 점도를 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 범위에서 용접 작업을 행한다.

[수학식 1]

Ts≤6667ρ+1277

[수학식 2]

Ts≥-5000ρ+1545

[수학식 3]

Ts≥6667ρ+1230

[수학식 4]

Ts≤-5000ρ+1580

상기 수학식 1 내지 4로 한 이유에 대해서는, 상기한 본 발명의 플럭스 함유 와이어와 마찬가지이기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.

또한, 상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,

금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,

금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 Mn0 환산값: 14 내지 20질량%

인 것이 바람직하다.

또, 상기 용접 후의 슬래그 발생량이, 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것이 바람직하다.

이들 용접 후의 슬래그 성분, 슬래그 발생량, 와이어 성분의 한정 이유에 대해서는, 상기한 본 발명의 플럭스 함유 와이어와 마찬가지이기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.

용접 조건 등에 대해서는, 특별히 규정되는 것은 아니며, 일반적인 플럭스 함유 와이어를 이용한 수평 필릿 용접에서의 조건에서 행하면 좋다. 일 예로서, 실드 가스로서 100% 탄산 가스를 이용하여, 용접 전류 250 내지 400A, 아크 전압 30 내지 36V, 용접 속도 200 내지 750mm/min에서 행할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 효과를 설명하기 위해, 본 발명의 범위에 들어가는 실시예와, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 비교예를 비교하여 설명한다.

표 1에 나타내는 와이어 성분을 갖는 플럭스 함유 와이어를 이용하여, 표 2에 나타내는 조건에서 용접을 실시했다. 와이어 목적 위치와 토치 각도에 대하여 도 4에 나타낸다. 한편, 도 4에서 부호 3은 시험 강판(횡판), 부호 4는 시험 강판(입판(立板)), 부호 5는 프라이머, 부호 6은 와이어이다. 또, 각장의 크기는 약 9mm이다. 다음으로, 이 용접에서 생성된 슬래그에 대하여, 슬래그 점도 및 응고 온도를 측정함과 함께, 슬래그 성분을 분석했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.

<슬래그 점도 및 응고 온도의 측정 방법>

슬래그 점도 및 응고 온도의 측정은, 진동편식 점도 측정 장치를 이용하여, JIS Z8803에 준거한 진동식 점도 측정법에 의해 행했다.

구체적으로는, 대기 중에서 진동수 16.9Hz, 진동폭 1.5mm로 조정 후, 점도계 교정용 표준액(JIS 8809)으로 교정을 실시했다. 그리고, 백금 도가니 내에서 슬래그를 1600℃ 부근까지 용융시킨 후, 냉각을 개시하여 냉각 과정에서의 점도를 측정했다.

슬래그 점도는 용융 금속의 고액 공존 온도 부근(1450 내지 1500℃)에서의 점도를 측정하여 평균한 값으로 평가하고, 또한 응고 온도는 점도 상승 시의 온도로 평가했다.

또한, 슬래그 및 용접 금속에 대하여, 이하의 측정 및 평가를 행했다.

또한, 상기와 동일 조건에서, 소각장으로 하여 각장의 크기를 약 5mm로 하는 용접을 실시했다. 소각장에 대해서는, 후기하는 내기공성(피트, 웜홀)만을 평가했다.

<언더컷 및 플랭크 각>

언더컷은 도 5(a)에 나타내는 폭을 측정했다. 플랭크 각은 도 5(b)에 나타내는 각도를 측정했다. 한편, 플랭크 각은 130도 이상이 바람직하다.

<용접 금속 성능>

JIS Z3111에 준거하여, 인장 강도, 0℃ 흡수 에너지(인성(靭性))를 측정했다. 인장 시험편은 A1호, 충격 시험편은 V 노치 시험편이다. 한편, 인장 강도는 490 내지 655MPa, 충격값은 47J 이상(0℃)이 바람직하다.

<비드 형상 평가>

비드 형상에 대해서는, 언더컷, 오버랩, 비드 늘어짐, 표면의 요철, 피트, 웜홀을 관능으로 평가했다.

구체적으로는, 언더컷이 0.3mm를 초과하는 것을 「×」, 오버랩이 생긴 것을 「△」, 약간 비드 늘어짐이 생긴 것을 「△」, 비드 늘어짐이 심한 것을 「×」, 표면에 요철이 생긴 것을 「×」로 했다. 또한, 피트 또는 웜홀이 생긴 것을 「×」로 했다. 그리고, 이들에 해당하지 않는 것을 「○」로 했다.

<용접 작업성>

용접 작업성에 대해서는, 용접 시에 관능으로 평가했다. 용적(溶滴) 이행이 안정하여 스퍼터가 적은 경우는 「○」로 했다. 용적 이행이 불안정하여 스퍼터 발생량이 약간 눈에 띄는 경우는 「△」로 했다.

이들의 결과를 표 4에 나타낸다.

종합 평가는, 형상 평가, 소각장 시의 내기공성 및 용접 작업성 중 어느 것이든 「○」인 경우에 「○」, 형상 평가 및 소각장시의 내기공성이 「○」이고, 용접 작업성이 「△」인 경우에 「△」, 형상 평가가 「△」 및 소각장 시의 내기공성이 「○」이고, 용접 작업성이 「○」 또는 「△」인 경우에 「△」, 형상 평가 또는 소각장 시의 내기공성이 「×」인 경우에 「×」로 했다.

표 4에 나타낸 것과 같이, No.1 내지 18은 본 발명의 범위를 만족시키기 때문에, 각 평가에서 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

한편, No.19 내지 32는, 수학식 1 내지 4의 조건을 만족시키지 않기 때문에, 양호한 결과가 얻어지지 않았다.

한편, No.31, 32의 샘플은, 각각, 특허문헌 1, 특허문헌 2에 기재된 종래의 플럭스 함유 와이어를 상정한 것이다. No.31은 특허문헌 1의 표 2의 W15의 성분의 환산값이며, No.32는 특허문헌 2의 표 1의 No.12의 성분의 환산값이다. 본 실시예에서 나타낸 것과 같이, 이 종래의 플럭스 함유 와이어는 상기 평가에서 일정한 수준을 만족시키지 않는 것이다. 따라서, 본 실시예에 의해서, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어가 종래의 플럭스 함유 와이어와 비교하여, 우수한 것이 객관적으로 분명해졌다.

또, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 종래의 플럭스 함유 와이어와 비교하여 슬래그 발생량이 저감되어 있기 때문에, 소각장의 수평 필릿의 용접 비드 외관 형상을 개선할 수 있다고 할 수 있다.

이상에 기재된 대로, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법에 의하면, 용접 슬래그량을 증가시킴이 없이, 대각장의 수평 필릿의 용접 비드 외관 형상을 개선시킬 수 있다. 그 때문에, 예컨대 8mm 정도의 각장의 수평 필릿 용접에 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 슬래그 발생량이 적기 때문에, 소각장, 예컨대 5mm 정도의 각장의 수평 필릿 용접에서도 적합하게 이용할 수 있다. 따라서, 소각장의 수평 필릿 용접에서도 양호한 비드 형상을 수득할 수 있는 플럭스 함유 와이어 및 가스 실드 아크 용접 방법을 제공한다는 과제도 해결할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 대각장의 수평 필릿 용접과 소각장의 수평 필릿 용접에서, 와이어를 구별해 쓸 필요가 없다.

이상, 본 발명에 대하여 실시형태 및 실시예를 들어 구체적으로 설명했지만, 본 발명의 취지는 상기한 내용에 한정됨이 없이, 그의 권리범위는 특허청구의 범위의 기재에 기초하여 넓게 해석되어야 한다. 한편, 본 발명의 내용은, 상기한 기재에 기초하여 넓게 개변·변경 등을 하는 것이 가능함은 말할 필요도 없다.

1: 슬래그
2: 용접 금속
3: 시험 강판(횡판)
4: 시험 강판(입판)
5: 프라이머
6: 와이어

Claims

가스 실드 아크 용접(gas shielded arc welding)용 플럭스 함유 와이어(Flux cored wire)로서,
용접 후의 슬래그(slag) 특성 중, 1450 내지 1500℃에서 측정한 슬래그의 점도의 평균값을 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키고, 또한
상기 용접 후의 슬래그 발생량이 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어.
[수학식 1]
Ts≤6667ρ+1277
[수학식 2]
Ts≥-5000ρ+1545
[수학식 3]
Ts≥6667ρ+1230
[수학식 4]
Ts≤-5000ρ+1580
제 1 항에 있어서,
상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,
금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 TiO₂ 환산값: 35 내지 50질량%,
금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 SiO₂ 환산값: 9 내지 16질량%,
금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al₂O₃ 환산값: 3 내지 8질량%,
금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 ZrO₂ 환산값: 7 내지 14질량%,
금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,
금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 MnO 환산값: 14 내지 20질량%
인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어.
삭제
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,
금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 2.0 내지 5.0질량%,
금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6 내지 2.0질량%,
금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2 내지 0.4질량%,
금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6 내지 1.0질량%,
금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2 내지 0.5질량%,
금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 Mn 환산값: 2.0 내지 4.0질량%,
아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%
이고,
잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어.
가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법으로서,
용접 후의 슬래그 특성 중, 1450 내지 1500℃에서 측정한 슬래그의 점도의 평균값을 ρ[Pa·s], 응고 온도를 Ts[℃]로 했을 때에, 하기 수학식 1 내지 4를 만족시키는 범위에서 용접 작업을 행하고, 또한
상기 용접 후의 슬래그 발생량이 와이어 단위 질량당 5 내지 12질량%인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접 방법.
[수학식 1]
Ts≤6667ρ+1277
[수학식 2]
Ts≥-5000ρ+1545
[수학식 3]
Ts≥6667ρ+1230
[수학식 4]
Ts≤-5000ρ+1580
제 6 항에 있어서,
상기 용접 후의 슬래그의 성분 중,
금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 TiO₂ 환산값: 35 내지 50질량%,
금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 SiO₂ 환산값: 9 내지 16질량%,
금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al₂O₃ 환산값: 3 내지 8질량%,
금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 ZrO₂ 환산값: 7 내지 14질량%,
금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 MgO 환산값: 3 내지 10질량%,
금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 MnO 환산값: 14 내지 20질량%
인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접 방법.
삭제
삭제
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 가스 실드 아크 용접용 플럭스 함유 와이어의 성분 중, 와이어 전체 질량당,
금속 Ti, Ti 산화물 및 Ti 화합물의 Ti 환산값: 2.0 내지 5.0질량%,
금속 Si, Si 산화물 및 Si 화합물의 Si 환산값: 0.6 내지 2.0질량%,
금속 Al, Al 산화물 및 Al 화합물의 Al 환산값: 0.2 내지 0.4질량%,
금속 Zr, Zr 산화물 및 Zr 화합물의 Zr 환산값: 0.6 내지 1.0질량%,
금속 Mg, Mg 산화물 및 Mg 화합물의 Mg 환산값: 0.2 내지 0.5질량%,
금속 Mn, Mn 산화물 및 Mn 화합물의 Mn 환산값: 2.0 내지 4.0질량%,
아크 안정제: 0.1 내지 1.0질량%
이고,
잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접 방법.