KR101760830B1

KR101760830B1 - 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어

Info

Publication number: KR101760830B1
Application number: KR1020160156581A
Authority: KR
Inventors: 조승목
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2017-07-24
Also published as: KR20160137491A

Abstract

본 발명은 조선, 플랜트, 건설 저장용 탱트 등의 용접시 사용되는 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부로부터 차폐 가스를 필요로 하지 않는 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.

Description

셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어{FLUX CORED WIRE FOR SELF-SHIELDED ELECTROGAS ARC WELDING}

조선, 플랜트, 건설 저장용 탱크 등의 용접에 있어서, 수직 맞대기 용접부를 형성하기 위해서 입향 상진(수직 상진) 아크 용접이 적용된다.

비소모식 노즐과 동담금(용접시 높은 입열량으로 용융금속이 용접부에서 흘러나오지 않도록 용접부와 모재 냉각을 위한 동판)을 사용하는 입향 상진 용접 방법으로서, 일렉트로 슬래그(Electro slag) 용접법이 사용되어 왔다. 상기 일렉트로 슬래그 용접은 모재의 개선각 내부에 플럭스를 첨가하고, 슬래그욕을 형성시킴으로서, 슬래그욕 내에서 솔리드 와이어(solid wire)를 용융시켜 용접 금속을 형성시키는 것으로서, 슬래그욕에 흐르는 용접 전류에 의한 저항 가열을 열원으로 한다. 이 용접방법은 장치의 취급이 용이하고, 용탕이 슬래그욕으로 덮이기 때문에 차폐 가스가 불필요하며, 용접 시작 및 종료부의 용접 잔재가 적은 장점이 있다.

그러나, 상기 일렉트로 슬래그 용접 방법은 자동 용접임에도 불구하고 용접 과정 중 슬래그욕의 감시가 필요하고, 항상 적정한 슬래그량이 되도록 작업중 별도로 플럭스를 첨가해주는 작업이 필요하다. 또한, 용접 속도가 낮고, 단위 용접 당 들어가는 열량이 높기 때문에 판두께가 얇은 경우에는 모재가 과열되므로 적용이 곤란하다는 문제가 있다.

상기 일렉트로 슬래그 용접 방법의 문제를 개선하기 위해서, 플럭스 코어드 아크 용접 와이어를 이용한 일렉트로가스 아크 용접(Electrogas arc welding)이 있다. 상기 일렉트로가스 아크 용접은 차폐 가스(실드 가스)가 불필요한 아크 용접을 실시하면서도, 고능률 용접을 목적으로 하는 셀프 실드 와이어에 의한 입향 상진 아크 용접법이다.

그러나, 동담금으로 둘러싸인 모재의 개선부를 종래의 셀프 실드 아크 용접 와이어를 이용하여 일렉트로가스 아크 용접방법으로 용접하는 경우에 다음과 같은 문제가 발생한다.

우선, 용접을 행하게 되면, 용접 금속 주위는 동담금으로 둘러싸여 있기 때문에, 용접시 발생되는 슬래그를 용융지의 상승과 함께 상승하게 되며, 일부는 비드 표면에 응고되면서 소모되지만, 대부분은 용융지의 상부에 쌓이게 된다. 그리고, 용접이 진행됨에 따라 슬래그 양이 점점 증가하면서 용접이 진행되기 때문에, 그 양이 적절하지 않은 경우에는 안정적인 용접을 진행할 수 없다. 통상적으로 슬래그량이 과다해지기 때문에 용접 도중에 아크가 중단되거나 불안정하게 되는 문제가 발생하고, 이는 블로우 홀의 발생을 야기하고, 비드 외관의 불균일성을 초래하며, 슬래그 박리성이 불량해지는 등의 문제를 유발한다. 따라서, 슬래그량의 제어를 위하여 필요한 슬래그의 점성 및 유동성이 중요한 인자로 제기된다.

그러나, 슬래그의 점성 및 유동성에 초점을 맞춘 기존의 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 용접금속의 인장강도 및 저온 충격인성이 요구되는 값에 비해 부족한 수준을 나타내는 문제가 있다. 특히, 고속 고효율 용접의 경우 비교적 큰 입열에 의해 용접금속 및 열영향부의 기계적 성질 저하의 우려가 있다. 용접 금속의 경우 임의로 냉각속도를 제어하거나 미세조직의 제어를 위한 후처리가 매우 곤란하여 우수한 저온 인성을 얻기 위해서는 적절한 합금원소의 첨가 또는 슬래그의 염기도를 조정하는 등의 방법이 이용되어야 하는 불편이 있다.

미국 등록특허 US3,825,721

본 발명의 일측면은 셀프실드 일렉트로가스 아크 용접시, 용접성이 우수하고, 저온 충격인성이 우수한 용접금속을 확보할 수 있는 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일태양은 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 와이어 전체에 대한 중량%로, CaF₂를 포함하는 알칼리 불화물: F 환산치로 1.5~4.0%, 알칼리 탄산염: 0.8~4.0%, SiO₂: 1.0~2.5%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.0%, 철분: 8.0~18.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 알칼리 불화물과 알칼리 탄산염은 알칼리 불화물/알칼리 탄산염의 비가 1.0~9.0인 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.

본 발명의 셀프실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 이용하면, 형성된 용접금속이 저온 충격인성을 확보할 수 있으며, 비드형상, 슬래그 박리성 등이 우수한 용접 작업성을 확보할 수 있다. 바람직하게는 용접금속이 650MPa 이상의 높은 강도를 확보할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 플럭스와 플럭스를 둘러싼 외피를 포함한다.

본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 와이어 전체에 대한 중량%로, 알칼리 불화물: F 환산치로 1.5~4.0%, 알칼리 탄산염: 0.8~4.0%, SiO₂: 1.0~2.5%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.0%, 철분: 8.0~18.0%를 포함한다.

상기 알칼리 불화물은 슬래그 형성제, 차폐제의 역할을 수행하며 1종 이상의 물질로서 F의 함량(본 발명에서 공급되는 F 함량은 F 환산치로 정의한다)으로, 1.5~4.0 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 상기 F의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우에는 슬래그량이 부족하고 차폐제 역할을 기대할 수 없으며, 4.0 중량%를 초과할 경우에는 슬래그량이 과다하여 용접성이 저하된다. 상기 알칼리 불화물은 LiF, NaF, KF, K₂SiF₆, CaF₂, BaF₂ 등의 형태로 투입될 수 있다.

상기 알칼리 불화물은 CaF₂를 포함한다. 이때 상기 CaF₂의 함량은 와이저 전체의 중량%로, 2.0~4.0 중량%인 것이 바람직하다. 상기 CaF₂는 용융 금속에서 탈황, 탈린, 산소, 질소, 수소저감 등의 역할을 수행한다. 또한, 용착금속의 연성을 증가시키는 역할도 수행한다. 전기 아크 분위기에서, CaF₂는 금속 Ca⁺ 이온과 F^- 이온으로 분리된다. 이 불소 이온은 산소, 질소, 수소와 강하게 반응하며, 특히 수소와 매우 강력하게 결합하여 수소함량이 낮은 용접 금속을 형성하는데 기여한다.

상기 CaF₂는 알칼리 불화물 및 기타 금속 불화물 중 녹는점 및 끓는점이 가장 높아, 슬래그 점성을 높여 일렉트로가스 아크 용접이 이루어지는 과정에서 아크력에 의해 슬래그가 완전히 밀려나가 대기와 용융지의 접촉이 이루어지는 것을 방지하는 효과를 발휘하여 대기로부터의 오염을 막는 효과가 다른 알칼리 불화물에 비하여 높다. 따라서, 비드외관을 양호하게 하는 CaF₂의 함량은 전 와이어 중량 대비 2.0 중량% 이상인 것이 바람직하다. 다만, 4.0 중량%를 초과하게 되면, 슬래그의 점성이 지나치게 높아져서 동담금의 상승에 따라 슬래그의 배출이 원활하지 않아 슬래그욕에 의해 아크성이 저하되며 스패터 발생량이 과도해지는 문제가 있다.

상기 알칼리 탄산염은 차폐제의 역할을 수행하며 용접시 블로우 홀(기공) 발생 방지에 효과가 있으며, 슬래그의 유동성을 개선하여 비드외관을 향상시키는 물질로서 함량은 0.8~4.0 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.8 중량% 미만에서는 블로우 홀(기공) 발생 방지 효과가 미미해지고, 비드 외관 향상 효과를 얻기 어렵다. 한편, 4.0 중량%를 초과할 경우에는 다량의 스패터가 발생하여 용접성이 저하된다. 상기 알칼리 탄산염은 Na₂CO₃, Li₂CO₃, CaCO₃, MgCO₃, K₂CO₃ 등의 형태로 투입될 수 있다.

상기 SiO₂는 슬래그 형성제로 슬래그의 점성과 유동성을 조절하며, 아크 안정제의 역할을 수행하는 물질로서, 1.0~2.5 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 1.0 중량% 미만에서는 아크성이 저하되어 스패터 발생량이 증가하며 비드 외관 향상 효과를 기대할 수 없다. 한편, 2.5 중량%를 초과하는 경우에는 슬래그가 굳어져서 박리성이 저하된다.

상기 Mn은 탈산제 및 기계적 강도를 조정하는 역할을 수행하는 물질로서, 그 함량은 1.0~3.0 중량%인 것이 바람직하다. 상기 Mn의 함량이 1.0% 미만에서는 상기 효과를 기대할 수 없으며, 3.0 중량%를 초과할 경우에는 강도가 과도하게 증가하여 인성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 Mn은 그 단독 또는 Fe-Mn, Fe-Si-Mn, MnO 등의 형태로 투입될 수 있다.

상기 Si는 탈산제 및 기계적 강도를 조정하는 역할을 수행하는 물질로서, 그 함량은 0.1~1.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.1 중량% 미만에서는 블로우 홀(기공) 발생 방지 효과가 미미하고, 1.0 중량%를 초과할 경우에는 과탈산에 의한 슬래그 포피성 저하 및 스패터 발생량이 증가하며, 강도가 과도하게 증가하여 균열의 원인이 되기도 한다. 상기 Si는 Fe-Si, Fe-Si-Mn, Fe-Si-Ti, Fe-Si-Zr 등의 형태로 투입될 수 있다.

상기 철분은 용착효율을 증가하는 역할을 수행하는 물질로서, 그 함량은 8.0~18.0 중량%인 것이 바람직하다. 상기 철분의 함량이 8.0 중량% 미만일 경우에는 상기 효과를 기대할 수 없으며, 18.0 중량%를 초과할 경우에는 용착량이 과도하여 용착 금속이 흘러내리는 경향이 나타나며, 상대적으로 슬래그 형성제 및 다른 성분의 첨가량이 감소하여 용접성이 저하된다.

본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 인장강도 및 저온인성을 향상시키기 위해서, Mo, Ni, Cr 및 Ti 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 Mo의 함량은 0.1~1.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 Mo는 인장강도 향상에 효과가 있으며, 이를 위해서는 0.1 중량% 이상 포함되어야 하나, 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 인장강도가 과도하게 증가한다.

상기 Ni의 함량은 0.1~4.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 Ni은 저온인성 향상에 효과적이며, 이를 위해 0.1 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 4.0 중량%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되는 경향이 있다.

상기 Cr의 함량은 0.1~1.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 Cr은 내식성 및 인장강도 향상에 효과를 위해서는 0.1 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하나, 1.0 중량%를 초과할 경우에는 인장강도가 과도하게 증가한다.

상기 Ti의 함량은 0.1~1.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 Ti는 탈산제 및 아크 안정제, 용착금속의 저온 충격인성을 안정화하는 물질로서 그 함량이 0.1 중량% 미만에서는 탈산효과를 기대할 수 없으며, 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 건전한 용접 금속을 형성하기 어려우며 스패터가 과도하게 증가하여 용접성이 저하된다.

한편, 상기 알칼리 불화물과 알칼리 탄산염은 알칼리 불화물/알칼리 탄산염의 비는 안정적인 슬래그 형성과 준수한 비드 외관을 확보하기 위하여 1.0~9.0의 범위인 것이 바람직하다. 상기 알칼리 불화물/알칼리 탄산염의 비가 1.0 미만이거나 9.0을 초과할 경우에는 슬래그 유동성이 저하되며, 스패터가 증가하여 용접성이 저하된다.

나머지는 외피의 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성(와이어 전체에 대한 중량%임)을 갖는 직경 2.4㎜의 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하였다. 이렇게 제조된 와이어를 이용하여 아래의 용접조건으로 일렉트로가스 아크 용접을 수행한 후, 각각의 와이어별 용접작업성, 용접부의 충격인성과 인장강도를 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

- 시험 모재: ASTM A516-70

- 시험 모재 치수: 두께 25㎜, 길이 600㎜

- 용접 자세 / 기법: 입향 상진 / 1 Pass 대입열 용접

- 용접 전류 / 전압 / 속도 : 450~460A / 38~39V / 5.7~5.9 CPM

- 동담금(Movable Cu Dam) 냉각: 수냉식 (Water Cooling)

- 백 플레이트(Back Plate): 동판(Cu Plate)

- 보호가스: 없음(셀프 실드)

- 극성:DC+

상기 용접 작업성은 아크 특성을 고려하였고, 비드 외관, 내기공성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성 등을 육안으로 비교 판단하여, 우수(○), 보통(△) 및 불량(X)의 3단계로 구분해 평가하였다. 더불어, 미국용접학회(AWS) 규격에 따른 인장시험 및 충격시험(AWS A5.26 /A5.26M EG72T-1, EG82T-G)을 실시하여, 인장강도 값이 650MPa 이상인 경우(○), 650MPa 미만인 경우(△), 불량인 경우(X)의 3단계로 구분해 평가하였다. 또한 -30℃에서의 충격인성 값이 27J 이상인 경우(○), 27J 미만인 경우(△), 불량인 경우(X)의 3단계로 구분해 평가하였다. 상기 불량은 용접부의 기공 및 결함이 발생하여 정확한 데이터를 측정할 수 없는 상태를 의미한다.

구분	알칼리 불화물 (F환산치)	CaF₂	알칼리 탄산염	SiO₂	Mn	Si	철분말	Mo, Ni, Ti중 1종 이상	알칼리 불화물/알칼리 탄산염의 비
비교예 1	1.4	2.1	1.5	1.8	2.0	0.62	13.3	0.41	1.9
비교예 2	3.2	4.1	3.0	1.0	3.0	0.25	8.0	0.11	1.9
비교예 3	3.3	3.5	0.7	1.5	1.0	0.11	8.5	3.85	8.9
비교예 4	3.8	2.5	3.1	2.6	1.9	0.43	12.1	1.59	2.2
비교예 5	1.6	2.0	0.8	2.5	0.9	0.31	18.0	0.50	3.7
비교예 6	1.9	2.0	2.5	1.7	1.2	1.12	10.1	1.01	1.1
비교예 7	1.5	2.1	1.0	1.1	1.3	0.15	18.1	0.13	2.7
비교예 8	2.0	3.0	1.0	1.0	1.5	0.21	8.1	4.13	3.8
비교예 9	4.0	2.9	0.8	1.0	1.0	0.15	8.8	2.45	9.2
비교예10	2.2	2.0	3.8	1.3	1.5	0.25	11.2	1.70	0.9
발명예 1	1.5	2.1	0.8	1.5	2.3	0.10	18.0	0.10	3.8
발명예 2	2.7	2.4	4.0	1.0	1.0	0.37	8.0	4.00	1.0
발명예 3	3.5	4.0	3.0	2.5	2.4	1.00	8.0	0.24	1.9
발명예 4	4.0	2.0	0.8	2.5	2.0	0.48	9.1	1.48	9.0
발명예 5	3.1	2.2	1.5	1.6	1.8	0.35	10.4	2.01	3.8
발명예 6	2.2	2.5	2.1	1.2	1.4	0.21	12.1	1.81	1.8
발명예 7	2.9	2.3	1.1	1.5	2.9	0.20	10.9	0.00	5.0

구분	아크성	비드외관	내기공성	스패터	슬래그 박리성	인장강도 (650MPa 기준)	저온충격시험 (-30℃, 27J 기준)
비교예 1	X	X	X	△	X	X	X
비교예 2	X	△	○	X	△	△	○
비교예 3	X	X	X	△	△	X	X
비교예 4	△	X	○	△	X	○	○
비교예 5	△	○	○	○	△	△	△
비교예 6	X	△	○	X	△	○	△
비교예 7	X	X	○	X	X	X	X
비교예 8	X	△	○	X	X	○	△
비교예 9	X	△	○	X	△	○	○
비교예10	X	△	○	X	△	△	○
발명예 1	○	○	○	○	○	△	○
발명예 2	○	○	○	○	○	○	○
발명예 3	○	○	○	○	○	△	○
발명예 4	○	○	○	○	○	○	○
발명예 5	○	○	○	○	○	○	○
발명예 6	○	○	○	○	○	○	○
발명예 7	○	○	○	○	○	△	○

본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1 내지 7의 경우에는 용접 작업성 및 내기공성, 용접부의 저온 충격인성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 특히, 발명예 2, 4 내지 6의 경우에는 인장강도 값이 650MPa 이상인 것을 확인할 수 있다.

그리고 비교예와 발명예 전체적으로, 알칼리 불화물에서 공급되는 F함량(F환산치) 1.5~4.0%의 범위와 알칼리탄산염의 함량 0.8~4.0 중량% 범위에서는 양호한 내기공성을 나타내어, 적절한 셀프 실드 효과를 발휘함을 알 수 있었다.

반면, 본 발명의 범위에서 벗어난 비교예 1 내지 10의 경우에는, 용접성 및 충격인성의 결과가 열위한 것을 확인할 수 있었다.

*비교예 1은 알칼리 불화물에서 공급되는 F함량이 본 발명 범위 미만으로 슬래그 형성 및 셀프 실드 효과가 부족하여 아크성 및 비드 외관, 내기공성, 슬래그 박리성이 불량하였다.

비교예 2는 알칼리 불화물에서 공급되는 F함량이 본 발명 범위를 만족하지만 CaF2 함량이 본 발명범위를 벗어나 아크성이 열등하며 스패터가 과도하게 발생하는 문제가 발생하였다.

비교예 3는 알칼리탄산염의 함량이 본 발명범위 미만으로 차폐 기능 및 슬래그 유동성이 저하되어 비드외관이 열등하며 내기공성이 불량하였다.

비교예 4는 SiO₂ 함량이 본 발명범위를 벗어나 슬래그 박리성 및 비드외관이 불량하였다.

비교예 5는 Mn 함량이 본 발명범위 미만으로 상대적으로 인장강도 및 충격인성이 저하되었다.

비교예 6은 Si 함량이 본 발명범위를 벗어나 상대적으로 인장강도가 과도하게 증가하여 충격인성이 저하되었다.

비교예 7은 철분말 함량이 본 발명범위를 벗어나 상대적으로 슬래그 형성제 및 다른 성분의 첨가량이 감소하여 용접성이 불량 하였으며 용착량이 과도하여 용착금속이 흘러내리는 문제가 발생하였다.

비교예 8은 인장강도와 저온인성에 영향을 주는 합금성분(Mo, Ni, Ti) 함량이 본 발명범위를 벗어나 용접성 및 스패터 발생량이 불량하였으며 용접부의 과도한 강도로 인하여 충격인성이 저하되었다.

비교예 9 및 10은 알칼리 불화물에서 공급되는 F의 함량과 알칼리 탄산염의 함량이 본 발명 범위를 만족하지만 알칼리불화물/알칼리탄산염의 비가 본 발명 범위를 벗어나서 아크성이 불량하며 스패터 발생이 과도하였다.

Claims

외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 와이어 전체에 대한 중량%로, CaF₂를 포함하는 알칼리 불화물: F 환산치로 1.5~4.0%, 알칼리 탄산염: 0.8~4.0%, SiO₂: 1.0~2.5%, Mn: 1.0~3.0%, Si: 0.1~1.0%, 철분: 8.0~18.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 CaF₂는 와이어 전체에 대한 중량%로, 2.0~4.0%이고,
상기 알칼리 불화물과 알칼리 탄산염은 알칼리 불화물/알칼리 탄산염의 비가 1.0~9.0인 셀프 실드 일렉트로가스 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.