KR101827181B1

KR101827181B1 - 서브머지 아크 용접용 플럭스

Info

Publication number: KR101827181B1
Application number: KR1020167003027A
Authority: KR
Inventors: 사토루 가노; 마코토 오타
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2018-02-07
Also published as: JP2015030019A; US20160175993A1; EP3031570A1; CN105408054B; US10272528B2; EP3031570B1; CN105408054A; CA2919614A1; KR20160025628A; EP3031570A4; WO2015019684A1; MY182638A; JP6104090B2

Abstract

용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하면서, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능한 서브머지 아크 용접용 플럭스를 제공한다. 서브머지 아크 용접용 플럭스를, Al₂O₃: 15∼35질량%, SiO₂: 10∼30질량%, MgO: 10∼25질량%, F(CaF₂ 환산치): 10∼25질량%, Mn(MnO 환산치): 3∼20질량%, Na(Na₂O 환산치) 및/또는 K(K₂O 환산치): 합계로 0.5∼4.5질량% 및 Fe(FeO 환산치): 0.5∼8질량%를 함유함과 함께, CaO: 6질량% 이하 및 수용성 SiO₂: 1질량% 미만으로 규제되고, 하기 수학식(I)을 만족하는 조성으로 한다.

Description

서브머지 아크 용접용 플럭스{FLUX FOR SUBMERGED ARC WELDING}

본 발명은, 서브머지 아크 용접에 이용되는 플럭스에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고온 소성형 플럭스에 관한 것이다.

서브머지 아크 용접에 이용되는 플럭스는, 그 형태로, 용융형 플럭스와 소성형 플럭스로 대별된다. 용융형 플럭스는, 여러 가지 원료를 전기로 등으로 용해시켜, 분쇄하는 것에 의해 제조된다. 한편, 소성형 플럭스는, 여러 가지 원료를 규산 알칼리 등의 바인더에 의해 결합하고, 조립(造粒)한 후, 소성하는 것에 의해 제조된다.

또, 소성형 플럭스는, 소성 온도에 의해 분류되고, 일반적으로, 400∼600℃에서 소성한 것을 저온 소성형 플럭스, 600∼1200℃에서 소성한 것을 고온 소성형 플럭스라고 한다. 그리고, 저온 소성형 플럭스에서는, 종래, 용접 금속 중으로의 수소의 확산을 저감하기 위해, 여러 가지 검토가 이루어지고 있다(특허문헌 1∼3 참조). 예를 들어, 특허문헌 1∼3에는, 플럭스 중의 탄산염의 비율을 특정의 범위로 하는 것에 의해, 용접 시에 CO₂ 가스를 발생시켜, H₂ 분압을 저감하는 기술이 개시되어 있다.

또, 탄산염을 사용하지 않고 흡습 특성을 개선하기 위해서, 주로 플럭스 성분 유래의 특성치인 A값 및 플럭스의 비표면적의 최대값을 규정하여, 용접 금속 중으로의 수소량을 저감하는 수법도 제안되어 있다(특허문헌 4 참조). 한편, 고온 소성형 플럭스에 대해서는, 예를 들어, 염기성 산화물, 알칼리 금속 불화물 및 산성 산화물 등의 종류와 그 함유량을 특정하는 것에 의해, 확산 수소량을 저감하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 5 참조).

일본 특허공개 소49-70839호 공보 일본 특허공개 소53-95144호 공보 일본 특허공개 소51-87444호 공보 일본 특허공개 평9-99392호 공보 일본 특허공개 소62-68695호 공보

그러나, 전술한 소성형 플럭스에 있어서의 확산 수소량 저감 기술에는, 이하에 나타내는 문제점이 있다. 우선, 특허문헌 1∼3에 기재되어 있는 탄산염을 첨가한 저온 소성형 플럭스에서는, 직류식의 용접 전원을 이용하면, 플럭스 소비량이 증대하여, 교류식의 용접 전원을 이용했을 경우보다도 한층 탄산염의 분해가 촉진되어, 용접 중에 대량으로 발생하는 CO 가스나 CO₂ 가스에 의해 비드 표면이 거칠어진다. 또, 이들 포크마크가 발생하여 비드 외관이나 비드 형상이 열화된다고 하는 문제점이 있다.

특허문헌 4에 기재된 기술에서는, 수화성을 나타내는 지표인 A값에 있어서, MnO를 수화성 성분으로서 파악하고 있지만, MnO는, 다른 플럭스 성분과의 병용에 의해 비수화성 성분으로도 될 수 있다. 또, 특허문헌 4에 기재된 기술에서는, 비표면적의 저하를 도모하고 있지만, 플럭스의 비표면적은, 용접 시의 슬래그의 실드성에 크게 영향을 준다. 구체적으로는, 플럭스의 비표면적을 저하시키면, 슬래그의 실드성이 손상되어 용접 금속 중의 질소량이 상승하여, 용접 금속의 인성이 열화된다.

한편, 고온 소성형 플럭스에 관한 특허문헌 5에 기재된 기술은, 교류식의 용접 전원에 대한 대응을 주목적으로 하여 플럭스 성분이 설계되고 있고, 직류식의 용접 전원 사용 시에 가장 염려되는 용접 작업성의 열화에 대해서는 고려되어 있지 않다. 즉, 특허문헌 5에 기재된 플럭스는, 용접 전원에 직류식을 이용하면, 교류식을 이용했을 경우와 동등한 효과는 얻어지지 않는다.

그래서, 본 발명은, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하면서, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능한 서브머지 아크 용접용 플럭스를 제공하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명에 따른 서브머지 아크 용접용 플럭스는, Al₂O₃: 15∼35질량%, SiO₂: 10∼30질량%, MgO: 10∼25질량%, F(CaF₂ 환산치): 10∼25질량%, Mn(MnO 환산치): 3∼20질량%, Na(Na₂O 환산치) 및/또는 K(K₂O 환산치): 합계로 0.5∼4.5질량% 및 Fe(FeO 환산치): 0.5∼8질량%를 함유함과 함께, CaO: 6질량% 이하 및 수용성 SiO₂: 1질량% 미만으로 규제되고, Al₂O₃ 함유량을 [Al₂O₃], MgO 함유량을 [MgO], Mn 함유량(MnO 환산치)을 [MnO]로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족하는 것이다.

이 서브머지 아크 용접용 플럭스는, 추가로 TiO₂: 8질량% 이하를 함유하고, TiO₂ 함유량을 [TiO₂]로 했을 때, 하기 수학식 2를 만족하는 조성으로 할 수도 있다.

본 발명의 서브머지 아크 용접용 플럭스에서는, C 함유량을 0.2질량% 이하로 규제해도 된다.

또, 본 발명의 서브머지 아크 용접용 플럭스는, 예를 들어, 800℃ 이상에서 소성된 것이다.

본 발명에 의하면, 각 성분의 함유량을 특정함과 함께, Mg 함유량과 Al 및 Mn의 총 함유량의 비를 특정의 범위로 하고 있기 때문에, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하면서, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능해진다.

도 1은 실시예의 용접 시험에서 이용한 시험편의 개선 형상을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명자는, 전술한 과제를 해결하기 위해서, 예의 실험 검토를 행한 결과, 이하에 나타내는 지견을 얻었다. 직류식의 용접 전원을 이용하는 경우, 슬래그 박리성을 양호하게 유지하기 위해, 플럭스의 SiO₂량은 최대한 저감해야 한다. 또, MgO에 대해서는, 특허문헌 5에 기재된 플럭스보다도 첨가량을 많게 하지 않으면, 슬래그 박리성을 개선할 수는 없다.

그래서, 본 발명의 실시형태에 따른 서브머지 아크 용접용 플럭스(이하, 간단히 플럭스라고도 한다.)에서는, SiO₂ 함유량을 10∼30질량%, MgO 함유량을 10∼25질량%로 함과 함께, 수용성 SiO₂를 1질량% 미만으로 규제하고 있다. 또, 본 실시형태의 플럭스에서는, Al₂O₃ 함유량을 [Al₂O₃], MgO 함유량을 [MgO], Mn 함유량(MnO 환산치)을 [MnO]로 했을 때, 하기 수학식 3을 만족하도록, 각 성분을 조정하고 있다.

이하, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 조성 한정 이유에 대해 설명한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 각 성분의 함유량은, 특별히 예고하지 않는 한, JIS Z 3352에 규정되는 방법으로 정량한 값을, 산화물 또는 불화물로 환산한 환산치이다.

[Al₂O₃: 15∼35질량%]

Al₂O₃은, 용융 슬래그의 점성 및 융점을 조정하는 성분이며, 용접 시의 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 그러나, Al₂O₃ 함유량이 15질량% 미만인 경우는, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또, Al₂O₃ 함유량이 35질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 융점이 지나치게 상승하여, 용접 시에 비드 형상의 열화를 초래한다. 따라서, Al₂O₃ 함유량은 15∼35질량%로 한다.

Al₂O₃ 함유량은, 용융 슬래그의 점성 및 융점의 조정의 관점에서, 20질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 23질량% 이상이다. 또, 용융 슬래그의 융점의 관점에서는, Al₂O₃ 함유량은 30질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 28질량% 이하이다. 이것에 의해, 비드 형상을 더욱 양호하게 할 수 있다.

한편, 여기에서 말하는 Al₂O₃ 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8220 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Al량을, Al₂O₃으로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Al량에는, AlF₃ 등의 Al₂O₃ 이외의 성분이 포함되는 경우가 있지만, 이들 성분은 미량이기 때문에, Al₂O₃ 함유량(전Al량의 Al₂O₃ 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 Al₂O₃의 효과에는 영향을 주지 않는다.

[SiO₂: 10∼30질량%]

SiO₂는, 용융 슬래그에 적당한 점성을 부여하는 것에 의해, 주로 비드 외관 및 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 그러나, SiO₂ 함유량이 10질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다. 또, SiO₂ 함유량이 30질량%를 초과하면, 과잉이 되어, 슬래그 박리성이 열화됨과 함께, 슬래그의 버닝이 격렬해진다. 따라서, SiO₂ 함유량은 10∼30질량%로 한다.

SiO₂ 함유량은, 비드 외관 및 비드 형상의 향상의 관점에서, 15질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 18질량% 이상이다. 또, 용융 슬래그의 점성의 적정화의 관점에서, SiO₂ 함유량은 25질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 22질량% 이하이다.

한편, 여기에서 말하는 SiO₂ 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8214 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Si량을, SiO₂로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Si량에는, Fe-Si 등의 합금으로서 첨가되는 Si 등 SiO₂ 이외의 성분이 포함되어 있지만, SiO₂ 함유량(전Si량의 SiO₂ 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 SiO₂의 효과에는 영향을 주지 않는다.

[MgO: 10∼25질량%]

MgO는, 슬래그 박리성의 향상에 크게 기여하는 성분이며, 용접 전원의 방식에 의존하지 않고, 양호한 슬래그 박리성을 확보하기 위해서 필수인 성분이다. 그러나, MgO 함유량이 10질량% 미만인 경우, 그 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또, 25질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화되어, 용접 전원의 종별에 의존하여 슬래그 권입, 융합 불량, 게다가 언더컷 등의 결함이 발생하기 쉬워진다. 특히, 교류식 용접 전원에 있어서는, 전술한 슬래그 권입 및 용융 불량 등의 용접 결함의 발생이 현저해진다. 따라서, MgO 함유량은 10∼25질량%로 한다.

MgO 함유량은, 슬래그 박리성 향상의 관점에서, 13질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15질량% 이상이다. 또, 결함 발생 억제의 관점에서, MgO 함유량은 25질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 22질량% 이하이다.

한편, 여기에서 말하는 MgO 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8222 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Mg량을, MgO로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Mg량에는, MgF₂ 등의 MgO 이외의 성분이 포함되는 경우가 있지만, 이들 성분은 미량이기 때문에, MgO 함유량(전Mg량의 MgO 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 MgO의 효과에는 영향을 주지 않는다.

[F(CaF₂ 환산치): 10∼25질량%]

CaF₂ 등의 불화물은, 용융 슬래그의 전기 전도성이나 유동성을 높이는 효과가 있어, 용융 슬래그의 고온 점성에 영향을 주는 성분의 하나이다. 이 작용은, 후술하는 CaO와 마찬가지로, 그 함유량에 비례한다. 구체적으로는, F 함유량(CaF₂ 환산치)이 10질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또, 용융 슬래그로부터 CO 가스의 배출을 촉진하여, 내포크마크성을 개선하는 효과도 기대할 수 없다.

한편, F 함유량(CaF₂ 환산치)이 25질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 유동성이 지나치게 높아져, 비드 형상이 열화된다. 따라서, F 함유량(CaF₂ 환산치)은 10∼25질량%로 한다. F 함유량(CaF₂ 환산치)은, 내포크마크성 향상의 관점에서, 13질량% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15질량% 이상이다. 또, 비드 형상 향상의 관점에서는, F 함유량(CaF₂ 환산치)은, 22질량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 20질량% 이하이다.

한편, 여기에서 말하는 F 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JISK 1468-2등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전F량을, CaF₂로 환산한 값이다. 또, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 불화물 성분은, 주로 CaF₂이며, 그 외에 AlF₃이나 MgF₂ 등이 포함되는 경우가 있지만, F 함유량(전F량의 CaF₂ 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 불화물의 효과에는 영향을 주지 않는다.

[Mn(MnO 환산치): 3∼20질량%]

Mn은, 용융 슬래그의 점성 및 응고 온도에 영향을 줌과 함께, 내포크마크성 개선에 유효한 성분이며, 주로, MnO, MnO₂ 및 Mn₂O₃ 등의 산화물의 형태로 첨가된다. 각종 형태 중에서도, 특히 일산화망간(MnO)의 형태로 첨가하면, 그 유용성이 발휘된다. 단, Mn 함유량(MnO 환산치)이 3질량% 미만인 경우, 그 효과가 충분히 발휘되지 않고, 또, 20질량%를 초과하면, 슬래그가 취성이 되어 슬래그 박리성이 열화된다. 따라서, Mn 함유량(MnO 환산치)은, 3∼20질량%로 한다.

이 Mn(MnO 환산치)은, 내포크마크성 향상의 관점에서, 6질량% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 8질량% 이상이다. 또, 슬래그 박리성 향상의 관점에서는, Mn(MnO 환산치)은, 15질량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 12질량% 이하이다. 한편, 여기에서 말하는 Mn 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8232 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Mn량을, MnO로 환산한 값이다.

[Na(Na₂O 환산치) 및/또는 K(K₂O 환산치): 합계로 0.5∼8.5질량%]

Na 및 K는, 주로 용접 시의 아크 안정성과 플럭스의 흡습 특성에 영향을 주는 성분이며, 주로, Na₂O 및 K₂O 등의 산화물의 형태로 첨가된다. 그러나, Na 함유량(Na₂O 환산치) 및 K 함유량(K₂O 환산치)이 합계로 0.5질량% 미만인 경우, 용접 시의 아크 전압이 불안정해져, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다.

한편, Na 함유량(Na₂O 환산치) 및 K 함유량(K₂O 환산치)이 합계로 8.5질량%를 초과하면, 플럭스의 흡습 특성이 열화됨과 함께, 아크가 지나치게 강해져 불안정해져, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다. 따라서, Na 함유량(Na₂O 환산치) 및 K 함유량(K₂O 환산치)은, 합계로 0.5∼8.5질량%로 한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스는, Na 및 K의 적어도 한쪽이 첨가되고 있으면 된다.

Na 함유량(Na₂O 환산치) 및 K 함유량(K₂O 환산치)은, 아크 전압의 안정화의 관점에서, 합계로 1.5질량% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.5질량% 이상이다. 또, 플럭스의 흡습 특성의 관점에서, Na 함유량(Na₂O 환산치) 및 K 함유량(K₂O 환산치)은, 합계로 6.5질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5.5질량% 이하이다.

한편, 여기에서 말하는 Na 함유량 및 K 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8852 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Na량 및 전K량을, 각각 NaO 및 K₂O로 환산한 값이다. 또, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 Na 성분 및 K 성분은, 주로 Na₂O 및 K₂O이지만, 그 외에 NaAlSi₃O₈이나 KAlSi₃O₈ 등이 포함되는 경우가 있다.

[Fe(FeO 환산치): 0.5∼8질량%]

Fe는, 탈산 현상을 촉진하여, 내포크마크성을 높이는 효과가 있고, 주로 Fe-Si 등의 금속 분말의 형태로 첨가된다. 전술한 효과는 그 존재량에 비례하고, Fe 함유량(FeO 환산치)이 0.5질량% 미만인 경우, 특히 용접 전원이 직류식인 경우에, 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Fe 함유량(FeO 환산치)이 8질량%를 초과하면, 슬래그의 응고 온도에 영향을 주어 비드 외관, 비드 형상 및 슬래그 박리가 열화된다. 따라서, Fe 함유량(FeO 환산치)은 0.5∼8질량%로 한다.

Fe 함유량(FeO 환산치)은, 내포크마크성의 관점에서, 1질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2질량% 이상이다. 또, 슬래그의 응고 온도에의 영향을 고려하면, Fe 함유량(FeO 환산치)은, 6질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4질량% 이하이다.

한편, 여기에서 말하는 Fe 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8202 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Fe량을, FeO로 환산한 값이다. Fe 함유량에는, 금속 분말로서 첨가되는 Fe 이외에, 불가피적 불순물로서 첨가되는 FeO, Fe₂O₃ 및 Fe₃O₄ 등이 포함되는 경우가 있다.

[CaO(환산치): 6질량% 이하]

CaO는, 슬래그의 염기도를 높여 용접 금속의 청정도를 높임과 함께, 용융 슬래그의 유동성에도 영향을 주는 성분이며, 그 존재량에 비례하여, 전술한 효과가 발휘된다. 그러나, CaO 함유량이 6질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 유동성이 과대해져, 비드의 외관 및 형상이 열화된다. 따라서, CaO 함유량은 6질량% 이하로 규제한다.

CaO 함유량은, 용융 슬래그 유동성의 관점에서, 4질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3질량% 이하이다.

한편, 본 실시형태의 플럭스에는, Ca 성분으로서 CaO 이외에, 전술한 CaF₂가 포함된다. 이 때문에, 여기에서 말하는 CaO 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법으로 분석하여 얻은 전Ca량 및 전F량으로부터 구해지는 환산치이다. 따라서, CaF₂량이 다량인 경우는, JIS Z 3352에 준거하면, CaO가 0이 되는 경우도 존재한다.

[수용성 SiO₂: 1질량% 미만]

수용성 SiO₂의 함유량이 1질량% 이상이면, 플럭스의 내흡습성이 열화됨과 함께, 용접 금속의 확산 수소량이 증가한다. 따라서, 수용성 SiO₂ 함유량은 1질량% 미만으로 규제한다. 수용성 SiO₂ 함유량은, 내흡습성 향상 및 확산 수소량 저감의 관점에서, 0.8질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.6질량% 이하이다.

이 수용성 SiO₂는, 주로 물유리 등의 결합제에서 유래하고, 그 양을 저감하려면, 결합제가 난흡습화되는 온도 이상에서 플럭스를 소결하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 소성 온도를 800℃ 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다.

한편, 플럭스 중의 수용성 SiO₂량은, 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 먼저, 플럭스를 진동 밀로 입경 300μm 이하로 분쇄하고, 거기에서 측정용 시료를 약 0.2g 채취한다(스텝 1). 다음으로, 석영제 삼각 플라스크에, 전술한 시료와 증류수 100ml를 넣고 자비(煮沸) 하에서 4시간, 가용성 성분을 추출했다(스텝 2). 그 후, 추출액을 12시간 이상 방치한 후, 추출액 중의 침전물 및 부유물 등을 제거하고, 흡광 광도법으로 Si를 정량했다(스텝 3).

한편, 여기에서 말하는 수용성 SiO₂는, 전술한 방법으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Si량을, SiO₂로 환산한 값이며, 전술한 전SiO₂와는 구별하여 그 함유량을 특정하고 있다.

[[MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO]): 0.2∼0.8]

MgO, Al₂O₃ 및 Mn은, 각각 개별적으로 그 함유량을 규정하고 있지만, 본 실시형태의 플럭스에서는, 추가로, MgO 함유량과 Al₂O₃ 함유량 및 Mn 함유량(MnO 환산치)의 합계량의 비(=[MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO]))도 규정한다.

본 발명자는, MgO를 첨가한 플럭스의 흡습 특성 및 용접 작업성에 대해 여러 가지 실험 연구한 결과, MgO 함유량과 Al₂O₃ 함유량 및 Mn 함유량(MnO 환산치)의 합계량의 비(=[MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO]))가, 흡습 특성 및 용접 작업성에 대해 큰 영향을 미친다는 것을 발견했다. 예를 들어, 직류식의 용접 전원을 이용하는 경우는, 교류식의 용접 전원을 이용하는 경우와 비교하여, 플럭스 소비량이 증가한다. 이 때문에, 용접 금속 중의 Si가 증가하여, 슬래그 박리성의 열화가 현저해지지만, 슬래그 박리성에 대해서는, MgO의 첨가에 의해 개선할 수 있다.

그러나, MgO는, 수화성이 풍부하기 때문에, 플럭스 중에 첨가하면, 흡습 특성이 열화되어, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 증가한다. 한편, Al₂O₃ 및 Mn은, 비수화성의 성분이며, 첨가에 의한 흡습 특성의 향상 효과는 현저하다. 그 중에서도, Mn은, Al₂O₃와 병용하는 것에 의해, 종래의 지견과는 달리, 플럭스의 흡습 특성의 향상을 시켜, 확산성 수소량 저감에 기여하는 효과를 가지고 있다는 것을 알 수 있었다.

단, [MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO])가 0.2 미만인 경우, 직류식의 용접 전원으로 용접했을 경우에, 슬래그 박리성이 현저하게 열화된다. 한편, [MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO])가 0.8을 초과하면, 흡습 특성이 열화되어, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 증가한다. 따라서, [MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO])가 0.2∼0.8이 되도록, 각 성분의 첨가량을 조정한다. 이것에 의해, 흡습 특성의 열화를 억제할 수 있다.

[TiO₂: 8질량% 이하]

본 실시형태의 플럭스는, 전술한 성분에 더하여, TiO₂를 함유하고 있어도 된다. TiO₂는, 슬래그 박리성 향상에 유효한 성분이며, 비드 형상을 양호하게 정돈하는 효과도 있다. 또, TiO₂의 일부는, 용접 시의 환원 반응에 의해 Ti가 되고, 이 Ti는 용접 금속 중에 첨가되어, 인성 향상에 기여한다.

전술한 작용은, 그 존재량(TiO₂ 함유량)에 비례한다. 단, TiO₂ 함유량의 상한치가 8질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화된다. 또 TiO₂ 함유량의 하한치는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 슬래그 박리성 및 비드 형상의 관점에서, 1질량% 이상인 것이 바람직하다.

또, 플럭스에 TiO₂가 첨가되고 있는 경우는, 하기 수학식 4를 만족하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 직류식의 용접 전원에서의 용접 작업성을 더욱 향상시킬 수 있음과 함께, 용접 금속 중의 확산 수소량을 저감하는 효과를 높일 수 있다. 한편, 하기 수학식 4에 있어서의 [TiO₂]는, TiO₂ 함유량이다.

한편, 여기에서 말하는 TiO₂ 함유량은, JIS Z 3352에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8219 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Ti량을, TiO₂로 환산한 값이다.

[C: 0.2질량% 이하]

C는, 플럭스의 각 원료에 불순물로서 포함되는 탄산염 등에서 유래하고, 불가피적으로 도입된다. 한편, 전술한 바와 같이 직류식의 용접 전원을 이용한 경우, 플럭스의 소비량이 증대하여, 교류식의 용접 전원을 이용한 경우에 비해, 탄산염의 분해가 한층 촉진된다. 이 때문에, C 함유량이 미량이어도, 용접 중에 CO나 CO₂ 가스가 대량으로 발생하여, 내포크마크성의 열화나 비드의 외관 및 형상의 열화를 초래하게 된다. 따라서, 용접 작업성의 열화를 방지하기 위해, 플럭스 중의 C량은 0.2질량% 이하로 저감하는 것이 바람직하다.

C 함유량은, 특히 내포크마크성 향상의 관점에서, 0.1질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05질량% 이하이다. 한편, 내포크마크성을 양호하게 유지하기 위해서는, C 함유량은 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 또, 여기에서 말하는 C 함유량은, JIS Z 2615에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8219 등)으로 분석하여 얻은 값이다.

[그 밖의 성분]

본 실시형태의 플럭스에 있어서의 상기 이외의 성분은, Zr, Ba, Li, P 및 S 등이다. 이들 불가피적 불순물 중, Zr, Ba 및 Li 등은 각각 1.0질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하고, 특히 용접 품질에 영향을 주는 P 및 S는 각각 0.05질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.

[제조 방법]

본 실시형태의 플럭스를 제조하는 경우는, 예를 들어, 전술한 조성이 되도록 원료 분말을 배합하고, 결합제와 함께 혼련한 후, 조립하고, 소성한다. 그 때, 결합제(바인더)로서는, 예를 들어, 폴리바이닐알코올 등의 수용액이나 물유리를 사용할 수 있다. 또, 조립법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전동식 조립기나 압출식 조립기 등을 이용하는 방법이 바람직하다.

또한, 조립된 플럭스는, 더스트 제거 및 조대립의 해쇄 등의 정립(整粒) 처리를 행하여, 입자경을 2.5mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 조립 후의 소성은, 로터리 킬른, 정치식 배치로 및 벨트식 소성로 등에서 행할 수 있다. 그 때의 소성 온도는, 예를 들어 600∼1200℃로 할 수 있지만, 전술한 바와 같이 결합제를 난흡습화시키는 관점에서, 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 플럭스는, 각 성분의 함유량을 특정의 범위로 함과 함께, Mg 함유량과 Al 및 Mn의 총함유량의 비가 특정의 범위가 되도록, 이들 성분의 양을 조정하고 있다. 그 때문에, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하면서, 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능해진다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대해 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 하기 표 1에 나타내는 강판 및 표 2에 나타내는 와이어를 사용하여, 도 1에 나타내는 개선 형상으로, 하기 표 3에 나타내는 용접 조건(A 또는 B)에 의해, 서브머지 아크 용접에서의 용접 시험을 실시하여, 하기 표 4에 나타내는 실시예의 플럭스 및 하기 표 5에 나타내는 비교예의 플럭스에 대해, 그 성능을 평가했다. 한편, 본 실시예에서는, 하기 표 4 및 표 5에 나타내는 조성이 되도록 원료를 배합하여, 결합제(물유리)와 함께 혼련한 후, 조립하고, 추가로 로터리 킬른을 이용하여 하기 표 4 및 표 5에 나타내는 온도에서 소성하고, 정립하는 것에 의해, 입자경이 2.5mm 이하인 플럭스를 얻었다.

한편, 상기 표 1에 나타내는 강판 조성 및 상기 표 2에 나타내는 와이어 조성의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 또, 상기 표 4 및 표 5에 나타내는 「M(I)」는 [MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO])의 값이며, 「M(II)」는 [MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO]＋[TiO₂])의 값이다.

실시예 및 비교예의 각 플럭스의 평가는, 용접 금속 중의 확산 수소량, 비드 외관, 비드 형상, 슬래그 박리성, 용접 결함(내재·외재)에 대해 행했다.

＜확산 수소량＞

용접 금속 중의 확산 수소량은, 원칙적으로, JIS Z 3118에 규정되는 방법에 근거하여 측정했다.

＜비드 외관＞

비드 외관은, 주로 비드의 파목(波目)이나 광택에 관한 평가이며, 용접부를 목시(目視) 관찰하는 것에 의해 행했다. 그 결과, 비드의 파목에 흐트러짐이 없고 비드에 금속 광택이 있는 것을 ◎로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 비드 파목의 흐트러짐이 1개소이고 비드에 금속 광택이 있는 것을 ○로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 비드 파목의 흐트러짐이 2∼4개소이고 비드에 금속 광택이 없는 것을 △로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 비드 파목의 흐트러짐이 5개소 이상 있고 비드에 금속 광택이 없는 것을 ×로 했다.

＜비드 형상＞

비드 형상은, 주로 비드의 요철이나 모재에 대한 친밀성에 관한 평가이며, 용접부를 목시 관찰하는 것에 의해 행했다. 그 결과, 비드 형상이, 매우 양호했던 것을 ◎, 양호했던 것을 ○, 약간 불량했던 것을 △, 불량했던 것을 ×로 했다.

＜슬래그 박리성＞

슬래그 박리성은, 슬래그 제거의 용이함이나 버닝의 유무에 의해 평가했다. 구체적으로는, 슬래그가, 자연 박리되고, 버닝이 없었던 것을 ◎로 했다. 자연 박리되지만, 단위 용접 길이(1m)당 3개소 이하에서 버닝이 발생한 것을 ○로 했다. 자연 박리되지 않고, 단위 용접 길이(1m)당 4∼9개소에서 버닝이 발생한 것을 △로 했다. 자연 박리되지 않고, 단위 용접 길이(1m)당 10개소 이상에서 버닝이 발생한 것을 ×로 했다.

＜아크 안정성＞

아크 안정성은, 용접 시의 전류나 전압의 편차에 의해 평가했다. 구체적으로는, 용접 전류가 ±50A면서 아크 전압이 ±2V였던 것을 ◎로 했다. 용접 전류가 ±100A면서 아크 전압이 ±2V였던 것을 ○로 했다. 용접 전류가 ±100A면서 아크 전압이 ±4V였던 것을 △로 했다. 용접 곤란했던 것을 ×로 했다.

＜용접 결함＞

용접 결함(내재)은, 주로 기공 결함, 슬래그 권입 및 융합 불량 등의 용접 금속 내부에서 발생하는 용접 결함에 관한 평가이다. 이들 용접 결함의 발생이 없었던 것을 ◎로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 0.5% 이하였던 것을 ○로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 0.5%를 초과하고 1.0% 이하였던 것을 △로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 1.0%를 초과하고 있던 것을 ×로 했다.

한편, 용접 결함(외재)은, 주로 언더컷 및 포크마크 등의 용접 금속 표면에서 발생하는 용접 결함에 관한 평가이다. 이들 용접 결함의 발생이 없었던 것을 ◎로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 0.5% 이하였던 것을 ○로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 0.5%를 초과하고 1.0% 이하였던 것을 △로 했다. 단위 용접 길이(1m)당 발생 비율이 1.0%를 초과하고 있던 것을 ×로 했다.

이상의 평가 결과를, 하기 표 6 및 표 7에 정리하여 나타낸다.

표 7에 나타내는 비교예 No. 1의 플럭스는, Al₂O₃ 함유량이 35질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 불량이었다. 한편, 비교예 No. 2의 플럭스는, Al₂O₃ 함유량이 15질량% 미만이기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 또, 비교예 No. 3의 플럭스는, SiO₂ 함유량이 30질량%를 초과하고 있기 때문에, 슬래그 박리성이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 No. 4의 플럭스는, SiO₂ 함유량이 10질량% 미만이기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다.

비교예 No. 5의 플럭스는, MgO 함유량이 25질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고, 또한, 용접 금속의 내부 및 표면에 있어서 용접 결함이 발생했다. 한편, 비교예 No. 6의 플럭스는, MgO 함유량이 10질량% 미만이기 때문에, 버닝이 발생하고, 슬래그 박리성이 불량이었다. 또, 비교예 No. 7의 플럭스는, F 함유량이 25질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 No. 8의 플럭스는, F 함유량이 10질량% 미만이기 때문에, 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다.

비교예 No. 9의 플럭스는, Mn 함유량(MnO 환산치)이 20질량%를 초과하고 있기 때문에, 버닝이 발생하고, 슬래그 박리성이 불량이었다. 한편, 비교예 No. 10의 플럭스는, Mn 함유량(MnO 환산치)이 3질량% 미만이기 때문에, 용접 금속 표면에 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다. 또, 비교예 No. 11의 플럭스는, Na 함유량(Na₂O 환산치)과 K 함유량(K₂O 환산치)의 합계량이 0.5질량% 미만이기 때문에, 아크 안정성이 현저하게 저하되고, 아울러 비드 외관이나 비드 형상도 열화 되었다. 그 결과, 용접이 곤란했다. 한편, 비교예 No. 12의 플럭스는, Na 함유량(Na₂O 환산치)과 K 함유량(K₂O 환산치)의 합계량이 8.5질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다.

비교예 No. 13의 플럭스는, Fe 함유량(FeO 환산치)이 0.5질량% 미만이기 때문에, 용접 금속 표면에 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다. 한편, 비교예 No. 14의 플럭스는, Fe 함유량(FeO 환산치)이 8질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고, 게다가 슬래그 박리성도 뒤떨어지고 있었다. 또, 비교예 No. 15의 플럭스는, 8질량%를 초과하여 TiO₂를 함유하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 No. 16의 플럭스는, 수용성 SiO₂ 함유량이 1.0질량% 이상이기 때문에, 용접 금속 중의 확산 수소량이 증가했다.

비교예 No. 17의 플럭스는, M(II)(=[MgO]/([Al₂O₃]＋[MnO]＋[TiO₂]))가 0.8을 초과하고 있기 때문에, 용접 금속 중의 확산 수소량이 증가했다. 한편, 비교예 No. 18의 플럭스는, M(II)가 0.2 미만이었기 때문에, 버닝이 다수 발생하고, 슬래그 박리성이 현저하게 뒤떨어지고 있었다. 또, 비교예 No. 19의 플럭스는, CaO 함유량이 6질량%를 초과하고 있기 때문에, 용접 금속 표면에 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다. 또한, 비교예 No. 20의 플럭스는, 플럭스 중의 C량이 0.2질량%를 초과하고 있기 때문에, 포크마크가 발생했다.

이에 비해서, 표 6에 나타내는 실시예 No. 1∼32의 플럭스는, 본 발명의 범위를 만족하는 것이기 때문에, 비드 외관, 비드 형상, 슬래그 박리성 및 아크 안정성이 우수하고, 또한 용접 결함(내재·외재)의 발생도 보이지 않았다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 플럭스를 이용하는 것에 의해, 용접이 교류식 및 직류식의 어느 경우에서도, 용접 작업성을 양호하게 하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.

Claims

Al₂O₃: 15∼35질량%,
SiO₂: 10∼30질량%,
MgO: 10질량% 이상, 20질량% 미만,
F(CaF₂ 환산치): 10∼25질량%,
Mn(MnO 환산치): 3∼20질량%,
Na(Na₂O 환산치) 및/또는 K(K₂O 환산치): 합계로 0.5∼4.5질량%,
Fe(FeO 환산치): 0.5∼8질량%,
TiO₂: 1~8질량%
를 함유함과 함께,
CaO: 6질량% 이하,
수용성 SiO₂: 1질량% 미만
으로 규제되고,
C 함유량이 0.2질량% 이하이며,
Al₂O₃ 함유량을 [Al₂O₃], MgO 함유량을 [MgO], Mn 함유량(MnO 환산치)을 [MnO], TiO₂ 함유량을 [TiO₂]로 했을 때, 하기 수학식(I) 및 하기 수학식(II)를 만족하는 서브머지 아크 용접용 플럭스.
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제 1 항에 있어서,
800℃ 이상에서 소성된 것인 서브머지 아크 용접용 플럭스.