KR101839300B1 - 비드 외관이 우수한 저온용 메탈 코어드 아크 용접용 와이어 - Google Patents

Abstract

비드 외관이 우수한 저온용 메탈 코어드 아크 용접용 와이어가 제공된다.
본 발명의 용접용 와이어는, 강재 외피 내에 플럭스가 충전된 메탈 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 자체 중량%로, Si+Mn: 20.0%~22.0%, Na:0.30~0.50%, 이황화철: 0.10~0.30%, Ni: 1.90~2.10%, 잔여 철 분말 및 불가피한 불순물로 조성된다.

Description

비드 외관이 우수한 저온용 메탈 코어드 아크 용접용 와이어{Metal Cored Arc Welding}

본 발명은 연강이나 490MPa급 이상 저온용 강 등의 용접에 사용되는 용접 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저온용 강에 사용될 수 있도록 특수 합금을 첨가하여 -50℃ 저온 충격 인성을 보장하며 아크 안정화, 적은 슬래그량 및 비드 퍼짐이 우수한 특성을 갖는 메탈 코어드 아크 용접용 와이어에 관한 것이다.

메탈 코어드 아크 용접용 와이어는 플럭스 코어드 와이어의 일종으로서, 와이어 내부에 금속 성분의 플럭스, 아크 안정제 및 용접부 기계적 성능을 위한 합금성분을 적정 비율로 충전함으로써 제조되며, 일반적인 박판 및 후판 등의 철골 구조물 용접뿐만 아니라 산업용 기계장비 용접에도 이용되고 있다.

종래 저온용 메탈 코어드 아크 용접용 와이어는 용접부 기계적 성능에 필요한 합금 성분을 과다 충전하여, 용접 시 슬래그 발생량이 많아 비드 외관이 지저분하다는 단점이 있었다.

그 일 예로 일본 공개특허공보 특개평 20-126279호에서는 용접금속의 내염산성 및 내황산성과 같은 내부식성 확보를 위하여, Cu는 Fe-Cu 또는 Fe-Cu-Si 합금 형태로, Sb 함량이 40~50wt%인 Fe-Sb 형태로 Sb를 적정 범위로 첨가하는 기술을 제시하고 있으나, 용접금속의 내부식성 향상에는 크게 효과적이지 못하였다. 그리고 이러한 저융점 성분으로 인해 용접 직후 용접금속과 크레이터부에서 용접 균열이 발생하여 적절치 못하였다.

또한 충격 인성을 강화하기 위해 첨가된 Ni, Mo, Al Ti와 같은 합금원소로 인하여 용접중 아크가 거칠어지고 스패터 발생이 많았으며, 아울러 과도한 슬래그 형성으로 비드 외관이 지저분하고 비드 퍼짐이 열악해졌다.

더욱이, Sb 함량이 40~50wt%인 Fe-Sb 형태인 산화안티몬이 첨가될 경우, 용접 중 인체에 유해한 가스를 발생시켜 작업자 보건안전을 해치므로 적절치 못하였다.

1.일본 공개특허공보 특개평 20-126279호

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저온용 메탈 코어드 아크 용접용 와이어로서, 용접성과 비드 외관이 우수하고 -50℃ 저온 충격 인성을 만족하는 용접용 와이어를 제공하는 것으로서, 구체적으로, 저온 충격 인성을 확보하기 위해 합금성분을 첨가하게 되더라도 아크를 안정적으로 유지하며 용접 중 발생된 슬래그가 비드 표면에 지저분하게 잔재하지 않을 뿐만 아니라 비드 중앙부에서 일정한 간격을 유지하게 제어되게 하여 비드 퍼짐성이 우수한 메탈 코어드 아크 용접용 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

강재 외피 내에 플럭스가 충전된 메탈 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 자체 중량%로, Si+Mn: 20.0%~22.0%, Na: 0.30~0.50%, 이황화철: 0.10~0.30%, Ni: 1.90~2.10% 잔여 철 분말 및 불가피한 불순물로 조성된 메탈 코어드 아크 용접용 와이어에 관한 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 아크 형성과 안정적 유지에 효과적인 Na 함량과 비드 중앙부에 슬래그 형성이 되도록 하는 이황화철 함량을 적절히 제어함으로써 아크가 안정되고 슬래그가 비드 중심부에 형성되면서 비드 퍼짐이 우수한 비드 외관을 얻을 수 있다. 또한 저온 충격 인성에 효과적인 금속 Ni 함량을 적절히 제어함으로 -50℃ 저온 충격 인성을 만족하는 기계적 성능을 얻을 수 있다.

도 1은 메탈 코어드 아크 용접용 와이어를 제조하는 공정 순서도이다.
도 2는 메탈 코어드 아크 용접용 와이어 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 실시예에서 비드 중심부에 슬래그가 형성되고 비드 퍼짐이 우수한 발명예 3의 용접 비드 사진이다.
도 4는 본 실시예에서 슬래그 량이 과도하게 증가되어 비드 전면에 슬래그가 덮혀 지저분한 비드 외관을 보여주는 비교예 2의 사진이다.
도 5는 본 실시예에서 용접 시 고온균열이 발생된 비드 외관을 보여주는 비교예 6의 사진이다.
도 6은 본 실시예에서 비드 퍼짐이 저하된 비드 외관을 보여주는 비교예 10의 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 메탈 코어드 아크 용접용 와이어를 제조하는 공정 순서도 이며, 도 2는 메탈 코어드 아크 용접용 와이어 단면을 나타내는 단면도이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 통상의 매탈 코어드 아크 용접용 와이어는 플럭스를 준비하고, 이 준비된 플럭스를 강재 외피 내에 충전하고, 그리고 플럭스 충전된 용접 와이어를 신선함으로써 최종 제품을 얻을 수 있다. 그리고 도 2에 나타난 바와 같이, 이렇게 제조된 일반적인 메탈 코어드 아크 용접용 와이어는(30) 강재 외피(20) 내 플럭스(10)가 충전되어 있는 구조를 지니고 있다.

본 발명은, 강재 외피 내에 플럭스가 충전된 메탈 코어드 아크용접용 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 자체 중량%로, Si+Mn: 20.0~22.0%, Na:0.30~0.50%, 이황화철: 0.10~0.30%, Ni: 1.90~2.10% 잔여 철 분말 및 불가피한 불순물로 조성된 메탈 코어드 아크용접용 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명 메탈 코어드 아크용접용 와이어의 플럭스 조성 성분 및 그 제한사유를 상세히 설명한다.

·Si+Mn: 20.0~22.0%

본 발명에서 Si, Mn은 강탈산제로써 용융금속내 O₂함량을 낮춰 용접부의 건전성 확보 및 기계적 성능수준을 제어하는 용접 와이어의 주성분에 해당한다. 또한 아크 형성과 안정화 및 슬래그 형성에도 영향을 미치기 때문에 Si+Mn 함량이 20% 미만이거나 22.0%를 초과하면 용융금속의 응고속도가 너무 늦거나 빨라지고 아크 형성이 불안정해지는 특성이 있으므로 20.0 ~ 22.0% 일 때 아크 안정성 및 비드 외관, 기계적 성능이 가장 적합하다.

·Na: 0.30~0.50%

본 발명에서 Na은 용접 도중 아크 형성 및 흐름을 안정적으로 유지하여 우수한 용접작업을 확보하는데 유효하며, Na 함량은 0.30~0.50%가 바람직하다. 왜냐하면, Na가 0.30% 미만이면 아크의 크기가 줄어들어 아크 집중이 너무 커져 용접작업성이 떨어진다. 반면에 0.50%를 초과하게 되면 아크의 크기가 커져 대립형 스패터가 증가 되는 특성이 있기 때문에 Na은 0.30~0.50% 일때 아크 안정성 측면에서 가장 적합하다.

·이황화철: 0.10~0.30%

본 발명에서 이황화철은 용접중 슬래그 유동을 비드 중심부 쪽으로 집중시켜 비드 중심부에 슬래그가 모이게 함에 효과적이다. 그러나 그 함량이 0.10% 미만이면 슬래그를 비드 중심부에 집중화시키는 효과가 떨어져 비드 전면에 슬래그가 형성되며 함량이 0.30%를 초과하면 고온균열에 취약할 뿐만 아니라 용착 금속에 S함량이 200ppm 이상으로 이행되어 용접부 건전성을 위한 성분별 함량 기준에 초과 될 수 있기 때문에, 이황화철 함량은 0.10~0.30% 유지가 중요하다.

·Ni: 1.90~2.10%

Ni은 저온 충격 인성에 효과적인 용접부의 금속조직을 생성시키는데 가장 유효한 성분으로써 본 발명에서는 -50℃에서 27J 이상을 만족하는 것을 목표로 하고 있기 때문에 Ni 함량을 1.90~2.10%로 제한한다. Ni이 2.10%를 초과하면 -50℃ 이하의 온도에서도 저온 충격 인성을 만족시킬 수 있으나 비드 퍼짐이 저하되는 특성이 있으며, Ni 함량이 1.90% 미만이면 -50℃에서의 저온 충격 인성을 만족할 수 없기 때문에 1.90~2.10%일 때 저온 충격 인성 및 비드 외관 측면에서 가장 양호하다.

또한, 본 발명의 메탈 코어드 아크 용접용 와이어를 이루는 플럭스는, 상기 성분 이외에 잔여성분으로 철분 및 P, S 등과 같은 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는 플럭스를 제조한 후, 이들을 사용하여 15～20%의 충전율로 메탈 코어드 아크 용접용 와이어를 각각 제조하였으며, 이때 사용된 강재 외피의 조성을 표 2에 나타내었다.

그리고, 이들 각 와이어를 이용하여, 두께 12mm의 SM 490 모재에 표 3에 나타낸 용접조건으로 용접을 시행하여 평가하였다.

구분		플럭스 조성(중량%)
		Na	Si+Mn	이황화철	Ni
발명예	1	0.30	20.0	0.30	1.90
	2	0.35	20.5	0.25	1.95
	3	0.40	21.0	0.20	2.00
	4	0.45	21.5	0.15	2.05
	5	0.50	22.0	0.10	2.10
비교예	1	0.30	19.5	0.20	2.00
	2	0.30	22.5	0.20	2.00
	3	0.25	21.0	0.20	2.00
	4	0.55	21.0	0.20	2.00
	5	0.30	21.0	0.05	2.00
	6	0.30	21.0	0.35	2.00
	7	0.30	21.0	0.20	1.70
	8	0.30	21.0	0.20	1.80
	9	0.30	21.0	0.20	2.20
	10	0.30	21.0	0.20	2.30

*표 1에서 잔여 성분은 철 분말 및 불가피한 불순물임.

구분	C	Si	Mn	P	S
함량(wt%)	0.02	0.005	0.18	0.008	0.006

적용 모재	SM490 12mmt
와이어 선경	1.2mm
용접자세	아래보기 (1F)
용접조건	280A / 30V / 30cpm
와이어 돌출길이	20mm

상기와 같은 용접작업을 이용하여 각 와이어의 용접성[아크성, 슬래그성, 비드 외관 등]과 저온 충격 인성을 평가하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

한편 표 4에서 아크성과 비드 외관은 용접작업자의 관능 평가를 통해 매우 우수(◎), 우수(○), 보통(△), 불량(×)으로 평가하였다.

그리고 슬래그성 중 유동성은 용접 중 발생한 슬래그가 비드 중앙에 생성되고 가장자리에 슬래그 잔재가 없을 경우 매우 우수(◎), 극소량 있을 경우 우수(○), 소량 있을 경우 보통(△), 비드 전면에 슬래그가 있을 경우 불량(×)으로 평가하였다.

또한 슬래그 제거성은 일정한 힘을 가하여 슬래그를 제거할 때, 제거가 용이하고 슬래그 잔재가 없을 경우 매우 우수(◎), 슬래그 제거가 보통 수준이며 슬래그 잔재가 없을 경우 우수(○), 슬래그 제거가 보통 수준이며 슬래그 잔재가 소량 있을 경우 보통(△), 슬래그 제거가 어렵고 잔재가 많을 경우 불량(×)으로 평가하였다.

아울러, 비드 외관은 용접 길이 방향으로 200㎜를 용접하고 슬래그를 제거한 후 비드 표면이 매끈한 경우 매우 우수 (◎), 포크마크(poak mark) 직경이 5㎜ 이하이고 1개 이하인 경우 우수(○), 3개 이하인 경우 보통(△), 5개를 초과하는 경우에는 불량(×)으로 평가하였다.

한편 용접결함 평가는 필렛 용접 후, 용접 시작부, 용접 중앙부, 크레이터부를 관찰하여 균열이 없으면 양호(○), 균열이 관찰되면 불량(×)으로 평가하였다.

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명예 1~5은 그 플럭스 조성성분이 본 발명의 범위를 만족하는 용접용 와이어를 이용하여 용접을 행한 경우로서, 아크가 안정적이고 슬래그가 비드 중심에 형성되어 양호한 비드 외관를 얻을 수 있었다. 그리고 50℃저온 충격 인성 또한 만족하며 표면에 용접결함 발생이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 도 3은 비드 중앙에 슬래그가 형성되어 비드 외관이 우수한 본 발명예 3의 용접 비드를 보여주는 사진이다.

이에 반하여, 비교예 1-2는 Si+Mn 함량이 본 발명 범위에 미달하거나(비교예 1) 초과하는 경우(비교예 2)로서 슬래그 유동이 현저하게 느려지거나 빨라지게 되는 데, 비교예 1에서는 슬래그 유동뿐 아니라 탈산 원소의 감소로 인해 아크 안정성 저하도 동시에 일어났다. 그리고 비교예 2에서는 슬래그 량이 과도하게 증가하여 슬래그가 비드 중심에 제대로 생성되지 않고 비드 가장자리에도 많이 형성됨으로써 비드 외관이 지저분해져서 본 발명에 적합하지 않았다. 도 4는 슬래그 량이 과도하게 증가하여 비드 전면에 슬래그가 덮이는 경우로 비드외관이 지저분한 비교예 2의 경우의 사진이다.

또한 비교예 3-4는 Na 함량이 본 발명 범위에 미달하거나 또는 초과하는 경우로서, 아크 플라즈마의 형성이 어려워 안정적인 아크 유지가 힘들거나(비교예 3) 아크 플라즈마의 크기가 과도하게 커져서 스패터가 증가하여 용접작업성이 저하되어(비교예 4) 본 발명에 적합하지 않았다.

그리고 비교예 5-6은 이황화철이 본 발명 범위에 미달하거나 초과하는 경우로, 이황화철 함량이 적어(비교예 5) 슬래그가 비드 중심에 형성되지 못하는 경우와 이황화철 함량이 과다하여(비교예 6) 용접부에 이황화철 이행이 증가하여 용접시 고온균열 발생과 동시에 용접부 저온 충격 인성이 저하되는 경우로 정상적인 용접작업을 하기 어려웠다. 도 5는 비교예 6에서 용접시 고온균열이 발생된 비드 외관을 보여주는 사진이다.

아울러, 비교예 7-10은 Ni함량이 본 발명 범위에 미달하거나 초과하는 경우로, Ni 함량이 적을 경우(비교예 7-8) 합금성분의 감소로 융용성이 향상되어 아크 안정성 및 비드 외관은 우수하지만 -50℃ 저온 충격 인성이 떨어지며, Ni 함량이 많을 경우(비교예 9-10) -50℃ 저온 충격 인성은 우수하지만 Ni 함량 증가에 따라 용융금속의 냉각속도가 급격히 빨라지게 되어 비드 외관상 퍼짐이 저하되어 비드 외관이 적합하지 않았다. 한편 도 6은 비교예 10에서 비드 퍼짐이 저하된 비드 외관을 보여주는 사진이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

1. 강재 외피 내에 플럭스가 충전된 메탈 코어드 아크 용접용 와이어에 있어서,
   상기 플럭스는 자체 중량%로, Si+Mn: 20.0%~22.0%, Na:0.30~0.50%, 이황화철: 0.10~0.30%, Ni: 1.90~2.10%, 잔여 철 분말 및 불가피한 불순물로 조성된 메탈 코어드 아크용접용 와이어.
   

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