KR20000074501A - 용접용 플럭스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접재료로서 가장 적합한 입도범위를 갖는 플럭스를 제조하는 방법에 관한 것으로 산화물계 화합물, 불화물계 화합물, 탄산계 화합물, 붕화물계 화합물, 그리고 질화물계 화합물군에서 둘 이상의 조합으로 선택된 화합물과 바인더 그리고 물을 혼합 및 응집시킨 후, 이들 응집체를 체가름하여 응집체의 크기가 0.3 내지 1.0mm 범위이고 이 범위내의 입도를 갖는 응집체가 총 입자중량의 90% 이상이 되도록 한 다음 300-1800^oC에서 소결하여 용접용 플럭스를 제조하는 것이다.

Description

용접용 플럭스의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING WELDING FLUX}

본 발명은 용접에 사용되는 플럭스를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 탄소강이나 고합금강의 맞대기 용접 또는 육성용접에 사용되는 비금속계 플럭스의 제조방법에 관한 것이다.

일반 탄소강이나 고합금강의 맞대기 용접 또는 육성용접을 하는데 에는 서브머지드 아크 용접법(submerged arc welding)이나 일렉트로 슬래그 용접법(electroslag welding)이 주로 사용되고 있다.

서브머지드 아크 용접법이나 일렉트로 슬래그 용접법은 용착금속의 정련성이 우수할 뿐만 아니라 자동 및 반자동 용접이 가능하기 때문에 일반 탄소강이나 고합금강의 용접뿐만 아니라 기타 다른 재료의 용접에서도 널리 적용되고 있다.

이들 용접법은 모래 모양의 플럭스를 용접대상 재료위에 쌓아두고 전류를 흘려 용접하는 방법으로서 다른 용접법에 비하여 플럭스의 사용량이 많은 것이 특징이다. 통상 이러한 용접법에서 사용되는 플럭스의 소모량은 용착금속의 1.0-1.3배 정도에 달한다.

용접에 사용되는 플럭스는 용접시 용착금속의 정련특성, 슬래그 박리성 그리고 개재물의 혼입 등과 같은 용접성에 절대적인 영향을 미치는 중요한 용접재료이다. 특히 슬래그의 박리성은 용접작업성과 직결되기 때문에 슬래그 박리성이 나빠지면 생성된 슬래그를 제거하는데 많은 시간과 노력이 소모되어 작업효율을 저하시키게 된다.

이와 같이 용접성에 영향을 미치는 플럭스는 그 구성성분도 중요하지만 플럭스 입자의 크기 및 그 형상 또한 용접성과 용접생산성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

예를 들면 플럭스의 입도가 0.2mm 이하인 입자가 너무 많이 분포되면 아크가 불안정하여 용접성이 크게 악화되고, 입자크기가 1.2mm 이상인 입자가 많이 분포되면 아크가 잘 발생하지 않아 용접이 불가능한 상황이 발생하는 문제점이 있다. 특히 1.0mm이상의 입자가 100%인 경우에는 아크가 발생하기 어려워 용착이 불가능한 상태가 되기도 한다.

이와 같은 용접용 플럭스의 제조방법에 관한 선행기술로서 일본공개특허 (소) 62-34695호, (평) 2-151393호, 그리고 대한민국 특허공보 96-412호가 있으며, 이들 선행기술에서는 SiO₂, CaF₂, MgO, Al₂O₃그리고 TiO₂등과 같은 비금속계 플럭스를 개시하고 있다.

상기 선행기술에서는 플러스를 구성하는 여러 가지 화합물을 일부 또는 선택적으로 첨가하고 화합물의 첨가 비율을 적절히 제어하여 플럭스를 제조함으로써 용접작업의 효율성 및 용접특성을 높일 수 있다고 제안하고 있으나 플럭스의 입도나 모양에 따른 용접성에 대해서는 나타나 있지 않다.

용접용 플럭스의 제조방법에 관한 또 다른 선행기술로서 미합중국 특허 제 3627592호가 있다.

상기 미합중국 특허에서 개시된 플럭스 제조 방법은 단순히 플럭스 구성물을 바인더로 결합시켜 밀가루 반죽형태로 만들어진 괴상의 혼합물을 소결하는 것이다. 그러나 이 방법은 괴상의 혼합물 자체의 입도가 수십mm에서 수백mm이상으로 크기 때문에 소결공정 이후에도 이렇게 큰 입도를 유지하게 된다. 따라서 이 방법으로 제조된 플럭스는 용접용 플럭스로서 요구되는 0.3-2mm정도 입자의 크기를 만족시킬 수 없기 때문에 소결된 상태로는 용접용 플럭스로 직접 이용하기 어렵다.

이와 같이 상기 미합중국 특허를 포함해서 종래의 선행기술들은 입도가 큰 괴상의 플럭스 소결물을 용접용으로 사용하기 위하여 소결공정 이후에 파쇄하고 파쇄된 입자들의 입도를 분류하여 사용하고 있다.

그러나 소결공정 이후에 플럭스 소결물을 파쇄하게 되면 요구되는 입도분포에 맞는 플럭스를 제조하기 어렵고 파쇄 입자가 날카롭고 비정형화 되어 용접성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은 용접재료로서 가장 적합한 입도범위를 갖는 플럭스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 달성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 용접용 플럭스의 제조율을 나타내는 그래프이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플럭스 구성 성분을 혼합한 혼합물을 소결공정 이전에 먼저 입도를 분리한 후 적정크기의 입도를 갖는 혼합물을 소결하여 90%이상의 혼합체 입자가 적정 입도범위내에 있도록 제어하는 플럭스 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 플럭스 제조공정은 혼합 및 응집공정, 입도제어공정, 그리고 소결공정의 순으로 이루어진다. 이와 같은 공정은 소결공정 이전에 혼합물의 입도를 분리한다는 점과 소결후에 소결된 혼합물을 파쇄하거나 입도를 분리할 필요가 없다는 점이 가장 큰 특징이다.

본 발명에 의하여 제조되는 용접용 플럭스는 SiO₂, MgO, Al₂O₃, K₂B₄O₇, Cr₂O₃, CaO, TiO₂, Na₂O, K₂O, MnO, MnO₂, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, ZrO₂등과 같이 산소(O)를 함유하는 산화물계 화합물, CaF₂, K₂SiF₆, BaF, NaF와 같이 불소(F)를 함유하는 불화물계 화합물, CaCO₃, BaCO₃와 같이 탄산(CO)을 함유하는 탄산계 화합물, 보론(B)을 함유하는 붕화물계 화합물, 그리고 질소(N)를 함유하는 질화물계 화합물 중에서 둘 이상 화합물 군에서 선택된 화합물의 혼합체로부터 제조된다.

여기서, 상기의 Na₂O, K₂O, MnO, FeO는 플럭스 제조시 구성분말들을 서로 응집시키기 위하여 첨가되는 바인더 또는 SiO₂, CaF₂, MgO, Al₂O₃와 같은 원료분말에 함유된 불순물로 함유되나 본 발명의 플럭스 특성에는 큰 영향을 미치지 않는 성분이다. 그러나 바인더 함량이 너무 적은 경우에는 점결력이 너무 약해 적절한 입도를 갖는 플럭스 제조가 어렵다. 한편 Na₂O, K₂O 함량이 5% 이상으로 증가되는 과다한 바인더 첨가시에는 아크를 불안정하게 할뿐만 아니라 응집분말의 유동성이 증가하여 정상적인 응집작업을 어렵게 한다. 따라서 Na₂O나 K₂O는 혼합물의 점결력을 유지하는 범위내에서 5% 미만 첨가하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 플럭스 구성성분을 선택하여 플럭스를 제조하는 공정은 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 혼합 및 응집공정에 대하여 설명한다. 혼합 및 응집공정은 첫 번째는 선택된 플럭스의 구성분말을 혼합하는 단계로서 칭량한 각 구성분말을 서로 균일하게 혼합될 수 있도록 수작업 또는 믹서기 등과 같은 기계적인 작업을 통하여 혼합한다. 두 번째는 각 구성분말들의 혼합과는 별개로 바인더와 물을 혼합하는 단계로서 서로 균일하게 혼합되도록 역시 수작업 또는 믹서기 등과 같은 기계적인 작업으로 혼합한다. 이 때 첨가되는 바인더는 앞서 설명한 바와 같이 Na₂O, K₂O 함량이 5% 이상으로 증가되지 않도록 첨가되어야 한다. Na₂O, K₂O 함량이 5%이상이 되면 용접성을 크게 악화시킬 뿐만 아니라 혼합체의 유동성이 증가하여 입도조절이 어렵게 되는 문제점을 발생시킨다. 그리고 세번째 단계는 구성분말 혼합체와 바인더 및 물이 혼합된 혼합체를 일정비율로 혼합하여 서로 균일하게 혼합되도록 수작업 또는 믹서기 등과 같은 기계적인 작업으로 혼합한다. 여기서 세번째 단계의 혼합은 플럭스 구성물 간에 점결력을 갖도록 하는데 그 목적이 있다.

이상에서는 구성분말 혼합체를 먼저 혼합하고 바인더 및 물이 혼합된 혼합체를 별개로 혼합한 다음 이들을 한데 모아 양자를 혼합하는 방법에 대하여 설명하였으나 이러한 혼합 및 응집공정은 구성분말 혼합체와 바인더 그리고 물을 모두 동시 혼합할 수도 있다.

본 발명에서 입도제어 공정은 원하는 입도범위를 갖도록 플럭스 입도를 조절하는 공정으로써 본 발명에서 가장 중요한 공정이다. 이러한 입도제어 공정은 구성분말 혼합체와 바인더 그리고 물이 혼합되어 응집된 응집체를 망상의 체에 통과시키는 것이다. 이때 사용된 망상의 체는 용접용 플럭스로서 요구되는 0.3-1mm 정도의 입자만을 체가름하기 위하여 18 메시(mesh) 전, 후의 체를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 소결공정전에 입도를 제어하는 것은 소결전의 입자의 크기가 소결후에도 큰 변화 없이 유지됨과 아울러 입자의 형상 또한 구형에 가깝게 유지되게 때문이다.

그리고 소결공정은 입도가 조절된 응집체를 소결하는 공정으로 플럭스 구성 성분간의 접합력을 부여하고 소결체에 강도를 부여하는 공정이다. 입도가 조절된 응집체들을 열처리로에 장입하여 300-1800^oC에서 10초 이상 소결처리하면 용접에 사용되는 플럭스가 제조된다. 이 때 소결처리 온도가 300^oC 이하가 되면 플럭스 구성 성분간의 접합강도가 너무 낮아 제조된 플럭스 입자가 쉽게 부서지는 단점이 있고, 1800^oC 이상으로 소결처리하는 경우에는 온도가 너무 높아 응집체 들이 상호 융착할 뿐만아니라 생산비용 또는 유지비용이 크게 상승하는 단점이 있다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

본 실시예에서는 서브머지드 아크 용접에 이용되는 플럭스를 제조하기 위하여 출발물질로서 SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaF₂화합물을 선택하였다. 선택된 상기 화합물 분말을 SiO₂15 내지 25 중량%, Al₂O₃10 내지 20 중량%, MgO 30 내지 45 중량%, CaF₂20 내지 30 중량%로 칭량한 후, 진동믹서(shake mixer)에 담아 회전속도 30 -150rpm으로 10분 이상 건식 혼합하였다. 혼합된 상기 화합물에 바인더로 규산소다 용액을 첨가하고 여기에 적당량의 물을 혼합용액으로 첨가한 후 진동믹서에서 이들을 혼합하여 화합물을 응집시켰다.

이렇게 응집된 화합물 응집체를 18 메시 체에 통과시켜 0.3-1.0mm의 입도범위를 갖도록 입도를 조절하였다. 입도가 제어된 화합물 응집체는 대기 중에서 건조하였다.

그리고 건조된 화합물 응집체를 열처리로에 장입한 후 1050^oC 에서 10분 이상 소결하여 플럭스로 사용하기에 적당한 강도를 갖는 플럭스를 제조하였다.

본 실시예 1은 동일한 공정으로 2회에 걸쳐 실시하였다.

비교예 1

본 발명에 의하여 제조된 플럭스의 입도제어 능력을 비교하기 위하여, 실시예 1과 동일한 성분으로 구성된 화합물을 이용하여 종래의 공정 즉, 혼합 및 응집, 소결, 파쇄, 입도분류 순으로 플럭스를 제조하였다.

선택된 화합물 분말을 혼합하고 응집하는 과정은 실시예 1과 동일하게 하였다. 혼합 응집된 화합물 응집체는 30mm 이상의 입도를 갖고 통상 구형의 형상이다. 이와 같은 크기를 갖는 화합물 응집체를 열처리로에 장입한 후 1050^oC, 10분 이상 소결하여 적당한 강도를 갖는 플럭스를 제조하였다. 소결된 상태의 플럭스는 30mm 이상의 입도를 갖고 있으므로 실제 용접에 사용하기에 적당한 입도로 제조하기 위하여 분쇄기에서 플럭스를 파쇄하였다. 이 때 용접에 적당한 입도범위를 갖도록 분쇄기롤의 간격을 조절하였다. 파쇄된 플럭스 입자는 입도분류공정을 통하여 분류하였다.

이상과 같은 비교예 1은 실시예 1과 마찬가지로 동일한 공정으로 2회에 걸쳐 실시하였다.

표 1은 실시예 1과 비교예 1에 의하여 제조된 플럭스의 입도분포 결과를 나타낸 것이다.

입도범위(mm)	비교예 1	실시예 1
	1차(%)	2차(%)	1차(%)	2차(%)
+1.0	18.5	12.3	0.0	0.0
1.0∼0.3	18.1	10.0	96.0	95.0
-0.3	63.4	77.7	4.0	5.0

표 1에서 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 플럭스는 비교예 1보다 6배 이상 우수한 입도제어 능력을 갖는 것을 알 수 있다.

즉, 비교예 1은 플럭스 구성물을 혼합 및 응집한 이후에 소결→파쇄→입도분류 순으로 플럭스가 제조되기 때문에 1.0∼0.3mm 범위를 갖는 플럭스 입자의 제조수율은 15%정도인 반면, 실시예 1에 따라 제조된 플럭스는 화합물 응집체를 먼저 입도분류 한 후 소결하여 파쇄단계가 생략되기 때문에 1.0∼0.3mm 범위를 갖는 플럭스 입자의 제조수율이 95% 이상으로 매우 월등하였다.

한편, 실시예 1과 비교예 1에 의하여 제조된 플럭스의 용접성을 평가하기 위하여 제조된 플럭스를 이용하여 실제 육성용접 실험을 하였다. 이때 사용한 용접법은 서브머지드 아크 용접법이며, 실험에 사용한 강재는 직경 450mm, 두께 70mm의 SCM440강이다.

서브머지드 아크 용접은 제조된 플럭스를 SCM440강재의 표면에 모래 형태로 쌓아 올리고 그 속에 용접와이어 MCW(metal cored wire)를 박아 넣은 후 380-450A, 27-34V 전류를 인가하여 아크 용접을 행하였다.

플럭스의 용접성은 용접후의 슬래그 박리성과 용접비드의 형태 및 표면상태를 정성적으로 평가하였고 아크 안정성을 측정하여 평가하였다. 그리고 용착금속의 단면을 조사하여 슬래그 혼입여부와 내부결함도 함께 조사하였다.

표 2는 실시예 1과 비교예 1에 의하여 제조된 플럭스의 용접성 실험 결과를 나타낸 것이다.

플럭스	아크안전성	슬래그박리성	용접비드형태	표면산화	개재물혼입
비교예 1	Ｘ	○	△	무	무
실시예 1	◎	◎	◎	무	무

* ◎: 매우우수, ○: 우수, △: 보통, Ｘ: 나쁨

표 2에 나타나 있는 바와 같이 비교예 1에 의하여 제조된 플럭스는 아크 발생에 따른 안정성이 나빠져 슬래그 박리성이나 용접비드 형상을 악화시키는 문제점이 있다. 그러나 실시예 1에 의하여 제조된 플럭스는 아크 안정성, 슬래그 박리성 그리고 용접비드 외관이 우수할 뿐만 아니라 표면도 용착금속의 광택을 그대로 나타내는 우수한 용접특성을 나타내고 있다.

본 발명은 기존 제조공법과는 달리 소결공정 이전에 미리 화합물 응집체를 입도분류하여 소결함으로써 제조공정이 간단하면서도 제조된 플럭스의 입도가 90% 이상이 플럭스로 사용하기에 적합한 입도분포를 갖고 있고, 제조된 플럭스의 모양 또한 구형에 가깝게 조절되어 아크 안정성, 슬래그 박리성 그리고 용접비드 외관이 우수할 뿐만 아니라 표면도 용착금속의 광택을 그대로 나타내는 우수한 용접특성을 나타내는 발명의 효과를 가진다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

1. 산화물계 화합물, 불화물계 화합물, 탄산계 화합물, 붕화물계 화합물, 그리고 질화물계 화합물군에서 둘 이상의 조합으로 선택된 화합물과 바인더 그리고 물을 혼합하고 응집시키는 단계와;

   상기 응집체를 입도 분류하는 단계와;

   상기 입도 분류 단계에 따라 선택된 입도 분포를 갖는 상기 응집체를 소결하는 단계;

   를 포함하는 용접용 플럭스의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 및 응집 단계에서 첨가되는 바인더는 Na₂O, K₂O 함량이 5% 이하 인 것을 특징으로 하는 용접용 플럭스의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 입도분류 단계에서 분류된 상기 응집체의 크기는 0.3 내지 1.0mm 범위이고 이 범위내의 입도를 갖는 상기 응집체가 총 입자중량의 90% 이상인 것을 특징으로 하는 용접용 플럭스의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 소결단계에서 상기 응집체의 소결온도는 300-1800^oC 인 것을 특징으로 하는 용접용 플럭스의 제조방법.