KR20010100233A - 텅스텐 산화물이 첨가된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고강도 내열용 스테인리스강의 용접재료로서 가장 적합한 플럭스를 개발함에 있다. 또한 본 발명은 육성 용접용 와이어 스트립 육성에 유용한 플럭스를 제공함에 있다. 또한 본 발명은 중량비로 고강도 내열용 스테인리스강의 용접재료로서 가장 적합한 플럭스를 개발함에 목적이 있다.

이에 본 발명은 CaF₂45-70% , CaO 2-15% ,SiO₂3-12% , MgO 0-10% , Al₂O₃15-30% , WO₃(또는 기타 WO2와 같은 텅스텐 산화물) 0.1-5% 및, (Na₂O+K₂O+MnO+FeO) 0.5-5.0%로 이루어지는 일렉트로슬래그 용접용 플럭스를 제공한다.

Description

텅스텐 산화물이 첨가된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스{Flux for electoslag welding}

본 발명은 스테인리스강을 일렉트로슬래그(Electroslag) 용접에 의해 일반강 표면에 육성용접하거나 맞대기 용접을 위한 산화물계 플럭스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소량의 WO₃(또는 WO₂)를 첨가하여 용접부 특성을 향상시킬 수 있도록 설계된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스에 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 있으며, 이중 일렉트로슬래그 용접은 용착금속의 정련성이 우수할 뿐만 아니라 선박과 같은 대형 구조물의 용접이 가능하기 때문에 산업 전반에 걸쳐서 여러 분야에 널리 적용되고 있는 우수한 용접 공법 중의 하나이다.

상기 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.

이러한 플럭스는 용접시 용착금속의 정련특성, 슬래그 박리성 그리고 개재물의 혼입 등과 같은 용접성에 절대적인 영향을 미치는 중요한 용접재료이다.

특히, 슬래그 박리성은 용접작업성과 직결되는 특성으로서 슬래그 박리성이 나빠지면 생성된 슬래그를 제거하는 데 많은 시간과 노력이 소모되어 작업효율을 저하시키게 된다.

또한 고융점 슬래그는 슬래그가 용착금속으로부터 완전히 제거되지 않음으로써 연속적으로 이어지는 용접작업으로 인한 용착금속 내부의 개재물 혼입이 용착금속의 물성을 저하시키는 직접적인 원인이 된다.

여기서, 일렉트로슬래그 용접용 플럭스는 서버머지드 용접용 플럭스와는 달리 용융상태에서 상대적으로 높은 전도성을 갖는 특징이 있다. 그 이유는 일렉트로슬래그 용접에서 상대적으로 얇은 슬래그 용융체를 통해 안정한 옴 전기전도(ohmic electric conduction)를 이루는 것이 매우 중요하기 때문이다. 다시 말하면 일렉트로슬래그 용접 중에 아크 발생이 없이 안정한 작업이 이루어짐을 의미한다.

플러스 전기전도도의 향상은 CaF₂와 같은 불화물의 함량을 중가시킴으로써 가능하다.

그러나 CaF₂는 위와같은 장점을 갖는 반면 CaF₂함량 증가에 의해 슬래그의 점성은 증가되는 경향이 있고(C.E.Jackson:Fluxes and slags in welding, WRC,bulletin 190, 1976), CaF₂함량의 증가는 용착률과 희석률을 감소시키는 단점이 있다.

극단적으로 100% CaF₂플럭스를 사용하면 불완전한 용융으로 희석률이 거의 0%가 되는 문제를 발생시킨다.

따라서 CaF₂함량의 증가와 감소에 따른 장점과 단점이 각각 극대화되고 극소화되는 최적 함량을 결정하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.

그런데, 종래의 일렉트로슬래그 용접용 플럭스를 살펴 보면 CaF₂를 주 첨가 화합물로 하여 Al₂O₃와 SiO₂가 적절히 첨가된 화합물을 주로 기본 골격으로 이용하고 있다.(Y.K.Oh, J.H.Devletian and S.J.Chen:Welding J., 1990, 37).

이외에 많은 일렉트로슬래그 용접용 플럭스가 특허에 등록되어 있는 데, 한 부류는 용융 슬래그의 전기전도 향상을 도모하는 CaF₂를 다른 불화물인 NaF로 대체한 일본 특허 8504995, 반도체 산화물인 TiO₂로 일부 대체한 일본특허 85036876, MgF₂또는 BaF₂로 대체한 일본특허 60196287 등이 있다.

TiO₂로 대체한 경우에는 다량의 TiO₂가 슬래그 박리성을 악화시키는 특성 때문에 CaF₂효과가 반감되는 문제점이 있으며 CaF₂에 비해 상대적으로 고가인 MgF₂나 BaF₂는경제성이 낮다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고강도 내열용 스테인리스강의 용접재료로서 가장 적합한 플럭스를 개발함에 목적이 있다.

또한 본 발명은 육성 용접용 와이어 스트립 육성에 유용한 플럭스를 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일렉트로슬래그 용접용 플럭스는, CaF₂45-70% , CaO 2-15% ,SiO₂3-12% , MgO 0-10% , Al₂O₃15-30% , WO₃(또는 기타 WO₂와 같은 텅스텐 산화물) 0.1-5% 및, (Na₂O+K₂O+MnO+FeO) 0.5-5.0%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 구성물에 Mo 함유 산화물을 0-5.0%까지 복합적으로 첨가하여 보다 융착금속의 특성을 높일 수 있다.

서버머지드 아크 용접용 플럭스의 경우에는 CaF₂는 가스형성제로서 용융금속의 표면을 보호성 분위기를형성하여 차폐하는 기능을 담당한다. 그러나 일렉트로슬래그 용접용 플럭스의 첨가화합물로 이용될 때는 주 기능이 용융 슬래그의 전기전도도를 일정수준으로 유지하여 아크 밸생없이 작업이 진행되는 기능을 부여한다.

본 발명에서는 45-70%로 그 첨가범위를 한정한다. CaF₂의 함량이 45%보다 낮으면 적정한 전기전도도의 유지가 어려울 뿐만 아니라 점성이 떨어져 일렉트로슬래그 용접 자체가 어렵게 된다. 반면에, 그 함량이 70%를 초과하면 플로라이드 가스의 발생량이 급격히 증가할 뿐만 아니라 전기전도도의 과다한 증가에 의해 주울열(Joule heat)이 불충분해질 뿐만 아니라 점성이 증가하여 정상적인 작업을 유지하기가 어렵게 되는 문제점이 있다.

MgO는 응고온도가 상대적으로 높은 화합물로서 플럭스의 용융온도를 제어하여 적정 잠성을 유지하기 위해 이용되며 특히 그 첨가에 의해 슬래그의 열팽창계수를 증가시킴으로써 슬래그 박리성을 개선할 수 있다. 또한 MgO는 염기성 성분으로서 용착금속의 산소를감소시키는 역할을 담당하며 그 첨가량을 0-10%로 제한한다. 본 발명에서 MgO의 첨가량은 슬래그 박리성의 개선측면에서는 유리하지만, SiO₂나 Al₂O₃가 적정량 첨가된 경우에도 용접비드 외관을 해치는 경향이 있어서 10%이하로 제한한다.

플럭스 성분 중 SiO₂는 슬래그의 점성을 증가시키는 동시에 용접비드의 외관을 깨끗하게 만드는 작용을 하며 그 첨가량을 3-12%로 제한한다. 특히 SiO₂는 슬래그의 유동성을 제어하여 용융금속을 보다 효율적으로 에워싸는 기능을 수행하며 결과적으로 용착금속 표면과 형상에 결정적인 역할을 한다.

SiO₂가 3% 미만인 경우에는 응고온도의 상승으로 점성이 낮아지기 때문에 슬래그의 유동성이 과다하게 증가되어 용접비드의 표면을 거칠게 하는 단점이 있다. 만일 12%를 초과하면 슬래그의 유동성이 나빠져 용착금속 표면에 결함들을 형성시킬 뿐만 아니라 CaF₂의 작용으로 인체에 유해한 SiF₄가스발생이 크게 증가하므로그 함량을 특히 제한해야 한다.

SiF₄의 발생을 억제하기 위하여 CaO를 SiO₂첨가량의 50% 이상을 CaF₂대신에 첨가해야 한다. 그러므로 CaO의 함량이 2%이하가 되면 SiF₄의발생을 억제하기에는 부족하다. 그러나 CaO의 함량이 15%이상이 되면 슬래그 박리성이 매우 나빠지므로 약 15%로 그 함량을 제한한다.

Al₂O₃는 약산성 성분으로서 용융슬래그의 융점과 전기전도도에 영향을 주는 성분으로 15-30%로 그 첨가량을 한정한다. 그 첨가량이 15% 미만인 경우에는 용접비드 외관을 나쁘게 하는 문제점이 있다. 만일 첨가량이 30%를 초과하면 용융 슬래그의 전기전도를 너무 낮추어 작업중에 아크 발생을 초래한다.

WO₃(또는 WO₂)는 본 발명에서 가장 중요한 첨가물로 용융 슬래그의 융점을 낮추어 유동성을 향상시켜 용접비드 외관을 향상시키는 동시에 스텐레스강이나 일반강의 용접부에 W을 첨가시키는 기능을 나타낸다. 이러한 몰리브덴 산화물 주요 첨가 효과는 모재 금속에 W을 첨가하는 효과가 있으므로 모재와 동일한 용접재로 작업하더라도 용접부가 보다 강화되는 상승작용이 있어 용접으로 인한 강도 감소를 보상하는 효과가 있다.

그 첨가량은 0.1-5%로 제한하는 것이 바람직하다. 그 이유는 WO₃가 0.1%이하로 첨가되면 그 효과가 미비하고 5%이상 첨가되면 경제적이지 못하다는 단점이 있기 때문이다.

또한 본 발명에서는 WO₃과 함께 MoO₃를 복합적으로 첨가하여 용착금속의 강도를 Mo와 W의 복합첨가효과에 의해 보다 상승시킬 수 있다.

상기의 Na₂O, K₂O, MnO, FeO는 플럭스 제조시 구성분말들을 서로 응집시키기 위하여 첨가되는 바인더나 SiO₂, CaF₂, MgO, Al₂O₃와 같은 원료분말에 함유된 불순물로써 본 발명의 플럭스 특성에는 큰 영향을 미치지 않는 성분이다. 그러나 바인더 함량이 너무 적은 경우에는 점결력이 너무 약해 적절한 입도를 갖는 플럭스 제조가 어렵다.

Na₂O, K₂O 함량이 5% 이상으로 증가되는 과다한 바인더 첨가시에는 아크를 불안정하게 할 뿐만 아니라 응집분말의 유동성이 증가하여 정상적인 응집작업을 어렵게 한다.

그리고 본 발명의 플럭스 입도는 입자의 90% 이상이 0.25-1.2mm의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 0.25mm 보다 작은 입자나 1.2mm보다 큰 입자가 10% 이상이 되면 아크 안정성이 나빠져 최적의 용접성을 나타내지 못하기 때문이다.

실시예 1

본 발명에서는 일렉트로슬래그 용접에 적합한 플럭스의 용접 특성을 평가하기 위하여 CaF₂, CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO 화합물을 기본 구성성분으로 하여 WO₃(또는 WO₂) 첨가량을 조절함으로써 제조하였다. 원료분말은 원하는 조성으로 혼합한 후에 shake mixer에서 회전속도 30-150rpm으로 10분 이상 건식 혼합하였다. 혼합분말에균일한 조성과 강도를 부여하기 위하여 열처리로에서 1050℃, 10분 이상 소결되었다. 소결처리된 플럭스는 분쇄기에서 파쇄되어 대략 0.3-1.0mm의 입도범위를 갖도록 조절되었다. 본 발명에 사용된 플럭스의 화학조성은 표 1에 나타내었다.

일렉트로슬래그 육성용접을 위한 플럭스의 화합물 성분

플럭스	SiO2	CaF2	CaO	MgO	Al2O3	WO3	MoO3	기타
비교재 1	7.0	59.0	6.0	0.02	25.0	0	0	나머지
비교재 2	6.7	58.0	6.0	4.2	22.0	0	0	나머지
발명재 1	7.0	57.0	6.0	0.02	24.0	1.0	0	나머지
발명재 2	7.0	56.5	6.0	0.02	23.0	3.0	0	나머지
발명재 3	6.5	56.0	6.0	5.0	21.0	1.0	0	나머지
발명재 4	7.0	57.0	6.0	0.02	24.0	0.5	0.5	나머지

용접성 평가는 제조된 플럭스를 이용하여 용접특성 평가는 400*300*35mm의 SCM440 강 표면위에 표 1에 표시한 여러 가지 플럭스 재료를 서버머지드 아크 용접법을 이용하여 육성용접하였다. 용접조건은 60mm 폭을 갖는 스텐레스 430 스트립을 사용하여 800-1000A, 25-27V로 작업하였다. 용접성은 슬래그 박리성과 용접비드의 형태 및 표면상태를 정상적으로 평가하고 아크 안정성을 측정하여 평가하였다.

그리고 용착금속의 단면을 조사하여 슬래그 혼입여부의 내부결함을 조사하였다. 그리고 용착금속에 플럭스 성분으로 첨가된 텅스텐 산화물의 W의 회수율을 호학성분 조사에 의해 평가하였다.

플럭스를 이용한 용접성 평가 결과

플럭스	슬래그 박리성	용접중 아크 발생유무	용접비드 형태	표면산화	개재물 혼입
비교재 1	++	약함	+	△	무
비교재 2	++	약함	+	△	무
발명재 1	++	무	++	++	무
발명재 2	++	무	++	++	무
발명재 3	++	무	++	++	무
발명재 4	++	무	++	++	무

++ 매우 우수 , + 우수 , △ 보통 , ×나쁨 , ××매우나쁨

표 2는 제조된 플럭스의 용접성을 평가한 결과로써 비교재의 표면이 심하게 산화된 상태를 보인다. 반면에 본 발명의 플럭스는 용접중 아크 발생유무, 슬래그 박리성 그리고 용접비드 외관이 우수할 뿐만 아니라 표면도 용착금속의 광택을 그대로 나타내는 우수한 용접특성을 나타내고 있다.

비교재와 발명재로 육성한 후의 용착금속 조성

플럭스	C	Cr	Si	Mn	W	Mo	P	S	Fe
비교재 1	0.08	14.19	0.53	0.25	0.007	0.037	0.027	0.0004	나머지
발명재 1	0.074	14.52	0.43	0.25	0.236	0.032	0.026	〈0.0002	나머지
발명재 2	0.08	14.1	0.42	0.27	0.69	0.032	0.030	〈0.0002	나머지
발명재 4	0.083	14.21	0.45	0.26	0.12	0.108	0.030	〈0.0002	나머지

표 3은 WO₃가 플럭스에 첨가된 경우와 첨가지되 않는 경우에 용착금속의 합금조성을 분석한 결과이다. 발명재1의 경우에 슬래그와 용착금속의 무게비(0.35)를 근거로 하여 텅스텐산화물(WO₃)중에 텅스텐 금속의 중량비는 79.3%이므로 금속원소로 용착금속에 함유되는 회수율을 계산해 보면 거의 83%에 달하는 결과가 도출된다. 이 결과는 플럭스에 함유된 대부분의 텅스텐이 용착금속으로 이전되는 우수한결과를 의미하는 것이다.

또한 본 발명재4의 경우에는 WO₃뿐만 아니라 MoO₃를 복합적으로 첨가한 경우에도 약 75-83%에 달하는 높은 회수율을 보이며 용접성 또한 우수하다는 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같이 W 또는 Mo을 함유하는 산화물을 복합적으로 첨가하는 경우에도 텅스텐과 몰리브덴이 용착금속으로 충분히 이전되어 경도나 강도특성이 우수한 용착금속을 얻을 수 있었다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 텅스텐 산화물이 첨가된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스에 의하면, 용접시에 모재에 비해 용착금속의 특성이 떨어지는 것을 방지할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 중량비로 CaF₂45-70% , CaO 2-15% ,SiO₂3-12% , MgO 0-10% , Al₂O₃15-30% , WO₃(또는 기타 WO₂와 같은 텅스텐 산화물) 0.1-5% 및, (Na₂O+K₂O+MnO+FeO) 0.5-5.0%로 이루어지는 일렉트로슬래그 용접용 플럭스.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 MoO₃(또는 Mo를 포함하는 산화물)의 함량이 0-5%까지 함께 첨가되는 것을 특징으로 하는 텅스텐 산화물이 첨가된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 플럭스의 입도가 총 입자의 90% 이상이 0.25-1.2mm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 텅스텐 산화물이 첨가된 일렉트로슬래그 용접용 플럭스.