KR20020078348A

KR20020078348A - 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어

Info

Publication number: KR20020078348A
Application number: KR1020010018700A
Authority: KR
Inventors: 김종원
Original assignee: 고려용접봉 주식회사
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-18
Also published as: CN1380160A; CN1248822C; JP2002361486A; US20030052112A1; US6833530B2; KR100419495B1; JP3787104B2

Abstract

본 발명은 사용상의 작업성과 저온 충격값이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로, 저탄소강의 연강용 외피(Sheath)에 티타니아계를 베이스로 하는 플럭스를 충전한 가스 쉴드 아아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 중량퍼센트로 TiO₂4.0∼8.0%, Mn 1.0∼3.0%, Si 0.1∼1.0%, B 0.002∼0.02%, Mg 0.2∼0.45%, Al 0.15∼0.3%를 함유한 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 Al 대비 상기 Mg의 함유비율이 1.45 이상 1.55 이하이면 보다 바람직하다.

이에 따라, 전자세에 있어서 용접작업성이 우수하면서 저온인성이 양호한 용접금속을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 양호한 비이드 형상과 아아크 안정성 및 스패터 발생량의 최소화로 용접능률성이 매우 우수하게 되는 효과가 있는 것이다.

Description

가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어{Flux Cored Wire For Gas Shielded Arc Welding}

본 발명은 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로서, 특히 티타니아계를 베이스로 하는 플럭스가 충전되며 탄산가스 또는 아르곤과 탄산가스의 혼합가스를 쉴드 가스로 사용하는 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.

일반적으로 연강 및 인장강도가 50kgf/㎟ 이상인 고장력강에 주로 적용되고 있는 티타니아계 플럭스 코어드 와이어는 작업성은 매우 우수하지만 저온이나 대입열 용접 등의 용접금속에서는 충격인성이 낮은 것이 단점으로 나타나고 있다.

특히, 충격치를 엄격히 규정하고 있는 선급규격 그레이드Ⅲ(Grade Ⅲ; -20℃에서 55J이상), 알루미늄 킬드강 등의 저온용 강(-40℃∼-50℃에서 28J이상)에서는 용접금속의 충격값이 문제가 되어 그 적용이 곤란하였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 염기성계의 플럭스를 충전하여 줌으로써 용접금속은 저온에서의 충격값은 어느 정도 만족할 수 있었으나, 작업성에 있어서는 전(全)자세 용접이 불안하거나 스패터 및 용접흄(Fume)의 발생이 증가하는 등의 문제를 나타내게 되었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 사용상의 작업성과 저온 충격값이 우수한 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공하는 데에 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 용접작업성을 시험하기 위해 사용된 입향상진 용접용 시편을 나타낸 사시도,

도 2(a)는 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 용접부의 고온균열 시험을 위해 사용된 시편을 나타낸 평면도,

도 2(b)는 도 2(a)의 A-A선 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 모재2, 4 : 용접 비이드3 : 시험판재

5 : 구속대6 : 백킹 세라믹재D : 용접방향

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 저탄소강의 연강용 외피(Sheath)에 티타니아계를 베이스로 하는 플럭스를 충전한 가스 쉴드 아아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서,상기 플럭스는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 중량퍼센트로 TiO₂4.0∼8.0%, Mn 1.0∼3.0%, Si 0.1∼1.0%, B 0.002∼0.02%, Mg 0.2∼0.45%, Al 0.15∼0.3%를 함유한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 Al 대비 상기 Mg의 함유비율이 1.45 이상 1.55 이하이면 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 있어서, 연강용 외피의 내부에 충전되는 플럭스는 각각 아아크 안정제, 슬래그 형성제, 탈산제 및 합금첨가제 등의 기능을 할 수 있도록 배합, 구성되었다.

이 가운데 슬래그 피포성과 유동성을 고려하여 산화물로서 TiO₂성분의 함량(이하, 중량퍼센트)이 와이어 전체 중량 100%에 대하여 4.0∼8.0%가 되도록 하였다.

또, 탈산제로서 Fe-Mn, Me-Mn, 기타 Mn합금철 등을 플럭스중에 첨가하고, 이들을 Mn량으로 환산하였을 때 와이어 전체 중량 100%에 대해 1.0∼3.0% 범위가 되도록 하였다.

그리고, 탈산기능과 슬래그의 점성 등을 고려하여 Fe-Si, Fe-Si-B 등을 첨가하되, 그 구성비는 Si로서 와이어 전체 중량 100%에 대하여 0.1∼1.0% 범위가 되도록 하고, B는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 0.002∼0.02%가 되도록 조정함으로써, 슬래그의 피포성과 유동성을 일정하게 하여 안정된 전자세 용접이 가능하게 하였으며, 저온에서의 충격치도 향상시킬 수 있게 되었다.

또한, 아아크 안정성과 비이드의 형상을 개선하기 위하여 Mg과 Al을 첨가하는데, Al에 대한 Mg의 함유비율(Mg/Al)이 식(1)을 만족할 수 있도록 함으로써, 아아크의 안정성과 집중력을 보다 향상시키고, 전술한 플럭스의 제반 기능을 더욱 향상시켜 전자세 용접이 편리하도록 할 수 있으며, 특히 저온에서의 충격인성을 보다 더 향상시킬 수 있다.

1.45 ≤Mg/Al ≤1.55 - - - 식(1)

한편, 여기에 사용되는 플럭스로서는 Mg-Al, Me-Mg, Fe-Al, Me-Al 등으로 첨가할 수도 있다.

다음, 본 발명의 플럭스에 있어서 수치한정 이유를 상세히 설명한다.

티타니아계 플럭스의 주성분인 TiO₂는 슬래그 형성제의 기능과 아아크 안정제로서 매우 중요한 바, 슬래그 형성제로서는 보기 드물게 우수한 피포성과 박리성을 갖고 있다.

그러나, 상기 TiO₂는 4.0%미만에서는 양호한 비이드 외관과 형상을 얻을 수 없으며, 슬래그 피포성이 부족해지고 아아크 안정성도 나빠지게 되면서 스패터 발생량이 증가하게 된다. 또, 8.0%를 초과하게 되면 슬래그 발생량이 과다해져 슬래그 층이 두터워지고, 용융풀의 부상과정에서 비금속 개재물로 잔존하거나 슬래그혼입이 발생할 우려가 있다.

이러한 TiO₂의 공급원료로서는 광석으로서의 루타일 샌드(rutile sand)나 환원 일미나이트 또는 산화티탄, 리콕신 등이 사용된다.

탈산제로서 첨가되는 Mn은 탈산제로서의 주기능과 아울러 부가적인 기능으로서 용접금속의 산소량을 줄여 저온인성을 향상시킨다.

그러나, 상기 Mn은 1.0%미만에서는 탈산력이 충분하지 못하여 아아크가 불안정하여지거나 블로우홀의 발생에 민감해진다. 또, 3.0%를 초과하게 되면 강도가 규정규격을 초과하거나 고온에서의 균열을 발생시키기 쉽다.

따라서, Mn의 함유범위는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 1.0∼3.0%가 적절하며, 공급원료로서는 Fe-Mn, Me-Mn, Si-Mn 등이 사용된다.

탈산제로서 첨가되는 Si는 용접금속내의 산소를 줄여주고, SiO₂로 되어서 슬래그화하여 유동성과 피포성을 좋게 하기도 하며, 슬래그의 점성을 조정하여 입향상진 자세의 용접을 보다 쉽게 할 수 있도록 한다.

그러나, 0.1%미만에서는 그 기능이 충분하지 못하여 탈산력이 감소함으로써 블로우홀의 발생에 의한 용접결함을 유발시키거나 슬래그의 피포성과 점성부족에 의해 입향상진 자세의 사용적용성이 저하된다. 또, 1.0%를 초과하는 경우에는 용접금속내의 Si함량을 증가시켜 시그마 상을 촉진시켜 저온인성을 떨어뜨리는 역기능이 있기 때문에 주의가 필요하다. 또한, 스패터의 발생량과 용접흄의 발생량을 증가시키기도 하기 때문에 와이어 전체 중량 100%에 대하여 1.0%이하로 한정하는것이 바람직하며, 공급원으로 사용되는 플럭스로서는 Fe-Si, Fe-Si-Mn 등이 있다.

B는 용접금속의 조직을 미세화시켜 저온인성을 향상시켜주는 효과가 있으나, 한정된 범위를 초과하면 급속히 금속을 경화시켜 고온크랙을 발생시키기 때문에 그 사용량에 대해서는 각별한 주의가 필요하다.

따라서, 첨가량의 한정범위는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 0.002∼0.02%로 하는 것이 적절하다.

Mn은 아아크 안정제와 강력한 탈산제로서의 기능을 가지며, 아아크 속에서 순간적인 산화반응에 의해 MgO로 변화하는데, MgO는 슬래그의 응고점을 상승시킴으로써 수직상향 자세에서 비이드의 처짐이 없는 용접외관을 가능케 한다.

그러나, 0.2%미만에서는 그 효과가 거의 없고, 0.45%를 초과하는 경우에는 스패터 발생량을 증가시키며 슬래그의 형성을 취약하게 하여 오히려 비이드의 형상을 나빠지게 하므로, 사용상의 적용범위는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 0.2∼0.45%로 한정한다.

Al은 탈산제로서의 기능을 가지며 Fe-Mn, Fe-Si와 복합적인 작용에 의해 슬래그 형성을 돕고 용융금속의 흘림을 방지한다.

그러나, 0.3%를 초과하는 경우에는 비이드의 형상을 나쁘게 하고, 아아크 감각을 딱딱하게 만들기도 하며 저온인성을 저하시키므로, 그 사용 한정범위를 0.15∼0.3%로 하는 것이 바람직하다.

상기 Mg과 Al의 첨가 비율은 Mg/Al이 1.45보다는 크고, 1.55보다는 작게 하는 것이 본 발명의 주요 특성중에 하나인 전자세에서의 용접성을 향상시키고 수직상향 자세를 더욱 편리하게 한다. 또, 아아크의 안정성에 의한 용접능률을 향상시킬 수 있고, 저온인성은 -40℃의 알루미늄 킬드강에서 적용이 가능한 수준의 값인 50J이상을 얻을 수 있다.

이것은 Mg과 Al의 적절한 조합에 의해서 다른 탈산제의 기능을 상승시키는 효과를 가짐과 동시에 슬래그의 융점 조정 등으로 전자세의 적용성도 뛰어나다고 할 수 있다. 그러나, 본 발명에서 요구하는 범위를 벗어 날 경우에는 다른 여타 플럭스의 조성비를 만족시킨다 하더라도 그 효과가 반감된다 할 것이다.

다음, 본 발명의 실시예를 비교예와 더불어 비교하면서 구체적으로 설명한다.

(실시예)

연강용 쉬드의 내부에 충전되는 플럭스의 성분과 조성비가 본 발명의 설계 한점범위 내에 있는 것을 실시예로 하고, 적어도 1종 이상의 플럭스가 설계 한정범위를 벗어난 경우의 것을 비교예로 하여 시작품을 제조하였다.

실시예와 비교예에 대한 플럭스의 조성비를 표 1에 나타내었다.

시작품의 충전율을 15%로 하여 1.2mm경으로 제조하여 평가하였다.

이어, 시작 제조된 와이어를 이용하여 표 2에 나타낸 용접방법에 따라서 시험편 용접을 실시하고, 용접시의 아아크 안정성, 스패터 발생량, 슬래그 박리성 및 흄 발생량을 확인하였다.

	충전플럭스의 조성비	Mg/Al
	TiO₂	Mg/Al	Mn	Si	Al	Mg	B
실시예	1	6	2.5	0.3	0.2	0.3	0.005	1.5
	2	6	2	0.3	0.2	0.3	0.005	1.5
	3	6	2.5	0.4	0.15	0.22	0.005	1.47
	4	6.5	2.5	0.4	0.15	0.22	0.005	1.47
	5	6.5	2	0.55	0.15	0.23	0.005	1.53
	6	6.5	2	0.55	0.18	0.27	0.005	1.5
	7	7	2	0.55	0.18	0.27	0.005	1.5
	8	7	2	0.6	0.22	0.34	0.005	1.55
비교예	9	6	0.5	0.3	0.25	0.3	0.005	1.2
	10	8.4	1.5	0.3	0.2	0.3	0.005	1.5
	11	3.6	2.5	0.4	0.2	0.22	0.005	1.1
	12	6.5	2	1.4	0.1	0.23	0.005	2.3
	13	6.5	2	0.3	0.1	0.3	0.005	3
	14	4	2.5	0.4	0.15	0.3	0.005	2
	15	7	2.5	0.5	0.2	0.34	0.03	1.7
	16	7	2	0.5	0.2	0.3	0.03	1.5

구분	용접조건
시험판재	용접구조용 압연강재 SM490A	용접구조용 압연강재 SM490A
시험판재 치수(mm)	두께12 ×폭100 ×길이300	두께12 ×폭100 ×길이300
용접자세	하향 및 수평 필렛	입향상진
용접전류(A)	260∼340	200∼240
용접전압(V)	28∼35	24∼25
용접속도(cm/분)	40	15∼20
쉴드가스	100% CO₂	100% CO₂
가스유량(ℓ/분)	20	20

또, 입향상진에서는 도 1에 나타낸 T형의 시험편에 연속적으로 비이드 쌓기를 실시하고, 용접시 용융금속의 흘러내리기 쉬운 정도와 용접후 비이드 처짐 등을 육안으로 관찰하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.(도면부호 1은 모재, 2는 용접비이드, D는 용접방향)

구분	용접작업성
	수평필렛	입향상진
	아아크안정성	스패터발생량	흄발생량	비이드형상	아아크안정성	스패터발생량	흄발생량	비이드형상
실시예	1	◎	◎	◎	◎	◎	◎	◎	◎
	2	◎	◎	◎	◎	◎	◎	◎	◎
	3	◎	◎	◎	Ｏ	◎	◎	◎	Ｏ
	4	Ｏ	◎	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	◎	Ｏ
	5	◎	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	◎	◎	◎
	6	◎	Ｏ	Ｏ	◎	◎	◎	◎	◎
	7	Ｏ	◎	Ｏ	◎	◎	Ｏ	◎	◎
	8	Ｏ	Ｏ	Ｏ	◎	◎	Ｏ	Ｏ	◎
비교예	9	△	Ｏ	Ｏ	△	△	Ｏ	Ｏ	Ｘ
	10	Ｏ	Ｏ	Ｏ	△	△	Ｏ	Ｏ	△
	11	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｘ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｘ
	12	△	Ｘ	△	△	Ｘ	Ｘ	△	△
	13	Ｏ	Ｏ	△	Ｘ	Ｏ	Ｏ	△	Ｘ
	14	Ｏ	Ｏ	Ｏ	△	Ｏ	Ｏ	△	Ｘ
	15	Ｏ	Ｏ	△	Ｏ	Ｏ	Ｏ	△	*△
	16	◎	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	Ｏ	*Ｏ

주) ◎ : 매우 양호 Ｏ : 양호 △ : 보통 Ｘ : 불량

* : 용접초층 또는 크레이터에서 비이드 균열 발생 민감

용접부의 성능평가는 용접금속의 기계물리적 시험을 위한 시험편 제작을 선급협회에서 정하는 규정에 따라 실시하였으며, 표 4에 시험편 제작을 위한 용접조건을 나타내었다.

용접부의 고온균열시험은 기계물리시험용 판재와 동일한 강종으로 그림2a 및 2b도시된 바와 같은 시편을 제작하여 루트갭을 6mm로 주어 250A/31V에서 분당 24cm의 용접속도로 용접을 실시한 후, 슬래그를 제거하고 액상침투법에 의해서 비이드균열의 유무를 확인하였다.(도면부호 3은 시험판재, 4는 용접비이드, 5는 구속대, 6은 백킹(backing)세라믹재, D는 용접방향이다)

인장시험과 저온충격 및 고온균열 시험의 결과를 표 5에 나타내었다.

구분	용접조건
시험판 강재	용접구조용 압연강재 SM490A
시험판 치수(mm)	두께19 ×폭150 ×길이300
개선각도	45°
루트간격	12mm
패스 및 층수	17패스 6층
층간온도	150℃
쉴드가스	100% CO₂, 80% Ar＋20%CO₂
용접전류	240∼260A
용접전압	26∼30V

	인장강도(kgf/㎟)	저온충격값(-40℃)	고온균열(유,무)
실시예	1	580	53.8J	무
	2	590	54J	무
	3	590	56J	무
	4	605	54J	무
	5	605	53.6J	무
	6	620	55J	무
	7	620	55J	무
	8	620	54J	무
비교예	9	540	24J	무
	10	560	23J	유
	11	590	48J	유
	12	680	21J	유
	13	610	48J	무
	14	600	42J	무
	15	620	56J	유
	16	620	54J	유

앞서의 표 1에서 나타낸 바와 같은 플럭스의 구성비중에서 화학성분의 조성비가 본 발명에서 요구하는 한정범위내에 있는 실시예 1내지 실시예 8까지의 와이어는 우수한 용접작업성 뿐만 아니라 수직상향자세에서의 용접에서도 용융금속의 흘림현상이나 비이드처짐 현상이 없이 매우 양호한 비이드 외관을 얻을 수 있었다.

또한, 인장강도는 규격을 만족하고, 저온충격값에 있어서도 -40℃의 온도에서 미국용접협회규격(AWS)의 규정을 만족하는 결과치를 얻었다.

그리고, 고온균열시험에서도 용접금속의 용접비이드에서는 균열이 발생하지 않은 양호한 결과를 얻었다.

그러나, 비교예에서는 본 발명에서 요구하는 플럭스의 구성과 조성비에서 1종 이상의 플럭스가 한정범위를 벗어난 경우에는 사용상의 작업성이 부족하거나, 기계 물리적 성질중에 충격값이 요구수준에 도달하지 못하는 결과로 나타났다.

특히, 비교예 9의 경우는 탈산제로서 Mn의 부족과 Mg/Al의 비가 요구 한정범위를 벗어난 경우로서, 탈산력의 부족에 의한 블로우홀 발생빈도의 증가와 아아크 안정성 부족, 그리고 수직상향 자세에서의 비이드 처짐현상 발생으로 인해 용접의 능률성이 저하되었다.

비교예 10의 경우에는 작업성은 대체로 양호하나 저온충격특성이 요구수준을 만족하지 못하였으며, 비이드의 형상도 약간 불균일한 상태로 나타났다.

또, 비교예 11의 경우는 TiO₂와 Mg/Al의 비가 한정범위를 벗어난 경우로서, 슬래그의 부족현상에 의해 포피성이 나쁘고, 용융슬래그의 점성부족으로 인해 수직상향에서 비이드의 처짐현상이 발생하였다.

또, 비교예 12 내지 비교예 15까지는 Mg/Al의 비가 한정요구범위를 초과한 경우로서, 흄 발생량의 증가와 비이드 몰림현상이 발생하여 본 발명에서 추구하는 용접성에 역효과를 가져왔으며, 특히 비교예 15 및 비교예 16의 경우는 B의 첨가량 초과로 인해 용접 비이드의 고온균열 발생이 증가하게 되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 전자세에 있어서 용접작업성이 우수하면서 저온인성이 양호한 용접금속을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 양호한 비이드 형상과 아아크 안정성 및 스패터 발생량의 최소화로 용접 능률성이 매우 우수하게 되는 효과가 있다.

Claims

저탄소강의 연강용 외피에 티타니아계를 베이스로 하는 플럭스를 충전한 가스 쉴드 아아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서,

상기 플럭스는 와이어 전체 중량 100%에 대하여 중량퍼센트로 TiO₂4.0∼8.0%, Mn 1.0∼3.0%, Si 0.1∼1.0%, B 0.002∼0.02%, Mg 0.2∼0.45%, Al 0.15∼0.3%를 함유한 것을 특징으로 하는 가스 쉴드 아아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
제1항에 있어서,

상기 Al 대비 상기 Mg의 함유비율이 1.45 이상 1.55 이하인 것을 특징으로 하는 가스 쉴드 아아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.