KR20030021397A - 용접성이 우수한 염기성계 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

용접성이 우수한 염기성계 플럭스 코어드 와이어 Download PDF

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Abstract

개시된 발명은 연강 또는 합금강제 외피에 플럭스를 충진하여 제조되는 염기성계 플럭스 코어드 와이어로서, 플럭스의 구성성분은 와이어 전 중량을 기준으로 TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 : 0.3 - 3.0%, SiO2환산치로서 Si 및 Si산화물 : 1.0 - 2.5%, MgO 환산치로서 Mg 및 Mg산화물 : 0.1 - 1.5%, MnO 환산치로서 Mn 및 Mn 산화물 : 1.5 - 4.0%, Al2O3환산치로서 Al 및 Al산화물 : 0.2 - 1.5%, ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 : 0.1 - 1.0%, CaF2: 0.2 - 3.5% 및 K2O : 0.01 - 0.5%를 포함하여 이루어지며, 각 구성성분들은 식(1)의 염기도 값으로 0.5 - 4.5를 만족함을 특징으로 하는 염기성계 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.
B = (CaF2+ MgO + MnO + K2O ) / (TiO2+SiO2+ Al2O3+ ZrO2) ...... (1)
본 발명에 따른 와이어는 내균열성 및 저온인성이 우수하며, 전자세용접에서도 우수한 용접 작업성을 보이므로 용접작업의 능률을 향상시킨다. 또한 차폐가스로 100% CO2를 사용시에도 우수한 용접 작업성을 나타낸다.

Description

용접성이 우수한 염기성계 플럭스 코어드 와이어{Basic flux cored wire}
본 발명은 용접성이 우수한 염기성계 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내균열성 및 저온인성이 우수하며 용접 작업성이 향상된 염기성계 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
종래의 가스 차폐 아크 용접용 염기성계 플럭스 코어드 와이어로서 내균열성 및 저온인성이 우수한 와이어가 종종 제시되고는 있으나, 비드외관·형상, 슬래그 박리성 및 아크 안정성 등이 다소 불량하다. 이러한 점들이 바로 티타니아계 플럭스 코어드 와이어에 비하여 염기성계 플럭스 코어드 와이어가 갖는 열세한 부분인 것이다. 종래 비(非) 티타니아계 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로서 일본국 특개소 62-166098호는 불화바륨계플럭스에 Mn, Si, Ni등을 첨가하여 저온인성을 개선시켰으나 작업성이 나쁘고 비드외관 형상도 불량하다. 일본국 특개소 52-65736호에서는 Ni, Cu, Mn을 첨가하고 잔류응력을 제거하기 위해 용접후 열처리를 실시하여 저온인성노화를 개선하려고 하였으나, 열처리 후 취성파괴발생 특성 및 저온인성노화의 개선정도에는 한계가 있었다.
또 통상의 염기성계 플럭스 코어드 와이어는 아크 안정성 및 용적 이행성을 확보하기 위하여 차폐가스로 혼합가스(75 ~ 80% Ar + 20 ~ 25% CO2)를 사용해야 하므로, 염기성계 플럭스 코어드 와이어의 적용범위가 다양하지 못하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 내균열성 및 저온인성, 용접성이 우수하며, Ar/CO2혼합가스 또는 100% CO2를 차폐가스로 사용할 수 있는 염기성계 플럭스 코어드 와이어를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 구속균열시험시의 조건을 나타낸 평면도이며,
도 2는 도 1에 대한 단면도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적은 연강 또는 합금강제 외피에 플럭스를 충진하여 제조되는 염기성계 플럭스 코어드 와이어로서, 상기 플럭스의 구성성분은 와이어 전 중량을 기준으로 TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 : 0.3 - 3.0%, SiO2환산치로서 Si 및 Si산화물 : 1.0 - 2.5%, MgO 환산치로서 Mg 및 Mg산화물 : 0.1 -1.5%, MnO 환산치로서 Mn 및 Mn 산화물 : 1.5 - 4.0%, Al2O3환산치로서 Al 및 Al산화물 : 0.2 - 1.5%, ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 : 0.1 - 1.0%, CaF2: 0.2 - 3.5% 및 K2O : 0.01 - 0.5%를 포함하여 이루어지며, 상기 구성성분들은 하기 식(1)의 염기도 값으로 0.5 - 4.5를 만족함을 특징으로 하는 염기성계 플럭스 코어드 와이어에 의해 달성된다.
B = (CaF2+ MgO + MnO + K2O ) / (TiO2+SiO2+ Al2O3+ ZrO2) ...... (1)
이하, 상기와 같은 본 발명의 구성에 따라 각 성분이 하는 역할 및 수치한정의 이유에 관하여 설명한다.
TiO2는 슬래그 형성제 및 아크 안정제로 작용하는 성분으로, 주로 루틸 및 환원 일미나이트 등을 그 공급원으로 하며 산성계 플럭스이다. TiO2의 첨가량이 0.3중량% 미만이면 충분한 슬래그량을 확보하는 것이 불가능하고 용융금속이 입향상진 용접에서 흘러내리기 쉬운 문제점이 발생된다. 또한 첨가량이 3.0중량%를 초과하면 아크 안정성이 나빠지며 스패터(Spatter) 발생량이 증가하여 용접작업성이 저하된다. 따라서 TiO2의 환산치로서 Ti 및 Ti 산화물의 첨가량은 0.3 - 3.0 중량%로 하는 것이 좋다.
SiO2는 슬래그의 점성 조정 및 아크 안정제로서의 작용을 하며, 산성계 플럭스이다. 만일, 그 첨가량이 1.0중량% 미만이면 아크가 불안정해지고 스패터의 발생량이 증가하며 슬래그의 피포성이 안정하지 못하고, 그 첨가량이 2.5중량%를 초과하면 슬래그가 굳어져서 슬래그 박리성이 저하되는 문제점이 발생된다. 따라서 SiO2의 환산치로서 Si 및 Si산화물이 1.0 - 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.
Al2O3는 슬래그 응고점을 상승시키는 작용을 하며 용적을 미세화시켜 스프레이 아크이행을 형성시키는 첨가제이며 산성을 나타내는 플럭스이다. 그 첨가량이 0.2중량% 미만이면 그 효과가 미미하고, 1.5중량%를 초과하면 비드의 형상이 불량해진다. 따라서 Al2O3의 첨가량은 환산치로서 Al 및 Al산화물이 0.2 - 1.5중량%로 하는 것이 좋다.
ZrO2는 슬래그 응고점을 상승시킴과 동시에 아크를 안정시키는 아크 안정제로서의 역할을 하며 산성을 나타내는 플럭스이다. 그 첨가량이 0.1중량% 미만이면 그 효과가 아주 미미하며, 1.0중량%를 초과하면 아크가 불안정하게 되기 쉽고 스패터 발생량이 증가하게 되어 용접작업성이 저하된다. 따라서 ZrO2의 환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 첨가량은 0.1 - 1.0중량%로 하는 것이 좋다.
CaF2는 주로 슬래그 형성제로서 비드외관을 양호하게 하기 때문에 첨가하며, 분해가스(CO2)를 발생하기 때문에 차폐성을 향상시키는 작용을 하며, 염기성계 플럭스이다. 그 효과를 얻기 위해서는 첨가량이 0.2중량% 이상이 필요하고, 첨가량이 3.5중량%를 초과하면 흄(Fume) 발생량과 스패터 발생량이 많아지고 용착금속의 점성이 떨어져서 비드형상이 불량하게 된다. 따라서 CaF2는 0.2 - 3.5중량%로 첨가 하는 것이 좋다.
MgO 는 슬래그 응고점을 상승시키며 탈산제인 동시에 아크 안정제로서의 역할을 하는 첨가제로서 염기성계 플럭스이다. 그 첨가량이 0.1중량% 미만에서는 그 효과가 적고, 1.5중량%를 초과하면 아크가 불안정하고 비드 형상이 불량하게 되는 문제점이 있다. 따라서 MgO는 환산치로서 Mg 및 Mg산화물의 첨가량이 0.1 - 1.5중량%로 하는 것이 가장 바람직하다.
MnO은 탈산제로서의 작용을 함과 동시에 용접금속의 강도 및 인성을 향상시키는 작용을 하며 염기성계 플럭스이다. MnO의 첨가량이 1.5중량% 미만이면 탈산부족으로 인하여 용접부에 용접결함이 발생되고 강도 및 인성이 저하되는 문제점이 발생된다. 그러나 4.0중량%를 초과하면 용접금속의 강도가 증가하여 고온균열이 발생되기 쉬워지며 저온인성을 저하시키는 문제점이 있다. 따라서 MnO의 첨가량은 환산치로서 Mn 및 Mn 산화물 1.5 - 4.0중량%로 하는 것이 좋다.
K2O는 슬래그의 융점을 낮추어 슬래그의 유동성을 좋게하며 아크의 안정성을 향상시키는 역할을 하는 염기성계 플럭스이다. K2O 함량이 0.01중량% 미만이면 아크 안정성 효과가 없으며 비드가 불량하게 나타나고, 0.5중량%를 초과하면 용접시 슬래그의 융점이 낮아져 입향상진 자세로 용접작업시 비드의 흘러내림 현상이 일어나기 쉽다. 따라서 K2O의 첨가량은 0.01 - 0.5중량%로 하는 것이 가장 좋다.
다음으로는 상기 구성성분들이 만족해야하는 하기 식(1)에 관하여 설명한다.
B = (CaF2+ MgO + MnO + K2O)/(TiO2+SiO2+ Al2O3+ ZrO2) ....... (1)
식(1)은 플럭스 구성성분들의 염기도를 수식화 한 것으로 내균열성 및 우수한 저온인성을 나타내기 위해서는 수식 B의 범위가 0.5 - 4.5를 만족하는 것이 바람직하다. B의 값이 0.5 미만이 되면 내균열성 및 저온인성이 나빠지며 염기성계라기보다는 티타니아계 플럭스라 할 수 있으며, 수식 B값이 4.5를 초과하게 되면 작업성이 나빠지고 슬래그 박리성이 떨어지며 비드형상이 불량하게 된다. 따라서 수식(1)의 값 B의 범위는 0.5 - 4.5가 가장 좋다.
상기의 필수 성분 이외에 철분말을 플럭스에 첨가했으며, 철분말은 아크의 안정성 및 용착효율을 높이고 와이어 제조시 조관과 선의 인발 신선과정에서 강제외피 내부에 충전된 플럭스의 유동성을 증가시켜 일부 플럭스의 쏠림 현상을 방지 할 수 있다.
한편 와이어에 충진되는 플럭스의 충진 형상에는 아무런 제한이 없으며, 와이어 표면에는 통전성을 원활하게 하고 방청을 위하여 산화피막을 씌울 수도 있다. 그러나 와이어 단면형상은 원형으로 하는 것이 좋으며 그 내부 형상에 대하여는 어떠한 제약도 없다.
이하, 본 발명에 따른 염기성계 플럭스 코어드 와이어를 제조하여 그 물성 및 작업성에 대해 설명한다.
강제(KS D 3512, SPCC) 외피 중에, 와이어 전중량에 대하여 플럭스의 중량이 10 - 20%가 되도록 플럭스를 충진시켜 1.2mm의 선경을 갖는 플럭스 코어드 와이어를 제조하였으며, 제조된 와이어의 플럭스를 구성하는 성분의 함량을 표 1에 표시하였다.
제조된 와이어의 수평필렛 및 입향상진 자세에서의 작업성 평가는 표 3과 표4에 나타내었으며, 작업성평가 실시에 적용된 용접조건은 표 2에 나타내었다.
용착금속의 인장강도, 항복강도, 샤르피 충격특성은 KS, AWS규격의 시험절차에 따라 실시하고 그 결과를 표 5에 나타내었으며, 용접부의 구속 균열시험은 도 1과 같은 조건에서 구속균열시험을 실시하여 그 결과를 표 5에 나타내었다.
구속 균열시험은 용접조건 240-260A, 32V로 하였으며, 사용 철판 모재는 용접구조용 압연강재인 SM 490A철판 25t를 사용하였다.
구분 TiO2 SiO2 ZrO2 Al2O3 CaF2 MgO MnO K2O T-Fe 기타 식 1
발명예 1 0.41 2.01 0.21 0.53 2.58 0.59 3.27 0.03 4.41 0.96 2.05
2 2.49 1.82 0.37 0.77 1.47 0.17 2.67 0.08 4.40 0.76 0.81
3 0.48 1.24 0.19 0.31 2.57 1.42 3.21 0.29 4.49 0.80 3.37
4 1.92 1.13 0.16 1.04 3.40 1.38 3.87 0.42 1.11 0.57 2.13
5 2.81 2.42 0.21 1.27 0.26 1.27 3.79 0.37 2.17 0.43 0.85
6 1.57 2.27 0.89 0.97 3.01 1.42 1.97 0.19 2.00 0.71 1.16
7 0.42 1.21 0.17 0.31 3.34 1.35 3.75 0.42 3.12 0.91 4.20
비교예 8 0.27 0.69 0.16 0.67 0.62 1.41 3.59 0.62 6.02 0.95 3.49
9 0.57 2.04 0.38 0.92 0.35 0.07 3.89 0.47 5.39 0.92 1.22
10 0.92 1.89 0.55 1.23 1.09 0.92 1.35 0.15 5.97 0.93 0.76
11 1.28 2.11 0.72 0.67 3.62 1.78 2.84 0.29 1.07 0.62 1.78
12 1.49 1.16 0.21 0.12 2.67 0.52 3.84 0.46 3.94 0.59 2.51
13 2.54 1.53 0.06 0.87 2.19 1.38 3.41 0.09 2.45 0.48 1.41
14 0.48 0.89 1.02 0.42 1.67 1.35 3.05 0.34 5.00 0.78 2.28
15 3.11 1.32 0.24 0.71 3.28 1.16 4.07 0.39 0.58 0.14 1.65
16 2.84 2.32 0.82 1.43 0.41 0.17 1.72 0.21 4.26 0.82 0.34
17 0.34 1.13 0.15 0.31 3.39 1.41 3.68 0.42 3.36 0.81 4.61
1)T-Fe: 금속 외피의 Fe를 제외한 Flux의 Fe 분말의 합계.
2) 기타성분:C, NaF 등의 미량 원소 및 불순물.
구분 용접조건
강판 KS D 3515 SM 490A
모재 두께 12㎜(t)
용접 극성 DC＋
차폐 가스 100% CO2
가스 공급량 유량 20ℓ/min
용접 자세 수평필렛 입향상진
용접 전류 280 - 300 A 200 - 220 A
용접 전압 33 - 34 V 29 - 30 V
용접 속도 35 ㎝/min 12 - 17 ㎝/min
Tip-모재간 거리 20 ㎜ 15 ㎜
구분 비드 형상 아크 안정성 슬래그 유동성 슬래그 박리성 스패터 발생량
발명예 1 O O ◎ O ◎
2 ◎ ◎ O O ◎
3 O O ◎ ◎ ◎
4 ◎ ◎ ◎ ◎ O
5 ◎ ◎ O O ◎
6 ◎ ◎ ◎ O O
7 O O ◎ ◎ O
비교예 8 △ △ X X O
9 X X △ O O
10 △ O O X O
11 X △ △ O X
12 △ X △ X O
13 △ △ X △ △
14 O X △ O X
15 X O △ △ △
16 X O △ O △
17 X X △ X X
*작업성 평가 기준: 아주양호 ◎, 양호 O, 보통 △, 나쁨 X
구분 비드 형상 아크 안정성 슬래그 유동성 슬래그 박리성 스패터 발생량
발명예 1 O O ◎ ◎ ◎
2 ◎ ◎ O O ◎
3 O O ◎ O ◎
4 ◎ O ◎ ◎ O
5 ◎ ◎ O ◎ ◎
6 ◎ ◎ ◎ ◎ O
7 O O ◎ ◎ O
비교예 8 △ △ X X O
9 X X △ O O
10 △ O △ X O
11 X △ △ O X
12 △ X △ X O
13 △ △ X △ △
14 O X △ O X
15 △ O △ X △
16 X ◎ X O O
17 X X △ X X
*작업성 평가 기준: 아주양호 ◎, 양호 O, 보통 △, 나쁨 X
구분 기계물리 시험 결과
인장 강도 항복 강도 샤르피 충격 구속 균열시험
실시예 1 합격 합격 합격 ◎
2 합격 합격 합격 ◎
3 합격 합격 합격 ◎
4 합격 합격 합격 O
5 합격 합격 합격 O
6 합격 합격 합격 ◎
7 합격 합격 합격 O
비교예 8 합격 합격 합격 X
9 합격 합격 합격 X
10 불합격 불합격 불합격 ◎
11 불합격 불합격 불합격 O
12 합격 합격 합격 X
13 합격 합격 불합격 △
14 불합격 불합격 불합격 O
15 합격 합격 합격 X
16 불합격 불합격 합격 ◎
17 합격 합격 합격 X
*구속균열시험 평가기준 : 균열 0% ◎, 균열 1-5% O, 균열 5-10% △, 균열 10% 이상 X
발명예 및 비교예의 작업성 및 기계물리시험 결과를 표 3에서 표 5까지에 나타내었다.
발명예 1 - 7까지는 본 발명에서 제안하는 범위내에 플럭스를 구성하는 화학성분의 조성 및 화학성분간의 비가 만족하는 것으로 작업성 평가 결과 수평필렛 및 입향상진 자세에서도 아주 양호한 용접작업성을 나타낸다. 또한 기계물리시험에서 인장강도, 항복강도 및 샤르피 충격시험에서 관련 규격인 KS, AWS규격을 만족하며, 구속균열 시험에서도 아주 우수한 것으로 나타났으며, 100% CO2차폐하에서도 이렇게 우수한 작업성을 보였다.
한편 비교예 8 - 17은 플럭스를 구성하는 화학성분의 1종 내지는 2종이 본 발명에서 제안하는 범위를 벗어나거나, 본 발명에서 제안하는 식(1)의 염기도가 범위를 벗어나는 경우로 용접작업성이 불량하거나 기계물리시험에서 관련 규격을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 또 비교예에서 구속균열시험 결과 다량의 균열을 나타내며 내균열성이 취약한 것으로 나타났다.
비교예 8은 산화물로 환산된 TiO2,SiO2및 K2O가 본 발명에서 제안하는 범위를 벗어나서 아크안정성과 슬래그 박리성이 좋지 않으며 구속균열시험에서 내균열성이 아주 나쁘게 나타났다.
비교예 9는 산화물로 환산된 MgO가 0.10%로 미만으로 첨가되어 아크안정성 및 비드형상이 좋지 않았으며 내균열성이 열세로 나타났다.
비교예 10에서는 산화물로 환산된 MnO가 1.5%미만으로 첨가되어 슬래그의 박리성이 나쁘고 기계물성치 평가 결과 관련규격 미달로 나타났다.
비교예 11은 산화물로 환산된 MgO 와 CaF2가 각각 1.5%와 3.5%를 초과하여 비드형상이 불량하게 되고 스패터 발생량이 증가하여 전반적인 용접 작업성이 열세로 나타났다.
비교예 12는 산화물로 환산된Al2O3가 본 발명에서 제안하는 범위를 벗어나므로 해서 아크안정성과 슬래그 박리성이 불량하게 나타났으며 내균열성이 열세로 나타났다.
비교예 13에서는 산화물로 환산된 ZrO2가 0.1%미만으로 첨가되어 슬래그 유동성 및 슬래그 박리성이 좋지 않았으며, 기계물성 평가에서 인장강도 및 항복강도는 규격을 만족하지만 샤르피 충격시험에서는 규격 미달로 나타났다.
비교예 14는 산화물로 환산된 SiO2및 ZrO2가 각각 본 발명에서 제안하는 범위를 벗어나므로 해서 아크 안정성 및 슬래그 유동성이 좋지 않으며 특히 입향상진 자세에서 스패터 발생량이 증가하며, 기계물성 평가에서 관련 규격 미달로 나타났다.
비교예 15는 산화물로 환산된 MnO 및 TiO2가 본 발명에서 제안한 범위를 초과하여 첨가된 것으로서 슬래그 박리성이 나쁘고 비드형상이 불량하게 나타났으며, 기계물성치는 관련 규격의 상환치에서 만족하지만 내균열성이 열세로 나타났다.
비교예 16은 본 발명에서 제안한 식(1)의 염기도가 0.5 미만으로 슬래그 유동성이 좋지 않으며 비드 형상이 불량하게 나타났고, 기계물성 평가에서 관련 규격 미달로 나타났다.
비교예 17은 본 발명에서 제안한 식(1)의 범위를 초과하여 전반적인 작업성이 나쁘고 내균열성이 열세로 나타났다.
본 발명은 상기의 설명한 바와 같이 플럭스를 구성하는 화학성분 및 화학성분간의 비를 최적화함으로써, 내균열성 및 저온인성이 우수하며, 전자세용접에서도 우수한 용접 작업성을 보이므로 용접작업의 능률을 향상시킨다.
또 기존의 염기성계 플럭스 코어드 와이어가 주로 차폐가스를 혼합가스(75-80% Ar + 20-25% CO2)로 사용하고 있는 반면, 본 발명 와이어는 100% CO2차폐가스에서도 우수한 용접성을 보여주고 있다.
본 발명인 용접성이 우수한 염기성계 플럭스 코어드 와이어는 티타니아계 대비 작업성이 열세인 기존의 염기성계 플럭스 코어드 와이어보다 하향 및 수평필렛과 입향상진 자세에서도 우수한 작업성과 비드형상을 얻을 수 있는 전자세 용접을 용이하게 하는 실용적인 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 연강 또는 합금강제 외피에 플럭스를 충진하여 제조되는 염기성계 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스의 구성성분은 와이어 전 중량을 기준으로
    TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 : 0.3 - 3.0%,
    SiO2환산치로서 Si 및 Si산화물 : 1.0 - 2.5%,
    MgO 환산치로서 Mg 및 Mg산화물 : 0.1 - 1.5%,
    MnO 환산치로서 Mn 및 Mn 산화물 : 1.5 - 4.0%,
    Al2O3환산치로서 Al 및 Al산화물 : 0.2 - 1.5%,
    ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 : 0.1 - 1.0%,
    CaF2: 0.2 - 3.5% 및
    K2O : 0.01 - 0.5%를 포함하며,
    상기 구성성분들은 하기 식(1)의 염기도 값이 0.5 - 4.5임을 특징으로 하는 염기성계 플럭스 코어드 와이어.
    B = (CaF2+ MgO + MnO + K2O ) / (TiO2+SiO2+ Al2O3+ ZrO2) ...... (1)
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