KR20030049737A

KR20030049737A - 가스쉴드 아아크 용접용 플럭스 충전 와이어

Info

Publication number: KR20030049737A
Application number: KR1020010080041A
Authority: KR
Inventors: 류세열; 김태현
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-06-25
Also published as: KR100532243B1

Abstract

탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어가 제공된다.

본 발명은, 와이어에 대한 중량비로 C 0.02∼0.1%, Mn 2.5∼5.0%, Si 0.5∼3.0%, Ni 0.1∼1.0%, B 0.001∼0.01%, Al 0.2∼0.8%, Mg 0.1∼1.0%, TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3, MgO, CaO로 이루어진 산화물 그룹중 선택된 2종 이상의 합이 3∼7%, (MgO+ZrO2+Al2O3)/(TiO2+SiO2)의 비가 0.1∼10.0으로 제어됨을 특징으로 하고, Na, K, Li, Rb, Cs로 이루어진 아크안정제 그룹중 선택된 1종 또는 2종 이상의 합이 0.1∼1.0%이며 잔여 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공한다.

본 발명은 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 자세히 말하면, 저온 충격인성이 우수하고 슬래그박리가 용이하며, 고온균열 발생이 없고 필렛 작업시 비드의 등각성이 형성되는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

Description

가스쉴드 아아크 용접용 플럭스 충전 와이어{A gas shield arc welding flux cored wire}

본 발명은 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저온 충격인성이 우수하고 슬래그박리가 용이하며, 고온균열 발생이 없을 뿐만 아니라 필렛 작업시 비드의 등각성이 형성되는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

현대 산업사회에서 용접은 대형 철구조물의 제작증가에 따라 아주 중요한 역할을 담당하고 있으며, 이에 따라 다양한 특성을 요구받고 있는데 철구조물의 수명 연장 및 특수용도의 철구조물 제작에 있어서는 기능성 용접재료의 역할이 더더욱중요해 지고 있다.

또한, 생산성 향상을 위해 자동 용접라인 및 반자동 용접라인의 증가와 함께 고전류 사용이 통상적인데, 이에 따라 용착효율이 우수하고 저온에서의 용접금속의 충격인성이 뛰어나며, 아울러, 용접 입열량 증가에 따른 고온균열 발생이 없을 뿐만 아니라 용접후 슬래그 제거가 용이한 기능성 용접재료의 수요가 증가하고 있다. 그리고 필렛용접시 비드의 등각이 형성됨으로서 보수작업이 필요없는, 생산성을 향상시킬수 있는 용접재료 또한 요구되고 있다.

저온충격 인성을 향상시킬 수 있는 메탈계 플럭스 충전 와이어의 일예로서 일본 특개평10-294092호공보에 개시된 발명을 들 수 있다.

예컨데, 상기 특개평10-294092호공보에서는 강제외피내에 철분을 주체로 하는 플럭스가 8~25중량% 충전되어 있는 가스쉴드 아아크 용접용 플럭스 충전 와이어에 있어서, 와이어에 대한 중량%로, TiO2:0.3~0.9%, SiO2:0.1~0.5%, ZrO2:0.1~0.5%, Ca:0.03~0.30%, K 및 Na중 1종이상의 합:0.02~0.20%, C:0.04~0.09%, Si:0.2~1.0%, Mn:1.0~3.0%, Mg:0.1~0.7%, Ti:0.02~0.30%, B:0.002~0.20%를 포함하여 이루어진 용착금속의 저온인성이 향상될 수 있는 플럭스 충전와이어를 제시하고 있다.

이와 같이, 저온충격 인성 향상에 관하여 상기 특허공개공보에 제안되어 있지만, 그 적용 가능한 온도 범위는 대략 -20℃정도까지이며 더 낮은 온도범위에서의 인성확보가 미흡하다는 한계가 있다. 또한 상기 공보에 개시된 플럭스 충전 와이어는 저온에서 어느 정도 우수한 충격인성을 나타내기는 하지만, 필렛용접에 있어서 비드 등각성 형성이 되지 않아 열악한 작업성을 나타낸다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용착금속의 저온충격 인성이 -20℃보다 낮은 온도 영역에서 안정적이며, 또한 고입열 용접에 있어서도 고온균열이 발생하지 않을 뿐만 아니라 용접후 슬래그 제거가 용이하고 필렛작업시 비드 등각성이 우수한 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 고온균열시험에 적용된 시편형상

도 2는 본 발명의 실시예에서 적용된 필렛용접형상도

도 3은 산화물비[(MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂)]에 따른 등각장 형성여부를 보여주는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C :0.02∼0.1%, Mn:2.5∼5.0%, Si:0.5∼3.0%, Ni:0.1∼1.0%, B:0.001∼0.01%, Al:0.2∼0.8%, Mg:0.1∼1.0%, TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, MgO 및 CaO로 이루어진 산화물 그룹중 선택된 2종 이상의 합: 3∼7%, Na, K, Li, Rb 및 Cs로 이루어진 아크안정제 그룹중 선택된 1종 또는 2종 이상의 합: 0.1∼1.0%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂)의 비가 0.1∼10.0로 제어되어 있는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.

이하, 본 발명 와이어의 조성성분을 설명한다.

먼저, 본 발명에서 탄소(C)는 와이어에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.02∼0.1%로 제한한다. C의 함량이 0.02%미만이면 용착금속의 인성 및 인장특성이 열화되며, 0.1%를 초과하면 균열에 대한 감수성이 증가하여 고온균열이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 용접작업성에 있어서 스패터가 다량 발생하여 작업성에 악영향을 미친다.

망간(Mn)은 용착금속의 기계적 성질을 강화시키는 역할을 하는 동시에 강력한 탈산제로서의 역할을 한다. 특히, Mn은 철과 원자크기가 비슷하여 용착금속내에서 전율 고용되는 성질이 있다.

본 발명에서 Mn은 그 함량이 2.5%미만이면 고용강화에 따른 충격인성의 강화보다는 탈산적인 역할로 인해 충격인성 향상에 크게 기여를 못한다. 반대로 Mn이 5.0%를 초과하면, MnC의 형성이 두드러지며, 또한 이러한 화합물은 용착금속의 조직내 입계쪽에 편석이 잘 일어나 충격인성을 강화시키는데 커다란 효과를 나타내지 못한다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Mn의 함량을 2.5∼5.0%로 제한한다.

Si은 충격인성, 항복강도 및 인장강도를 높이는 원소중 하나로서, Mn과 마찬가지로 용착금속내의 탈산적인 역할을 하므로 용착금속의 건전성을 높이는 역할도 한다. 그러나 그 첨가량이 과소하면, Mn과 비슷한 강력한 탈산제로 이용되어 슬래그를 형성하는데 소비되므로 용착금속에 이행되는 Si의 량은 극히 적어서 충격인성을 향상시키는데 영향을 미치고 못하고, 반면에 과다하면 충격인성의 향상에는 기여하나 연신율을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Si의 함량을 0.5∼3.0%로 제한한다.

B는 용착금속의 응고 반응시 결정립의 핵생성 역할을 하는 원소로서 소량 첨가에 의해 아주 큰 효과를 볼 수 있다. 그러나 B의 첨가량이 과소하면 B이 슬래그 생성물질과 함께 용착금속내로 이행이 잘되지 않아 큰 효과를 보지 못하며, 과다하면 용착금속내 이행으로 충분한 효과를 나타내기는 하나 고온균열의 위험성이 커질 수 있다. 따라서 본 발명에서는 B의 함량을 0.001∼0.01%로 제한한다.

Ni은 용착금속 충격인성의 천이온도를 낮춤과 동시에 저온 충격인성의 안정화를 도모할 수 있는 원소로서, 본 발명에서는 그 함량을 0.1∼1.0%로 제한한다.

왜냐하면 그 첨가량이 0.1%미만이면, 천이온도 하강 효과를 크게 나타내지 못하며, 1.0%를 초과하면 Ni화합물의 과다생성으로 인해 충격인성 향상에 큰 효과를 나타내지 못하기 때문이다.

본 발명에서 Al, Mg는 Mn, Si보다 강력한 탈산제로서 기능을 발휘한다. 그러나 이러한 강력한 탈산제가 다량 투입될 경우, 용착금속의 건전성은 좋아질수 있으나 고온 산화물형성으로 인해 슬래그 유동성이 감소하고 비드외관이 나빠질 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Al, Mg의 첨가량을 0.2∼0.8%, 0.1∼1.0%로 제한한다.

보다 바람직하게는 Al/Mg의 비를 0.2∼2.0으로 제한하는 것이다. 왜냐하면 Al/Mg비가 0.2미만이면 산화물 박리가 잘 안되고 슬래그 유동성이 저하되어 비드결이 거칠어지는 현상이 발생할 수 있으며, 2.0을 초과하면 슬래그 응고가 너무 빨라 역시 비드결이 거칠어지고 비드가 처지는 현상이 나타날 수 있기 때문이다.

본 발명에서는 슬래그 형성제로서 산화물인 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, MgO, CaO로 이루어진 산화물그룹중 선택된 2종이상의 산화물의 합을 3∼7%로 제한 하는데, 이는 그 합이 3%미만이면 슬래그 포피성이 저하하고, 7%를 초과시에는 고용착율을 갖는 메탈계 플럭스 충전 와이어의 제조가 힘들기 때문이다.

또한 본 발명에서는 등각장 비드형성과 미려한 비드결을 얻기 위해 (MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂)로 정의되는 산화물의 비를 0.1~10.0으로 제어함을 특징으로 한다. 만일 상기 비가 0.1미만이면, 산화물중 상대적으로 저융점 산화물의 양이 많아져 슬래그가 다소 늦게 응고됨으로써 비드가 처지는 현상이 발생한다. 또한 상기 산화물의 비가 10.0을 초과하면, 슬래그의 응고가 너무 빨리 이루어져 비드결이 매우 거칠게 나타남과 아울러, 고온산화물의 증가로 인해 와이어의 용융성이 저하되고 과도한 전류가 집중되는 현상이 발생하여 필렛용접시 언더컷(under cut) 용접결함이 발생될 수 있다.

그리고 용접 작업에 있어서 아크안정을 통한 스패터 발생을 작게하고 작업성 향상을 위하여 Na, K, Li, Rb, Cs로 이루어진 아크안정제중 선택된 1종 또는 2종 이상을 그 합이 0.1∼1.0%범위내로 하여 첨가한다.

한편, 본 발명에서는 Ni/(B+C) 비를 5∼40으로 제한함이 저온 충격인성 향상측면에서 바람직하다. 만일 이러한 비가 5미만이거나 40을 초과하면, -20℃까지는 어느정도 충격인성의 안정적인 역할을 나타내기는 하나 -30℃이하의 범위에서는 큰 효과를 기대할 수 없기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

강제 외피에 플럭스가 10%∼30%의 충전율로 충전되어 있는 표 1과 같은 직경 1.6mm 메탈계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였으며, 이때, 강제 외피는 C :0.02%, Si:0.002%, Mn:0.20%, P:0.010% 및 S:0.009%을 포함하는 연강재를 이용하였다.

이렇게 마련된 각각의 와이어를 ASTM A-36 강재를 이용하여 AWS A5.20의 규칙(Rule)에 따라 충격 시편 및 인장시편을 만들어서 충격인성 및 인장시험을 했으며, 그 결과를 표 2에 나타내었으며, 이때, 충격인성은 -40℃에서 80J(Joule)이상이 나왔을 경우 합격이라고 평가하였다.

또한 고온균열 측정시험 및 슬래그 박리시험을 하기 위하여, 상기 와이어를이용하여 도1과 같은 형상의 부재에 표 3과 같은 용접 조건으로 용접을 행하여 고온균열시험 및 슬래그 박리 시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

그리고 상기와 같이 마련된 와이어를 이용하여 표 5와 같은 조건으로 도 2와 같은 수평필렛(Horizontal-fillet)자세로 반자동 필렛용접을 실시하였으며, 이후 각장 게이지를 이용하여 용접비드 상각장 및 하각장을 측정하여 등각장 형성 여부를 평가하여 그 결과를 표 6에 나타내었다. 그리고 이때 아크 안정성 및 슬래그 박리성도 함께 평가하였으며 그 평가치가 양호한 것을 ◎, 보통인 것을 △, 불량인 것을 X로 평가하였다.

한편, 등각장 형성여부는 목표각장 기준 상각장(W)/하각장(L)이 1±0.05이내 범위의 것을 합격으로 평가하였으며, 또한 산화물비에 따른 등각장의 형성여부에 대한 실험결과를 도 3에 나타내었다.

	플럭스 충전 와이어조성(중량%)
	C	Mn	Si	Ni	B	Al	Mg	산화물	산화물비	아크안정제
발명예	1	0.025	3.4	0.81	0.80	0.002	0.34	0.5	4.5	0.25	0.6
	2	0.024	3.7	0.98	0.92	0.001	0.42	0.6	6.0	3.00	0.7
	3	0.035	4.0	1.21	0.75	0.002	0.55	0.7	5.3	0.14	0.5
	4	0.065	4.5	1.65	0.72	0.006	0.59	0.5	6.1	4.30	0.9
	5	0.071	2.5	2.45	0.62	0.003	0.71	0.8	4.0	4.60	0.4
	6	0.084	2.8	2.77	0.52	0.008	0.62	0.4	3.8	6.80	0.3
비교예	1	0.025	3.8	1.35	0.72	0.020	0.41	0.5	6.2	0.05	0.5
	2	0.065	4.3	1.71	0.68	0.004	0.75	0.3	4.6	13.2	0.6
	3	0.180	2.8	2.65	0.71	0.005	0.68	0.7	5.1	8.50	0.7
	4	0.044	6.4	1.32	0.69	0.003	0.63	0.7	6.2	7.54	0.4
	5	0.056	3.2	3.88	0.32	0.007	0.43	0.8	4.3	11.4	0.8
	6	0.052	4.0	2.21	1.50	0.006	0.71	0.6	6.3	13.1	0.7

*표 1에서 산화물은 TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, MgO, CaO로 이루어진 그룹중 선택된 2종이상의 합, 산화물비는 (MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂), 그리고 아크안정제는 Na, K, Li, Rb 및 Cs중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합을 나타낸다.

	인장시험	충격인성(Joule)	평가
	YP(N/mm²)	TS(N/mm²)	평가	EL(%)	-30℃	-40℃
발명예	1	554	580	26	106	85	합격
	2	574	592	25	111	90	합격
	3	566	595	30	95	88	합격
	4	538	568	27	88	80	합격
	5	571	605	24	99	87	합격
	6	580	611	28	106	97	합격
비교예	1	564	599	23	110	90	합격
	2	584	608	25	102	81	합격
	3	531	552	24	67	48	불합격
	4	541	573	26	72	56	불합격
	5	566	574	18	85	55	불합격
	6	558	584	26	87	74	불합격

용접 모재	극 성	용접전류 및 전압	보호가스	가스유량
SM490A	DC(+)	240A / 28V	CO₂100%	25 ℓ/min

	균열발생 여부	슬래그 박리성	비고
발명예	1	무	양호
	2	무	양호
	3	무	양호
	4	무	양호
	5	무	양호
	6	무	양호
비교예	1	유	양호	균열발생 30%
	2	무	불량	슬래그잔해 많이 남음
	3	무	양호
	4	무	양호
	5	무	양호
	6	무	양호

목표각장	전류(A)	전압(V)	속도(cm/min)	stick-out(mm)	전극각도	와이어 겨냥위치	보호가스(유량 ℓ/min)
7mm	330	32	60	25	45°	코너부 1mm	CO₂100%(25)

	상각장(W)(mm)	하각장(L)(mm)	W/L	등각장여부 판정(W/L = 1±0.05)	아크안정성	슬래그 박리성
발명예	1	6.9	7.0	0.99	합격	◎	◎
	2	6.9	6.9	1.00	합격	◎	◎
	3	7.0	7.1	0.99	합격	◎	◎
	4	7.1	6.9	1.03	합격	◎	◎
	5	7.1	7.0	1.01	합격	◎	◎
	6	7.2	7.0	1.03	합격	◎	◎
비교예	1	6.8	7.4	0.92	불합격	△	◎
	2	7.0	7.6	0.92	불합격	◎	X
	3	6.9	7.0	0.99	합격	◎	◎
	4	6.8	6.9	0.99	합격	△	◎
	5	7.4	6.8	1.09	불합격	◎	◎
	6	7.2	6.6	1.09	불합격	◎	◎

표 2, 표 4 및 표 6에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 조성성분을 만족하는 발명예(1∼6)의 경우, 모두 -30℃와 -40℃에서 80J(Joule)이상의 우수한 충격인성을 나타내었으며, 고온균열 또한 발생하지 않았다. 그리고 슬래그 박리성도 우수하였으며, 필렛용접시 등각을 형성하였다.

이에 반하여, 비교예 (1~2)는 저온에서의 충격인성을 만족하나 산화물의 비가 본 발명의 범위를 벗어나 필렛용접작업시 비드등각이 형성되지 않았다. 특히 비교예 1은 "B"의 과다한 첨가로 인해 고온균열이 발생하였으며, 비교예 2는 Al/Mg의 비가 본 발명의 바람직한 범위내에 있지 않아 비드외관이 열악하며, 박리가 양호하지 못하고 슬래그 잔해가 남아 있음을 알 수 있다.

또한, 비교예(3∼6)은 C,Si,Mn,Ni의 합금성분이 너무 과도하게 조성되어 있어 충격인성이 충분하게 확보되지 않았는데, 그 중 비교예 3은 Ni/(B+C)의 비가 본 발명의 바람직한 범위내에 있지 않아 충격인성치가 더욱 낮았고, 비교예(5~6)은 산화물조성비가 본 발명범위를 벗어나 비드등각이 형성되지 않았다.

그리고, 도3을 통해, 산화물비(MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂)가 본 발명의 범위인 0.1~10.0 내에 있는 경우에는 상각장(W)과 하각장(L)의 비(W/L)가 1±0.05이내로 등각장을 형성하지만, 본 발명 범위를 벗어난 경우는 그렇지 못함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 메탈계 플럭스 충전 와이어의 특징인 고용착의특성을 잃어버리지 않고 안정된 저온 충격인성을 얻을 수 있으며, 또한, 슬래그 박리가 용이할뿐 아니라 필렛작업시 비드 등각이 형성되고 고온균열 발생이 없는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어를 제조함에 유용하다.

Claims

와이어에 대한 중량%로, C :0.02∼0.1%, Mn:2.5∼5.0%, Si:0.5∼3.0%, Ni:0.1∼1.0%, B:0.001∼0.01%, Al:0.2∼0.8%, Mg:0.1∼1.0%, TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, MgO 및 CaO로 이루어진 산화물 그룹중 선택된 2종 이상의 합: 3∼7%, Na, K, Li, Rb 및 Cs로 이루어진 아크안정제 그룹중 선택된 1종 또는 2종 이상의 합: 0.1∼1.0%, 잔여 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (MgO+ZrO₂+Al₂O₃)/(TiO₂+SiO₂)의 비가 0.1∼10.0로 제어되어 있는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어.
제 1항에 있어서, Al/Mg의 비를 0.2∼2.0로 제어되어 있는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어.
제 1항에 있어서, Ni/(B+C) 비가 5∼40으로 제어되어 있는 탄산가스 아아크 용접용 메탈계 플럭스 충전 와이어.