KR20030079219A - Ｍａｇ 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 ｍａｇ 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정극성 직류 용접에 적합하고, 박강판 용접에 있어서의 용락 (溶落) 결함을 방지할 수 있고, 또한 갭 폭이 큰 조인트에서도 건전한 용접이 가능한, 내 갭 용접성 및 아크 안정성이 우수하고, 스패터의 발생이 적은 정극성 MAG 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 정극성 MAG 용접 방법을 제공하는데 있다.

구체적으로는, C 를 0.20 질량% 이하, Si 를 0.25 ∼ 2.5 질량%, Mn 을 0.45 ∼ 3.5 질량%, 희토류원소를 0.005 ∼ 0.040 질량%, P 를 0.05 질량% 이하, S 를 0.05 질량% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 제조하는 것이다.

Description

ＭＡＧ 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 ＭＡＧ 용접 방법 {STEEL WIRE FOR MAG WELDING AND MAG WELDING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 정극성 MAG (Metal Active Gas, 이하 MAG 라 함) 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 용접 방법에 관한 것으로서, 특히 와이어를 정극 (마이너스측) 으로 하여 두께 0.2 ∼ 4.5 ㎜ 의 강판을 1 패스로 용접할 때에 사용하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 정극성 MAG 용접 방법에 관한 것이다.

실드가스로서 Ar 가스와 Co₂가스 (5 체적% 이상) 또는 O₂가스 (1 ∼ 10 체적%) 의 혼합가스를 사용하는 MAG 용접법은 가장 많이 보급되어 있는 용접법으로서, 고능율적인 용접법이기 때문에, 철강재료의 용접에 널리 이용되고 있다. 특히 자동용접의 급속한 보급에 의해 조선, 건축, 교량, 자동차, 건축기계 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. 조선, 건축, 교량을 중심으로 하는 분야에서는 후강판 (厚鋼板) 의 고전류 다층 용접에 사용되고, 한편 자동차, 건축기계를 중심으로 하는 분야에서는 박강판의 필릿 용접 (fillet welding) 에 사용되는 경우가 많다.

자동차, 건축기계를 중심으로 하는 분야에서는 경량화를 목적으로 하여 판두께가 얇은 고강도 강판의 사용이 증가하고 있다. 그러나, 강판의 고강도화에 의해 강판의 변형이나 휨이 발생하기 쉬워져서 조인트에 있어서의 강판 사이의 접합부분의 갭 폭이 커지는 경향이 있다. 또한 피용접재인 강판의 박육화는, 피용접재의 판두께에 대한 조인트의 강판 사이의 갭 폭의 비율 증가를 의미하고, 따라서 용락 (溶落) 으로 인한 결함율의 증가를 초래하는 문제가 있다. 이와 같은 점에서 박강판의 용락이 적은 내 갭 용접성이 우수한 새로운 용접 방법이 요망되고 있다.

종래부터 MAG 용접에서는, 소모 전극인 와이어를 역극 (플러스측) 으로 하는 역극성 직류 용접법이 저전류역에서 고전류역까지 아크가 안정되어 있기 때문에 널리 실용화되어 있다. 역극성 직류 용접법에서는 전자보다 운동 에너지가 큰 플러스 이온이 마이너스측의 강판에 충돌하여 발생하는 발열량이 크고, 강판의 용입 깊이 (depth of penetration) 가 깊다는 특징이 있어 후강판의 다층 용접에 바람직하다. 그러나, 박강판의 필릿 용접에 역극성 직류 용접법을 적용하면, 강판측으로의 열 영향이 커서 강판의 용입 깊이가 깊기 때문에 용락으로 인한 용접 결함이 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 박강판의 필릿 용접에서는 용락으로 인한 용접 결함의 방지, 용접 속도의 향상이 중요시되고 있기 때문에, 역극성 직류 용접법을 박강판의 필릿 용접에 적용하는 것은 문제가 남아 있었다.

또한, 역극성 직류 용접법에 있어서 순 Ar 등의 불활성 가스를 사용하는 MIG (Metal Inert Gas) 용접법은, 용접 금속중의 저산소화로 높은 인성을 요구하는 인장강도 : 980 Mpa 클래스의 고장력 강의 용접이나 스테인리스 강의 용접 등, 일부 특수강의 용접에 사용되고 있다. 이 MIG 용접에 있어서, 용접 와이어로부터 아크를 안정화시키는 수법으로서 REM 을 첨가하는 방법이 알려져 있다 (용접 학회지 Vol.50 (1981) No.11 Page 1066-1074). 이 용접 와이어로의 안정화 REM 첨가의 효과는, MIG 용접의 클리닝 작용 (보다 전자를 방출하기 쉬운 산화물을 찾아 음극점 (강판측) 이 용접 금속 주변을 기어 돌아다니는 현상) 에 의한 음극점의 변동을 억제하여 안정된 스프레이 이행을 얻는 점에 있다. 그러나, 산화성 가스를 포함하며 활성인 MAG 용접에서의 와이어로의 REM 첨가는 용적을 조대화하여 입경이 큰 스패터를 증가시키는 문제가 있었다.

한편, 역극성과는 반대로 와이어를 마이너스측으로 하는 정극성 직류 용접법에서는, 플러스 이온보다 운동 에너지가 작은 전자가 플러스측인 강판에 충돌하여 발생하는 발열량은 작아져서 강판의 용입 깊이가 얕아지고, 반대로 와이어의 용융 속도가 빨라서 용착량이 많다는 특징이 있다. 따라서, 박강판의 용접에 적합하고, 특히 조인트부의 강판 사이에 큰 갭 폭을 발생시킨 경우의 용접에 적합하다고 생각된다. 그러나, 정극성 직류 용접법에서는 와이어 선단에 매달리는 용적이 조대하게 되어 아크가 불안정해지기 쉽다는 문제가 있다. 그리고, 고속 용접에있어서는 용접 비드의 험핑이나 비드 형상의 불규칙 등의 문제도 있어서 정극성 직류 용접법은 실제로 사용되는 일은 없었다.

정극성 직류 용접법을 이용한 용접은, 한정된 분야에서 여러 가지로 제안되어 있다. 예컨대, 일본 공개특허공보 소58-167078 호, 공개특허공보 평5-138355 호에는 정극성 직류 용접과 역극성 직류 용접에서는 용입 깊이와 용융 속도가 크게 달라지기 때문에, 정극성 직류 용접과 역극성 직류 용접의 시간 비율을 제어하여 용접하는 소모 전극식 가스 실드 아크 용접 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이들 용접 방법에서는 아크의 안정성이 불충분하고 또한 와이어 조성의 검토도 이루어져 있지 않다.

상기 기술한 바와 같이 정극성 직류 용접법은 용입 깊이가 얕고 용착량이 많기 때문에, 박강판의 용접에 적합하고, 특히 접합부분의 갭 폭이 큰 조인트의 용접에 적합하다고 생각된다. 그러나, 종래의 용접용 강 와이어에서는 와이어 선단에 조대한 용적이 불안정하게 매달리기 때문에, 아크가 불안정해져서 스패터의 발생량이 많다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해소하여 정극성 직류 용접에 적합하고, 박강판 용접에 있어서의 용락 결함을 방지할 수 있고, 또한 접합부분의 갭 폭이 큰 조인트에 있어서도 건전한 용접이 가능한 내 갭 용접성 및 아크 안정성이 우수하고 스패터의 발생이 적은 정극성 MAG 용접용 강 와이어 및 이것을 사용한 정극성 MAG 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 정극성 직류 용접에 있어서의 아크의 안정성, 내 갭 용접성 및 비드 형상에 대한 와이어 조성의 영향을 예의 검토하였다.

그 결과, 통상 MAG 용접에 있어서 아크를 불안정하게 하는 직류 정극성 용접법과 와이어로의 REM 첨가를 조합함으로서 아크의 안정화, 내 갭 용접성의 확보가 가능함을 발견하여 더욱 예의 검토를 거듭하였다.

그 결과, ① 희토류 원소 (원자번호 57 ∼ 71, 이하 REM 이라 함), 주로 Ce 를 첨가함으로써, 저전압 영역에서 아크 단절을 방지하여 규칙적인 단락 이행이 가능한 점, ② 탈산원소인 Si, Mn, Ti, Zr, Al 의 함유량을 소정 함유 범위와 관계식을 만족시킴으로써 안정된 내 갭 용접성을 얻을 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이들 지식에 기초하여 구성된 것이다.

도 1a 및 도 1b 는 본 발명의 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 단면조직의 일례를 도시한 모식도이다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 조인트 형상의 예를 도시한 단면도이다.

즉, 본 발명은 정극성 MAG 용접에서 사용되는 용접용 강 와이어로서, C 를 0.20 질량% 이하, Si 를 0.25 ∼ 2.5 질량%, Mn 을 0.45 ∼ 3.5 질량%, 희토류원소를 0.005 ∼ 0.040 질량%, P 를 0.05 질량% 이하, S 를 0.05 질량% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 정극성 MAG 용접용 강 와이어이다.

상기한 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 발명에 있어서는, 제 1 바람직한 태양으로서 상기 조성을 갖고 또한 하기 식 (1) :

D₁= ([Si]/2) + ([Mn]/3) ‥‥‥‥‥ (1)

[Si] : Si 함유량 (질량%)

[Mn] : Mn 함유량 (질량%))

로 산출되는 D₁값이 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 제 2 바람직한 태양으로서, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 상기 조성에 추가하여 Ti : 0.30 질량% 이하, Zr : 0.30 질량% 이하, Al : 0.50 질량% 이하 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.

또한 제 3 바람직한 태양으로서, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 상기 조성에 추가하여 Cr 을 3.00 질량% 이하를 더욱 함유하는 것이 바람직하다.

또한 제 4 바람직한 태양으로서, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 상기 조성을 갖고 또한 하기 식 (2) :

D₂= ([Si]/2) + ([Mn]/3) + ([Ti] + [Zr] + [Al]) ‥‥‥‥‥ (2)

[Si] : Si 함유량 (질량%)

[Mn] : Mn 함유량 (질량%)

[Ti] : Ti 함유량 (질량%)

[Zr] : Zr 함유량 (질량%)

[Al] : Al 함유량 (질량%)

로 산출되는 D₂값이 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 제 5 바람직한 태양으로서, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 상기 조성에 추가하여 K 를 0.0001 ∼ 0.0150 질량% 함유하는 것이 바람직하다.

또한 제 6 바람직한 태양으로서, 정극성 MAG 용접용 강 와이어가 표층에 평균 두께 0.5 ㎛ 이상의 Cu 도금을 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 상기한 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 두께 0.2 ∼ 4.5 ㎜ 의 강판을 용접하는 정극성 MAG 용접 방법에 있어서, 갭의 폭을 강판 두께의 1/2 이상으로 하여 1 패스 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접 방법이다.

발명의 실시형태

우선, 본 발명에 있어서의 정극성 MAG 용접용 강 외이어의 조성의 한정 이유에 대해 설명한다.

C : 0.20 질량% 이하

C 는 용접 금속의 강도를 확보하기 위해 중요한 원소로서, 용강의 점성을 저하시켜 유동성을 향상시키는 작용을 갖는다. 이와 같은 효과는 C 함유량이 0.01 질량% 이하에서 볼 수 있다. 그러나, C 를 다량으로 함유하면 용적 및 용융 풀의 거동이 불안정해져서 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, C 는 0.20 질량% 이하로 한정할 필요가 있다. 그리고, 바람직하게는 0.01 ∼ 0.10 질량% 의 범위내이다.

Si : 0.25 ∼ 2.5 질량%

Si 는 탈산 작용을 갖고, 용접 금속의 탈산을 위해서는 불가결한 원소이다. 그리고 정극성 직류 용접시에는 아크의 확산을 억제하여 단락 이행 횟수를 증대시키는 작용을 한다. 또한, 박강판 용접으로 갭 폭이 큰 조인트 용접에서는 아크열에 의한 용락을 억제하는 작용도 하여 내 갭 용접성을 향상시킨다. 이와 같은 효과는 Si 함유량이 0.25 질량% 이상에서 볼 수 있다. 또한, 한층 더 큰 내 갭 용접성의 향상과 비드 형상의 개선을 위해서는 1.10 질량% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Si 함유량이 2.5 질량% 를 넘으면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Si 는 0.25 ∼ 2.5 질량% 의 범위내를 만족할 필요가 있다. 그리고, 바람직하게는 1.10 ∼ 2.5 질량% 의 범위내이다.

Mn : 0.45 ∼ 3.5 질량%

Mn 은 Si 와 마찬가지로 탈산작용을 갖고, 용접 금속의 탈산을 위해서는 불가결한 원소이다. 이와 같은 효과는 Mn 함유량이 0.45 질량% 이상에서 볼 수 있다. Mn 함유량이 0.45 질량% 미만에서는 용접 금속의 탈산이 부족해서 용융 금속에 블로 홀 결함이 발생한다. 한편, 3.5 질량% 를 넘으면, 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, Mn 은 0.45 ∼ 3.5 질량% 의 범위내를 만족할 필요가 있다.

REM : 0.005 ∼ 0.040 질량%

REM 은 제강 및 주조공정에서 개재물의 미세화, 인성의 개선을 목적으로 하여 첨가한다. 정극성 MAG 용접에 있어서는, 저전압에서의 아크 단절을 방지하여 용적의 단락 이행을 안정화시키는 효과도 갖는다. REM 함유량이 0.005 질량% 미만에서는 이들 효과는 발휘되지 않고, 0.040 질량%를 넘으면 아크가 불안정해져서 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 용융 속도의 저하 및 박판의 용락의 위험성이 증대한다. 따라서, REM 은 0.005 ∼ 0.040 질량% 의 범위내를 만족할 필요가 있다. 그리고, 바람직하게는 0.010 ∼ 0.040 질량% 의 범위내이다.

P : 0.050 질량% 이하

P 는 강의 융점을 저하시킴과 동시에 전기저항율을 향상시켜 용융 효율을 향상시킴과 동시에, 정극성 MAG 용접에 있어서 아크를 안정시키는 효과를 갖는다. 이와 같은 효과는 P 함유량이 0.003 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, 0.050 질량% 를 넘게 함유하면, 용접 금속의 점성을 저하시키고 아크가 불안정해져서 입경이 작은 스패터가 증가한다. 따라서, P 는 0.050 질량% 이하로 하였다. 따라서, 바람직하게는 0.003 ∼ 0.050 질량% 의 범위내이다.

S : 0.050 질량% 이하

S 는 용융 금속의 점성을 저하시켜 와이어 선단에 매달린 용적의 이탈을 원활하게 하는 원소로서, 비드를 평활하게 하여 박강판의 용락을 억제하는 효과를 갖는다. 또한, S 는 정극성 MAG 용접에 있어서 아크를 안정시키는 효과도 갖는다. 그러나, S 함유량이 0.050 질량% 를 넘으면, 입경이 작은 스패터가 증가함과 동시에 용접 금속의 인성이 저하된다. 따라서, S 는 0.050 질량% 이하로 하였다. 그리고, 아크를 안정시키는 효과는 S 함유량이 0.015 질량% 이상에서 현저하게 나타나고, 용접 금속의 인성 저하를 방지하는 효과는 S 함유량이 0.030 질량% 이하에서 현저하게 나타난다. 따라서, 바람직하게는 0.015 ∼ 0.030 질량% 의 범위내이다.

D₁값 : 1.2 ∼ 2.1

D₁값은 하기 식 (1) 로 산출되는 값이다.

D₁= ([Si]/2) + ([Mn]/3) ‥‥‥‥‥ (1)

[Si] : Si 함유량 (질량%)

[Mn] : Mn 함유량 (질량%))

Si 및 Mn 의 효과는 상기한 바와 같으나, D₁값이 1.2 미만이면 용적의 산소 레벨이 높아서 REM 의 효과를 충분히 발휘할 수 없어 아크가 불안정해지고, 비드가 볼록형상의 불규칙한 형상으로 되어 와이어 위치의 어긋남으로 인한 용접 결함이 발생한다. 한편, D₁값이 2.1 을 넘으면, 탈산 효과가 과잉되어 용적의 산소 레벨이 내려가기 때문에, 용적의 점성이 올라가서 아크가 불안정해지고 입경이 큰 스패터의 발생량이 증대한다. 따라서, D₁값은 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것이 바람직하다.

Ti, Zr 및 Al 을 함유하는 경우에는, 필요에 따라 이들 원소 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유한다. 이 경우의 각 원소의 함유량은 각각 하기와 같다.

Ti : 0.30 질량% 이하

Ti 는 탈산 작용을 갖고, 용접 금속의 강도를 증가시키는 원소이다. 이와 같은 효과는 Ti 함유량이 0.01 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, Ti 함유량이 0.30 질량% 를 넘으면, 액적이 조대해져서 입경이 큰 스패터가 발생한다. 따라서, Ti 는 0.30 질량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, 보다바람직하게는 0.01 ∼ 0.30 질량% 의 범위내이다. 그리고, 한층 더 바람직하게는 0.05 ∼ 0.25 질량% 의 범위내이다. 그리고, Ti 의 불가피한 불순물의 레벨은 0.002 질량% 이하이다.

Zr : 0.30 질량% 이하

Zr 은 탈산 작용을 갖고, 용접 금속의 강도 및 인성을 향상시키고 또한 아크의 안정성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과는 Zr 함유량이 0.02 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, Zr 의 함유량이 0.30 질량% 를 넘으면 인성이 저하된다. 따라서, Zr 의 함유량은 0.30 질량% 이하인 것이 바람직하다. 그리고, Zr 의 불가피한 불순물의 레벨은 0.001 질량% 이하이다.

Al : 0.50 질량% 이하

Al 은 탈산 작용을 갖고, 용접 금속의 강도 및 인성을 향상시키고 또한 아크의 안정성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과는 Al 함유량이 0.015 질량% 이상에서는 현저하게 볼 수 있다. 그러나, Al 의 함유량이 0.50 질량% 를 넘으면 인성이 저하된다. 따라서, Al 의 함유량은 0.50 질량% 이하인 것이 바람직하다. 그리고, Al 의 불가피한 불순물의 레벨은 0.003 질량% 이하이다.

D₂값 : 1.2 ∼ 2.1

D₂값은 하기 식 (2)로 산출되는 값이다.

D₂= ([Si]/2) + ([Mn]/3) + ([Ti] + [Zr] + [Al]) ‥‥‥‥‥ (2)

[Si] : Si 함유량 (질량%)

[Mn] : Mn 함유량 (질량%)

[Ti] : Ti 함유량 (질량%)

[Zr] : Zr 함유량 (질량%)

[Al] : Al 함유량 (질량%)

Si, Mn, Ti, Zr, Al 의 효과는 상기한 바와 같으나, D₂값이 1.2 미만이면 용적의 산소 레벨이 높아서 REM 의 효과를 충분히 발휘할 수 없고 아크가 불안정해지며 비드가 볼록형상의 불규칙한 형상으로 되고 와이어 위치의 어긋남으로 인한 용접 결함이 발생한다. 한편, D₂값이 2.1 을 넘으면, 탈산 효과가 과잉되어 용적의 산소 레벨이 내려가기 때문에, 용적의 점성이 올라가서 아크가 불안정해지고 입경이 큰 스패터가 증대한다. 따라서, D₂값이 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것이 바람직하다.

단, Ti, Zr, Al 은 상기한 바와 같이 필요에 따라 1 종 또는 2 종 이상 함유되는 원소이다. 이들 원소 중 함유하지 않는 원소나 불가피한 레벨의 원소에 대해서는, 함유량을 0 으로 하여 D₂값을 산출한다. 따라서, Ti, Zr 및 Al 을 함유하지 않는 경우에는 [Ti] + [Zr] + [Al] = 0 인 점에서 D₂= D₁이다.

Cr : 3.00 질량% 이하

Cr 은 탈산 작용을 갖고, 그 효과는 상기 Si, Mn, Ti, Zr, Al 에 비해 작으나, 용접 금속의 강도를 증가시키고 또한 내후성을 향상시키는 원소이다. 그러나, 지나친 함유는 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Cr 의 함유량은 3.00 질량% 이하인 것이 바람직하다. 그리고, 보다 바람직하게는 Cr 은 0.15 ∼ 0.70 질량% 의 범위내이다.

K : 0.0001 ∼ 0.0150 질량%

K 는 아크를 넓혀서 소프트화함과 동시에 정극성 MAG 용접에 있어서 용적을 미세화하여 액적의 이행을 원활하게 하는 효과를 갖는다. 이와 같은 효과는 K 함유량이 0.0001 질량% 이상에서 볼 수 있다. 한편, K 함유량이 0.0150 질량% 를 넘으면 아크가 길어지기 때문에, 와이어 선단에 매달린 액적이 불안정해져서 스패터의 발생이 증가한다. 따라서, K 는 0.0001 ∼ 0.0150 질량% 의 범위내를 만족시키는 것이 바람직하다. 그리고, 보다 바람직하게는 0.0003 ∼ 0.0030 질량% 의 범위내이다. 또한, K 는 비점이 760 ℃ 로 낮고, 소재가 되는 강의 용제 단계에서의 수율이 현저하게 저하되기 때문에, K 는 강의 용제 단계에서 첨가하는 것보다 와이어의 제조시에 와이어 표면에 칼륨염 용액을 도포하여 소둔을 실시함으로써 와이어 내부에 K 를 안정되게 함유시키는 것이 바람직하다.

그 외 Ca, Ni, Mo, Cu, B, Nb, V 는 아크를 안정화시키거나 용접 금속의 강도를 증가시키거나 또는 내후성을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 선택해서 함유할 수 있다. 첨가한 경우의 각 원소의 한정 이유를 하기에 나타낸다.

Ca : 0.0050 질량% 이하

Ca 는 강판 및 주조시의 불순물로서 또는 신선가공시의 불순물로서 와이어에 혼입되는데, 정극성 용접에 있어서는 아크를 안정화시키는 경향이 있다. 이와같은 효과는 Ca 함유량이 0.0003 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, 0.0050 질량% 를 넘게 첨가하면 용적으로의 아크 집중으로 인해 아크 불안정을 초래하여 스패터를 증대시킨다. 따라서, Ca 는 0.0050 질량% 이하가 바람직하다.

Ni : 3.0 질량% 이하, Mo : 1.5 질량% 이하, Cu : 3.0 질량% 이하, B : 0.010 질량% 이하

Ni, Mo, Cu, B 는 모두 용접 금속의 강도를 증가시키고 또한 내후성을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 선택해서 함유할 수 있다. 이와 같은 효과는 Ni, Mo, Cu, B 의 함유량이 각각 0.10 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, 지나친 함유는 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우에는 Ni 는 3.0 질량% 이하, Mo 는 1.50 질량% 이하, Cu 는 3.00 질량% 이하, B 는 0.010 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Nb, V : 합계로 0.55 질량% 이하

Nb, V 는 모두 용접 금속의 강도, 인성 및 아크의 안정성을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 선택해서 1 종 또는 2 종 이상을 함유할 수 있다. 이와 같은 효과는 Nb, V 의 함유량이 각각 0.01 질량% 이상에서 현저하게 볼 수 있다. 그러나, 이들 원소가 합계 0.55 질량% 를 넘으면 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Nb, V 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상을 합계 0.55 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기에서 설명한 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 불가피한 불순물로서는 O 를 0.020 질량% 이하, N 을 0.010 질량% 이하를 허용할 수 있다. 그리고, O 는 강의 용제중 또는 와이어의 제조중에 불가피하게 함유되는 원소로서, 용적의 이행 형태를 미세화하는 효과가 있고, 0.0020 질량% 이상, 0.0080 질량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0020 질량% 이상, 0.0080 질량% 미만으로 조정하는 것이 바람직하다.

이어서, 본 발명의 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 강판을 용접하는 정극성 MAG 용접 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 용접함으로써 통상의 정극성 용접에서는 어려운 판두께 1.2 ㎜ 이하의 용접이 가능해진다. 단, 강판의 두께가 0.2 ㎜ 미만에서는 용접부의 용락으로 인한 용접 결함이 발생하고, 반대로 판두께가 4.5 ㎜ 를 넘으면 용접 속도를 저하시켜야만 한다. 따라서, 본 발명의 용접 방법으로 용접되는 강판의 두께는 0.2 ∼ 4.5 ㎜ 의 범위내로 한다.

또한, 본 발명의 용접 방법이 적용되는 조인트부에 있어서의 강판 사이의 갭 폭 (S) 은, 통상의 역극성 용접에서는 어려운 판두께 (t) 의 1/2 이상, 즉 S ≥0.5 t 의 용접이 가능해진다. 예컨대, 도 2a, 도 2b 및 도 2c 에 도시한 바와 같은 T 조인트, 플레어 조인트나 랩 조인트를 용접하는 경우에 갭 폭 (S) ≥0.5 t 에서도 건전한 용접이 가능해지고, 용접 조건을 최적화하면 갭 폭 (S) = 2.5 t 에서도 건전한 용접이 가능하다. 물론, 갭 폭이 S ＜ 0.5 t 인 경우에도 본 발명의 방법에 의한 용접은 가능하다. 그러나, 갭 폭이 0.5 t 미만인 경우에는 정극성 용접에서는 충분한 용입을 얻을 수 없는 경우가 있다. 즉, S ＜ 0.5 t 이면,통상의 역극성 용접법에서 건전한 용접이 가능하므로 정극성 MAG 용접 방법을 선정할 필요는 없다.

그리고, 갭 폭 (S) 의 상한은 특별히 규정하지 않으나, 강판 두께의 2.5 배를 넘으면 건전한 용접부를 얻기가 어려워진다. 따라서, S ≤2.5 t 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 정극성 MAG 용접 방법으로 2 패스 이상의 용접을 실시하면, 용입이 얕기 때문에 콜드 랩이나 슬래그의 말려 들어감으로 인한 용접 결함을 일으키기 쉬워 건전한 용접부를 얻기가 어렵다. 따라서, 본 발명의 정극성 MAG 용접 방법에 있어서는 1 패스로 용접을 실시할 필요가 있다.

그리고, 도 2a, 도 2b 및 도 2c 에는 T 조인트, 플레어 조인트 및 랩 조인트의 예를 도시하였으나, 다른 형상의 조인트를 용접하는 경우에도 S ≥0.5 t 로써 1 패스로 용접을 실시한다.

그리고, 본 발명의 정극성 MAG 용접의 바람직한 용접 조건은, 실드가스 : Ar 0 ∼ 90 체적% 및 CO₂5 ∼ 100 체적% 의 혼합가스 (단, CO₂100 체적% 도 함유함) 또는 Ar 0 ∼ 90 체적% 와 O₂가스 : 1 ∼ 10 체적% 의 혼합가스, 용접 전류 : 80 ∼ 250 A, 용접 전압 : 13 ∼ 25 V, 용접 속도 25 ∼ 120 ㎝/분, 용접 입열 : 2 ∼ 10 kJ/㎝, 와이어 직경 : 0.9 ∼ 1.6 ㎜, 와이어 공급 속도 : 1.2 ∼ 10.0 m/min 의 조건에서 실시하는 것이 바람직하다.

이어서, 본 발명의 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 제조 방법에 대해 설명한다.

상기한 조성의 용강을 전로 또는 전기로 등의 종래부터 알려져 있는 방법으로 용제한 후, 연속 주조 등에 의해 강소재 (예컨대, 빌릿) 를 제조한다. 강소재를 가열하고, 이어서 열간압연 또는 추가로 냉간에서의 신선가공 (wire drawing) 에 의해 강소선 (bar steel) 으로 한다. 열간압연은 소정 치수 형상의 강소선을 얻을 수 있는 조건에서 실시하면 되며, 특별히 한정되지 않는다.

이어서, 강소선은 소둔-산세-Cu 도금-신선가공의 각 공정을 차례로 실시하여 소정 선 직경을 갖는 정극성 MAG 용접용 강 와이어가 된다. 본 발명의 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 제조할 때에는, 소둔전의 강 와이어 표면에 칼륨염 용액을 도포한 후, 소둔을 실시하는 것이 바람직하다. 칼륨염 용액으로서, 시트르산 3 칼륨 수용액, 탄산칼륨 수용액, 수산화칼륨 수용액 등을 사용한다. 와이어 표면에 도포하는 칼륨염 수용액 농도는, 수용액중의 K 량을 0.5 ∼ 3.0 질량% 로 하는 것이 바람직하다.

칼륨염 용액이 표면에 도포된 강 와이어를 소둔함으로써, 소둔중에 생성되는 내부 산화층내에 K 가 안정되게 유지된다. K 는 스패터를 저하시키는 효과를 갖는데, 강 와이어 표면에 K 염을 유지 (즉, 도포) 시키면, 열적으로 불안정해지기 때문에 스패터를 저하시키는 효과가 감소한다. 따라서, 미리 강 와이어 표면에 칼륨염 용액을 도포한 후, 소둔을 실시하는 것이 바람직하다.

소둔은 강 와이어를 연화시키는 것 및 강 와이어의 내부 산화층내에 K 를 유지시키는 것을 목적으로 하여 실시하는 것으로서, 650 ∼ 850 ℃ 의 온도 범위에서또한 수증기를 함유하는 질소가스 분위기중에서 실시하는 것이 바람직하다. 소둔 온도가 650 ℃ 미만이면 내부산화 반응의 진행이 늦고, 또한 850 ℃ 를 넘으면 내부산화 반응의 진행이 너무 빨라서 내부산화의 조정이 어려워진다.

소둔의 분위기는 내부 산화층 형성이라는 관점에서 이슬점 0 ℃ 이하, 산소 농도 200 ppm 이하로 하는 것이 바람직하다. 표면에 칼륨염 용액을 도포한 강 와이어를 이와 같은 분위기하에서 소둔함으로써, 강 와이어의 표면에서 산화가 진행되어 도 1a 나 도 1b 에 도시한 바와 같이 표층부가 내부산화되고, 이 내부 산화층에 K 가 확실하게 유지된다. 소둔의 조건 (즉, 온도, 시간, 분위기 등) 은 강 와이어 중의 K 함유량이 0.0003 ∼ 0.0030 질량%, O 함유량이 0.0020 ∼ 0.0080 질량% 가 되도록 선 직경 및 칼륨염 농도, 칼륨염 용액의 도포량 등과 관련하여 결정하는 것이 바람직하다.

소둔한 강소선은 산세를 실시한 후, 표면에 Cu 도금을 실시한다. Cu 도금의 평균두께는 0.5 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

정극성 직류 용접에 있어서는, 역극성 용접에 비해 전력 공급 불량에 기인하여 아크가 불안정해지기 쉽다. 그러나, Cu 도금의 평균두께를 0.5 ㎛ 이상으로 함으로써, 전력 공급 불량에 기인하는 아크의 불안정화를 방지할 수 있다. 이와 같이 Cu 도금을 두껍게 함으로써 아크의 불안정화를 방지할 뿐만 아니라 전력 공급 팁의 손모 (닳아 없어짐) 도 저감시킬 수 있다.

그러나, 정극성 MAG 용접용 강 와이어에 함유되는 Cu 및 Cu 도금에 함유되는 Cu 가 합계 3.0 질량% 를 넘으면, 용접 금속의 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, Cu 도금의 두께는 0.8 ㎛ 이상이고 또한 정극성 MAG 용접용 강 와이어에 함유되는 Cu 와의 합계가 3.0 질량% 이하가 되도록, Cu 도금의 두께를 조정하는 것이 한층 더 바람직하다. 그리고, Cu 도금의 두께는 전해법에 의해 구한다. 전해액에는 질산암모늄 40%, 수산화암모늄 0.5% 로 이루어진 수용액을 사용하여 전해시의 전기량으로부터 구한다. 즉, 전해에 의해 Cu 도금의 구리는 2가의 이온으로 되어 용액중으로 녹아나간다 (Cu →Cu⁺²+2e). 이 때의 전기량 (C ; 쿨롱) 에서 녹아나간 Cu 원자 수 (N) 가 C/2 로 구해진다. 이 N 을 아보가드로수 6.02 ×10²³으로 나누어 분자수를 구한다. 이것에 Cu 의 원자량 63.54 를 곱하여 질량을 구하고, 이것을 Cu 의 밀도 (D) = 8.96 으로 나누어 Cu 도금층의 체적을 구한다. 그리고, 이것을 용해된 와이어의 표면적 (S) (㎠) 으로 나누어 Cu 도금막 두께로 구한다. 즉, Cu 도금 두께 (㎛) = (N ×63.54 ×10000) / (6.02 ×10²³×8.96 ×S) 로 구할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 용강중의 전력 공급의 안정화를 도모하기 위해, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 평탄도를 1.01 미만으로 하는 것이 중요하다. 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 신선가공에 있어서 다이스 관리를 엄격하게 실시함으로써, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 평탄도를 1.01 미만으로 할 수 있다. 그 결과, 용접중의 전력 공급이 안정되어 저스패터화를 달성할 수 있다. 그리고, 평탄도는 하기 식 (3) :

평탄도 = A_M/A_R‥‥‥‥‥ (3)

A_M= 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 본체 표면의 실표면적 (㎟)

A_R= 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 본체 표면의 외관상 면적 (㎟)

으로 산출되는 값이다.

그리고, 본 발명에서는 용접중의 전력 공급의 안정화를 도모하기 위해, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 표면에 부착된 불순물을 정극성 MAG 용접용 강 와이어 10 ㎏ 당 0.01 g 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 송급성을 확보하기 위해 표면에 도포되는 윤활유는, 정극성 MAG 용접용 강 와이어 10 ㎏ 당 0.35 ∼ 1.7 g 의 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 송급성은 로봇 용접을 실시하는 경우에 중요하다.

실시예

실시예 1

연속 주조에 의해 제조한 빌릿을 열간압연하여 직경 5.5 ∼ 7.0 ㎜ 의 선재로 하고, 이어서 냉간에서 신선가공을 실시하여 직경 2.0 ∼ 2.8 ㎜ 의 강소선으로 하였다. 이 강소선에 2 ∼ 30 질량% 의 시트르산 3 칼륨 수용액을 도포하였다. 시트르산 3 칼륨 수용액의 도포량은 강소선 1 ㎏ 당 30 ∼ 50 g 이었다. 이어서, 강소선을 이슬점 : -2 ℃ 이하, O₂: 200 체적 ppm 이하, CO₂: 0.1 체적% 이하의 N₂분위기중에서 소둔하였다. 소둔온도는 750 ∼ 950 ℃ 의 범위로 하였다.이 때, 강소선의 직경, 칼륨염 수용액의 농도, 소둔온도와 소둔시간을 조정함으로써, 강소선 중의 O 함유량과 K 함유량을 조정하였다.

소둔한 후, 강소선을 산세하고, 추가로 강소선의 표면에 Cu 도금을 실시하고, 이어서 냉간에서 신선가공을 실시하여 평탄도 1.003 ∼ 1.005, 직경 1.2 ㎜ 의 정극성 MAG 용접용 강 와이어로 하였다. 얻어진 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 표면에 윤활유를 도포하였다. 윤활유의 도포량은 정극성 MAG 용접용 강 와이어 10 ㎏ 당 0.35 ∼ 1.7 g 이었다. 얻어진 정극성 MAG 용접용 강 와이어의 조성과 Cu 도금 두께는 표 1 및 표 2 에 나타낸 바와 같다. 그리고, 와이어의 평탄도와 Cu 도금의 두께의 한정은 각 와이어에서 5 점의 샘플을 채취하여 상기 기술한 발명의 실시형태에서 설명한 측정방법에 의해 얻어진 5 점의 값을 평균하였다.

이들 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 용접시험을 실시하고, 스패터 발생량, 비드 형상, 전력 공급 팁의 손모도 (損耗度) 를 하기 방법으로 평가하였다. 용접 시험의 조건은 실드가스 성분 : Ar 80 체적% + CO₂20 체적%, 실드가스 유량 : 20 ℓ/min, 용접 전원 : 인버터 전원, 극성 : 정극성, 용접 전류 : 180 A, 용접 전압 : 16 V 로 하였다. 평가한 결과는 표 3 및 표 4 에 나타낸 바와 같다.

(a) 스패터 발생량 : 도 2a 에 도시한 플레어 조인트 (강판의 두께 (t) = 1.4 ㎜, 갭의 폭 (S) = 0.5 t = 0.7 ㎜) 의 맞닿음 용접을 실시하고, Cu 제 포집지그를 사용해서 직경 0.5 ㎜ 이상의 스패터를 포집하여 스패터 발생량을 측정하였다. 용접시간은 1 min 으로 하였다. 스패터 발생량이 용착량 100 g 당 0.2 g 이하를 적음 : ○, 0.2 g 초과 ∼ 0.3 g 이하를 약간 적음 : △, 0.3 g 초과를 많음 : ×로 평가하였다.

(b) 비드 형상 : 도 2a 에 도시한 플레어 조인트 (강판의 두께 (t) = 1.4 ㎜, 갭의 폭 (S) = 0.5 t = 0.7 ㎜) 의 맞닿음 용접을 실시하여 비드 형상을 육안으로 관찰하였다. 용락이 발생한 경우에는 불량 : ×로 하고, 언더 커트 또는 볼록형상으로 된 경우를 약간 양호 : △, 전혀 이상이 없는 것을 양호 : ○로 평가하였다.

(c) 전력 공급 팁의 손모도 : 직경 800 ㎜, 두께 25 ㎜ 의 강관을 자전시키면서 강관 외주를 연속 용접하였다. 용접 시간은 30 min 으로 하였다. 용접이 종료된 후, 팁 선단 내경을 측정하고, 그 최대값과 최소값을 사용해서 팁을 선단 내경의 타원화율을 산출하였다. 타원화율이 2 % 이하를 양호 : ○, 2 % 초과 ∼ 5 % 이하를 약간 양호 : △, 5 % 초과를 불량 : ×로 평가하였다.

그리고, 타원화율은 하기 식 (4) :

타원화율 (%) = 100 ×{(d_max/d_min) - 1} ‥‥‥‥‥ (4)

d_max: 팁 선단 내경의 최대값 (㎜)

d_min: 팁 선단 내경의 최소값 (㎜)

로 산출되는 값이다.

와이어 No. 1 ∼ 40 의 발명예에서는 직경 0.5 ㎜ 이상의 스패터 발생량이 용착량 100 g 당 0.3 g 이하로서, 스패터 저감효과가 발휘되었다. 특히 와이어 No. 18 ∼ 39 는 REM 을 첨가하고, 또한 D₂값을 1.2 이상, 2.1 이하로 함으로써 스패터 저감효율이 더욱 현저하게 나타났다.

한편, 비교예에서는 조성이 본 발명의 범위를 벗어나기 때문에, 직경 0.5 ㎜ 이상의 스패터의 발생량이 용착량 100 g 당 0.6 g 을 초과하고 또한 비드 형상은 열화되었다. 또한, Cu 도금 두께 0.5 ㎛ 이상에서는 아크 안정성이 우수하고 또한 팁의 마모가 저감되었다. 한편, Cu 도금 두께 0.5 ㎛ 미만의 와이어 No. 3, 41, 42 에서는 아크의 안정성이 떨어지는 것 외에 팁의 마모가 증가하였다.

실시예 2

표 2 에 나타낸 No. 22 와 30 의 와이어를 사용하고 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 강판의 두께 (t) = 1.2 ㎜ 를 도 2c 에 도시한 랩 필릿 조인트의 용접시험을 실시하여 갭 용접성을 평가하였다. 용접 조건은 실드가스 유량 : 20 ℓ/min, 용접 전원 : 인버터 전원, 극성 : 정극성, 용접 전류 : 150 A, 용접 전압 : 16 V, 용접 속도 80 ㎝/분으로 하였다.

평가한 결과를 표 5 에 나타낸다.

(a) 용입 평가 : 도 2c 에 도시한 하판의 용접부의 최대 용입 깊이가 판두께의 40 % 이상을 양호 : ○, 10 % 이상 40 % 미만을 약간 양호 : △, 10 % 미만을 불량 : ×로 평가하였다.

(b) 외관 평가 : 용락으로 인한 결함이 있는 것 또는 도 2c 에 도시한 상하의 강판 모두가 전혀 용입되지 않은 것을 불량 : ×, 하판의 용접부에 반대쪽의 비드가 보이는 것을 약간 불량 △, 상기 외관상의 결함이 없는 것을 양호 : ○로 평가하였다.

(c) 종합 평가 : 용입 평가 및 외관 평가 모두 ○를 양호 : ○, 용입 평가 또는 외관 평가 중 어느 하나가 ×를 불가 : ×, 그 이외를 약간 양호 : △ 로 평가하고, ○와 △를 양호한 것으로 판정하였다.

본 실시예에서는 갭 율 (S/t) = 2.5 (판두께의 2.5 배의 갭 폭 (s)) 까지 양호한 용접부를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에서는, 정극성 MAG 용접에 있어서 아크의 안정성이 우수하고, 높은 용착량과 얕은 용입을 달성할 수 있고, 용락 결함을 방지할 수 있으므로 높은 갭 폭의 박강판 조인트 용접을 안정되게 실시할 수 있게 된다. 또한, 스패터량도 저감할 수 있고, 전력 공급의 안정성이 우수하고, 또한 전력 공급 팁의 손모를 저감할 수 있는 등, 산업상 뛰어난 효과를 갖는다.

Claims (9)

1. 정극성 MAG 용접에서 사용되는 용접용 강 와이어로서, C 를 0.20 질량% 이하, Si 를 0.25 ∼ 2.5 질량%, Mn 을 0.45 ∼ 3.5 질량%, 희토류원소를 0.005 ∼ 0.040 질량%, P 를 0.05 질량% 이하, S 를 0.05 질량% 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
2. 제 1 항에 있어서, 추가로 하기 식 (1) :

   D₁= ([Si]/2) + ([Mn]/3) ‥‥‥‥‥ (1)

   [Si] : Si 함유량 (질량%)

   [Mn] : Mn 함유량 (질량%))

   로 산출되는 D₁값이 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
3. 제 1 항에 있어서, 추가로 Ti : 0.30 질량% 이하, Zr : 0.30 질량% 이하, Al : 0.50 질량% 이하 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
4. 제 3 항에 있어서, 추가로 하기 식 (2) :

   D₂= ([Si]/2) + ([Mn]/3) + ([Ti] + [Zr] + [Al]) ‥‥‥‥‥ (2)

   [Si] : Si 함유량 (질량%)

   [Mn] : Mn 함유량 (질량%)

   [Ti] : Ti 함유량 (질량%)

   [Zr] : Zr 함유량 (질량%)

   [Al] : Al 함유량 (질량%)

   로 산출되는 D₂값이 1.2 ∼ 2.1 의 범위내를 만족하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
5. 제 1 항 ∼ 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 Cr 을 3.00 질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
6. 제 1 항 ∼ 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 K 를 0.0001 ∼ 0.0150 질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
7. 제 1 항 ∼ 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접용 강 와이어가 표층에 평균 두께 0.5 ㎛ 이상의 Cu 도금을 갖는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접용 강 와이어.
8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 기재된 정극성 MAG 용접용 강 와이어를 사용해서 두께 0.2 ∼ 4.5 ㎜ 의 강판을 용접하는 정극성 MAG 용접 방법에 있어서, 갭의 폭을 상기 강판 두께의 1/2 이상으로 하여 1 패스 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 정극성 MAG 용접 방법.
9. 두께 0.2 ∼ 4.5 ㎜ 의 강판을 1 패스 정극성 MAG 용접으로 접합하는 방법에 있어서, 상기 강판 사이의 갭과 상기 강판의 판두께의 비를 1/2 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 강판의 접합 방법.