KR20070060010A

KR20070060010A - 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어

Info

Publication number: KR20070060010A
Application number: KR1020060122834A
Authority: KR
Inventors: 요시테루 사사키; 히로시 아리타; 도모카즈 모리모토; 시게오 나가오카
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2007-06-12
Also published as: CN1978123A; KR100871203B1; CN1978123B; JP4841238B2; KR20080043279A; JP2007152410A

Abstract

본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 플럭스는, 와이어전체 질량당의 성분 비율로, 금속으로서의 Zr 원을 Zr 환산으로 0.10 내지 0.30질량%, ZrO₂를 0.30 내지 1.0질량%, TiO₂를 1.0 내지 5.0질량%, SiO₂를 0.30 내지 1.0질량%, 금속 Al 원을 Al 환산으로 0.10 내지 0.30질량%로 하고, 알칼리 금속원으로서의 Na와 K 중 적어도 한 쪽이 Na₂O와 K₂O의 환산 총량으로 0.04 내지 0.10질량%이고, K₂O/Na₂O 비의 값이 1.0 내지 3.0이다. 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 수평 필릿 용접 시공 등에 관한 것이며, 고속 용접성과 내기공성이 우수한 동시에 슬래그 피포성 및 슬래그 박리성이 향상되어 있다.

Description

가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어{FLUX-CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING}

본 발명은, 금속 외피 성분이 연강인 가스 실드 용접용 플럭스 코어드 와이어(flux-cored wire)에 관한 것이며, 특히 자동 또는 반자동 아크 용접에 사용되는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.

일반적으로, 조선 및 철골 교량 분야에 있어서는, 용접 구조물의 고능률 용접 시공을 가능하게 하는 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어가 다용되고 있다. 특히, 고능률을 중시하는 경우에는, 2전극 1풀법 등에 의한 고속 용접 시공법이 널리 채용되고, 일본 특허공개 제1999-5193호 공보, 일본 특허공개 제2000-42787호 공보, 일본 특허공개 제1998-314985호 공보, 일본 특허공고 제1994-69633호 공보 및 일본 특허공개 제2000-71096호 공보에 기재된 용접용 와이어 등이 사용되고 있다. 이들 종래의 플럭스 코어드 와이어는, 고속 용접시의 내기공성 향상을 목적으로 한 슬래그 성분계로 설계되어 있고, 또한 비드의 윤곽 등의 형상 면에서도 우수하다.

그러나, 조선 및 철골 교량의 반자동·자동에 의한 수평 필릿 용접 시공의 장면에서는, 용접 슬래그가 용접 비드 전체면을 균일하게 입히는 것(슬래그 피포성(被包性))이 내기공성과 마찬가지로 중요한 평가 포인트이다. 왜냐하면, 슬래그가 비드 표면을 불균일하게 입힌 경우, 슬래그의 얇은 부분은 박리성이 나빠 슬래그 박리 공정을 곤란하게 하기 때문이다. 또한, 슬래그 박리가 나쁜 부분에서는 슬래그가 고착되어 반점 모양이 되어 비드 외관을 손상시키는 결과가 되기 때문이다.

종래의 2전극 1풀법용 플럭스 코어드 와이어에서는, 특히 모재(피용접재)가 연강 저 Si·저 Mn 재를 용접하는 경우, 고장력 강을 용접하는 경우에 비해 슬래그중의 MnO, SiO₂ 농도의 저하에 의해 슬래그 점성이 저하되고, 또한 슬래그량이 감소한다. 이 때문에, 비드에 대한 슬래그의 피포 상태는 매우 불균일하게 될 뿐만 아니라, 슬래그의 두께가 얇은 부분에 있어서 슬래그가 비드에 눌러 붙는 현상이 생겨 비드 외관을 매우 악화시킨다. 또한, 비드 형상이 볼록형이 된다. 또한, 표면에 산화 피막을 갖는 강판을 용접하는 경우도, 슬래그 중에 FeO, Fe₂O₃가 대부분 포함되기 때문에 슬래그 점성이 저하되기 때문에 동일한 결과가 된다. 특히 용접 속도 150cm/분을 넘으면 열화된다.

또한, 슬래그의 눌러 붙음에 의해 슬래그 박리성이 열화된 경우, 건전한 용접부를 얻기 위한 슬래그 제거 작업은 쓸데없는 인력이 요구되어 상당한 시간과 비용증가의 원인으로도 된다.

그러나, 상기 각 선행문헌에 기재된 종래 와이어에서는, 이 고속 용접성과 내기공성은 우수하지만, 용접 슬래그의 피포성의 점에서는 반드시 만족되는 것은 아니었다.

예컨대, 일본 특허공개 제1999-5193호 공보, 일본 특허공개 제2000-42787호 공보 및 일본 특허공고 제1994-69633호 공보에 기재된 용접 와이어에 있어서는, 프라이머 강판의 싱글 용접(용접 속도 = 약 100cm/분)에서의 내기공성 및 작업성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있지만, 트윈 탠덤 고속 용접(용접 속도 = 150 내지 180cm/분)에 적용한 경우로서, 모재 성분이 저 Si 및 저 Mn 측에 치우치는 경우에는 슬래그 발생량이 감소하기 때문에 용접 비드 표면의 슬래그 포피성이 뒤떨어지는 결과가 되어 비드 형상 및 비드 외관이 바람직하지 못한 용접 비드가 되어 버리다는 문제점이 있다. 또한, 강판이 프라이머 강판이 아니라, 흑피 강판으로 된 경우에 있어서도, 이들 종래 기술에서는 내기공성이 뒤떨어진다고 하는 문제점을 갖고 있었다.

또한, 일본 특허공개 제1998-314985호 공보에 기재된 용접 와이어에 있어서는, 횡방향 용접시의 비드 늘어짐을 방지하도록, 용접 금속의 점성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 프라이머 강판 또는 흑피 강판에서의 트윈 탠덤 고속 용접(용접 속도 = 150 내지 180cm/분)에 그대로 적용했다고 해도, 점성이 높아 고속성이 뒤떨어지기만 하거나, 내기공성도 크게 뒤떨어져 버리게 된다.

또한, 일본 특허공개 제2000-71096호 공보에 기재된 용접 와이어는 프라이머 강판의 트윈 탠덤에서의 작업성을 개선한 발명으로서, 특히 흄(fume)량 및 스퍼터 량을 감소시키는 것을 목적으로 하고 있지만, 흑피 강판에 적용한 경우 또는 트윈 탠덤 고속 용접(용접속도 = 150 내지 180cm/분)에 적용한 경우에는 내기공성 및 고속 용접성이 뒤떨어져 버린다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 수평 필릿 용접 시공 등에 관한 것으로, 표면이 무기 아연 프라이머 도장되거나 또는 흑피로 덮어진 연강 저 Si, 저 Mn 재 및 고장력 강을 용접하는 경우에 있어서, 고속 용접성과 내기공성이 우수한 동시에, 슬래그 피포성 및 슬래그 박리성이 향상된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 연강제 외피내에 플럭스가 충전된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어 전체 질량당의 성분 비율로, 금속으로서의 Zr 원을 Zr 환산으로 0.10 내지 0.30질량%, ZrO₂를 0.30 내지 1.0질량%, TiO₂를 1.0 내지 5.0질량%, SiO₂를 0.30 내지 1.0질량%, 금속 Al 원을 Al 환산으로 0.10 내지 0.30질량%로 하고, 알칼리 금속원으로서의 Na 및 K가 Na₂O 환산 총량과 K₂O 환산 총량의 합으로 0.04 내지 0.10질량%이고, (K₂O 환산 총량/Na₂O 환산 총량) 비의 값이 1.0 내지 3.0 인 것을 특징으로 한다.

여기서, 금속으로서의 Zr 원이란 Zr 및 합금 Zr을 포함한 것이다. 이와 같이, 본 명세서 중에서 「금속으로서의」라고 하는 경우는 금속 및 합금을 전부 포함한 것이다.

또한, 상기 와이어의 성분에 관한 규정에 있어서, Na와 K에 관해서는 Na₂O 환산 총량과 K₂O 환산 총량으로 규정하고 있다. 이것은 플럭스 중에 포함되는 모든 Na 화합물 및 K 화합물을 각각 Na₂O 및 K₂O로 환산한 것이다. 즉, 이들 모든 Na 화합물 및 K 화합물을 구성하고 있는 Na 및 K가 전부 Na₂O 및 K₂O로 되었다고 가정한 경우의 Na₂O 및 K₂O의 중량이다.

상술한 본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서는, 금속으로서의 Zr 원은, 예컨대 금속지르코늄, 페로지르코늄(Fe-Zr) 및 페로실리지르코늄(Fe-Si-Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.

또한, 금속으로서의 Al 원은, 예컨대 금속알루미늄 및 페로알루미늄(Fe-Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이다.

또한, 금속으로서의 Zr 원이 Zr 환산으로 0.15 내지 0.25질량%, ZrO₂가 0.35 내지 0.55질량%이고, Zr/ZrO₂가 0.20 내지 0.35질량%인 것이 바람직하다.

본 발명은 프라이머 강판 또는 흑피 강판에서의 트윈 탠덤 고속 용접(용접 속도 = 150 내지 180cm/분)에 있어서, 양호한 슬래그 포피성을 유지하는 플럭스 조 성으로서 ZrO₂, TiO₂ 및 SiO₂의 3성분의 배합 밸런스를 취하는 것이 필요불가결이라는 지견에 따라 완성된 것이다. 또한, 이에 덧붙여, 본 발명은 프라이머 강판 또는 흑피 강판이라는 모재의 표면 상태 및 성분의 조건하에, 양호한 내기공성을 실현하기 위해, 금속으로서의 Al 원과 Zr 원을 가한 것에 특징이 있다. 특히, 이들 성분을 플럭스 중의 산화물로서의 A1₂O₃ 및 ZrO₂의 첨가가 아니고, 금속 성분으로서 첨가한 것에 의미가 있다. 즉, 아크 하의 용접 금속내에서, 강판 표면 상태 및 강판 성분의 변동으로부터 오는 산화물 성분의 변동에 대하여, 금속 성분으로서 첨가해 둔 쪽이 배합의 자유도가 크고 적절한 슬래그량을 자동 생성하게 되어, 프라이머 강판에서도 흑피 강판에서도 양호한 슬래그 포피성과 내기공성을 양립할 수 있다는 것을 본 발명자들이 발견했다. 본 발명은 이러한 지견에 따라 이루어진 것이다.

본 발명에 의하면, 상술한 조성에 의해, 수평 필릿 용접에 있어서, 슬래그 피포성과 슬래그 박리성을 향상시킬 수 있는 동시에, 종래부터의 이점인 내기공성과 비드 외관 형상도 우수한 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 우선, 본 발명의 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 플럭스 조성 및 그 성분 한정 이유에 대하여 설명한다. 한편, 하기 플럭스 조성은 와이어 전체 질량에 대한 중량 비율(질량%)이다.

「Zr 원: 0.10 내지 0.30질량%(Zr 환산치)」

Zr 원은 탈산제이며, 용융 금속 중의 산소량을 저감시키고, 용융 금속의 점성을 높임으로써 용융 금속의 늘어짐을 억제하고, 또한 슬래그의 점성을 최적화하여, 슬래그의 포피성을 향상시키기 위해 첨가된다. 이 Zr 원이 Zr 환산치로 0.30질량%를 초과하면, 용접 금속 중에 보유하는 Mn 및 Si량이 높아져, 강도가 지나치게 높아진다. 또한, Zr 원이 0.10질량% 미만이면 탈산의 효과가 낮다. 보다 바람직하게는, Zr 원은 0.15 내지 0.25질량%이다. 이 금속 Zr 원이 0.15 내지 0.25질량%의 범위에 있으면, 모재 강판의 탈산 성분이 변동한 경우에도 용융지내에서 용융 금속 산소량을 적정한 범위로 유지하기 때문에, 모재 성분 및 모재의 흑피의 유무 등의 영향을 받기 어렵고 양호한 슬래그 포피성과 내기공성을 유지할 수 있다.

「ZrO₂: 0.030 내지 1.00질량%」

ZrO₂는 슬래그 형성제이며, 용융 슬래그의 응고 온도 및 점성을 조정하고, 비드 형상을 향상시키기 위해서 첨가된다. ZrO₂가 1.00질량%를 초과하면 슬래그의 융점이 상승하고, 슬래그의 점성이 상승함으로써 슬래그 피포성 및 내기공성이 열화된다. ZrO₂가 0.30질량% 미만이면 용융 슬래그의 응고가 느려져 슬래그 포피성 및 비드 형상이 열화된다. 보다 바람직하게는, ZrO₂는 0.35 내지 0.55질량%이다. ZrO₂가 0.35 내지 0.55질량%의 범위에 있으면, 알맞은 슬래그 점성을 유지할 수 있고, 이 때문에, 150cm/분을 넘는 고속 용접시에 있어서도, 양호한 슬래그 피포성과 내기공성을 유지할 수 있다.

「TiO₂: 1.00 내지 5.00질량%」

TiO₂는 슬래그 형성제이며, 아크의 안정성을 향상시키는 동시에, 비드 표면을 균일하게 피포하여 비드 외관을 향상시키기 위해 첨가된다. TiO₂가 5.00질량%를 초과하면, 슬래그의 생성량이 지나치게 많아져 용융 슬래그의 점성이 높아짐으로써 내기공성이 열화된다. 또한, TiO₂가 1.00질량% 미만이면 슬래그 생성량이 부족함으로써 슬래그 피포성 및 슬래그 박리성이 열화된다.

「SiO₂: 0.30 내지 1.00질량%」

SiO₂는 슬래그 형성제이며, 슬래그 박리성과 용접 비드의 외관적 광택을 향상시키기 위해 첨가된다. SiO₂가 1.0질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 점성이 지나치게 높아져 내기공성이 열화된다. 한편, SiO₂가 0.30질량% 미만이면, 슬래그의 점성이 부족해져 슬래그의 피포성이 열화되는 동시에 비드 형상이 열화된다.

「금속 Al 원: 0.10 내지 0.30질량%(Al 환산치)」

금속 Al 원은 탈산제로서 작용하며, 용접 금속 중의 산소량을 저감하는 동시에 인성을 확보하고, 아크의 확대 및 용융 금속의 유동성을 조정하기 위해 첨가된다. 금속 Al 원이 0.30질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 응고 속도가 지나치게 빨라져 응고 얼룩이 발생하고, 비드 형상 및 내기공성이 열화된다. 한편, 금속 Al 원이 0.10질량% 미만이면, 탈산 부족에 의해 용접 금속의 점성이 저하되고 내기공 성이 열화된다.

「알칼리 금속원으로서의 Na와 K가, Na₂O 환산 총량과 K₂O의 환산 총량의 합으로 0.04 내지 0.10질량%」

Na 및 K는 아크를 안정화하는 효과가 있으며, 또한 슬래그의 점성을 낮추고 기공의 부상을 용이하게 하여 외부로의 도산(逃散)을 촉진하기 위해 첨가된다. Na 및 K가 Na₂O 환산 총량과 K₂O의 환산 총량의 합으로 0.10질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 점성이 지나치게 높아져 비드 형상이 열화된다. 반대로 0.04질량% 미만이면, 아크 안정성에 효과가 없고 비드 형상이 불량해진다.

「K₂O 환산 총량/Na₂O 환산 총량: 1.00 내지 3.00」

K₂O 환산 총량/Na₂O 환산 총량비가 3.00을 초과하면, 아크가 지나치게 강해지고, 스퍼터가 증가하며, 또한 비드 형상이 불량해진다. 또한, K₂O 환산 총량/Na₂O 환산 총량이 1.00 미만이면 아크가 약해지고 비드 형상이 불량해진다.

「Zr/ZrO₂: 0.20 내지 0.35」

금속 Zr 원과 ZrO₂의 비 Zr/ZrO₂는 0.20 내지 0.35인 것이 바람직하다. Zr/ZrO₂ 비가 0.20 내지 0.35의 범위이면, 모재 성분 변동 및 모재 표면의 흑피 또는 프라이머 도장의 유무 등의 영향을 받는 일이 거의 없고, 가장 양호한 슬래그 피포성과 내기공성을 양립할 수 있다.

본 발명의 플럭스 코어드 와이어의 플럭스율은 보통의 플럭스 코어드 와이어에 적용되는 10% 내지 30%가 적절하다. 10% 미만이면 필요한 합금 원소를 플럭스만으로부터 첨가하기 어려워진다. 이들 원소를 외피(sheath)로부터 첨가하는 것은 원재료 비용이 상승되고, 또한 합금 첨가에 의한 외피 강도의 증가로 신선성의 열화에 의한 제조 비용이 상승된다. 30%를 넘는 플럭스율은 외피가 얇아져 단선되기 쉬워 신선성의 열화로 되어 제조 비용이 상승된다.

전술한 각 플럭스 성분 이외에 플럭스에 포함될 수 있는 성분으로서는, 이하 실시예에서 말하는 성분, 기타, Al₂O₃, Mg 등이 있을 수 있다.

실시예

다음으로, 본 발명의 효과를 실증하기 위한 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다. 하기 표 1은 사용한 와이어의 외피(연강) 조성(질량%)을 나타낸다. 표 2는 이 밖에 외피 내에 충전되는 플럭스 조성을 나타낸다. 표 2에 있어서, K₂O 및 Na₂O는 각각 K₂O 환산 총량 및 Na₂O 환산 총량을 나타낸다. 하기 표 3은 용접 시공 조건을 나타낸다. 그리고, 용접 결과를 하기 표 4에 나타낸다.

한편, 각 와이어의 플럭스율은 14 내지 16%였다. 또한, 표 2에서 제시한 성분 이외의 플럭스 성분은 합금 성분·탈산제로서의 Fe-Mn, Fe-Si, 슬래그 성분으로서의 MgO, 기타 K₂SiF₆ 및 철분이었다.

한편, 표 4의 평가 항목 중 「슬래그 피포성」은 비드의 슬래그 비(非)포피 부분의 개소 수로 평가했다. 이 비포피 부분이 0개소인 경우는 ◎, 1개소인 경우는 ○, 2 내지 3개소인 경우는 △, 4개소 이상인 경우는 ×로 했다. 또한, 「슬래그 박리성」은 슬래그를 해머로 1회 가볍게 때려 맞은 주변의 슬래그가 완전 박리한 경우는 ◎, 2 내지 3회 때려 박리한 경우는 ○, 4 내지 6회 때려 박리한 경우는 △, 7회 이상 때려 박리한 경우는 ×로 했다. 「내기공성」은, 용접 길이 600㎜에 대한 피트 수로 평가했다. 피트 수가 0개인 경우는 ◎, 1개인 경우는 ○, 2개인 경우는 △, 3개 이상인 경우는 ×로 했다. 「비드 외관 형상」은 비드 외관에 대해서는 비드 끝단부의 윤곽 및 모방을 평가 판단 재료로 하고, 비드 형상에 대해서는 마이크로 단면 관찰을 행하여 비드 형상이 볼록부가 있는지를 판단 기준으로 하여, 이들 비드 외관 및 비드 형상을 종합적으로 평가했다. 비드 끝단부의 윤곽이 양호하고, 모방이 흐트러지지 않으며, 비드 형상이 볼록형이 아닌 경우는 ◎, 이들의 각 항목이 악화됨에 따라 ○, △, ×로 했다.

이 표 2 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 10의 경우는, 슬래그 피포성, 슬래그 박리성, 내기공성 및 비드 외관 형상 모두가 우수한 것이었다. 이에 비해, 비교예 1은 Zr이 적기 때문에, 비교예 3 및 4는 ZrO₂가 본 발명의 범위로부터 벗어나 있기 때문에, 비교예 5는 TiO₂가 적기 때문에, 비교예 7은 SiO₂가 적기 때문에, 비교예 11은 Na₂O + K₂O가 적기 때문에, 슬래그 피포성 및 슬래그 박리성이 나빴다. 또한, 비교예 2는 Zr이 지나치게 많기 때문에, 비교예 4는 ZrO₂가 지나치게 많기 때문에, 비교예 6은 TiO₂가 지나치게 많기 때문에, 비교예 8은 SiO₂가 지나치게 많기 때문에, 비교예 9 및 10은 Al이 본 발명의 범위로부터 벗어나기 때문에, 비교예 12는 Na₂O + K₂O가 지나치게 많기 때문에, 내기공성이 나빴다. 또한, 비교예 13 및 14는 K₂O/Na₂O가 본 발명의 범위로부터 벗어나기 때문에, 비드 형상이 나빴다.

본 발명에 의한 플럭스 코어드 와이어는 표면이 무기 아연 프라이머 도장되거나 또는 흑피로 덮어진 연강 저 Si, 저 Mn 재 및 고장력 강을 용접하는 경우에 있어서, 우수한 고속 용접성과 내기공성 뿐만 아니라 향상된 슬래그 피포성 및 슬래그 박리성을 발휘할 수 있다.

Claims

연강제 외피내에 플럭스가 충전된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 상기 플럭스는 와이어 전체 질량당의 성분 비율로, 금속으로서의 Zr 원을 Zr 환산으로 0.10 내지 0.30질량%, ZrO₂를 0.30 내지 1.0질량%, TiO₂를 1.0 내지 5.0질량%, SiO₂를 0.30 내지 1.0질량%, 금속 Al 원을 Al 환산으로 0.10 내지 0.30질량%로 하고, 알칼리 금속원으로서의 Na와 K가, Na₂O 환산 총량과 K₂O의 환산 총량의 합으로 0.04 내지 0.10질량%이고, (K₂O 환산 총량/Na₂O 환산 총량) 비의 값이 1.0 내지 3.0인 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
제 1 항에 있어서,

금속으로서의 Zr 원이 금속지르코늄, 페로지르코늄(Fe-Zr) 및 페로실리지르코늄(Fe-Si-Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
제 1 항에 있어서,

금속으로서의 Al 원이 금속알루미늄 및 페로알루미늄(Fe-Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
제 1 항에 있어서,

금속으로서의 Zr 원이 Zr 환산으로 0.15 내지 0.25질량%, ZrO₂가 0.35 내지 0.55질량%이고, Zr/ZrO₂가 0.20 내지 0.35질량%인 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.