KR20080108052A - 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어 - Google Patents

탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어 Download PDF

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KR20080108052A
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레이이치 스즈키
도시히코 나카노
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어는, C: 0.020 내지 0.070%, Si: 0.70 내지 1.10%, Mn: 1.50 내지 1.74%, P: 0.005 내지 0.018%, S: 0.010% 이하, Ti: 0.18 내지 0.30%, B: 0.0015 내지 0.0060%, Mo: 0.08% 이하, O: 0.0100% 이하, Cu(둘레면에 구리 도금을 갖는 경우는 이 도금분을 포함함): 0.45% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물이며, 파라미터 XW(%)를, C, Si, Mn 및 B의 함유량을 기초로 XW=C+Si/24+Mn/6+B×30으로 정의한 경우에, XW가 0.380 내지 0.600이다. 이러한 구성에 의해, 540N/㎟급 와이어(=YGW18)로서의 실용성이 높고, 강도 및 인성이 우수한 용접부를 얻을 수 있어, 적절한 슬래그량으로 적절한 슬래그 박리성을 갖는다.

Description

탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어{SOLID WIRE FOR CARBON DIOXIDE GAS SHIELDED ARC WELDING}
본 발명은 연강 또는 490 내지 520N/㎟급 고장력강을 탄산 가스 실드 아크 용접할 때에, 고능률이고, 또한 기계적 성능이 우수한 용접 금속이 얻어지는 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어에 관한 것이다.
최근, 건축 철골 분야에서는, 탄산 가스(CO2)를 실드 가스로 하는 가스 실드 아크 용접법이, 그 고능률성의 이점 때문에 주력으로 사용되고 있다. 용접 품질면에 있어서 내진성 향상을 주안으로 하여 용접 이음새 부분의 성능 향상을 도모하도록, 1996년의 건축 공사 표준 사양서 JASS6 개정, 1999년의 건축 기준법 개정에 있어서 용접시의 입열ㆍ패스간 온도에 상한 관리가 규정되었다. 이러한 동향을 받아서 용접 와이어도 490N/㎟급 강판에 대하여 최대 입열 40kJ/cm, 패스간 온도 350℃까지 허용할 수 있거나, 또는 520N/㎟급 강판에 대해서는 최대 입열 30kJ/cm, 패스간 온도250℃까지 허용할 수 있는 것으로서 대입열ㆍ고패스간 온도 대응 와이어가 개발되어, 1999년에 540N/㎟급으로서 JIS화되었다. 이후, 오늘날까지 종래 와이어보다 대입열ㆍ고패스간 온도에서도 우수한 기계적 성능이 얻어지는 540N/㎟급 와이어는 급속히 보급되고 있다. 특히, 로봇 용접과 달리, 입열, 패스간 온도 관리가 곤란한 사람 손에 의한 반자동 용접의 분야에서는 열관리의 허용 범위가 넓은 540N/㎟급 와이어의 보급은 놀랍다.
지금까지 개발된 탄산 가스 용접용 대전류ㆍ고패스간 온도 대응 와이어로서는, 일본 특허 공개 평10-230387호, 일본 특허 공개 평11-90678호, 일본 특허 공개 제2001-287086호, 일본 특허 공개 제2002-321087호, 일본 특허 공개 제2002-346789호, 일본 특허 공개 제2002-79395호, 일본 특허 공개 제2002-103082호, 일본 특허 공개 제2003-119550호, 일본 특허 공개 제2003-136281호, 일본 특허 공개 제2004-202572호, 일본 특허 공개 제2004-237361호, 일본 특허 공개 제2004-98143호 및 일본 특허 공개 제2006-289395호에 개시된 것이 있다.
이것들은 전반적으로 Si, Mn, Ti라는 탈산 성분을 종래 와이어보다 많이 함유하고, 또한 Mo, B, Cr, Al, Nb, V, Ni 등을 필요에 따라 첨가하고 있는 것이 특징이다. 이에 따라서, 강철의 담금질성을 높여서, 결정립 미세화에 의한 인성의 향상과 함께 석출 경화 및 고용 경화의 작용을 합침으로써 강도도 높이고 있다. 이러한 와이어는 개선(開先; groove) 폭이 커지고, 패스간 온도가 높아지는 판두께가 큰 강판일수록 현저히 효과가 있다.
철골 건축 업계에 패스간 온도 관리가 도입된 당초에는, 규정된 온도에 도달하면, 냉각하기까지 기다리는 시간이 발생하여, 슬래그가 퇴적하더라도 여유를 가지고서 치퍼 등의 공구에 의해 슬래그 제거를 할 수 있었다. 그 때문에, 지금까지 개발되어 온 540N/㎟급의 탄산 가스 용접용 대전류ㆍ고패스간 온도 대응 와이어는, 슬래그의 박리성을 고려하고 있지 않았다. 그러나, 최근에는 한 사람의 용접 작업자가 다수의 용접 이음새를 동시에 담당하여, 규정된 온도에 도달하면, 다른 용접 이음새로 이동하여 용접을 행하고, 앞의 이음새는 그동안에 냉각된다고 하는 수법이 개발, 보급되어 왔다. 이와 같이 기다리는 시간이 거의 소실하면, 지금까지 문제로 되어 오지 않았던 대전류ㆍ고패스간 온도 대응 와이어의 다량의 슬래그 발생량 및 그 열악한 박리성이 능률을 저하시키는 것이 큰 문제로서 인식되기 시작하였다. 그래서, 이 문제를 해결하도록, 최대 입열 40kJ/cmㆍ최고 패스간 온도 350℃의 조건에서 490N/㎟급 강에 필요 충분한 기계적 성능, 또는 최대 입열 30kJ/cmㆍ최고 패스간 온도 250℃의 조건에서 520N/㎟급 강에 필요 충분한 기계적 성능을 갖고, 또한 슬래그의 박리성이 양호하다고 하는 부가 성능을 부여한 고능률의 용접 와이어의 요망이 생겨서, 그 개발이 되어 오고 있다.
그러나, 최근에는 더욱 540N/㎟급 와이어의 보급과 함께 새로운 요망이 생기고 있다.
이미 기술한 바와 같이, 대입열 고패스간 온도 대응 와이어는 판두께가 큰 강판일수록 현저히 효과가 있다. 이 때문에, 이전에는 입열 및 패스간 온도가 함께 그다지 오르지 않는 20mm 이하의 비교적 얇은 판두께에서는, 비용의 관점에서, 옛날부터 사용되고 있었던 490N/㎟급=YGWII가 필요 충분하다고 생각되어서 적용되고 있고, 판두께가 두꺼운 경우에는 540N/㎟급=YGW18과 구분해서 사용되고 있었지만, 최근에는 교환이 번거로운 것, 540N/㎟급 와이어의 보급에 의해 와이어 비용이 490N/㎟급과의 차가 축소한 것, 내진성 향상의 관점에서 건축 구조 설계자가 고강도화 지향을 강화하고 있는 것 등의 이유에 의해, 박판의 강판에도 당연히 540N/㎟급 와이어가 적용되도록 되어 왔다. 그러나, 이것에 의해서 2개의 문제가 일어나고 있다.
첫번째의 문제점은, 개선 면적이 작기 때문에, 입열이 25kJ/cm 정도까지밖에 오르지 않는 경우가 있고, 또한 패스 수도 적기 때문에 패스간 온도가 200℃ 정도까지밖에 상승하지 않는 동안에 용접을 끝내 버린다. 즉, 저입열ㆍ저패스간 온도의 냉각 속도 과잉 조건으로 되어, 지금까지의 540N/㎟급 와이어에서는 페라이트 조직 그대로의 미세화가 아니라, 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트 조직으로의 조직 변태를 일으켜서, 반대로 인성이 낮아진다.
두번째의 문제점은, 개선 면적이 작아짐으로써 상대적으로 이당금(裏當金)의 모재 희석률이 상승하여, 그 조성의 영향을 받기 쉬워진다. 현재, 이당금은 저가격이고 질소 함유량이 많은 저품질의 강판이 사용되는 일이 많아, 용접 금속으로의 질소 함유량의 증가에 의해서 인성이 저하되어 버린다.
또한, 슬래그 박리성에 대해서도, 로봇 용접에서는, 슬래그 박리성이 양호한 것은 바람직한 조건인 데 반하여, 사람 손에 의한 반자동 용접에 있어서는, 지나친 슬래그 박리성은 슬래그가 박리할 때에 힘좋게 날아서 작업자의 눈 등에 들어가기 쉽기 때문에, 문제로 된다.
또한, 슬래그량에 대해서도 지나치게 줄여 버리는 것은 문제가 있음을 알 수 있었다. 반자동 용접은 작업자 개인간의 기량의 차이가 커서, 기량이 낮은 용접자는 매우 높은 용접 전류를 사용하여, 지나친 위빙을 행하거나, 또는 1패스당의 용착량을 지나치게 늘려 버리는 등의 원인에 의해, 용융지의 실드성을 악화시키고, 블로홀 등의 기공 결함을 발생시켜 버리는 일도 있다. 이 때문에, 슬래그량을 지나치게 줄여 버리면, 용융지가 슬래그의 보호를 받는 일이 없어져, 가스 분위기에 노출되어 실드성이 저하하고, 더욱 내기공 결함성을 열화시켜 버리게 된다. 이 때문에, 기량 차이뿐만 아니라, 용융지로의 바람의 영향도 받기 쉽게 된다.
이러한 배경을 기초로, 이하의 조건을 달성할 수 있는 용접 와이어의 개발이 요망되고 있다.
(1) 연강 또는 490 내지 520N/㎟급 고장력강을 탄산 가스 실드 아크 용접할 때에 사용하는 데 적합한 540N/㎟급 와이어(=YGW18)로서의 기본적인 기계적 성질을 갖는다.
(2) 판두께가 두꺼운 경우에는 물론이거니와, 얇은 경우에 있어서도, 이당재의 조성의 영향을 받지 않고서, 용접부의 강도와 인성이 양호하다.
(3) 반자동 용접용으로, 용접 능률(박리성 좋을수록 고능률)과 안전(박리성이 나쁠수록 안전)의 관점에서 슬래그의 박리성을 적당하게 한다.
(4) 반자동 용접의 기량의 차이 또는 다소의 풍량의 변동 등에 의해 용접 금속의 성능에 큰 영향을 주지 않도록, 슬래그의 양을 적당하게 한다. 또한, 슬래그량이 많을수록 기계적 성능이 안정하고, 슬래그량이 적을수록 고능률로 된다.
본원 발명자는 종래의 540N/㎟급 와이어를 기본적으로 개량하여, 상기 목적을 달성할 수 있는 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어를 완성한 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 540N/㎟급 와이어(=YGW18)로서의 실용성이 높고, 강도 및 인성이 우수한 용접부를 얻을 수 있으며, 적절한 슬래그량으로 적절한 슬래그 박리성을 갖는 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어는, C: 0.020 내지 0.070질량%, Si: 0.70 내지 1.10질량%, Mn: 1.50 내지 1.74질량%, P: 0.005 내지 0.018질량%, S: 0.010질량% 이하, Ti: 0.18 내지 0.30질량%, B: 0.0015 내지 0.0060질량%, Mo: 0.08질량% 이하, O: 0.0100질량% 이하, Cu(둘레면에 구리 도금을 갖는 경우에는 이 도금분을 포함함): 0.45질량% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물이며, 파라미터 XW(질량%)를, C, Si, Mn 및 B의 함유량을 기초로 XW=C+Si/24+Mn/6+B×30으로 정의한 경우에, XW가 0.380 내지 0.600이다.
이 탄산 가스 용접용 솔리드 와이어에 있어서, Nb: 0.08질량% 이하, V: 0.08 질량% 이하, Al: 0.08질량% 이하, Cr: 0.50질량% 이하 및 Ni: 0.50질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 더 함유할 수 있다. 이 경우에는, 상기 파라미터 XW는, 또한 Ni, Mo, V, Nb 및 Al의 함유량(함유하지 않는 원소는 0으로 하여)을 가하여, XW(질량%)=C+Si/24+Mn/6+B×30+Ni/20+Cr/20+Mo/4+V/14+Nb/14+Al/20으로서 정의한 경우, 이 파라미터 XW가 0.380 내지 0.600이다.
또한, 와이어 표면에 MoS2가 와이어 10kg당, 0.01 내지 1.00g 존재할 수 있다.
본 발명에 의하면, 강도 및 인성이 우수한 용접부를 형성할 수 있고, 슬래그량 및 슬래그 박리성이 적당하여, 540N/㎟급 와이어(=YGW18)로서 우수한 특성을 갖는 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어를 얻을 수 있다.
본 발명자등은 540N/㎟급 와이어(=YGW18)의 용접 슬래그에 관한 연구를 거듭하여, 그 특성에 대한 영향 요인을 밝혔다. 즉, 용접 슬래그의 생성량은 강(强)탈산 성분 중, Mn, Ti, 및 O양과 가장 강한 관계가 있으며, 이것들의 함유량 증대에 따라, 슬래그 생성량이 증가한다. 또한, 박판 용접시에, 조악한 품질의 이당금을 이용한 경우에는, 함유 질소가 용접 금속의 인성을 저하시키지만, Ti가 많은 쪽이 TiN으로서 고정화되어, 인성 향상에 기여한다. 환언하면, Ti양이 적으면 박판의 경우에는 인성 열화가 일어나기 쉽다. 한편, Ti가 지나치게 적어지면, 용적 이행이 대립(大粒)의 글로뷸 이행으로부터 소립(小粒)의 단락 이행으로 변화되어, 비산 거리가 길고, 다량의 스패터가 발생한다. 로봇이면 그다지 문제가 되지 않지만, 반자동 용접에서는, 매우 큰 문제로 되어, 빈번히 토치 노즐 청소를 실시할 필요가 있기 때문에, 용접 능률이 저하된다. 또한, 슬래그의 대폭 감소는 실드 불량을 초래하기 쉽게 된다.
슬래그의 박리성은 용융 상태에서의 슬래그/용접 금속간의 계면 에너지, 응고 후의 슬래그 자체의 강도, 용접 금속 표면의 요철, 즉 물리적 고저 차이, 및 그 고저 부위 생성 빈도 사이에 강한 관계가 있어, Mn, Ti의 증가, 및 P의 감소에 의해 슬래그 박리성은 저하된다. 한편, 이들 얻어진 지견에 근거하여, 슬래그 생성량 저감과 박리성 향상 기술을 지나치게 추구하면, 강도 및 인성이라고 한 기계적 성능의 불안정화와, 박리 슬래그에 의한 용접시의 안전성 저하, 용접 금속의 고온 균열 발생이라는 단점이 생기기 쉽게 된다.
Mo는 용접 금속의 고강도화를 도모할 수 있는 원소로서 유명하고, JIS Z3312 YGW18규격이더라도, 0.40질량% 이하의 상한 규정에 의해 첨가가 허용되어 있지만, 박판의 저입열ㆍ저패스간 온도 조건에서는, Mo의 첨가에 의해서 용접 금속이 과잉 담금질로 되어 취화(脆化)한다. 더 부가하여, Mo의 첨가는 고질소량의 조악한 이당금과의 조합에 의해, 용접 금속의 현저한 저인성화가 현저해진다. 따라서, 후판 측에서의 기계적 성능의 여유대(余裕代)가 적어지지만, 판두께 12mm 정도의 박판부터 판두께 80mm 정도의 후판까지 고인성이 얻어지는 와이어로서, 오히려 Mo는 가능한 한 적은 쪽이 좋고, 무첨가가 바람직한 것을 알 수 있었다.
그 밖의 와이어 성분 이외의 요인으로서, 와이어 송급(送給)의 불안정이 발생하면, 용융지 형성이 흐트러져, 생성된 슬래그의 두께가 불균일하게 되고, 슬래그 박리성을 열화시키는 것도 지견되었다.
다음에, 본 발명의 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어의 성분 첨가 이유 및 조성 한정 이유에 대해서 설명한다.
「C: 0.020 내지 0.070질량%」
C는 강도를 확보하기 위해서 중요한 첨가 원소이지만, 0.020질량% 미만에서는 후판 용접시의 대입열ㆍ고패스간 온도 용접 조건에 있어서 필요 강도를 확보할 수 없다. 바람직하게는 0.040질량% 이상이다. 한편, C를 지나치게 첨가하면 고온 균열이 발생하기 쉽게 된다. 또한, 아크 분위기 내에 있어서 CO 폭발 현상에 의해 스패터 발생량도 증가하여, 아크 안정성이 열화한다. 박판 용접시의 저입열ㆍ저패스간 온도 용접 조건에 있어서 과잉 강도로 되어, 인성이 반대로 저하된다. 0.070질량%를 초과하면 이들 효과가 현저해지기 때문에, 상한은 0.070질량%으로 한다. 더욱 바람직하게는 0.060질량% 이하이다.
「Si: 0.70 내지 1.10질량%」
Si는 강도 확보와 탈산에 의한 기공 결함 방지를 위해 주로 첨가한다. 다량으로 첨가하면 슬래그량이 늘어나지만 슬래그 박리성은 향상시키는 효과가 있고, 이들 효과는 0.70질량% 이상에서 유효하다. 이것 미만에서는 박리성이 나빠서, 능률 저하와 아크 불안정으로 된다. 더욱 바람직한 하한은 0.85질량%이다. 한편, Si를 1.10질량%를 초과하여 과잉 첨가하면, 슬래그량이 지나치게 되어, 아크 안정성이 열화함과 아울러, 인성이 저하된다. 박리성이 지나치게 되고, 반자동 용접시의 안전성도 저하된다. 따라서, 1.10질량%를 Si의 상한으로 한다.
「Mn: 1.50 내지 1.74질량%」
Mn은 탈산, 강도 상승, 고인성을 얻는 효과가 있다. 일반적인 대입열용 와이어는 Mn을 많이 함유하는 것이 많지만, 한편 Mn은 슬래그의 생성량을 증대하고, 또한 박리성도 열화시킨다. 1.50질량% 미만에서는 인성이나 후판 용접시의 강도가 부족하다. 슬래그량이 과소이기 때문에, 기량 부족의 용접자로서는 실드 부족과 용접 금속의 성능 부족을 초래할 우려가 있다. 슬래그 박리성이 지나치게 되고, 반자동 용접시의 안전성도 저하된다. 따라서, 1.50질량%를 Mn의 하한으로 한다. 한편, 1.74질량%을 초과한 첨가는 슬래그 값의 증대와 박리성 저하에 의한 아크 안정성 열화와 능률의 저하로 된다. 또한, 박판 용접시의 저입열ㆍ저패스간 온도 용접 조건에 있어서 과잉 강도로 되어, 인성이 반대로 저하된다. 따라서, 1.74질량%를 Mn의 상한으로 한다. 더욱 바람직하게는 1.70질량% 이하이다.
「Ti: 0.18 내지 0.30질량%」
Ti는 고전류역에서의 대립의 용적 이행과 안정성을 향상하고, 슬래그막을 형성하는 주요 성분이다. 0.18질량% 미만에서는, 반자동 용접에서 사용되는 직경 1.4mm의 와이어인 경우에, 400A 이상의 높은 전류역에 있어서 현저히 아크 안정성 이 열화하고, 스패터 발생량이 증가하여 제거 작업 때문에 능률이 저하된다. 또한, 슬래그량이 부족하여, 기량 부족의 용접자로는 실드 부족과 용접 금속의 성능 부족을 초래할 우려가 있다. 바람의 영향도 받기 쉽게 된다. 슬래그 박리성이 지나치게 되어, 반자동 용접시의 안전성도 저하된다. 한편, 0.30질량%을 초과하여 첨가하면 슬래그량이 지나치게 많아져, 슬래그량의 증대와 박리성 저하에 의한 아크 안정성 열화와 능률의 저하로 된다. 따라서, 상한을 0.30질량% 이하로 한다. 바람직하게는 0.23질량% 이하이다.
「Mo: 0.08질량% 이하」
Mo는 일반적으로 담금질성을 향상시키, 용접 금속의 강도를 상승시키지만, 한편 박판으로 될수록 과잉 강도에 의한 저인성화를 초래한다. 또는, 고질소량의 조악한 이당금과의 조합에 의해 두드러진 저인성화가 현저하게 된다. 따라서, 판두께 12mm 정도의 박판부터 판두께 80mm 정도의 후판까지 고인성이 얻어지는 와이어로서 오히려 Mo는 가능한 한 적은 쪽이 좋고, 무첨가가 바람직하다. 단, 불순물로서의 허용 상한은 0.08질량%이고, 이것을 초과하면 인성 저하가 현저하게 된다. 보다 바람직하게는 0.01질량% 미만이다.
「P: 0.005 내지 0.018질량%」
P 첨가에 의해 용융지의 표면 장력이 저하되어, 응고시의 물리적 요철을 감소시켜 매끄럽게 하는 효과가 있다. 이에 따라, 슬래그 박리성의 향상 효과가 있다. P: 0.005질량% 미만에서는 이러한 효과는 나타나지 않고, 박리성이 나쁜 것에 기인하여 능률 저하와 아크 불안정으로 된다. 따라서, P의 하한은 0.005질량% 이 상이다. 한편, P: 0.018질량%을 초과한 첨가는 박리 과잉으로 되어 반자동 용접시의 안전성이 저하된다. 또한, 용접 금속에 고온 균열이 발생하기 쉽게 된다. 인성도 저하된다. 따라서, P의 상한은 P: 0.018질량%이다.
「S: 0.010질량% 이하」
S는, P와 마찬가지로, 용융지의 표면 장력이 저하되어, 응고시의 물리적 요철을 감소시켜 매끈하게 하여 슬래그 박리성 향상 효과가 얻어지지만, 소량의 첨가로 현저하게 박리성이 향상하여 안전성이 저하함과 아울러, 인성 저하의 결점이 현저하다. 이 때문에, 본 발명에서는, S는 적극적으로는 첨가하지 않아, 불순물 원소이다. 또한, S는 다량으로 함유하면, 고온 균열도 발생한다. 불순물로서, S는 0.010질량% 이하로 억제하면, 이들 결점이 생기지 않기 때문에, 0.010질량%를 상한으로 한다. 한편, 바람직하게는, 용제시의 탈황을 강화하여, S를 0.006질량% 이하로 제한한다.
「B: 0.0015 내지 0.0060질량%」
B는 소량의 첨가로 용접 금속의 결정립의 미세화에 의한 강도와 인성을 향상시키는 효과가 있다. B 무첨가의 YGW18 와이어도 있지만, 비교적 박판에서는 고질소의 이당금으로부터의 질소분 혼입을 고려하면, 특히 인성 향상을 위해서는 B 첨가는 필수적이다. B가 0.0015질량% 미만에서는 인성과 특히 후판 적용시의 강도의 향상 효과는 나타나지 않고 부족하기 때문에 이것을 하한으로 한다. 한편, 0.0060질량%을 초과하여 지나치게 첨가하면 박판 적용시에 반대로 과잉 강도에 의한 저인성화를 초래한다. 또한, 고온 균열이 발생하기 쉽게 된다. 따라서, 이것을 상한 으로 한다. 보다 바람직하게는 0.0035질량% 이하이다.
「O: 0.0100질량% 이하」
슬래그는 산화물이다. 따라서, O양이 증가하면 화학 반응에 의해서 발생하는 슬래그 생성량도 증가한다. 그 결과 아크 안정성이 열화함과 아울러 제거 작업 증가에 의해 능률이 저하된다. 또한, 개재물 증가에 의해 인성 열화하여, 고온 균열도 발생하기 쉽게 된다. 0.0100질량% 이하이면 통상 문제는 없기 때문에, O는 0.0100질량% 이하로 규제한다. 또한, O는 그 분포, 즉 선재의 벌크, 표면 등의 위치는 무관계이며, 총합계이다.
「Cu: 0.45질량% 이하」
Cu는 과잉 첨가에 의해 고온 균열을 발생시키기 쉬워짐과 아울러, 슬래그의 성질을 변화시켜서 박리성을 열화시킨다. 그 결과, 아크 안정성이 열화한다. 소선(素線)으로서 적극 첨가시키는 의미는 아니고, 통전성, 내녹성, 신선성, 의장성 개선을 위해서 실시되는 구리 도금분으로서의 양이 대부분이다. 0.45질량%를 초과하면, 고온 균열 및 슬래그 박리성이 문제로 되기 때문에, 상한은 0.45질량%로 한다. 또한, Cu는 선재 자체에 포함될 뿐만 아니라, 둘레면에 구리 도금되어 있는 와이어에서는, 도금분도 포함시킨 함유량이다.
「Nb, V, Al; 각기 0.08질량% 이하, Cr, Ni; 각기 0.50질량% 이하」
Nb, V, Al, Cr, Ni는 그 함유량이 소량이면 결정립을 미세로 하여, 인성을 향상시킨다. 그러나, Nb, V, Al은 0.08질량%을 초과하고, Cr, Ni는 0.50질량%을 초과하여 첨가하면 슬래그량의 증가와 박리성 저하가 일어나고, 제거 작업 증가에 의해 능률이 저하하며, 또한 아크 불안정화한다. 또한, 용접 금속도 박판 적용시에 과잉 강도에 의한 저인성화를 초래한다. 따라서, Nb, V, Al은 0.08질량%를 상한, Cr, Ni는 0.50질량%를 상한으로 한다. 한편, Nb, V, Al에 대해서는 더욱 바람직한 범위로서 0.020질량%를 상한으로 한다. Cr, Ni에 대해서는 더욱 바람직한 범위로서 0.10질량%를 상한으로 한다.
「파라미터 XW(질량%); 0.380 내지 0.600」
단, 파라미터 XW는 하기 수식으로 정의된다.
선택 성분을 포함하지 않는 청구항 1의 와이어인 경우:
XW=C+Si/24+Mn/6+B×30
선택 성분을 포함하는 청구항 2의 와이어인 경우:
XW=C+Si/24+Mn/6+B×30+Ni/20+Cr/20+Mo/4+V/14+Nb/14+Al/20
이 파라미터 XW는 B 첨가 용접 금속의 담금질성을 나타내기 위해서 독자적으로 안출한 변수로서, 용접 와이어 성분으로부터 계산된다. 운용으로서는, 식을 구성하는 C, Si, Mn, B, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Al의 각 원소가 적극 첨가 또는 불순물에 의하지 않고서 검출되는 경우에는 계산에 넣고, 반대로 분석 하한 이하의 실질 무첨가로 간주되는 양인 경우에는 0으로 하여 제외한다. 파라미터 XW가 작을수록 얻어지는 용접 금속의 담금질성이 낮은 것을 나타낸다. 파라미터 XW가 0.380질량% 미만인 경우에는, 인성과 특히 후판 적용시의 대입열ㆍ고패스간 온도 조건에 있어 서, 강도가 부족하다. 이 때문에, 파라미터 XW의 하한값은 0.380질량%으로 한다. 한편, 파라미터 XW가 0.600질량%를 초과하면, 담금질성 과잉에 의해, 박판의 저입열ㆍ저패스간 온도 조건으로의 적용시에, 반대로 과잉 강도에 의한 저인성화를 초래한다. 이 때문에, 파라미터 XW(질량%)는 0.380 내지 0.600으로 한다. 또한, XW를 구하는 식에 있어서 각 원소 함유량에 대입하고 있는 계수의 값은, 다수의 실험 데이터로부터 통계적으로 요청된 값에 근거하여 결정된 것이다.
「와이어 표면의 MoS2: 와이어 10kg당 0.01 내지 1.00g」
와이어 송급성도 슬래그 박리성에 큰 영향을 미친다. 와이어 송급이 안정한 것에 의해 용융지 형성도 더욱 안정하게 되고, 생성된 슬래그의 두께가 균일하게 되어, 열수축의 변형(strain)이 균일하게 작용함으로써 전면 박리하기 쉽게 된다. 와이어 표면의 MoS2는 칩ㆍ와이어 사이의 급전점에서의 융착을 저하하여, 와이어 송급성 향상으로 이어진다. 기존의 와이어 표면의 입계(粒界)에 따라 과잉 산화시키는 방법에 의한 와이어 송급성 향상 수단에서는, 산소량이 과잉으로 되어 슬래그량 증대의 결점이 있는 등, MoS2 도포 수단은 다른 수단에 비하여 슬래그량 증대 등에 미칠 우려가 없기 때문에, 본 발명의 와이어의 와이어 송급성 향상 수단으로서 적합하다. 이러한 효과는 와이어 10kg당 0.01g 이상의 부착으로 유효하다. 한편, 와이어 10kg당 1.00g 이상 부착시키면, 송급계 내로의 퇴적이 시작되고, 반대로 막히는 것에 의한 송급 불량이 발생하여, 슬래그성 형상에 영향을 미치고, 박리성을 저하시키게 된다. 그 결과, 아크 안정성이 열화한다. 따라서, 와이어 표면의 MoS2는 와이어 10kg당 1.00g을 상한값으로 한다.
(실시예)
철골조의 기둥 스킨 플레이트/대들보 플랜지 이음새를 모의하여, 도 1에 나타내는 개선 형상을 가지는 용접 시험체를 이용하여, 표 1에 나타내는 용접 조건에서 소위 반자동 용접법으로 용접을 행하였다. 용접 장소는 옥외이고, 0.5 내지 0.8m/초의 안정한 바람이 불고 있는 환경이었다. 이용한 기둥재, 대들보재, 이당금의 성분을 하기 표 2, 표 3에 나타낸다. 기둥재와 대들보재는 고로 메이커 제품인데 반하여, 이당금은 시판되는 전기로 메이커 제품으로서, 현저히 질소 함유량이 높아 용접성이 뒤떨어지는 것이다. 또한, 비용접체이고, 변형 방지를 위해서 부착하는 구속판은 판두께 25mm의 기둥재와 동일재를 이용하고 있다.
그리고, 용접 종료 후의 슬래그의 박리성을 디지털 화상 처리에 의해 산출하여(시험 1), 슬래그량의 계측(시험 2), 용접 금속의 강도와 인성의 지표로서 인장 시험과 샤르피 충격 시험(시험 3)을 실시하였다. 또한, 용접중인 아크의 안정성(시험 4)과, 스패터 발생량(시험 5)도 기록하였다. 또한, 균열의 발생을 초음파 심상(深傷) 시험으로써 조사하였다(시험 6). 발명 와이어 성분과 비교 성분, 및 이것들의 용접 시험 결과를 하기 표 4에 나타낸다. 또한, 표 4의 화학 성분에서 「<0.***」과 같은 형의 표기 방식으로 하고 있는 것은, 일반적인 분석 하한 미만 의 값인 것을 나타내고, 공업적으로는 함유하고 있지 않은 것이다.
다음에, 시험 1의 슬래그의 박리성 평가 방법에 대해서 설명한다. 박리성과 슬래그량의 평가는 대들보재의 판두께가 얇은 조건 1에서만 계측하였다. 또한, 조건 1에서 양호했던 용접 와이어는 조건 2에서도 동일하게 양호한 것을 확인하고 있다. 정량 평가 방법으로서 자연 박리성을 평가하였다. 용접 완료 후, 도 1(A), (B), (C)에 나타내는 일반적인 패스간 온도 측정 위치에 있어서의 강판 표면 온도가 250℃까지 냉각한 시점에서 비드 외관을 사진 촬영하였다. 도 1(A)는 평면도, (B)는 정면도, (C)는 사시도이다. 부호 1은 기둥 스킨 플레이트, 부호 2는 대들보 플랜지, 부호 3은 구속판, 부호 4는 엔드탭, 부호 5는 이당금이다.
다음에, 그 비드 외관 사진을 (a) 슬래그가 자연 박리한 부분과 (b) 슬래그가 부착한 그대로의 부분으로 2치화한다. 화상 해석 소프트웨어에 의해 각각 픽셀의 합계를 계산하여, (a)/((a)+(b))×100으로 슬래그 박리율(질량%)을 구하였다. 슬래그 박리율이 고능률성인 관점에서 하한을 5질량%, 안전성 확보의 점에서 상한 15질량%의 범위를 슬래그 박리성 양호라고 판정하였다.
다음에, 시험2의 슬래그량에 대해서는, 비드 외관 사진 촬영 후에 자연 박리한 것도 포함시켜서 모든 슬래그를 회수하여, 중량 측정한 것이다. 기계적 성능 안정성의 점에서 하한을 5g, 고능률성의 관점에서 상한을 8g의 범위를 슬래그량 양호라고 판정하였다.
다음에, 시험 3의 용접 금속의 인장 시험과 샤르피 충격 시험은, 조건 1, 2 각기에 있어서 JIS Z3111의 A2호(평행부 직경 6mm) 및 표준 시험편(10mm 각)을, 도 2 및 도 3에 나타내는 위치로부터 채취하여 시험에 제공하였다. 또한, 인장 시험은 실온의 20℃, 샤르피 충격 시험은 0℃, 3개 평균을 평가치로 하였다. 인장 강도가 490N/㎟ 이상, 샤르피 충격 시험이 평균 70J 이상을 합격으로 하였다.
시험 4의 아크 안정성은 용접중의 관능 평가에 의한 것으로, 특히 슬래그가 아크의 발생을 방해하여 흐트러뜨리는 일이 없었던 경우, 또는 용적 이행이 흐트러져 스패터를 다량으로 발생하는 일이 없었던 경우를 양호라고 판단하였다. 또한, 와이어 송급 불량에 기인하는 아크의 흐트러짐이 발생한 경우도 불합격으로 하였다.
시험 5의 스패터 발생량은 조건 1에 있어서의 용접 종료 후에 실드 노즐에 부착한 스패터를 회수하여 중량 측정한 것이다. 스패터 발생량이 12g 이하를 양호라고 판정하였다.
하기 표 1은 용접 조건을 나타내고, 표 2는 강판의 조합을 나타내고, 표 3은 강판 및 이당금의 화학 조성(질량%)을 나타낸다.
용접 수단 반자동 용접
용접 전원ㆍ극성 직류기, 역극성
실드 가스 CO2 직류 25리터/분
와이어 직경 직경 1.4mm
입열 조건 1: 최대 25kJ/cm 조건 2: 최대 40kJ/cm
패스간 온도 조건 1: 최대 200℃ 조건 2: 최대 350℃
자세 하향
와이어 돌출 길이 25 내지 28mm
슬래그 제거 조건 1: 없음, 조건 2: 있음
노즐 부착 스패터 제거ㆍ청소 조건 1: 없음, 조건 2: 있음
풍속 환경 실외/0.5 내지 0.8m/초
기둥 스킨 플레이트 대들보 플랜지 이당금
조건 1 (박판) SN490C 판두께 25mm ×판폭 175mm ×판길이 350mm SN490C 판두께 16mm ×판폭 175mm ×판길이 300mm SN490A 판두께 9mm ×판폭 30mm ×판길이 330mm
조건 2 (후판) SN490C 판두께 75mm ×판폭 175mm ×판길이 350mm SN490C 판두계 60mm ×판폭 175mm ×판길이 300mm SN490A 판두께 9mm ×판폭 30mm ×판길이 330mm
용도/강종류 C Si Mn P S N
SN490C 16mm 두께 0.16 0.31 1.40 0.009 0.005 0.0026
SN490C 25mm 두께 0.15 0.35 1.45 0.010 0.003 0.0029
SN490C 60mm 두께 0.15 0.38 1.49 0.011 0.002 0.0030
SN490C 75mm 두께 0.14 0.39 1.50 0.010 0.003 0.0028
이당금/ SN490A 0.11 0.13 0.46 0.017 0.022 0.0125
하기 표 4는 각 와이어의 조성(질량%, MoS2의 단위는 g/와이어 10kg)을 나타내고, 표 5는 시험 결과를 나타낸다. 표 4 및 표 5에 나타내는 바와 같이, 실시예 No.1 내지 20은 본 발명 예이며, 각 성분의 함유량이 본 발명 범위에 있기 때문에, 슬래그의 박리성, 슬래그량, 용접 금속의 강도, 인성, 아크의 안정성, 저스패터성, 및 내균열성이 모두 양호하여, 우수한 용접 작업성과 판두께에 의존하지 않아 안정한 기계적 성질의 용접 금속이 얻어지고 있다.
한편, 비교예 No.21 내지 50은 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것이다. 비교예 No.21은 C가 과소이어서, 후판 용접시에 용접 금속의 강도가 부족하였다. 비교예 No.22는 C가 과잉이어서, 용접 금속에 고온 균열이 발생하고, 박판 용접시에 과잉 강도에 의해 저인성화, 스패터도 많아 아크 안정성이 나빠서 실드 노즐 막힘이 발생하기 쉽기 때문에 연속 용접성이 열화하였다. 비교예 No.23은 Si가 과소이어서, 후판 용접시에 용접 금속의 강도가 부족하고, 슬래그 박리성도 나빠서 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 비교예 No.24는 Si가 과잉이어서, 용접 금속의 인성이 부족하고, 슬래그량의 과잉으로 인해 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 또한, 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다.
비교예 No.25는 Ti가 과소여서, 스패터 발생량이 많아 아크 안정성이 뒤떨어져, 실드 노즐 막힘이 발생하기 쉽기 때문에, 연속 용접성이 열화하였다. 이당금으로부터 유입하는 질소분에 가하여, 슬래그량이 과소이기 때문에, 용융지의 실드성이 나쁘고, 대기중 질소의 말려듦에 의해 인성이 저하하였다. 또한, 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다. 비교예 No.26은 Ti가 과잉이어서 슬래그량이 많고, 박리성도 나빴다. 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 비교예 No.27은 Mn이 과소이어서 후판 용접시의 용접 금속의 인장 강도가 낮았다. 슬래그량이 과소이기 때문에, 용융지의 실드성이 나쁘고, 대기중 질소의 말려듦에 의해 인성이 저하하였다. 또한, 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다.
비교예 No.28은 Mn이 과잉이어서 슬래그량이 많고, 박리성도 나빴다. 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 박판 용접시에 과잉 강도로 인해 저인성화하였다. 비교예 No.29는 Mo가 과잉이어서, 박판 용접시에 과잉 강도에 의해 인성이 열화하였다. 비교예 No.30은 Mo가 더욱 과잉이어서, 박판 용접시뿐만 아니라 후판 용접시에도 과잉 강도에 의해 인성이 열화하였다. 비교예 No.31, 32는 S가 과잉이어서, 인성이 낮음과 아울러 고온 균열도 발생하였다. 또한, 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다. 비교예 No.33은 O가 과잉이어서, 슬래그량이 증가하였다. 아크의 안정성을 손상시켜 연속 용접성이 열화하였다. 용접 금속 중의 개재물이 과잉으로 되어 고온 균열이 발생하고, 인성도 저하하였다.
비교예 No.34는 P가 과소이어서, 슬래그의 박리성이 나쁘고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 비교예 No.35는 P가 과잉이어서, 인성이 낮음과 아울러 고온 균열도 발생하였다. 슬래그 박리성이 과잉이어서 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다. 비교예 No.36은 Cu가 과잉이어서, 고온 균열이 발생함과 아울러 슬래그 박리성도 나쁘고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 비교예 No.37은 B가 부족하여, 후판 용접시의 강도, 및 판두께에 의존하지 않아 인성이 부족하였다. 비교예 No.38은 B가 과잉이어서, 고온 균열이 발생하였다. 또한, 박판 용접시에 과잉 강도에 의해 인성이 열화하였다. 비교예 No.39 내지 No.43은 각기 Nb, V, Al, Cr, Ni가 과잉이어서, 슬래그량이 증가하여 박리성도 저하하였다. 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 박판 용접시에 강도 과잉으로 되어 인성도 저하하였다.
비교예 No.44는 MoS2 부착량이 과잉이어서, 콘디트 라이너 등의 송급계에 MoS2가 퇴적하여 막혀서, 와이어 송급이 매우 불안정해졌다. 그 결과, 아크 안정성이 손상되고, 슬래그 분포가 불균일화하여 악영향을 미쳐서, 박리성이 저하하였다. 스패터량도 증가하였다. 비교예 No.45는 Mn, O가 과잉이다. 슬래그량 증가와 박리성 저하가 현저하고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 용접 금속 중의 산화물이 개재물로 되어 인성이 저하, 균열도 발생하였다. 비교예 No.46은 Si 과소, Mo, B가 과잉이다. Si 부족 때문에 슬래그 박리성이 나쁘고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. B가 과잉이기 때문에 고온 균열이 발생하였다. 또한, Mo, B가 과잉이기 때문에 박판 용접시에 과잉 강도로 되어 인성이 열화하였다. 비교예 No.47은 C, Mn, S가 과잉이다. Mn 과잉 때문에 슬래그량 증가와 박리성이 저하되어, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. C, S가 높기 때문에 고온 균열이 발생하였다. C, Mn 과잉에 의한 강도 과잉과 S 과잉에 의해 인성도 낮았다. C 과잉 때문에 스패터 발생량도 많았다.
비교예 No.48은 Ti, Mn, Mo, S, 및 B가 과잉이어서, 파라미터 XW가 지나치게 컸기 때문에, 슬래그량 증가와 박리성 저하가 현저하고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 담금질성 과잉에 의해 강도가 현저히 높기 때문에, 박판 용접뿐만 아니라 후판 용접시에도 강도 과잉에 의해 인성이 저하하였다. S와 B가 높기 때문에 고온 균열도 발생하였다. 비교예 No.49는 490MPa급이라고 불리는 JIS Z3312 YGW11 규격의 와이어의 일례이며, S 과잉, B 부족이다. 인성이 부족하여, 후판 용접시에는 강도도 부족하였다. 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다. 비교예 No.50은 Mn, Mo가 과잉이다. 슬래그량 증가와 박리성 저하가 현저하고, 슬래그가 방해로 되어 아크 불안정해져, 연속 용접성이 열화하였다. 박판 용접시에 과잉 강도로 되어 인성이 열화하였다. 비교예 No.51은 각 원소의 함유량은 규정을 만족하지만, XW가 부족하다. 담금질성 부족 때문에, 인성이 부족하고, 후판 용접시에는 강도도 부족하였다. 비교예 No.52는 No.49와 마찬가지로 490MPa급이라고 불리는 JIS Z3312 YGW11 규격의 와이어의 전형예로서, S 과잉, B 부족이다. 인성이 부족하고, 후판 용접시에는 강도도 부족하였다. 슬래그 박리성의 과잉으로 인해 비산 슬래그가 안전면에서 위험하였다. 비교예 No.53은 각 원소의 함유량은 규정을 만족하지만, XW가 과잉이다. 담금질성 과잉 때문에, 박판 용접시에 과잉 강도로 되어 인성이 열화하였다.
Figure 112008040670414-PAT00001
Figure 112008040670414-PAT00002
Figure 112008040670414-PAT00003
Figure 112008040670414-PAT00004
Figure 112008040670414-PAT00005
Figure 112008040670414-PAT00006
도 1은 용접 시험체 형상과 개선 형상을 나타내는 도면,
도 2는 용접 금속 인장 시험편의 채취 위치를 나타내는 도면,
도 3은 용접 금속 샤르피 충격 시험편의 채취 위치를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 기둥 스킨 플레이트 2 : 대들보 플랜지
3 : 구속판 4 : 엔드탭
5 : 이당금

Claims (3)

  1. 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어로서,
    C: 0.020 내지 0.070질량%, Si: 0.70 내지 1.10질량%, Mn: 1.50 내지 1.74질량%, P: 0.005 내지 0.018질량%, S: 0.010질량% 이하, Ti: 0.18 내지 0.30질량%, B: 0.0015 내지 0.0060질량%, Mo: 0.08질량% 이하, O: 0.0100질량% 이하, Cu(둘레면에 구리 도금을 갖는 경우는 이 도금분을 포함함): 0.45질량% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물이며,
    파라미터 XW(질량%)를, C, Si, Mn 및 B의 함유량을 기초로 XW=C+Si/24+Mn/6+B×30으로 정의한 경우에, XW가 0.380 내지 0.600인
    탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Nb: 0.08질량% 이하, V: 0.08질량% 이하, Al: 0.08질량% 이하, Cr: 0.50질량% 이하 및 Ni: 0.50질량% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 더 함유하고,
    상기 파라미터 XW(질량%)는, 또한, Ni, Mo, V, Nb 및 Al의 함유량(함유하지 않은 원소는 0으로 하여)를 가하여, Xw=C+Si/24+Mn/6+B× 30+Ni/20+Cr/20+Mo/4+V/14+Nb/14+Al/20로서 정의한 경우, 이 파라미터 XW가 0.380 내지 0.600인
    탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    와이어 표면에 MoS2가 와이어 10kg당, 0.01 내지 1.00g 존재하는 탄산 가스 실드 아크 용접용 솔리드 와이어.
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