KR20100016184A - 알루미늄 환원 용접 와이어 - Google Patents

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Abstract

용접 방법과 알루미늄을 제1창 환원제로서 알루미늄을 구비하는 전극(와이어)과, 유사한 강도 및 향상된 인성의 용접 금속을 이용하여 작업물을 결합하는 염기성 플럭스 시스템이 제공된다. 예를 들면, 용접 와이어 제1차 환원제로서 작용하도록 구성된 알루미늄 함량을 포함하는 용접 와이어와, 용접 비드 상에 염기성 슬래그를 포함하는 용접 증착물을 제공하도록 구성된 전체 조성물이 제공되고, 여기에서 상기 알루미늄 함량은 용접 풀 내에서 산소를 제거하도록 구성되며, 상기 산소는 차폐 기체에 의해 제공되거나 용접 충전재의 가열에 의해 생성된 산소를 포함한다. 또한 용접 증착물의 비드와 용접 비드 상에 염기성 슬래그를 제조하기 위하여, 제1차 환원제로서 알루미늄을 갖는 전극을 이용하여, 기체 차폐 하에서 작업물을 용접하는 아크를 포함하는 용접 방법이 제공된다. 알루미늄 함량은 0.4중량% 내지 2.5 중량%의 범위 내이다. 용접 증착물은 0.15중량% 내지 1.1중량%의 알루미늄 함량을 갖는다. 염기도는 1을 초과한다.

Description

알루미늄 환원 용접 와이어{ALUMINUM DEOXIDIZING WELDING WIRE}
본 발명은 일반적으로 용접 시스템 분야, 더욱 특히 용접의 특성을 향상시키는 용접 와이어에 관한 것이다.
용접 시스템은 일반적으로 토치(torch)와 작업물(workpiece) 사이에 아크(arc)를 통과시키도록 구성된 전극을 사용하고, 그로 인해 작업물을 가열하여 용접을 생성한다. 다수의 용접 형태는 알려져 있으며, 종래 기술에서 일반적으로 사용된다. 금속 불활성 기체(MIG) 시스템과 같은 많은 시스템 내에서, 와이어 전극은 용접 토치를 통하여 먼저 보내지고, 일반적으로 아크 열에 소모된다. 이러한 작업에서 상기 와이어 전극은, 용접의 일부가 되는 "충전재(filler material)"로도 언급될 수 있다. 비록 많은 응용 내에서 기체가 용접을 차폐하기 위해 사용되지만, 특정한 유형의 용접 와이어는 차폐 기체를 필요로 하지 않으며, 이러한 와이어를 구비하면 기체를 사용하는 것이 일반적이지 않으며 심지어 권장되지 않는다. 이들은 자가-차폐 용접 와이어로 언급될 수 있다.
특정한 용접 응용을 위해 사용되는 와이어 전극 유형의 선택은 여러 요인들을 기초로 할 수 있으며, 상기 여러 요인들은 용접되는 금속의 조성, 결합 설계 및 재료의 표면 상태를 포함한다. 일반적으로, 와이어 전극이 기초 재료의 기계적 특 성과 유사한 기계적 특성을 갖고, 다공과 같은 불연속을 생성하지 않는 것이 바람직하다. 용접의 기계적 특성은, 예를 들면 용접 결합의 항복 강도(yield strength)와 충격 강도{즉, 인성(toughness)}의 특징을 가질 수 있다. 일반적으로 상기 용접이 작업물의 항복 강도를 초과하는 항복 강도를 나타내는 것이 바람직하다. 충격 인성(impact toughness)도 또한 결과 구조에 대한 불량 가능성 지수로서 간주될 수 있다. 따라서 와이어 전극이 바람직한 항복 강도 및 인성을 구비한 용접을 제공하기 위한 특성을 포함하는 것이 바람직하다.
게다가 와이어 전극은 다양한 용접 프로세스에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 특정 응용은 편평한 표면에서의 용접을 요구하는 반면에, 다른 응용은 수직으로의 용접을 요구할 수 있다. 결합되는 금속 부품(part)의 배향과 같은 다른 요인에 따른 와이어 전극의 야금은, 유효하고 최적인 용접 위치를 지시할 수 있다. 복수의 위치에서 용접 가능한 와이어 전극은 종종 향상된 수준의 유연도를 제공한다고 여겨지는데, 그 이유는 상기 와이어 전극이 많은 용접 상황 및 환경에서 사용되기에 적합하기 때문이다. 예를 들면 수직으로 그리고 위로부터(overhead) 사용될 수 있는 와이어 전극은 건축 구조에서의 파이프 및 건축 부재의 결합을 가능하게 한다.
따라서 바람직한 강도 및 인성을 포함하는 용접을 제공하고, 다양한 용접 위치에서의 용접(welding)을 허용하는 용접 와이어가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 대응하기 위해 설계된 용접 와이어 전극과 용접 기술을 제공한다. 본 발명의 한 목적에 따라, 용접 증착물의 비드(bead)와 상기 용접 비드 위에 염기성 슬래그(basic slag)를 제조하기 위하여, 제1차 환원제로서 알루미늄을 갖는 전극을 이용하여, 기체 차폐 하에서 작업물을 아크 용접하는 단계를 포함하는 용접 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 목적에 따라, 용접 증착물의 비드(bead)와 상기 용접 비드 위에 염기성 슬래그를 제조하기 위하여, 기체 차폐 하에서 작업물을 아크 용접하는 단계를 포함하는 용접 방법이 제공되고, 상기 방법에서 용접 증착물은 약 0.15 내지 1.1중량% 범위 내의 알루미늄 함량을 갖는다.
용접 와이어는 또한 제1차 환원제로서 작용하기 위해 구성된 알루미늄 함량을 갖도록 제공된다. 용접 와이어는 또한 용접 비드 상에 염기성 슬래그를 포함하는 용접 증착물을 제조하도록 구성되는 전체적인 조성물을 갖고, 상기 조성물에서 알루미늄 함량은 용접 풀(pool) 내에서 산소를 제거하도록 구성되며, 상기 산소는 차폐 기체에 의해 만들어지거나, 용접용 충전재의 가열에 의해 생성된 산소를 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 목적 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 상세한 기술을 읽을 경우에 더욱 이해될 것이며, 전체 도면에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 와이어 전극이 사용될 수 있는 바람직한 용접 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 기술의 양상에 따른 예시적인 와이어 전극 및 그 용접 증착물의 조성 및 기계적 특성을 도시한 표.
하기에 더욱 상세히 기술된 것과 같이, 용접 와이어는 바람직한 성능과 용접능력(weldability)을 제공하기 위한 다양한 특성을 포함한다. 예를 들면 용접 와이어의 몇몇의 실시예의 경우에, 최종 용접물은 향상된 수준의 충격 인성을 포함한다. 게다가, 용접 와이어의 실시형태들은 또한 다양한 위치 및 상황에서의 용접에 적합한 조성물을 포함한다. 예를 들면 하기에 기술된 용접 와이어의 몇몇의 실시예에서 "모든-위치" 가능성 및 자가-차폐형 전극보다 실질적으로 더 낮은 스패터(spatter)를 포함하도록 고려된다. 따라서 용접 와이어는 결합용 파이프 및 건축용 강철 구조물과 같이 "모든-위치"에서의 용접을 요구하는 응용에서 사용될 수 있다. 이러한 특성들은, 용접 와이어의 실시형태를 이용하여 용접을 위해 사용된 용접 와이어 조성물 및 방법의 결과라고 간주된다. 예를 들면, 용접 와이어의 실시형태는 염기성 슬래그 시스템을 생성하도록 구성된 증가된 농도의 알루미늄과 전체 조성물을 포함한다. 실시형태는 또한 차폐 기체 하에서, 기술된 용접 와이어를 이용한 용접도 포함한다. 하기에 기술된 것과 같이, 환원제로서의 알루미늄, 염기성 슬래그 시스템과 차폐 기체 사용의 조합이, 높은 강도, 인성 및 향상된 용접능력을 포함하는 최종 용접을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 도시된 용접 시스템(10)은 본 발명의 기술의 한 실시형태에 따라 용접 와이어(즉, 전극)(12)를 이용한다. 도시된 것과 같이, MIG 용접 시스템(10)은 전원(18), 차폐 기체원(20), 와이어 피더(feeder)(22), 전극소스(24) 및 용접 건(welding gun)(26)을 포함한다. 도시된 실시형태에서, 전원(18)은 전력 도관(power conduit)(28) 및 용접 건(26)을 통하여 전력을 전극(12)에 공급한다. 용접 시스템(10)에서, 작업자(operator)는 전극(12)을 위치시키고 전류 흐름의 개시 및 종결을 유발함으로써, 전극(12)의 위치 및 작동을 제어할 수 있다. 기체 금속 아크 용접에서, 전원(18)은 통상적으로, 전극(12)부터 작업물(30)까지의 거리가 변화함에 따라 안정적인 아크 길이를 유지하는 것을 보조하기 위해, 정전압을 공급할 것이다.
용접 작업 중에, 용접 와이어 피더(22)는 전극(12)을 용접 와이어소스(24)으로부터 앞으로 내보낸다. 도시된 것과 같이 용접 와이어소스(24)은, 와이어 피더(22)가 도관(32)과 용접 건(26)의 접촉 팁(24)을 통해서 전극(12)을 끌어당겨서 공급할 때, 감긴 것을 푸는 스풀(spool)을 포함할 수 있다. 상기 접촉 팁(34)에 대한 경로에 라이너(liner)가 포함될 수 있는데, 이는 전극(12)이 갑자기 움직이는 것(bucking)을 방지하고, 용접 건(26)에 대한 지속적인 공급을 유지하기 위한 것이다. 작업자가 용접 건(26)에 있는 방아쇠를 당기거나 전극(12)을 앞으로 나가게 하기 위한 다른 신호를 제공할 때, 전극(12)은 용접 건(26)을 통해 앞으로 나갈 수 있다.
용접 아크는, 전류가 전극(12)의 팁으로부터 작업물(30)까지 흐르고, 전원(18)으로 돌아갈 때 생성된다. 따라서 작업물(30)은 일반적으로 전류에 대한 전기적 경로를 제공하기 위하여 전원(18)에 대해 접지된다. 예를 들면, 도시된 것과 같이 작업 클램프(36)와 케이블(38)은 작업물(30)과 전원(18) 사이의 전기적 경로를 완성한다.
몇몇 형태의 아크 용접은, 용접 영역을 질소 및 산소와 같은 대기로부터 보호하기 위한 차폐 기체(20)를 포함할 수 있다. 용접이 보호되지 않는다면, 대기는 융합 결함, 다공과 용융 금속이 물러지는 것(embrittlement)을 야기할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 차폐 기체(20)는 기체 공급 도관(40)을 통하여 차폐 기체원으로부터 용접 건(26)으로 제공될 수 있다. 통상적으로 차폐 기체(20)는, 전극(12)과 작업물(30)의 금속이 용융된 상태로 가열되어 냉각될 때, 용접 건(26)의 팁 부근에서 배출되고, 용접 풀을 포함하는 용접 위치를 외장한다. 몇몇의 응용에서, 차폐 기체(20)는 용접 작업 중에 자동적으로 공급되고, 작업이 멈추면(또는 바로 직후에) 자동적으로 중단된다.
상기 시스템(10)은 또한 상기 시스템(10)의 기능을 조절하는 제어 회로(42)를 포함한다. 예를 들면, 제어 회로(42)는 전원, 와이어 피더(22) 및/또는 차폐 기체원(20)과 통신하며, 상기 시스템(10)의 작업을 조절하도록 구성될 수 있다. 따라서 전류, 와이어 속도 및 차폐 기체(20)는 협력하여 모든 정지하거나 시작될 수 있다.
상술된 것과 같이, 전극(12)은 용접 위치에 지속적으로 공급되고, 전극(12)과 작업물(30) 사이에서 발생된 용접 아크의 가열에 의해 소모될 수 있다. 따라서 전극(12)의 재료는 용접 풀에 용융되고, 전극 조성물은 용접물의 기계적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 전극(12)의 조성물이 작업물(30)의 조성물과 양립되는 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들면 용접물은, 작업물(30)과 주위 금속과 양립되는 기계적 특성(예를 들면 항복 강도 및 충격 강도)을 포함하는 것이 바람직하다. 용접의 실패를 방지하기 위해서, 항복 강도 및 충격 인성을 포함하는 용접물의 기계적 특성이, 주위 작업물(20)의 유사 특성을 뛰어넘는 것이 바람직할 수 있다.
더욱이, 전극(12)의 조성물은 또한 용접의 편리함(ease)에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면 몇몇의 전극(12)은 용접 중의 스패터를 감소시키거나, 더욱 용이한 슬래그 제거를 가능하게 하거나, 편평한 표면의 용접을 가능하게 하거나, 다른 극성의 직류{예를 들면 직류음전극(direct current electrode negative:DCEN) 또는 직류양전극(direct current electrode positive:PCEP)}를 이용한 용접을 가능하게 하거나, 수직 및 위로부터의 용접을 포함하는 다양한 위치에서의 용접을 가능하게 할 수 있다. 상술된 것과 같이, 증가된 수의 용접 위치는 전극(12)의 유연도를 증가시키고 전극(12)의 사용을 다른 분야, 예를 들면 파이프 결합, 건축용 강철 구조 등과 같은 분야로 확장시킬 수 있다. 모든 이러한 위치에서 용접을 가능하게 하는 전극(12)은 "모든-위치"용접에서의 사용을 위해 구성된 전극(12)으로서 언급될 수 있다.
전극(12)은 성능 및 용접능력을 향상시키기 위한 임의적인 개수의 특성을 포함할 수 있다. 하기에서 더욱 기술될 것과 같이, 실시형태는 바람직한 기계적 특성 및 용접능력을 생성하기 위하여, 전극(12) 조성물의 변화, 및/또는 상기 전극(12)을 이용한 용접에 사용되는 방법을 포함할 수 있다. 변화는 제1차 환원제로서의 알루미늄의 첨가, 염기성 슬래그를 제조하기 위해 구성된 플럭스 재료의 전체 조성 물, 기체 차폐의 사용 및 DCEN 극성을 포함한다.
도 2는 전극(12)의 여섯 실시형태의 조성물 및 특성을 나타낸다. 상기 표는 각 전극의 조성물뿐만 아니라 최종 용융 증착물의 조성도 또한 포함한다. 전극(12)의 코어(core)에 함유된 플럭스 혼합물의 금속 성분은, 전극 플럭스 조성물의 중량%로 표시된다. 플럭스 혼합물을 포함하는 전극(12)의 백분율도 또한 제공된다. 도시된 것과 같이, 플럭스 혼합물은 일반적으로 전극(12)의 총 조성물의 약 22중량%이다(도 2의 "전극의 백분율"을 참조). 전극 조성물은 합금 원소뿐 아니라 염기도에 대하여도 기재된다. 염기도는 하기에 더 기술되는 수학식(1)을 통해서 산출된다. 더욱이 도 2는 각 실험 전극(12)에 의해 발생된 용접의 실험으로부터 도출된 다양한 최종 기계적 특성을 나타낸다. 예를 들면, 기계적 특성은 최종 용접물의 항복 강도, 인장 강도, 및 충격 인성을 포함한다. 전극(12)의 각 특징들 사이의 관계는 하기에서 더 기술된다.
철금속 재료의 용접에서, 전극(12)은 일반적으로 다양한 용접 특성을 제공하기 위하여 다른 원소와 합금된 철 코어 조성물을 포함한다. 이러한 합금 원소의 기능은 일반적으로, 최종 용접물의 기계적 특성에 영향을 주기 위하여 용접 풀의 환원을 조절하는 것을 포함한다. 환원은 안정된 산화물을 형성하기 위한 산소와 원소의 결합을 일반적으로 포함하며, 그로 인해 용접물 내에 용해된 산소의 양을 감소시킨다. 종종 환원이라는 표현은, 용접물 내에 용해된 질소의 양을 감소시키기 위하여 안정된 질소를 형성하기 위한, 질소와 원소의 결합을 유사하게 기술하는 "탈질소"를 포함할 수 있다. 용접 풀의 용융된 금속이 환원되지 않는다면, 용접 풀 내 의 산소 및 질소에 의해 생성된 거품(effervescence)이 증가된 다공을 유도할 수 있고, 또한 용접물의 충격 특성을 감소시킬 수 있다. 즉, 용접물 내에 가두어진 산소 및 질소는 무른 용접물을 형성할 수 있다. 용융된 용접 풀 주위의 대기나 용융 전극(12)에 의해 방출된 기체에 존재하는, 산소 및 질소에 기인하는 문제가 일반적으로 존재한다. 이러한 질소 및 산소는 냉각될 때 용접 풀 내에 가두어질 수 있다. 환원 원소는 규소, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄, 망간, 알루미늄 등을 포함할 수 있다. 환원은 소량의 규소(약 0.40 내지 1.00 중량%), 망간(약 1.00 내지 2.00 중량%) 및/또는 알루미늄, 티타늄 및 지르코늄을 전극 조성물 내로 합금시킴으로써 제공된다. 본 발명에 따라, 알루미늄은 제1차 환원제이다. 용접 와이어의 플러스 혼합물의 실시형태는 약 2 내지 약 11중량% 알루미늄의 용접 와이어 조성물을 포함할 수 있다. 플럭스 혼합물은 일반적으로 전극의 약 22%를 포함한다. 따라서 전극(12)의 전체 조성물은 약 0.4중량% 내지 약 2.5중량% 알루미늄이다. 도 2에 도시된 것과 같이, 여섯 실험 전극(12)의 플럭스 혼합물의 조성물은 약 3.85 내지 약 7.1중량% 알루미늄을 포함한다. 유사하게, 용접 증착물의 조성물은 약 0.15 내지 약 1.1중량% 알루미늄을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 여섯 실험 전극(12)의 용융 증착 조성물은 모든 용접-금속 증착물 내에 약 0.35 내지 약 0.99중량% 알루미늄을 포함한다.
자가-차폐형 전극(12)내에 환원제로서 알루미늄의 첨가는 일반적으로 매우 미세한 알루미늄 질화물 입자의 형성에 의한 용접 금속에 의해 수득된 대부분의 질소를 고정시키기 위해 작용하며, 그로 인해 충격 특성에 매우 불리한 자유 질소를 감소시킨다. 차폐 기체(하기에 상세히 기술되는 것과 같은)를 첨가하는 용접을 포함하는 실시형태에서, 차폐 기체(20)는 대기에 존재하는 대다수의 산소 및 질소가 용접 풀에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 알루미늄이 전극(12)의 가열 및 용융에 의해 생성된 기체와 1차적으로 결합할 수 있다. 더욱이 대기가 용접 풀에 도달하는 것을 방지하는 차폐 기체(20)의 첨가는 전극(12)의 조성물 내에 다른 원소의 필요를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 리튬의 양은 조성물로부터 감소되거나 제거될 수 있는데, 그 이유는 리튬이 일반적으로 용접 풀에 진입하는 질소의 양을 감소시키는데 사용되기 때문이다. 차폐 기체(20)의 첨가는 질소가 용접 풀에 진입하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 리튬의 필요를 감소시키거나 제거한다.
강철 내에서 알루미늄의 사용은 일반적으로 강철의 물리적 특성을 감소시킨다고 여겨질 수 있다는 것이 주목된다. 더욱이 산성 슬래그 시스템과 함께 알루미늄을 사용하는 것은 인성을 감소시킬 수 있기 때문에 제한된다. 그렇지만 표에 요약된 전극(12)의 실시형태는, 오스테나이트(austenite) 안정화제를 이용하여 적당히 조절하는 경우에, 염기성 슬래그 시스템을 생성하는 알루미늄과 플럭스 혼합 조성물의 사용이 인성의 증가에 따라 순수한 용접 금속을 초래할 수 있다는 것을 나타낸다. 오스테나이트 안정화제는 망간, 탄소, 구리 및 니켈을 소량 포함할 수 있다. 따라서 전극(12)의 실시형태는 도 2에 도시된 것과 같이 망간, 탄소, 구리 및 니켈의 농도를 포함할 수 있다.
제1차 환원제로서 알루미늄의 사용으로 인하여, 다른 환원 원소의 필요성이 감소될 수 있다. 예를 들면 상술된 것과 같이, 규소 및 망간이 환원제로서 작용하 기 위하여 전극(12)에 일반적으로 첨가된다. 그렇지만 제1차 환원제로서 알루미늄의 첨가로 인해, 환원 이외의 다른 목적에 요구되는 경우를 제외하고, 규소 및 망간은 전체 조성물에서 제거될 수 있다. 예를 들면 도 2에 도시된 것과 같이, 전극(12)에서 실리콘 조성물은 용접 증착물에서 약 0.09 내지 0.14 중량%의 양으로 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 유사하게 도 2에 도시된 것과 같이, 플럭스 혼합물에서 망간 조성물은 약 0.0 내지 약 7.22중량%일 수 있다. 상술된 것과 같이 플럭스 혼합물은 일반적으로 전극(12)의 약 22%를 포함한다. 따라서 전극(12)은 약 0 내지 약 1.58중량%의 망간을 포함한다. 기술된 모든-용접-금속 증착물은 약 0.33 내지 약 2.5 중량%의 망간을 포함할 수 있다.
전극(12)은 또한 상술된 것과 같이 염기성 슬래그를 제조하기 위해 구성된 전체 조성물을 포함할 수 있다. 일반적으로 용접 슬래그는 용접 풀에 진입하고, 그 후에 표면으로 떠오르며 제1차 용접물 위에서 냉각되는 와이어의 일부를 포함한다. 용접 슬래그는 산화물, 규산염, 및 제1차 용접물을 형성하는 용융 금속으로부터 분리된 다른 불순물을 포함할 수 있다. 통상적으로 슬래그는 조금씩 쪼개져서(chipped away) 제거될 수 있고, 적절한 장소에 제1차 용접물만 남겨둔다. 따라서 슬래그 시스템의 상당한 부분과 그 조성물을 형성하는 플럭스 혼합물은 용접물로부터 불순물을 제거하는데 사용될 수 있다.
전체적인 플럭스 구성요소는 염기도(B)에 의해 분류될 수 있으며, 상기 염기도(B)는 플럭스를 산성, 중성, 염기성 또는 강염기성으로 나타낸다. 염기도(B)는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다:
Figure 112009067537371-PCT00001
(1)
상기 식에서, FexOy는 FeO, Fe2O3, Fe3O4 등을 포함하고, 상기 식에서, MnOx는 MnO, MnO2, Mn2O3 및 Mn3O4 및 하기에 기술된 양쪽성 화합물을 포함할 수 있다. 그래서 다른 슬래그 유형은 하기와 같은 염기도에 따라 정의된다: B < 0.9면, 산성; B = 0.9 내지 1.2면, 중성; B=1.2 내지 2.0이면, 염기성; B > 2.0이면, 강염기성. 일반적으로 더욱 산성인 슬래그 시스템 설계는 더욱 양호한 작업성과 용접 외관을 제공할 수 있다. 더욱 염기성인 슬래그 시스템은 더욱 깨끗한 용접, 그로 인해 다른 산성 슬래그와 비교할 경우에 더욱 양호한(더욱 큰) 충격 인성을 포함하는 용접물을 제조하는 경향이 있다. 상기 결과는, 염기성 성분이 용접 풀에 산소를 기여하지 않고, 산성 성분이 용접 풀에 산소를 기여하기 때문이다. 양쪽성 성분은 이러한 계산에서 문제가 되지 않는데, 그 이유는 상기 양쪽성 성분은 용접 증착물과 슬래그 사이에서 산소를 서로 간에 교환시켜, 그로 인해 용접 금속 산소 수준에 영향을 주려는 경향이 없기 때문이다.
전극(12)의 실시형태는 일반적인 염기성 성분(즉 염기성 또는 강염기성)을 나타내는 염기도를 포함할 수 있다. 예를 들면, 한 실시형태에서 슬래그는 1을 초과하는 염기도를 포함하는 시스템일 수 있다. 다른 실시형태에서 슬래그 시스템의 염기도는 도 2에 도시된 조성물에 의해 표시된 것과 같이, 약 85에서 무한대의 범위일 수 있다. 강염기도는 염기성 성분의 첨가 또는 상대적으로 낮은 수준으로 산 성 성분을 감소시킴으로써 성취될 수 있다.
수학식(1)에 나타낸 것과 같이, 슬래그 시스템은 불화칼슘(CaF2)을 포함한 다양한 염기성 성분을 포함할 수 있다. 전극(12)의 한 실시형태에서, 불화칼슘이 불화바륨(BaF2)으로 치환될 수 있다. 특정 전극 조성물에서, 불화칼슘의 농도는 0 또는 0에 근접하게 감소되는 반면에, 불화바륨의 농도는 증가될 수 있다. 염기성 슬래그 시스템의 다른 실시형태는 특성 응용 및 바람직한 특성에서의 요구를 기초로 한 다양한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 유사한 결과가 SrF2, BaF2 및 CaF2로 치환하는 화합물을 이용하여 수득될 수 있다.
비록 전극(12)이 약 22 중량%의 플럭스 혼합물을 포함한다는 것이 주목되어 왔다고 하더라도, 다른 실시형태는 전극 조성물에 대해 더 낮은 중량% 또는 더 높은 중량%인 플럭스 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 플럭스 혼합물인 전극(12)의 총 백분율은 약 10중량% 내지 약 40중량% 범위일 수 있다.
제1차 환원제로서 알루미늄의 첨가에 관하여 상술된 것과 같이, 차폐 기체(20)는 대기에 존재하는 산소 및 질소에 대한 용접물의 노출을 감소시키는데 사용된다. 즉, 차폐 기체(20) 내에 용접물과 용접 풀을 외장하는 것은 대기가 용접물과 결합하는 것을 방지할 수 있다. 특정 실시형태에서 차폐 기체(20)는 알려진 "기성품"인 차폐 기체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 차폐 기체는 75% 아르곤과 25% 이산화탄소를 포함할 수 있다. 다른 실시형태는 세 가지 주요 차폐 기체 즉, 아르곤, 헬륨 및 이산화탄소의 조합을 포함한다. 차폐 기체의 불활성 특성은 차폐 기체 자체가 산소 및 질소 기체를 용접 풀 내로 주입하는 것과 산화에 대한 가능성을 증가시키는 것을 방지하도록 한다. 유사한 불활성 차폐 기체 혼합물은, 산소와 질소와 같은 바람직하지 않은 원소에 의해 오염되는 것으로부터 용접물을 차폐하는데 사용될 수 있다.
차폐 기체(20)의 사용은 또한 시스템(10) 내에서 전극(12)의 향상된 용접능력에 기여할 수 있다. 차폐 기체(20)의 첨가는 주로 예를 들면 분사 아크 이동(spray arc transfer)을 도울 수 있다. 용접에서, 분사 아크 이동은 전극(12)부터 작업물(30)까지 아크를 가로질러 매우 작은 용융물 방울의 흐름을 "분사"한다. 즉, 용융 전극(12)이 용접 풀 내로 분사된다. 차폐 기체(20)와 결합된 경우에, 차폐 기체(20)의 흐름은 용접 재료의 증착에 집중되고, 그로 인해 자가-차폐형 전극(12)과 일반적으로 연관되는 스패터의 양을 감소시킨다. 스패터를 감소시키는 차폐 기체(20)의 능력은 "모든-위치"용접에서 전극(12)을 이용하여 용접되는 능력에 기여한다. 더욱이 전극(12)의 조성물과의 결합에서 차폐 기체(20)의 사용은, 다른 형태의 전극과 비교해서 더 높은 증착률을 제공한다. 예를 들면, 차폐 기체와 결합된 전극의 실시형태는 AWS A5.20 E71T-8의 증착률보다도 더 높은 증착률로 용접되고, 그리고 전극(12)을 덮은 금속 아크 용접을 차폐했다는 것이 관찰되었다.
본 발명의 기술의 실시형태는 또한 직류음전극(DCEN) 극성을 이용한 용접을 포함할 수 있다. DCEN 극성을 이용한 시스템(10)에서, 전극(12)은 음극 단자에 연결되고 작업물(30)은 DC 용접 기계의 양극 단자에 연결된다. DCEN 셋업에서, 작업물(30)로부터 전극(12)으로 전류가 흐르고, 전극(12)과 반대로 작업물(30)에서 증 가된 가열 조성량(heat buildup)을 발생시킬 수 있다. 이는 작업물(30)이 더욱 급속히 용융되는 것을 유발하고, 용접 풀이 전극(12)으로부터 용융된 방울을 즉시 수용하고 스패터를 감소시킨다. 도 2에 표시된 조성물을 포함하는 전극(12)은 "모든-위치"용접이 가능하기 위해 용접능력 및 전위를 더욱 향상시키도록, DCEN 극성을 이용하여 용접될 수 있다.
본 발명의 특정한 특징만이 본 명세서에 도시되거나 기술되었지만, 당업자에 의해 많은 변경 및 변화가 발생할 것이다. 따라서 첨부된 청구항이 본 발명의 진정한 정신 내에 있는 모든 이러한 변경 및 변화를 포함하도록 의도된다고 이해된다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 용접 시스템 분야, 더욱 특히 용접의 특성을 향상시키는 용접 와이어에 관하여 이용 가능하다.

Claims (26)

  1. 용접 방법에 있어서,
    용접 증착물의 비드(bead)와 용접 비드 상에 염기성 슬래그(basic slag)를 제조하기 위하여, 기체 차폐 하에서 제1차 환원제로서 알루미늄을 갖는 전극을 이용하여 작업물(workpiece)을 아크 용접하는 단계를 포함하는, 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극은 와이어의 약 0.4중량% 내지 약 2.5중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접 증착물이 약 0.15 내지 1.1중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 용접 증착물은 약 0.3 내지 약 0.8중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 염기성 슬래그는 1을 초과하는 염기도(basicity index)를 포함하는, 용접 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 염기성 슬래그는 약 85를 초과하는 염기도를 포함하 는, 용접 방법.
  7. 제1항에 있어서, 아크 용접은 직류음전극(DCEN) 극성의 사용을 포함하는, 용접 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극은 염기성 슬래그를 제조하도록 구성된 불화바륨을 포함하는, 용접 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기체 차폐는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 또는 상기 세 물질의 조합을 포함하는, 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기체 차폐는 약 75%의 아르곤과 약 25%의 이산화탄소를 포함하는, 용접 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기체 차폐는 약 100%의 이산화탄소로 구성되는, 용접 방법.
  12. 용접 방법에 있어서,
    용접 증착물의 비드와 용접 비드 상에 염기성 슬래그를 제조하기 위하여, 기체 차폐 하에서 전극을 이용하여 작업물을 아크 용접하는 단계를 포함하고, 상기 용접 증착물은 약 0.15 내지 1.1중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 용접 증착물은 약 0.3 내지 약 0.8중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 염기성 슬래그는 1을 초과하는 염기도를 포함하는, 용접 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 염기성 슬래그는 약 85를 초과하는 염기도를 포함하는, 용접 방법.
  16. 제12항에 있어서, 아크 용접은 직류음전극(DCEN) 극성의 사용을 포함하는, 용접 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 전극은 염기성 슬래그를 제조하기 위해 구성된 불화바륨을 포함하는, 용접 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 기체 차폐는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 또는 상기 세 물질의 조합을 포함하는, 용접 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 기체 차폐는 약 75%의 아르곤과 약 25%의 이산화탄소를 포함하는, 용접 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 기체 차폐는 약 100%의 이산화탄소로 구성된, 용접 방법.
  21. 용접 와이어로서, 제1차 환원제로서 작용하기 위해 구성된 알루미늄 함량과,
    용접 비드 상에 염기성 슬래그를 포함하는 용접 증착물을 제조하기 위해 구성된 전체적인 조성물을 포함하며,
    상기 알루미늄 함량은 용접 풀 내의 산소를 제거하기 위해 구성되며, 상기 산소는 차폐 기체에 의해 제공되거나 용접 충전재의 가열에 의해 생성된 산소를 포함하는, 용접 와이어.
  22. 제21항에 있어서, 상기 알루미늄 함량은 상기 와이어의 약 0.4중량% 내지 약 2.5 중량% 범위 내인, 용접 와이어.
  23. 제22항에 있어서, 상기 용접 증착물은 약 0.15 내지 1.0 중량% 범위 내인 알루미늄 함량을 갖는, 용접 와이어.
  24. 제22항에 있어서, 상기 염기성 슬래그는 1을 초과하는 염기도를 포함하는, 용접 와이어.
  25. 제22항에 있어서, 상기 전체 조성물은 상기 염기성 슬래그를 제조하기 위해 구성된 불화 바륨을 포함하는, 용접 와이어.
  26. 제22항에 있어서, 상기 차폐 기체는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소 또는 상기 세 물질의 조합을 포함하는, 용접 와이어.
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