KR20110117919A - 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

외피의 내면과 외면 모두에 통전성이 우수한 동도금 피막층을 적정하게 형성하고, 소정의 표면조도를 갖도록 한 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다. 내청성과 전기 전도성이 우수하여 아크를 안정시키고, 스패터와 흄 발생량을 줄이며, 와이어 표면에 적정하게 윤활풀을 형성시킴으로써 길이가 긴 콘딧트 케이블을 사용하는 용접에 있어서도 송급성이 우수하여 장시간 지속적 용접이 가능하며, 또한 용접 팁의 마모성을 향상시켜 수용접, 반자동 용접 및 로봇 자동 용접용으로도 사용성이 우수하다.

Description

동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 이의 제조방법 {Copper-Plated Flux Cored Wire for Gas Shield Arc Welding and Method for Preparing The Same}

본 발명은 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 및 이의 제조방법에 관한 기술이다.

일반적으로 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 강재 외피 내에 플럭스를 충전하고 조관을 시행하기 때문에 단면 구조가 이음부가 있는 타입과 이음부가 없는 타입의 플럭스 코어드 와이어로 구분된다. 이음부가 있는 타입은 조관롤의 형상에 따라 다양한 형상의 단면구조를 가지며, 0.8 ∼ 1.6 mm 선경의 와이어가 가장 많이 사용되고 있다.

플럭스 코어드 와이어는 솔리드 와이어보다 전류밀도가 높기 때문에 동일한 전류, 전압하에서도 아크 안정성이 뛰어나고, 스패터 발생량이 적다. 뿐만 아니라 강재 외피에 주입되는 플럭스의 종류에 따라 전 자세 용접이 용이하기 때문에 많은 용접사들이 수용접으로 선호하고 있으면서 주로 중, 후판 용접용으로 많이 사용되고 있는 반면에 솔리드 와이어는 와이어 표면에 동도금 피막을 가진 타입과 동도금되어 있지 않은 타입으로 구분된다. 일반적으로 두 타입 모두 플럭스 코어드 와이어보다는 용접 작업성이 상대적으로 열세이기 때문에 수용접보다는 주로 로봇이나 auto-carriage 등에 의한 대용량 포장 형태로 박판 단층용접에 많이 이용되고 있다.

또한 주요 용도면에서도 솔리드 와이어가 자동차나 건설기계 등의 산업분야에 다량으로 적용되고 있는 반면에 플럭스 코어드 와이어는 사용의 편리성 때문에 조선, 철골, 건축, 교량 등 다양한 산업에 적용되면서 용접사들의 끊임없는 욕구충족을 만족시키지 않으면 안되는 실정인데 그 중에서도 아크 안정성, 내청성과 송급성 등이 우선 과제라 볼 수 있을 것이다. 특히 아크 안정성은 외피 내부로 주입되는 플럭스가 미치는 영향도도 크지만 와이어 자체의 통전성 또한 중요한 요소임은 분명한 사실이고, 부가적으로 통전성 향상을 위한 도금피막에 의해 내청성도 함께 향상되며, 송급성은 와이어 표면특성과 강성 및 Cast, Helix 등 다양한 와이어 자체 품질 뿐만아니라 현장의 사용조건과도 연관성이 크다.

그래서 많은 용접재료 제조업체들은 이러한 관점에서 아크 안정성, 내청성과 송급성을 동시에 우수하게 만들 방안으로 상대적으로 가격이 싸면서도 통전성이 뛰어난 동도금을 선택하여 연구 중이다. 그러나, 이음부 타입의 와이어는 동도금할 때 도금 액에 침적하는 경우 이음부를 통해 와이어 내부로 액체가 침투해 플럭스를 변질시킨다던지, 와이어 내부에 잔류한 액체에 의해 용접 중에 피크, 블루홀 등의 용접결함을 발생시키는 문제가 있다. 그 때문에 이음부 타입의 플럭스 코어드 와이어에는 동도금을 행하기가 어려운 과제가 있다. 플럭스 코어드 와이어 표면에 동도금을 시행하는 것은 이음부가 없는 타입의 플럭스 코어드 와이어로 일반화되었다. 외피 내부로 도금액의 침투없이 동도금을 시행하는 것이 가능하기 때문이다.

이음부가 없는 타입의 와이어는 2가지 방식으로 제조가 가능한데, 첫째로 공급되는 강재 외피가 이음부가 없는 원통형 파이프로서 진동을 가하면서 플럭스를 충전하는 방식과, 둘째로 연속된 플래이트(Plate) 형태의 강재 외피를 U자 형태로 성형한 후 플럭스를 주입하고, 이후에 레이저 용접이나 저항용접 등으로 이음부를 밀폐시켜 없애는 방식이 있다.

현재 시판되고 있는 이음부 없는 타입의 플럭스 코어드 와이어들은 조관, 신선 후 탈지공정을 거쳐 약 2.0∼3.0mm 선경에서 동도금을 실시하는데, 이후의 마무리 신선(2차 신선)은 인라인 습식방식를 채택하고 있음을 와이어 표면을 통해 알 수 있다. 습식 신선의 경우 최대 500 m/min 이하로 제조되므로, 건식 신선의 최대 1,500 m/min 과는 차이가 있으며, 제품가격을 상승시키는 주요 원인이라 볼 수 있다.

또한 이음부 없는 플럭스 코어드 와이어는 플럭스를 내부에 충진하고, 성형한 후에 외피의 이음부를 용접해 표면에 동도금을 행하고 있지만 용접 공수 증가에 의해 비용증가, 용접 열영향부에 의한 플럭스의 변질에 동반되는 제품 용접작업성의 열화를 초래하는 문제점도 있다.

따라서, 동도금을 이음부가 있는 타입 또는 이음부가 없는 타입의 플럭스 코어드 와이어 모두에 효과적으로 적용하고, 건식 공정으로 제조되며 물성이 우수한 플럭스 코어드 와이어를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 강재 외피의 내면과 외면 모두에 동도금 피막층이 형성된 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.

일 예에 따르면, 원통형 강재 외피, 상기 강재 외피 내에 충진되는 플럭스, 상기 강재 외피의 내면 및 외면에 형성된 동도금 피막층으로 이루어지고, 상기 동도금 피막층 외면에 고체 윤활제가 충진된 홈부인 윤활풀이 형성되어 KS B 0161에서 규정하는 표면조도(Ra)가 0.2∼0.8㎛ 인, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.

상기 강재 외피는 0.04 중량% 이하의 탄소, 0.10 중량% 이하의 실리콘, 0.50 중량% 이하의 망간, 0.05 중량% 이하의 알루미늄, 및 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 최종 선경의 와이어 표면에 잔존하는 탄소 함유량을 0.04 중량% 이하이고, 최종 선경의 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께가 0.2 ㎛ 이상일 수 있다.

이러한 플럭스 코어드 와이어는 이음부가 있는 타입 또는 이음부가 없는 타입에 모두 적용될 수 있다. 이는 상술한 동도금 피막층이 형성된 플럭스 코어드 와이어는 강재 외피에 먼저 동도금을 수행한 후 플럭스의 충진 및 신선을 수행하여 제조될 수 있기 때문이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 가스 실드 아크 용접용 동도금 플럭스 코어드 와이어를 제조하는 방법을 제공한다.

일 예에 다른 제조방법은, 강재 외피를 제공하는 단계; 강재 외피의 내면 및 외면에 동도금 피막을 형성하는 도금 단계; 동도금 피막 상에 산화방지막을 형성하는 단계; 플럭스를 충진하는 충진단계; 조관 단계; 및 건식 윤활제를 이용한 건식신선 단계; 를 포함한다.

상기 방법에 따르면 강재 외피에 플럭스를 충진하기 전에 동도금 피막을 형성시킨다. 동도금된 강재 외피를 사용하여 플럭스 코어드 와이어를 제조함으로서 도금피막이 최종 와이어의 내부와 외부에 형성되어 있어 통전성을 좋게 하여 아크를 안정시켜서 스패터와 흄 발생량을 줄이고, 또한 용접 팁의 마모성을 향상시키며, 내청성을 향상시킨다. 또한, 조관 및 신선 공정을 모두 건식 공정으로 수행할 수 있어서 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 동도금 피막 상에 도금층 산화방지를 목적으로 산화방지막을 형성한다. 산화방지막은 예를 들어, 벤조트리아졸(Benzotriazole), 에틸렌 단일중합체(Ethene homoploymer), 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르(Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 수산화칼륨(Potassium hydroxide), 및 물(water)의 혼합액으로 피막 코팅함으로써 형성될 수 있다.

상기 도금단계에서 도금층의 두께는 0.5∼1.5 ㎛이고, 상기 조관 및 건식신선 단계를 거친 후 최종 선경에서 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께는 0.2 ㎛ 이상일 수 있다.

상기 건식신선 단계에서, 최종 선경의 와이어 표면에 잔존하는 탄소함유량을 중량%로 0.04 이하로 관리하면서 와이어 표면에 윤활풀을 형성시켜서 KS B 0161에서 규정하는 와이어 표면조도(Ra)의 범위를 0.2∼0.8㎛가 되도록 할 수 있다. 이와 같이 소정의 표면조도를 갖는 경우, 길이가 긴 콘딧트 케이블을 사용하는 용접에 있어서도 송급성이 우수하여 장시간 지속적 용접이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 단면도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제조 공정도이다;
도 3은 도 2에 따라 동도금 피막 및 산화방지막이 형성된 강재외피의 단면도이다;
도 4는 플럭스 코어드 와이어의 조관형상을 나타낸 도면이다;
도 5는 와이어 No.6의 동도금층을 SEM 장비를 이용해 관찰한 사진이다;
도 6은 와이어 No.6 표면의 윤활풀 형상을 광학현미경으로 촬영한 사진이다;
도 7은 실시예에 있어서 와이어 송급성 시험장치를 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들이 하기 실시예들에 대한 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되어 구성되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 명세서 및 청구항에 사용된 성분, 반응 조건 등의 수치을 나타내는 모든 숫자는 변형될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상반된 언급이 없다면, 본 발명의 명세서 및 첨부된 청구항에 나타난 수적인 파라미터는 본 발명의 목적하는 바에 따라 달라질 수 있는 근사값이다.

1. 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어(100)는 원통형 강재 외피(110), 상기 강재 외피(110) 내에 충진되는 플럭스(200), 상기 강재 외피의 내면 및 외면에 형성된 동도금 피막층(121, 122)으로 이루어져 있다.

도 1의 플럭스 코어드 와이어(100)는 이음부가 있는 타입이다. 이와 같이 이음부 타입의 플럭스 코어드 와이어는 건식 윤활제(Na계, K계 윤활제)를 이용해서 최종 선경까지 신선한 후 물리적인 방법으로 와이어 표면에 잔류된 윤활제를 제거 후 송급성에 필요한 물질을 액상이나 고상형태로 표면에 잔류시키거나 또는 와이어 표면의 잔류윤활제를 제거하는 공정(350℃ 베이킹 처리)을 거친 후 송급성에 필요한 물질을 얇은 피막형태로 도포시키는 경우가 있는데, 일반적으로 홀다이스(Hole dies)를 이용해 건식윤활제에 의존하여 신선하는 경우가 대부분이다.

그런데 홀다이스를 사용할 경우 건식윤활제를 사용하는 것이 습식윤활제를 사용하는 것보다 작업속도를 최소 2배 이상 빠르게 할 수 있는데, 그 이유로는 습식윤활제들은 건식윤활제보다 와이어 표면은 청결하게 만들지만 윤활성이 떨어지기 때문에 고속신선 시 홀다이스와의 접촉면에 마찰저항이 커서 홀다이스 수명을 짧게 만드므로 고속신선에는 건식윤활제를 사용하는 것이 생산성 면에서는 월등히 유리하다.

상기 플럭스 코어드 와이어(FCW, 100)는 강재 외피의 내면과 외면 모두에 동도금 피막층(121, 122)이 형성되어 있다. 따라서, 통전성을 좋게 하여 아크를 안정시켜서 스패터와 흄 발생량을 줄이고, 또한 용접 팁의 마모성을 향상시키며, 내청성을 향상시킨다. 또한, 조관 및 신선 공정을 모두 건식 공정으로 수행할 수 있어서 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 외면에 형성된 동도금 피막층(122)에는 윤활제가 충진된 홈부인 윤활풀이 형성되어 KS B 0161에서 규정하는 표면조도(Ra)가 0.2∼0.8㎛ 이다. 본 발명의 발명자들은 최종 와이어 선경의 표면에 윤활풀을 형성시켜 KS B 0161에서 규정하는 와이어 표면조도(Ra)의 범위를 적정하게 유지시키는 것이 길이가 긴 콘딧트 케이블을 사용해서 용접하는 경우에 있어서도 와이어 송급성이 양호하고, 팁마모성도 지극히 우수하는 것을 확인하였다.

상기 강재 외피(110)는 0.04 중량% 이하의 탄소, 0.10 중량% 이하의 실리콘, 0.50 중량% 이하의 망간, 0.05 중량% 이하의 알루미늄, 및 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 플럭스 코어드 와이어(FCW, 100)에서 최종 선경의 와이어 표면에 잔존하는 탄소 함유량을 0.04 중량% 이하이다. 탄소 함유량이 이를 초과하면 흄 발생량이 증가한다.

상기 동도금 피막층(121, 122)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 소망하는 통전성 및 물성을 만족시키기 위해서 최종 선경의 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께는 0.2 ㎛ 이상일 수 있다.

상기 플럭스(200)는 금속 또는 합금 성분이나 슬래그 형성제 등을 배합한 것으로서 목적에 따라 다양한 금속 또는 합금 성분을 혼합하여 사용할 수 있다.

2. 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제조방법

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제조방법에 대한 공정도가 도시되어 있다. 도 2에서 실선으로 표시된 공정은 필수단계이고, 점선으로 표시된 공정은 선택적으로 수행될 수도 있고 수행되지 않을 수도 있는 선택단계이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 제조방법은 강재 외피를 제공하는 단계(S1); 강재 외피의 내면 및 외면에 동도금 피막을 형성하는 도금 단계(S2); 동도금 피막 상에 산화방지막을 형성하는 단계(S3); 플럭스를 충진하는 충진단계(S4); 조관 단계(S5); 및 건식 윤활제를 이용한 건식 신선 단계(S6)로 이루어져 있다.

경우에 따라, 강재 외피를 제공하는 단계(S1) 이후에 전해탈지(S1-1) 및/또는 산세처리(S1-2) 공정을 거칠 수 있고, 동도금 피막 형성(S2 후 산화방지막 형성(S3) 전에 세정(S2-1) 공정을 거칠 수 있으며, 산화방지막 형성(S3) 후에는 건조(S3-1) 공정을 거칠 수 있다. 또한, 플럭스 충전(S4) 전에 충전이 용이하도록 U자형으로 강재를 성형하는 성형(S3-2)를 더욱 거칠 수 있다.

도 3에는 상기 동도금 피막 및 산화방지막이 형성된 강재외피의 단면도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 강재외피(110)의 내, 외면에 모두 동도금 피막(121, 122)이 형성되어 있다. 또한, 이들 동도금 피막(121, 122)의 외면에는 산화방지막(131, 132)이 형성되어 있다. 그러나, 상기 산화방지막(131, 132)은 외면의 동도금 피막(121) 및 내면의 동도금 피막(122) 모두에 형성될 필요는 없고, 산소 가스 등의 부식성 기체의 접근이 용이한 외면의 동도금 피막(121)에만 형성될 수도 있다.

이하에서는 각 단계별로 구체적으로 살펴본다.

강재 외피의 제공(S1)

본 발명자들은 이음부 타입의 플럭스 코어드 와이어로 사용되는 강재 외피 종류 및 성분부터 조사한 후 동도금 적용성을 검토했으며, 최종적으로 본 발명에 가장 적합한 동도금 두께를 가진 강재 외피를 설정할 수 있었다. 그 결과 강재 외피의 C, Si, Mn 및 Al 함유량을 적정하게 한정하여 동도금하는 것이 본 발명에 가장 부합됨을 알 수 있었고, 또한 이렇게 동도금된 강재 외피를 사용하여 통전선, 내청성 뿐만 아니라, 아크 안정성, 스패터 및 흄발생량을 최소화시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

이에, 상기 강재 외피는 0.04 중량% 이하의 탄소, 0.10 중량% 이하의 실리콘, 0.50 중량% 이하의 망간, 0.05 중량% 이하의 알루미늄, 및 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

본 발명의 플럭스 코어드 와이어에 사용되는 강재 외피는 JIS G3141 규격에 따른 냉간압연강판 및 강대의 극연강으로, 외피 중의 탄소(C) 성분은, 금속에서 가장 기본이 되는 5대 원소 중의 하나로 강도와 경도를 유지하는데 없어서는 안 될 중요한 성분이면서 그 함유량 정도가 흄 발생량에도 크게 영향을 미친다. 특히 홀다이스를 사용하는 신선은 탄소 함유량에 따라 가공경화 정도가 결정되는데, 송급성의 중요한 요소인 최종 와이어의 강성에도 영향을 미치므로 0.04wt%(이하, %라 한다) 이하로 규정하며, 이를 초과하면 흄 발생량이 많게 된다.

실리콘(Si)은 신선 가공 시 와이어 강성을 높여 송급성을 이롭게 하고, 특히 용접금속의 탈산제로서 작용함과 동시에 용접비드를 잘 퍼지게 할 뿐만 아니라 외관을 균일하게 하는 역할을 하기 때문에 0.10% 이하로 규정하며, 0.10%를 초과할 경우는 와이어 강성이 높아서 제품 제조 시 단선문제를 빈번히 일으켜 생산성을 떨어뜨린다.

망간(Mn) 또한 와이어의 강성을 크게 하면서도 연성을 부여하기 때문에 송급성을 우수하게 하고, 용접 시 탈산제와 합금성분을 보충하는 역할을 동시에 하기 때문에 반드시 첨가되어야 하는 성분이지만 자체 전기 전도성이 나쁜 단점 때문에 그 함유량을 0.50%이하로 규정한다. 또한 망간(Mn)이 0.50%를 초과하면 와이어 강성이 지나치게 커져서 팁 마모량이 많아진다.

알루미늄(Al)은 용접 시 탈산제로서의 역할이 크고, 또한 용적크기를 작게 해서 스패터 발생량을 억제하는 효과가 있다. Al이 0.05%를 초과하면 역으로 용적이 커지게 되어 스패터가 다량으로 발생하고, 또한 용접 시에 용접금속부에 잔류하면서 금속조직을 취화시켜 인성과 연성을 떨어뜨린다. 그 외의 강재 외피 성분은 철(Fe) 및 불가피한인 불순물로 구성된다.

전해탈지(S1-1)

상기 제공된 강재 외피에 방청제가 도포되어 있는 경우 동도금 피막을 형성하는 단계 이전에 전해탈지 공정을 거칠 수 있다. 즉, 전해탈지는 강재 외피의 원소재가 입고될 때 제조사 측에서 발청방지를 목적으로 방청제를 강재 표면에 도포한 경우 이를 제거하기 위한 것이다.

산세처리(S1-2)

동도금 피막을 형성하기 전에 도금의 밀착성과 균일성을 위해 황산을 이용한 산세처리를 실시할 수 있다. 산세처리는 강재 외피 표면을 도금에 적합하도록 활성화시켜 이후 동도금의 효과를 높인다.

만약 도금공정 이전의 전해탈지 또는 황산 산세처리가 불충분하면 강재 외피 표면이 충분히 활성화되지 못해 도금 생성이 저해되고, 이에 따라 도금의 부착성이 악화될 수 있다.

동도금 피막 형성(S2)

제공된 강재 외피 또는 전해탈지를 거친 강재 외피의 양면에 전기도금 또는 화학도금을 실시하여 동도금 피막을 갖게 한다.

이 때 동도금 피막의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 구리 자체가 연질이기 때문에 너무 과다하게 도금될 경우 이후의 마무리 신선공정에서 다량의 도금이 박리되는 등 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 없게 된다. 반면에 강재 외피의 동도금 피막 두께를 너무 얇게 형성시킬 경우 마무리 신선공정에서 감면되는 동안 일부 도금층이 벗겨져 소지면이 드러나는 등 동도금 효과를 기대하기가 어렵게 된다. 이에, 동도금 피막의 형성시 동두금 두께를 0.5∼1.5㎛ 정도가 되도록 할 수 있다.

산화방지막 형성(S3)

동도금 피막층이 형성된 후, 강재 외피 표면에 부식성 기체가 접촉하거나 고열이나 충격 등이 가해질 경우 도금층 일부가 산화된 산화층이 생성되어 통전성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 개선하고자 도금공정 후 산화방지막을 형성할 수 있다.

산화방지막은 탄화수소 화합물로 구성된 습식 코팅을 실시함으로서 형성될 수 있는 바, 예를 들어 동도금 피막층이 형성된 강재에 대해 세정 후 벤조트리아졸(Benzotriazole), 에틸렌 단일중합체(Ethene homoploymer), 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르(Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 수산화칼륨(Potassium hydroxide), 및 물(water)의 혼합액으로 피막 코팅함으로써 형될 수 있다.

플럭스 충진(S4)

산화방지막에 형성된 강재 외피를 U자형으로 성형한 후 금속 또는 합금 성분이나 슬래그 형성제 등을 배합한 충전 플럭스를 상기 U자형으로 성형된 외피 내부로 충전한다.

조관 및 신선(S5 및 S6)

상기 플럭스가 충전된 U자 관을 관형으로 성형하는 조관 공정 및 상기 성형된 관형을 원하는 직경, 즉, 최종 선경으로 신선하는 공정을 거친다.

동도금 두께 0.5∼1.5㎛를 가지는 강재 외피를 최종 선경으로 제조했을 때, 와이어 외면의 동도금층은 마무리 신선(건식신선) 시에 일부 깎여서 얇게 형성이 되며, 와이어 내부의 동도금층은 와이어가 신선에 의해 감면되는 동안 플럭스들에 의해 깎이고, 벗겨져서, 외층과 마찬가지로 동도금 피막층이 얇아져 있다.

이에 본 발명에서 최종 선경 와이어의 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께는 0.2㎛ 이상일 수 있다. 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께가 0.2㎛ 이하일 경우 본 발명에서 요구하는 충분한 통전성을 확보할 수 없으며, 내청성도 효과가 적고, 특히 용접 시 송급 롤러에서 마찰되고, 또한 콘딧트 케이블과 팁에서 도금 박리됨으로써, 오히려 송급성이 불안정해지져 스패터가 다량으로 발생하는 등의 용접작업성이 나빠지는 문제가 있다. 이러한 와이어 표면의 동도금은 콘딧트 튜브내에서의 마모저항을 저감시킴과 동시에 팁선단에서의 통전성을 좋게 해서 아크를 안정시킨다.

마무리 신선(2차신선)에서 건식신선을 일부 적용하고, 침적식이 아닌 습식 형태의 액상 윤활제로 탈지 및 와이어 표면코팅함으로써 와이어 표면에 윤활풀을 형성할 수 있다.

이로 인해 KS B 0161에서 규정된 와이어 표면조도(Ra)를 0.2∼0.8㎛ 를 확보할 수 있다. 표면조도(Ra)가 0.2㎛ 미만일 경우에는 와이어 송급장치의 롤러 부분에서 슬립이 발생하여 송급성을 나쁘게 하여 아크를 불안하게 만들며, 와이어 표면 윤활품이 과다하거나 또는 표면 조도(Ra)가 0.8㎛를 초과한 상태에서 장시간 용접하면 콘딧트 팁내에 동 찌꺼기 및 윤활제 찌꺼기가 축적되어 송급저항을 크게 하여 와이어 송급성을 나쁘게 하고, 또는 용접비드 표면에 미세한 비트나 블루홀 같은 용접결함 발생시킬 수 있다.

본 발명에 따른 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는 이음부가 있는 타입일 수 있다. 이는, 동도금된 강재 외피를 사용하여 플럭스 충전, 조관 및 신선을 통해 제조될 수 있기 때문이다.

이하, 본 발명의 효과를 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

강재 외피는 표 1에 나타낸 화학성분대로 JIS G3141 규격에 따른 냉간압연강판 및 강대로 해서 폭 10∼16mm, 두께 0.4∼1.0mm의 다양한 크기를 사용하여 이음부 형상을 제어하였고, 표 2의 도금조건으로 동도금 피막을 형성시킨 후 표 3의 혼합액으로 피막코팅하고, 표 4에 나타낸 플럭스를 충진율 15%로 해서 조관 및 신선, 마무리 신선으로 1.2mm 선경의 동도금된 플럭스 코어드 와이어를 시험제조해서 스풀에 감은 와이어를 사용했다. 또한 와이어 단면구조는 도 4(b∼d)에 나타낸 이음부가 있는 타입으로 했다.

[표 1]

[표 2]

[표3]

[표 4]

우선 사용 강재 외피의 화학성분 분석은 ICP(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer) 분석기기를 이용해 각 성분별로 3회 분석하여 평균값을 표 1에 기재하였고, 강재 외피의 동도금층 두께 및 최종 와이어 동도금 두께는 Electron Microscope(SEM/EDS)로 5,000∼10,000배로 확대하여 관찰함으로서 측정하였다(도 5 참조).

최종제품 표면에 잔존하는 탄소 함유량은 송급성이나 내결함성에 영향을 미치는 요소로서, 중량%로 측정하는데 LECO사의 RC412 분석기기를 이용하여 데이터를 3회 측정하여, 평균값을 취한다.

또한 KS B 0161에서 규정하는 최종제품의 표면조도(Ra) 측정방법은 다음의 절차에 따른다.

① 최종 제품 와이어를 약 10cm 정도의 길이로 절단하여 샘플링한다.

② DIAVITE사의 DH-5 표면조도 측정기를 사용하여 시험편 종류별로 이음부(seam)를 제외한 나머지 3방향에 대해 5회 이상 측정한 후 평균값을 취한다.

동도금된 최종제품 와이어 표면에 윤활풀 유, 무는 광학현미경을 200배로 관찰함으로써 판단하였다(도 6 참조).

[표 5]

각 시험 와이어에 대한 팁 마모성, 송급성, 흄 및 스패터 발생량을 조사했고, 추가적으로 내청성과 내결함성도 함께 확인하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.

와이어 팁 마모성은 표 6에 나타낸 용접조건으로 1시간 연속용접 후 콘딧트 팁의 무게 변화를 측정하였으며, 용접 전에 반드시 콘딧트 팁의 내경크기를 함께 측정하면서 비교하였는데, 콘딧트 팁의 무게 감량이 큰 것들은 팁 내경이 심하게 편마모가 되었다던지, 크게 확장되어 있었다. 팁 마모성에 대한 평가기준 은 0.02g/hr. 이하를 양호로 했다.

[표 6]

송급성은 도 7과 같이 원형 형상의 임의로 굴곡부가 형성된 시험 장비를 이용하여 평가한 것으로 500A 용량의 용접기에 6m 용접 케이블을 연결하여 100%CO2 가스로 평가하였으며, 용접전류는 280∼300A, 용접전압은 31∼32V로 용접을 실시하여 1회 시험 시 3분동안 연속용접하여 아크의 끊김없이 송급될 경우(○), 송급 도중 1∼2회 정도 아크의 끊김이 발생할 경우(△), 송급이 자주 불안정 하여 와이어 공급이 중단될 경우를 (x)로 평가하였다.

흄 발생량은 AWS F1.2: 19에 따라서 5 측정한 평균값을 구했으며, 흄 발생량이 800mg/min 이하를 양호로 했다.

스패터 발생량은 구리로 만든 포집상자를 이용하고, bead-on-plate 용접으로 표 4의 용접조건으로 5회 용접(1회의 용접시간 1.5분)하고, 포집한 스패터 발생량을 1분간의 발생량으로 환산했다. 스패터 발생량은 1g/min 이하에서 아크가 안정되고 작업성이 양호하다. 그것들의 결과를 표 5에 종합해서 나타낸다.

내청성의 평가는 시험 제조된 와이어를 40℃, 85%RH의 항온항습조에 36시간 유지하고, 내청성 발생형상을 관찰하여 와이어 표면에 발청 발생이 없을 경우(○), 점발청이 미소하게 발생하였을 경우(△), 무수하게 많은 점발청 혹은 띠발청이 발생했을 경우(x)으로 평가하였다.

내결함성은 시험 제조된 와이어를 500A 용량의 일반용접기로, DH32 12t x 300w x 100ℓ 강제를 이용해서 고전류, 고전압인 320∼360A, 34∼38V와 차폐가스는 80%Ar+20%CO₂의 혼합가스를 가스 유량 20ℓ/분으로 아래보기 용접자세에서 Bead-on-plate 용접을 행하여 비드 외관의 용접결함 유무를 관찰했으며, 웜홀이나 블루홀, 피트와 같은 용접결함이 전혀 발생하지 않을 경우(○), 미소하게 부분적으로 1∼2 개소에 발생할 경우(△), 용접비드의 종방향으로 길게 나타나거나, 심하게 발생하면(x)으로 평가하였다.

[표 7]

표 7의 결과에서 와이어 No.1∼8은 본 발명의 실시예이고, 와이어 No. 9∼16는 비교예이다. 본 실시예에서는 팁 마모성, 아크 안정성, 송급성, 내청성 및 내결함성 모두가 양호한 결과를 얻을 수 있다. 와이어 No.6에 대한 SEM 사진 및 광학현미경 사진이 각각 도 5및 6에 나타나 있다.

반면에 비교예에 있어서 와이어 No. 9은 강재 외피의 동도금층 두께가 과다하게 두꺼워 이것으로 제조된 최종 제품의 와이어는 길이가 긴 콘딧트 케이블을 장시간 연속 용접할 시 송급 롤러와 콘딧트 케이블내에 동도금 찌꺼기가 싸여 송급성을 불안정하게 하며, 이로인해 아크가 불안정해져 다량의 스패터가 발생하였다.

와이어 No. 10은 동도금을 실시하지 않은 일반 이음부 타입의 플럭스 코어드 와이어로서 동도금층을 가진 이음부 타입의 플럭스 코어드 와이어보다 상대적으로 아크 안정성, 팁 마모성 및 내청성이 열세로 나타났다.

와이어 No. 11은 사용된 강재 외피의 성분 중에서 Al 함유량이 높기 때문에 용접 시 용적이행이 커져서 대립의 스패터가 많이 발생하였으며, 또한 동도금층의 두께가 얇아서 송급성, 내청성 및 아크 안정성 모든 특성면에서 본 발명의 목표품질보다는 열세로 나타났다.

와이어 No. 12은 사용된 강재 외피의 표면에 과다한 윤활풀이 형성되면서 표면조도(Ra)가 과다하게 높아졌고, 그 결과로 다량의 잔류윤활제로 인한 와이어 표면의 잔류 탄소 함유량을 높이면서 용접 시 내결함성을 취약하게 만들었다. 또한 와이어 표면의 통전성을 떨어 뜨리고, 송급 시의 송급 롤러와 콘딧트 케이블내에 잔류윤활제와 동도금 찌꺼기를 함께 남기면서 아크가 약간 불안정하면서 스패터 발생 또한 증가하였다.

와이어 No. 13은 와이어 표면의 동도금층이 안정적이어서 통전성이 우수한 반면, 와이어 표면의 윤활풀 형성이 거의 없기 때문에 표면조도가 낮고, 그 결과 장기간 연속용접하는 경우에 송급롤러에서의 잦은 슬립현상으로 송급성이 불안정하여 스패터 발생량을 증가시키고, 결국 용접이 지속되지 못하는 경우가 종종 발생하였다.

와이어 No. 14은 최종 와이어 표면의 동도금층이 얇아서 도금 박리가 생기기 쉽고, 내청성 및 송급성이 불안정하게 되어 전반적인 용접작업성이 나쁘며, 동도금을 시행하지 않는 경우와 비교해서도 상대적으로 송급성, 팁 마모량 뿐만 아니라 용접작업성이 떨어지는 경향이 나타났다.

와이어 No. 15은 동도금을 위한 강재 외피의 합금성분 중 탄소함유량이 지나치게 높아, 홀다이스(Hole dies)를 사용하여 신선할 때 가공경화 정도가 심해 단선이 빈번하게 일어났으며, 무엇보다 용접 시 흄 발생량이 많고, 장기간 연속용접하는 경우, 와이어 강성이 크기 때문에 팁 마모성을 현저히 떨어 뜨리는 문제가 발견되었다.

와이어 No. 16은 도금된 강재 외피의 도금층 산화방지를 목적으로 동도금하여 세정시킨 후 탄화수소 화합물로 구성된 혼합액으로 피막코팅하는 것을 생략한 경우인데, 아크 안정성 및 팁 마모성, 송급성 등 전반적인 품질 수준은 양호하였으나 상대적으로 내청성 부분에서 취약하게 나타났다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 원통형 강재 외피, 상기 강재 외피 내에 충진되는 플럭스, 상기 강재 외피의 내면 및 외면에 형성된 동도금 피막층으로 이루어지고,
   상기 외면에 형성된 동도금 피막층에는 윤활제가 충진된 홈부인 윤활풀이 형성되어 KS B 0161에서 규정하는 표면조도(Ra)가 0.2∼0.8㎛ 인, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 강재 외피는 0.04 중량% 이하의 탄소, 0.10 중량% 이하의 실리콘, 0.50 중량% 이하의 망간, 0.05 중량% 이하의 알루미늄, 및 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
3. 제 1 항에 있어서,
   최종 선경의 와이어 표면에 잔존하는 탄소 함유량을 0.04 중량% 이하이고, 최종 선경의 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께는 0.2 ㎛ 이상인, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
4. 제 1 항에 있어서,
   이음부가 있는 타입인, 동도금된 가스 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 가스 실드 아크 용접용 동도금 플럭스 코어드 와이어를 제조하는 방법으로서,
   강재 외피를 제공하는 단계;
   강재 외피의 내면 및 외면에 동도금 피막을 형성하는 도금 단계;
   동도금 피막 상에 산화방지막을 형성하는 단계;
   플럭스를 충진하는 충진단계;
   조관 단계; 및
   윤활제를 이용한 건식 신선 단계; 를 포함하는, 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 산화방지막은 벤조트리아졸(Benzotriazole), 에틸렌 단일중합체(Ethene homoploymer), 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르(Polyoxyethylene nonylphenyl ether), 수산화칼륨(Potassium hydroxide), 및 물(water)의 혼합액으로 피막 코팅함으로써 형성되는, 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 도금단계에서 도금층의 두께는 0.5∼1.5㎛이고, 상기 조관 및 건식신선 단계를 거친 후 최종 선경에서 내면과 외면 동도금 피막층의 총 두께는 0.2 ㎛ 이상인, 제조방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 건식신선 단계에서, 최종 선경의 와이어 표면에 잔존하는 탄소 함유량을 0.04 중량% 이하로 관리하면서 와이어 표면에 윤활풀을 적정하게 형성시켜서 KS B 0161에서 규정하는 와이어 표면조도(Ra)의 범위를 0.2∼0.8㎛가 되도록 하는, 제조방법.

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