KR20130075687A - 탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 아크 용접 방법 - Google Patents

탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

[과제] 탄소강의 아크 용접에 있어서, 우수한 비드 외관이 얻어지는 탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 아크 용접 방법을 제공한다.
[해결수단] 외피가 탄소강으로 이루어지고, 와이어 전체 질량당, C: 0.02∼0.15질량%, Si: 0.30∼1.50질량%, Mn: 0.70∼2.30질량%, S: 0.010∼0.100질량%, Ti: 0.01∼0.18질량%를 함유함과 더불어, P: 0.030질량% 이하, Cr: 0.15질량% 이하로 규제되고, 플럭스율이 10.0∼30.0질량%이며, 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이고, 플럭스 중의 S 함유량[Sf]과, 외피 중의 S 함유량[Sh]의 관계가 [Sf]>([Sh]+0.010)인 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고, 피크 전류가 340∼540A, 피크 전류 기간이 0.7∼2.5ms인 펄스 전류를 용접 전류로 하여, 순 Ar 실드 가스로 아크 용접한다.

Description

탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 아크 용접 방법{FLUX-CORED WELDING WIRE FOR CARBON STEEL AND PROCESS FOR ARC WELDING}
본 발명은, 탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 이 플럭스 내장 용접 와이어를 이용한 아크 용접 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 순(純) 아르곤 가스를 실드 가스로 한 아크 용접에 사용되는 플럭스 내장 용접 와이어 및 이것을 이용한 탄소강의 아크 용접 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소강을 아크 용접할 때의 실드 가스로는, CO2와 같은 산화성 가스나 또는 아르곤(Ar)과 산화성 가스의 혼합 가스가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 실드 가스를 사용하여 용접하면, 실드 가스 중의 산화성 가스가, 강판이나 와이어에 포함되는 Si 및 Mn 등의 원소와 반응하여, 비드 표면에 다수의 슬래그가 발생하여, 비드 외관이 현저히 열화된다고 하는 문제점이 있다. 그래서, 종래, 실드 가스에 CO2를 사용한 MAG(Metal Active Gas) 용접에 있어서는, 슬래그 발생량을 억제하기 위해, 와이어 중의 Si량과 Mn량의 비(Si/Mn)를 특정한 범위로 한 용접용 와이어가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
또, 비드 표면에 슬래그가 발생하면, 용접한 이음새[繼手]를 도장하는 경우에, 슬래그 부분만 도장이 부착하지 않거나, 슬래그의 박리에 따라 도장이 벗겨져 버리기도 하거나, 도장 처리를 실시했음에도 불구하고, 그 박리부로부터 부식이 진행되는 경우가 있다. 이 문제는, 특히, 전착 도장과 같은 전기 전도성이 필요한 도장 방법을 행한 경우에 발생하기 쉽다. 비드 표면에서의 도장성 개선 기술로서는, 예컨대, 플럭스 중에 그래파이트를 첨가하는 것에 의해 슬래그 발생량 저감을 꾀한 메탈계 플럭스 내장 용접 와이어가 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
또한, 산화성 가스를 사용하지 않고, 실드 가스에 순 Ar 가스를 사용하면, 슬래그의 발생은 억제되지만, 종래, 순 Ar 가스를 사용하여 탄소강을 용접하는 것은 실질적으로 불가능하다고 생각되고 있었다. 그 이유는, 아크 용접에 사용되고 있는 탄소강용 솔리드 와이어는, 실드 가스 중의 활성 가스의 해리에 수반하는 열적 핀치력이 얻어지지 않아, 용적(溶滴)이 가늘고 길게 늘어나고, 그것이 전자력 등에 의해서 휘둘려지기 때문에, 로테이팅 이행이 되기 쉬워, 정상인 비드를 형성할 수 없기 때문이다.
한편, TIG(Tungsten Inert Gas) 용접 등의 비소모식 전극에 의한 용접 방법으로는, 순 Ar 가스를 사용하여 탄소강의 용접을 행하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 용접 방법은, 와이어의 전기 저항 발열이 없기 때문에, 와이어를 전극으로 하는 MAG 용접이나 MIG(Metal Inert Gas) 용접에 비하여 와이어 용융 속도가 느리고, 필연적으로 용접 속도도 느려져, 작업 효율이 현저히 저하된다. 또한, 종래, 순 Ar을 실드 가스에 이용한 MIG 아크 용접 방법도 제안되어 있다(특허문헌 3 참조). 이 특허문헌 3에 기재된 용접 방법에서는, 플럭스 중에 그래파이트 및 철분을 특정량 함유시키는 것에 의해, 순 Ar 가스 중에서의 용접을 가능하게 하고, 그것에 의하여 슬래그 및 퓸(fume)의 발생을 억제하고 있다.
일본 특허공개 1999-320178호 공보 일본 특허공개 2006-272405호 공보 일본 특허공개 2009-255125호 공보
그러나 전술한 종래의 기술에서는, 우수한 비드 외관은 얻어지지 않는다고 하는 문제점이 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 산화성 가스를 포함하는 MAG 용접이기 때문에, 슬래그의 발생을 없게 할 수는 없고, 또한, 발생한 슬래그는, 응집하는 것만으로 비드 표면에 점재하게 되기 때문에, 비드 외관의 개선은 기대할 수 없다. 또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 용접 와이어는, 솔리드 와이어이기 때문에, 전술한 바와 같이, 로테이팅 이행에 의해 순 Ar 가스 중에서의 용접은 곤란하다.
한편, 특허문헌 2에 기재된 용접 방법에서는, 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고 있지만, 이 기술은, 솔리드 와이어와 동등까지 슬래그 발생량을 억제하고 있는 것에 지나지 않고, 슬래그의 발생 그 자체를 회피하는 것은 되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에 기재되어 있는 플럭스 내장 용접 와이어는, 와이어 중의 C량이 많아, 이음새의 강도가 지나치게 높아지기 때문에, 일반 탄소강에는 맞지 않다.
이것에 대하여, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 슬래그의 발생을 억제할 수 있지만, 강판 표면의 산화물 등에서 유래한 산화 피막이 비드 표면에 분산되어 형성되는 일이 많아, 외관상 문제가 있다. 또한, 특허문헌 3에 기재되어 있는 플럭스 내장 용접 와이어는, 그래파이트를 다량으로 함유하고 있기 때문에, 용접 금속부의 강도가 높아, 780MPa급 고장력 강판 이상의 강판에는 적합하지만, 일반 탄소강(연강∼590MPa급)용으로서는, 강도가 지나치게 높아 맞지 않다.
그래서, 본 발명은, 탄소강의 아크 용접에 있어서, 우수한 비드 외관이 얻어지는 탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어 및 아크 용접 방법을 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명자들은, 전술한 과제를 해결하기 위해, 예의 실험 검토를 한 결과, 이하에 나타내는 지견을 얻었다. 순 Ar 실드 가스로 용접하기 위해서는, 용적 이행의 형태 때문에, 솔리드 와이어가 아니라, 플럭스 내장 용접 와이어를 사용할 필요가 있다. 또한, 전술한 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 고온에서 안정한 그래파이트를 아크 발생원으로서 사용하고 있지만, 탄소강 등의 연강을 용접하는 경우, 용접부가 강도 과다하게 되기 때문에, 그래파이트는 사용할 수 없다.
그래서, 본 발명자들은, 용접부의 강도 과다를 해소하고, 또한, 아크를 안정시키기 위한 수단에 대하여 검토했다. 구체적으로는, 외피와 플럭스의 융점을 바꾸어, 이들의 용융 시기를 비켜 놓을 수 있는 재료에 대하여 검토를 행하여, 그래파이트 대신에 특정량의 S를 플럭스에 첨가함으로써, 외피와 플럭스의 용융 시기에 차이를 만들 수 있는 것을 발견했다. 즉, 와이어 전체에 S를 균등하게 첨가하는 것은 아니고, 플럭스에만 S를 첨가하여, 플럭스와 외피에서 S 함유량이 다르도록 한다. S는 융점이 낮기 때문에, 이러한 구성으로 하는 것에 의해, 플럭스를 외피보다도 먼저 용융시키는 것이 가능해진다.
S는, 고온 균열의 원인이 되는 원소이기 때문에, 통상은 적극적으로 첨가하지 않는다. 그러나 균열이 발생할 가능성이 낮은 양으로 억제하여 첨가하는 것에 의해, 이음새 강도를 크게 바꾸지 않고서, 용적을 안정시킬 수 있다. 또한, S에는, 용융지 대류를 변화시켜 표층에 통상과 역방향의 흐름을 만들어내어, 산화 피막을 크레이터에 모으는 작용도 있다고 하는 지견을 얻었다. 그리고, 이러한 지견에 따라서 S의 첨가량을 제어하여, 와이어 성분을 특정한 범위로 조정한 플럭스 내장 용접 와이어를 사용함으로써, 탄소강 등의 연강에 있어서도 TIG 용접과 같이 작업 능률을 희생으로 하지 않고, 순 Ar 가스에서의 MIG 용접이 가능해지는 것을 알아내어, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명에 따른 탄소강용 플럭스 내장 용접 와이어는, 탄소강 외피 내에 플럭스가 충전된 탄소강 용접용 플럭스 내장 용접 와이어로서, 와이어 전체 질량당, C: 0.02∼0.15질량%, Si: 0.30∼1.50질량%, Mn: 0.70∼2.30질량%, S: 0.010∼0.100질량%, Ti: 0.01∼0.18질량%를 함유함과 더불어, P: 0.030질량% 이하, Cr: 0.15질량% 이하로 규제되고, 플럭스율이 10.0∼30.0질량%이며, 상기 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이고, 플럭스 중의 S 함유량(질량%)을 [Sf], 외피 중의 S 함유량(질량%)을 [Sh]로 했을 때, [Sf]>([Sh]+0.010)이며, 순 Ar을 실드 가스로 한 아크 용접에 사용되는 것이다.
본 발명에 있어서는, 와이어 성분을 특정한 범위로 하고 있기 때문에, 용융지의 점성과 표면 장력이 저하되어, 용융지 표면에 통상과 역(逆)의 (아크를 쫓아가는) 대류를 일으킨다. 이것에 의해, 용융지 표면에 부상하고 있는 산화 피막을 크레이터부까지 모으는 효과가 발현하여, 비드 외관이 향상된다.
이 플럭스 내장 용접 와이어에서는, 플럭스 중의 S 함유량을 0.060∼0.350질량%로 해도 좋다.
본 발명에 따른 아크 용접 방법은, 외피가 탄소강으로 이루어지고, 와이어 전체 질량당, C: 002∼0.15질량%, Si: 0.30∼1.50질량%, Mn: 0.70∼2.30질량%, S: 0.010∼0.100질량%, Ti: 0.01∼0.18질량%를 함유함과 더불어, P: 0.030질량% 이하, Cr: 0.15질량% 이하로 규제되고, 플럭스율이 10.0∼30.0질량%이며, 상기 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이고, 플럭스 중의 S 함유량(질량%)을 [Sf], 외피 중의 S 함유량(질량%)을 [Sh]로 했을 때, [Sf]>([Sh]+O.010)인 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고, 순 Ar 가스를 실드 가스로 하며, 피크 전류가 340∼540A, 피크 전류 기간이 0.7∼2.5ms(밀리초)인 펄스 전류를 용접 전류로 하여, 탄소강을 아크 용접한다.
본 발명에 있어서는, 실드 가스를 순 Ar 가스로 하고 있기 때문에, 슬래그의 발생이 억제된다. 또한, S가 첨가된 플럭스를 사용하고 있기 때문에, 비드 표면의 산화 피막이 크레이터부에 집약하여, 비드 외관이 향상된다. 이 플럭스 내장 용접 와이어와 순 Ar 실드 가스의 조합에 의해, 플럭스에 그래파이트를 첨가하지 않더라도 안정된 용접이 가능해진다. 또한, 펄스 전류의 용접을 적용하면, 종래의 솔리드 와이어보다도 스패터 발생량이 저감되어, 작업 환경이 개선된다.
본 발명에 의하면, 특정 조성의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하기 때문에, 순 Ar 실드 가스로 탄소강을 아크 용접하더라도, 우수한 비드 외관을 얻을 수 있다.
도 1(a) 및 (b)는 비드 외관의 평가 기준을 나타내는 도면으로, (a)는 비드 외관이 불량의 경우를 나타내고, (b)는 비드 외관이 양호한 경우를 나타낸다.
도 2는 횡축에 피크 시간, 종축에 피크 전류를 취하여, 펄스 조건과 스패터량의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것이 아니다.
(제 1 실시형태)
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 플럭스 내장 용접 와이어에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 순 Ar을 실드 가스로 한 아크 용접에 사용되는 것으로, 탄소강 외피 내에 플럭스가 충전된 구성으로 되어 있다. 그리고, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에서는, 외피 및 플럭스로 이루어지는 와이어 전체로, C, Si, Mn, S 및 Ti를 특정량 함유함과 더불어, P 및 Cr의 함유량을 특정량 이하로 규제하고 있다.
또, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 플럭스율이 10.0∼30.0질량%, 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이며, 또한, 플럭스 중의 S 함유량(질량%)을 [Sf], 외피 중의 S 함유량(질량%)을 [Sh]로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족시키는 것이다.
Figure pat00001
[C: 0.02∼0.15질량%]
C는, 용접 금속의 강도에 영향을 미치기 때문에, 일반 탄소강에 적합한 어느 정도의 양이 함유되어 있을 필요가 있다. 구체적으로는, 와이어 전체 질량당, C 함유량이 0.02질량% 미만인 경우, 충분한 강도가 확보될 수 없다. 한편, C 함유량이 0.15질량%를 초과하면, 순 Ar 가스를 실드 가스에 사용하더라도, 스패터가 다발한다. 따라서, C 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.02∼0.15질량%로 한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서는, 적극적으로 C원을 첨가할 필요는 없고, 외피를 구성하는 강판이나, 페로실리콘 및 페로망간 등의 플럭스 중에 포함되어 있는 C를 조정하는 것으로, 전술한 범위로 하는 것이 가능하다.
[Si: 0.30∼1.50질량%]
본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 순 Ar 실드 가스를 사용한 아크 용접에 사용되기 때문에, 탈산소제로서 Si를 첨가할 필요는 없다. 그러나, 탄소강에 적합한 강도 확보 및 비드 지단(止端)의 친밀성 개선의 관점에서, Si는 어느 정도 첨가할 필요가 있다. 구체적으로는, 와이어 전체 질량당, Si 함유량이 0.30질량% 미만인 경우, 비드의 친숙함 개선 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Si 함유량이 1.50질량%를 초과하면, 용접부의 경도 등이 높아져, 건전성이 손상된다.
따라서, Si 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.30∼1.50질량%로 한다. 한편, Si 함유량은, 모재와의 균형의 관점에서, 0.50질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 용융지의 점성의 상승을 억제하여, 후술하는 S의 첨가에 의한 산화 피막을 응집시키는 효과를 안정되게 얻기 위해서는, Si 함유량을 1.20질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
[Mn: 0.70∼2.30질량%]
본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 순 Ar 실드 가스를 사용한 아크 용접에 사용되기 때문에, 탈산소제로서 Mn을 첨가할 필요는 없지만, 강도 확보의 관점에서 Mn을 첨가한다. 단, Mn 함유량이, 와이어 전체 질량당 0.70질량% 미만인 경우, 용접 금속이 취화(脆化)되기 때문에, 용접부의 건전성이 손상된다. 한편, Mn 함유량이 2.30질량%를 초과하면, 점성이 지나치게 높아져 버려, 후술하는 S의 첨가에 의한 효과가 저하된다.
따라서, Mn 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.70∼2.30질량%로 한다. 한편, Mn 함유량은 1.00질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 이것에 의해 비드 형상을 개선할 수 있다. 또한, Mn 함유량이 2.10질량%를 초과하면, Mn과 S가 반응하여 황화물을 형성하여, S의 첨가 효과가 저하되는 경우가 있기 때문에, Mn 함유량은 2.10질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
[S: 0.010∼0.100질량%]
S는 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서 중요한 원소이다. 구체적으로는, S에는, 용융지의 점성 및 표면 장력을 저하시켜 용융지의 대류를 변화시켜, 아크를 쫓아가는 것 같은 전방 향한 흐름을 표층에 만들어내어, 표면의 산화 피막을 크레이터부까지 모으는 효과가 있다. 단, S 함유량이 와이어 전체 질량당 O.010질량% 미만인 경우, 이 효과가 발현하지 않는다. 한편, S를 지나치게 첨가하면, 구체적으로는, S 함유량이 O.100질량%를 초과하면, 고온 균열의 위험성이 높아져, 다른 원소 조정에 의해서도 고온 균열을 방지할 수 없게 된다.
따라서, S 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.010∼0.100질량%로 한다. 한편, S 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.015∼0.060질량%로 하는 것이 바람직하고, 이것에 의해, 고온 균열의 발생을 억제하면서, 전술한 효과를 충분히 발현시킬 수 있다.
또, S는 저융점 원소이기 때문에, 주로 플럭스 중에 첨가하는 것으로, 플럭스의 융점을 낮춰, 그 용융 시기를 외피로부터 비켜 놓을 수 있다. 이것에 의해, 와이어 단면이 단계적으로 용융하게 되기 때문에, 지나치게 긴 용적을 보이는 불안정한 스트리밍 이행을 방지하여, 순 Ar 실드 가스 중에서도 안정되게 용접하는 것이 가능해진다.
그래서, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에서는, 전술한 와이어 전체의 함유량에 더하여, 플럭스 중의 S 함유량도 규정한다. 구체적으로는, 플럭스 중의 S 함유량을 0.030∼0.600질량%로 한다. 여기서, 플럭스 중의 S 함유량이 0.030질량% 미만인 경우, 용융지의 대류를 변화시키는 작용이 약하고, 산화 피막을 크레이터부에 모으는 효과가 불충분해지기 때문에, 정상부에 산화 피막이 남아, 비드 외관의 열화를 초래한다. 한편, 플럭스 중의 S 함유량이 0.600질량%를 초과하면, 고온 균열이 발생할 우려가 있다. 한편, 플럭스 중의 S 함유량은 0.060∼0.350질량%인 것이 바람직하고, 이것에 의해, 고온 균열의 위험을 저감하면서, 대류 변화 효과를 발현시킬 수 있다.
또한, 플럭스를 외피보다도 먼저 용융시키기 위해서는, 플럭스 중의 S 성분이 외피 중의 S 성분보다 충분히 많을 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서는, 플럭스 중의 S 함유량[Sf](질량%)과, 외피 중의 S 함유량[Sh](질량%)의 관계가, 수학식 1을 만족시키도록 하고 있다.
[Ti: 0.01∼0.18질량%]
Ti는 표면 장력 및 점성을 상승시키는 작용이 있지만, 특정량 첨가하면, 용적의 휘청거림이 감소하여 아크가 안정된다. 구체적으로는, Ti 함유량이, 와이어 전체 질량당 0.01질량% 미만인 경우 이 효과가 발현하지 않고, 또한, 0.18질량%을 넘어 지나치게 첨가하면 균열이 발생하거나, 역으로 아크가 불안정하게 되거나 한다. 따라서, Ti 함유량은, 와이어 전체 질량당 0.01∼0.18질량%로 한다. 한편, Ti 함유량은 0.02∼0.09질량%인 것이 바람직하고, 이것에 의해, 아크의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
[P: 0.030질량% 이하]
P는 내고온균열성을 열화시키기 때문에, 극력 저하시키는 것이 바람직하고, 굳이 첨가할 필요는 없다. 그래서, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서는, 공업적 생산성의 관점에서, P 함유량을 와이어 전체 질량당 0.030질량% 이하로 규제한다.
[Cr: 0.15질량% 이하]
Cr은, Ti과 마찬가지로, 표면 장력과 점성을 높이는 작용이 있기 때문에, 와이어에 Cr이 함유되어 있으면, S의 첨가 효과가 저감될 우려가 있다. 따라서, Cr은 적극적으로 첨가할 필요는 없고, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서는, Cr 함유량을, 와이어 전체 질량당 0.15질량% 이하로 규제한다.
[잔부]
본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어의 성분 조성에 있어서의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 한편, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 전술한 각 성분에 더하여, 통상의 플럭스 내장 용접 와이어에 포함되는 탈산소제 및 불화물 등을 함유하고 있더라도 좋다.
[플럭스율: 10.0∼30.0질량%]
플럭스율이 특정한 범위 내에 없으면, 전술한 플럭스와 외피의 용융 시기를 비켜 놓아, 용적을 안정 이행시키는 기구가 잘 작동하지 않아, 아크 불안정이나 스패터 증가로 연결된다. 구체적으로는, 플럭스율이 10.0질량%에 차지 않으면, 와이어 단면적에서 차지하는 외피의 단면적이 커져, 플럭스보다도 후에 녹는 외피의 양이 많아지기 때문에, 용적이 커져 스패터가 증가한다. 한편, 플럭스율이 30.0질량%를 초과하면, 외피의 단면적이 적어지기 때문에, 외피의 전기 저항이 높아져, 용융되기 쉽게 된다. 그 결과, 플럭스와 외피의 용융 시기를 비켜 놓은 효과가 희박해져, 용적 이행이 불안정하게 된다. 따라서, 플럭스율은 10.0∼30.0질량%로 한다.
한편, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에 있어서의 와이어 단면 형상, 와이어 직경 등의 조건은 특별히 한정되는 것이 아니고, 용도나 용접 조건 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에서는, 와이어 성분을 전술한 범위로 하고 있기 때문에, TIG 용접과 같이 작업 능률을 희생으로 하지 않고, 순 Ar 가스에서의 MIG 용접이 가능하다. 그리고, 순 Ar을 실드 가스로서 이용함으로써, 슬래그의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에서는, 플럭스 중에 특정량의 S가 첨가되어 있기 때문에, 종래의 용접법에서는 상대적으로 컸던 아크력에 의한 용융지의 유동을 억제함과 더불어, 온도 균형의 불균일에 의해서 발생하는 대류의 방향을 변화시켜, 비드 표면에 발생한 산화 피막을, 크레이터부에 집약할 수 있다. 이것에 의해, 정상부의 비드 외관이 현저히 향상된다. 이와 같이, 비드 외관을 개선하기 위해서 산화 피막을 크레이터부에 응집시키는 기술은, 종래 존재하지 않던 것이다.
또한, S는 저융점 재료이며, 이 S를 플럭스에 첨가하는 것으로, 본 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어는, 외피와 플럭스의 용융 시기를 비켜 놓아, 단계적으로 용융하는 설계로 하고 있다. 이것 때문에, 한번에 용융하여 불안정한 스트리밍 이행이 되는 일이 없다. 그 결과, 전술한 특허문헌 3에 기재된 기술과 같이 플럭스에 그래파이트를 첨가하지 않더라도, 안정한 용접이 가능해진다.
(제 2 실시형태)
다음으로 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 아크 용접 방법에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 아크 용접 방법에 있어서는, 전술한 제 1 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하여, 순 Ar 실드 가스로, 탄소강을 아크 용접한다. 그 때, 피크 전류가 340∼540A, 피크 전류 기간이 0.7∼2.5ms(밀리초)의 펄스 전류를 용접 전류로 한다.
여기서, 용접 전류를 펄스 전류로 하고 있는 이유는, 작업성과 비드 외관, 구체적으로는 스패터 저감을 위해서이다. 단, 피크 전류가 340A 미만인 경우, 피크 기간 동안에 용적 이탈이 완료되지 않기 때문에, 낙하시에 다음 피크가 와서 스패터가 증가한다. 한편, 피크 전류가 540A를 초과하면, 용적이 커져, 스패터가 증가한다. 또한, 피크 전류 기간이 0.7ms 미만인 경우, 이탈 전에 피크가 끝나고, 낙하시에 다음 피크가 와서, 스패터가 증가한다. 한편, 피크 전류 기간이 2.5ms를 초과하면, 이탈 후도 피크가 있기 때문에, 스패터가 증가한다. 따라서, 펄스의 피크 전류는 340∼540A, 피크 전류 기간은 0.7∼2.5ms로 한다.
본 실시형태의 아크 용접 방법에서는, 실드 가스에 순 Ar을 사용하고 있기 때문에, 슬래그의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 순 Ar 실드 가스와 더불어, 전술한 제 1 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고 있기 때문에, 플럭스에 그래파이트를 첨가하지 않더라도 안정된 용접이 가능해진다. 또한, 제 1 실시형태의 플럭스 내장 용접 와이어에는, 플럭스 중에 S가 첨가되어 있기 때문에, 비드 표면의 산화 피막이 크레이터부에 집약되어, 우수한 비드 외관이 얻어진다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 구체적으로 설명한다.
(제 1 실시예)
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 대응하는 제 1 실시예로서, 와이어 조성 및 실드 가스를 바꾸어, 탄소강을 아크 용접하여, 비드 외관 및 스패터량에 대하여 평가했다. 그 때, 모재에는, 탄소강인 SS400을 흑피(黑皮)를 그라인더 제거하여 사용하고, 용접 조건은, 비드 온, 돌출 길이(Ext) 15mm, 용접 속도: 60cm/min, 와이어 공급 속도: 10m/min, 가스 유량: 25L/min으로 했다.
또, 용접 전류 및 용접 전압은, 순 Ar 실드 가스 + 플럭스 내장 용접 와이어: 260A-23V, 순 Ar 실드 가스 + 솔리드 와이어: 280A-23V, Ar·CO2 혼합 실드 가스+ 플럭스 내장 용접 와이어: 280A-28V, Ar·CO2 혼합 실드 가스 + 솔리드 와이어: 290A-28V로 했다. 또한, 용접 전류는, 펄스 전류로 하고, 그 피크 전류를 450A, 피크 기간을 1.2ms로 했다.
<평가>
도 1(a) 및 (b)는 비드 외관의 평가 기준을 나타내는 도면이다. 비드 외관의 평가는, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 산화 피막(4) 또는 슬래그가 용접 비드(1)의 정상부(금속 지기(地肌)(3))에 3개소 이상 점재하고 있었던 경우는 ×, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 산화 피막(4)이나 슬래그가 없는 경우 또는 종단에 모이고 있었던 경우를 ○로 했다. 한편, 크레이터부(2)의 산화 피막(4)은, 비드 외관에 영향을 주는 일이 없기 때문에, 평가 대상으로부터 제외했다.
또, 스패터량의 평가는, 0.6g/min 이하의 경우를 ○, 0.6g/min을 초과한 경우를 ×로 했다. 한편, 본 발명의 범위 내에서 제작한 플럭스 내장 용접 와이어를 순 Ar 실드 가스를 사용하고, 펄스 전류를 사용하지 않고서 아크 용접한 경우의 스패터량은 0.7∼0.8g/min 정도이다. 이상의 결과를, 하기 표 1∼4에 정리하여 나타낸다. 한편, 하기 표 1∼4에 나타내는 「S량 판정」은, 플럭스 중의 S 함유량[Sf]과, 외피 중의 S 함유량[Sh]의 관계가, 수학식 1을 만족시키는지 여부의 판정이다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 제작한 No. 1∼23의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용한 실시예 1∼23은, 비드 외관 및 스패터량이 어느 것이나 양호했다. 특히, 모든 성분이 바람직한 범위 내인 No. 3의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용한 실시예 3은, 비드 외관 및 스패터량 모두 우수했다.
이에 대조적으로, 표 1∼4에 나타내는 비교예 1∼85에서는, 비드 외관이나 스패터량에 문제가 있었다. 구체적으로는, 플럭스 중의 S 함유량[Sf]과, 외피 중의 S 함유량[Sh]의 관계가, 수학식 1을 만족시키고 있지 않은 No. 24∼27의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용한 비교예 1∼4에서는, 용적 이행이 안정되지 않고, 대립의 스패터가 발생했다.
또, 와이어 조성 중 어느 것인가의 성분이, 본 발명의 범위를 벗어나고 있는 No. 28∼39의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용한 비교예 5∼16에서는, 비드 외관 또는 스패터량이 불량이 인정되었다. 또한, 이들 비교예 중, 플럭스율이 본 발명의 범위로부터 벗어나고 있는 비교예 5∼8에서는, 용적 이행이 안정되지 않고, 비드 외관 불량이 생겼다.
한편, 비교예 17∼39에서는, 실시예와 같이 No. 1∼23의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고 있지만, 실드 가스가 Ar와 CO2의 혼합 가스(CO2 함유량: 20부피%)이기 때문에, 슬래그가 발생하고, 스패터도 많이 발생했다. 또한, No. 1∼23의 플럭스 내장 용접 와이어와 동등 성분을 갖는 솔리드 와이어를 사용하여, 순 Ar 가스로 용접한 비교예 40∼62는, 순 Ar 실드 가스에서의 용접이 곤란하여, 정상인 비드를 형성할 수 없었다. 또한, 스패터량을 측정한 바, 대립의 스패터가 비산하여, 다량으로 발생했다.
비교예 63∼85는, 전술한 비교예 40∼62와 같은 솔리드 와이어를 사용하고, Ar와 CO2의 혼합 가스(CO2 함유량: 20부피%)를 실드 가스로 하여, 아크 용접한 것이다. 이 Ar+ 20% CO2 실드 가스를 사용하면, 플럭스 내장 용접 와이어보다도 솔리드 와이어쪽이, 스패터량이 약간 적어지는 것이 알려져 있다. 그리고, 비교예 63∼85에서는, 비교예 40∼62보다도 스패터량은 적어지고 있었지만, 판정 기준을 합격하는 것은 없고, 또한, 어느 쪽의 비드에도 슬래그가 발생하여, 비드 외관에서도 양호한 결과는 얻어지지 않았다.
(제 2 실시예)
다음으로 본 발명의 제 2 실시형태에 대응하는 제 2 실시예로서, 본 발명의 범위 내에서 제작한 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하여, 펄스 조건을 바꾸어, 순 Ar 실드 가스로 탄소강을 아크 용접하여, 스패터량에 대하여 평가했다. 그 때, 모재에는, 탄소강인 SS400을 흑피를 그라인더 제거하여 사용하고, 와이어는 모두 표 1에 나타내는 No. 3의 플럭스 내장 용접 와이어를 사용했다. 또한, 용접 조건은, 비드 온, 돌출 길이(Ext) 15mm, 용접 속도: 60cm/min, 가스 유량: 25L/min으로 하고, 펄스 피크 전류는 320∼550A, 피크 기간은 0.6∼2.6ms의 범위로 했다.
<평가>
스패터량의 평가는, 전술한 제 1 실시예와 마찬가지로, 0.6g/min 이하의 경우를 ○, 0.6g/min을 넘은 경우를 ×로 했다. 그 결과를, 하기 표 5, 6에 나타낸다. 또한, 도 2는 횡축에 피크 시간, 종축에 피크 전류를 취하여, 펄스 조건과 스패터량의 관계를 나타내는 도면이다.
Figure pat00006
Figure pat00007
표 5에 나타내는 실시예 101∼135에서는, 용적이 와이어로부터 이탈하는 순간에 펄스 피크 기간이 있어, 스패터가 가장 발생하기 쉬운 용적이 용융지에 낙하한 순간에는, 베이스 기간이라고 하는, 이른바 1펄스 1드롭의 형태로 되어 있었기 때문에, 스패터량이 적었다.
이와 대조적으로, 표 6에 나타내는 비교예 101∼106은, 펄스 피크 기간이 짧기 때문에, 용적이 이탈하기 전에 피크 기간이 종료하여, 용적이 용융지에 낙하한 때에는 다음 피크 기간이 와 버리기 때문에, 스패터가 불어나고 있었다. 또한, 비교예 107∼114는, 펄스 피크 전류가 낮기 때문에, 피크 기간 동안에 용적 이탈이 완료되지 않고, 낙하시에 다음 피크 기간이 도래하여 버리기 때문에, 스패터가 불어나고 있었다.
비교예 114∼119는, 피크 기간이 지나치게 길기 때문에, 용적이 이탈 후도 피크 기간이 존재하여, 스패터 발생으로 연결되었다. 또한, 비교예 120∼122는, 피크 전류가 지나치게 높기 때문에, 피크 기간 동안에 생기는 용적이 커져, 용적이 용융지에 낙하했을 때에 발생하는 스패터가 많아졌다. 또한, 비교예 123은 논 펄스(non pulse)이기 때문에, 스패터가 가장 많이 발생했다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 순 Ar 실드 가스로 탄소강을 아크 용접한 경우에도, 스패터 발생량이 적고, 우수한 비드 외관이 얻어지는 것이 확인되었다.
1: 용접 비드
2: 크레이터부
3: 금속 지기
4: 산화 피막

Claims (3)

  1. 탄소강 외피 내에 플럭스가 충전된 탄소강 용접용 플럭스 내장 용접 와이어로서,
    와이어 전체 질량당,
    C: 0.02∼0.15질량%,
    Si: 0.30∼1.50질량%,
    Mn: 0.70∼2.30질량%,
    S: 0.010∼0.100질량%,
    Ti: 0.01∼0.18질량%
    를 함유함과 더불어,
    P: 0.030질량% 이하, Cr: 0.15질량% 이하로 규제되고,
    플럭스율이 10.0∼30.0질량%이며,
    상기 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이고,
    플럭스 중의 S 함유량(질량%)을 [Sf], 외피 중의 S 함유량(질량%)을 [Sh]로 했을 때, [Sf]>([Sh]+O.010)이며,
    순 Ar을 실드 가스로 한 아크 용접에 사용되는 플럭스 내장 용접 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    플럭스 중의 S 함유량이 0.060∼0.350질량%인 것을 특징으로 하는 플럭스 내장 용접 와이어.
  3. 외피가 탄소강으로 이루어지고, 와이어 전체 질량당, C: 0.02∼0.15질량%, Si: 0.30∼1.50질량%, Mn: 0.70∼2.30질량%, S: 0.010∼0.100질량%, Ti: 0.01∼0.18질량%를 함유함과 더불어, P: 0.030질량% 이하, Cr: 0.15질량% 이하로 규제되고, 플럭스율이 10.0∼30.0질량%이며, 상기 플럭스 중의 S 함유량이 0.030∼0.600질량%이고, 플럭스 중의 S 함유량(질량%)을 [Sf], 외피 중의 S 함유량(질량%)을 [Sh]로 했을 때, [Sf]>([Sh]+O.010)인 플럭스 내장 용접 와이어를 사용하고,
    순 Ar 가스를 실드 가스로 하고, 피크 전류가 340∼540A, 피크 전류 기간이 0.7∼2.5ms인 펄스 전류를 용접 전류로 하여, 탄소강을 아크 용접하는 아크 용접 방법.
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