KR20130105447A - 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법 - Google Patents

플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

내식성(내입계 부식성 및 내고온 산화성)을 향상시킴과 함께, 내용락성 및 용접 작업성이 우수한 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
실드 가스를 이용하는 가스 실드 아크 용접용임과 함께, 스테인레스 강 또는 연강 외피 내부에 플럭스가 충전되는 스테인레스 강 용접용의 플럭스 함유 와이어로서, 상기 플럭스 함유 와이어는, 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, C, Si, Mn, P, S, Cr, Ti, O를 소정량 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 상기 실드 가스는 순 Ar 가스인 것을 특징으로 한다.

Description

플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법{FLUX-CORED WIRE AND GAS-SHIELDED ARC WELDING METHOD USING THE SAME}
본 발명은, 가스 실드 아크 용접용임과 함께, 스테인레스 강 또는 연강 외피 내부에 플럭스가 충전되는 스테인레스 강 용접용의 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법에 관한 것이다.
현재, 페라이트계 스테인레스 강으로서, Cr을 14 내지 19질량% 정도 함유하는 중 Cr 페라이트 강으로 불리는 것이 많이 사용되고 있지만, 이 중에서도, 특히 SUS430 강은, 건축 내장재, 자동차 장식재 등, 용도가 폭넓기 때문에, 대량으로 생산되고 있다.
또, 페라이트계 스테인레스 강은, 내식성이나 내열성이 우수하기 때문에, 자동차의 엔진으로부터 배출되는 고온의 가스를 유도하는 배기 매니폴드(exhaust manifold), 프론트 파이프(front pipe), 주 머플러(main muffler) 등의 자동차의 배기계 부품에도 적용되고 있다.
이러한 페라이트계 스테인레스 강을 용접하는 방법으로서, 가스 실드 아크 용접 방법이 존재하지만, 이 용접 방법에서 사용하는 용접 와이어는 솔리드 와이어나 플럭스 함유 와이어의 2 종류로 대별될 수 있다.
여기서, 솔리드 와이어를 이용하여 가스 실드 아크 용접을 행하면, 산화물의 발생을 억제하는 것이 비교적 용이하게 달성될 수 있고, 우수한 내(耐)고온 산화성을 발휘할 수 있다. 그러나, 솔리드 와이어는, 보통, 결정립의 생성 사이트가 되는 비금속 개재물이 적기 때문에, 솔리드 와이어를 이용하여 용접을 행한 경우, 결정립의 미세화가 일어나기 어렵고, 입계(粒界)에 부식이 발생하기 쉬웠다. 즉, 솔리드 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접에서는, 내(耐)입계 부식성이 문제가 있었다.
이러한 사정에 의해, 페라이트계 스테인레스 강의 용접에 대하여, 플럭스 함유 와이어를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법이 제안되어 있다.
예컨대, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 와이어 중의 화학 조성을 규제한 플럭스 함유 와이어가 제안되어 있고, 실드 가스로서, CO2 가스를 20% 함유하는 Ar-CO2 가스를 사용하는 취지가 기재되어 있다.
또, 특허문헌 3 내지 특허문헌 5에는, 와이어 중의 화학 조성을 규제한 플럭스 함유 와이어(또는 용접 방법)가 제안되어 있고, 실드 가스로서, 순 Ar 가스를 사용하는 취지가 기재되어 있다.
일본 특허공개 제2001-293596호 공보 일본 특허공개 제2007-319910호 공보 일본 특허공개 제2007-289965호 공보 일본 특허공개 제2007-296535호 공보 일본 특허공개 제2009-255125호 공보
특허문헌 1 내지 특허문헌 5에 따른 기술은, 플럭스 함유 와이어를 사용하고 있기 때문에, 솔리드 와이어를 사용하는 경우와 비교하여, 결정립을 미세화하기 쉽기 때문에, 입계에 부식이 발생하기 어려워, 일정 수준의 내(耐)입계 부식성을 발휘할 수 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 따른 기술은, 실드 가스로서 CO2 가스를 20% 함유하는 Ar-CO2 가스를 사용하고 있기 때문에, 이 CO2 가스의 영향에 의해, 내식성(특히, 내(耐)고온 산화성), 내용락성(耐溶落性), 용접 작업성의 향상에는 한계가 있었다.
또한, 특허문헌 3 내지 특허문헌 5에 따른 기술은, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 이용하고 있지만, 아크를 안정시키기 위해서, 와이어 중에 C, O를 함유시키고 있다. 이 C, 0가 와이어 중에 존재함으로써, 내식성(특히, 내고온 산화성)의 향상에는 한계가 있었다.
즉, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 따른 기술은, 실드 가스 중에 CO2를 포함하고 있고, 특허문헌 3 내지 특허문헌 5에 따른 기술은, 와이어 중에 C, O를 포함하고 있기 때문에, 어느 쪽의 경우에도 용접 금속의 저산소화가 곤란하여, 고온 하에서 용접 금속에 부식이 발생할 가능성이 있었다. 바꿔 말하면, 특허문헌 1 및 특허문헌 5에 따른 기술에는, 내식성(특히, 내고온 산화성)을 더욱 향상시킬 여지가 존재하고 있었다.
그래서, 본 발명은, 내식성(내고온 산화성 및 내입계 부식성)을 향상시킴과 함께, 내용락성 및 용접 작업성이 우수한 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 행한 결과, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 각 원소를 소정량으로 제한함으로써, 순 Ar 실드 가스로 안정된 용접을 가능하게 하고, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 이용하는 것에 의해, 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견해 내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 실드 가스를 이용하는 가스 실드 아크 용접용임과 함께, 스테인레스 강 또는 연강 외피 내부에 플럭스가 충전되는 스테인레스 강 용접용의 플럭스 함유 와이어로서, 상기 플럭스 함유 와이어는, 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, C: 0.10질량% 이하, Si: 1.50질량% 이하, Mn: 2.00질량% 이하, P: 0.050질량% 이하, S: 0.050질량% 이하, Cr: 15.0 내지 25.0질량%, Ti: 0.16 내지 1.00질량%, O: 0.300질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 상기 실드 가스는 순 Ar 가스인 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 C, O 등의 함유량을 소정 범위로 제한함과 함께, 실드 가스로서, 순 Ar 가스를 사용함으로써, 용접 금속의 저산소화를 가능하게 하여, 내식성(내고온 산화성)을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 각 원소의 함유량을 소정 범위로 제한함과 함께, 실드 가스로서, 순 Ar 가스를 사용함으로써, 결정립을 미세화하여, 내식성(내입계 부식성)을 향상시킬 수 있다.
한편, C, O의 함유량을 낮은 값으로 제한하는 것에 의해 아크 안정성은 열화되지만, Ti을 0.16질량% 이상 첨가함으로써, 용융 금속 중의 O와 Ti가 반응하여, TiO2가 용융지(溶融池) 표면에 형성되고, 이것에 의해 음극점의 거동이 안정되어, C: 0.10질량% 이하, O: 0.300질량% 이하의 상태에서도 순 Ar 특유의 아크의 흔들림을 방지할 수 있어, 안정된 용접이 가능해지는 것을 처음으로 발견해냈다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 실드 가스로서, 순 Ar 가스를 사용하고 있으므로, CO2 가스를 함유하지 않기 때문에, 플럭스 함유 와이어와 모재의 사이에 발생하는 아크를 긴축(緊縮)시키지 않고, 넓힌 상태로 할 수 있고, 그 결과, 녹아 들어감을 얕게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 내용락성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 각 원소의 함유량을 소정 범위로 제한함으로써, 가스 실드 아크 용접 시에 스퍼터를 저감할 수 있음과 함께, 용접 결함(균열, 블로우 홀(blow hole) 등)의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 용접 작업성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, Al: 1.00질량% 이하, N: 0.05질량% 이하 중 1종 이상을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 Al, N 중 1종 이상을 추가로 함유함으로써, 질화물이 핵 생성 사이트가 되고, 보다 미세한 결정을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, Nb: 0.10 내지 1.00질량%를 추가로 함유하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 Nb을 추가로 함유함으로써, NbC로서 C가 고정되어, 내입계 부식성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, Mo: 3.00질량% 이하를 추가로 함유하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 Mo을 추가로 함유함으로써, 내식성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 플럭스 충전율이 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, 5 내지 30질량%인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 플럭스 충전율을 소정량으로 제한함으로써, 용접 작업성을 더욱 향상시킴과 함께, 비드 외관을 우수하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 상기 Cr과 상기 Ti의 함유량이 Cr: 15.0 내지 19.0질량%, Ti: 0.16 내지 0.50질량%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 상기 Nb의 함유량이 Nb: 0.30 내지 1.00질량%인 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는 Cr, Ti나 Nb의 함유량을 추가로 소정 범위로 제한함으로써, 내식성, 내용락성, 용접 작업성을 확실히 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은 상기 플럭스 함유 와이어를 순 Ar 가스인 실드 가스 중에 송급(送給)하고, 상기 플럭스 함유 와이어에 용접 전류로서 펄스 전류를 공급함으로써, 상기 플럭스 함유 와이어와 모재인 스테인레스 강의 사이에 아크를 발생시켜 용접을 행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 상기 플럭스 함유 와이어를 사용함과 함께, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 사용함으로써, 내식성, 내용락성, 용접 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 용접 전류로서 펄스 전류를 사용하기 때문에, 더욱 스퍼터를 저감시키고, 비드 외관을 우수한 것으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 플럭스 함유 와이어에 포함되는 각 원소를 소정량으로 제한함과 함께, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 사용함으로써, 내식성(내고온 산화성 및 내입계 부식성), 내용락성 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 각 원소가 소정량으로 제한된 플럭스 함유 와이어를 사용하고, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 사용하고, 또한, 용접 전류로서 펄스 전류를 사용함으로써, 내식성(내고온 산화성 및 내입계 부식성), 내용락성 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법을 실시하기 위한 형태(실시 형태)에 대하여 설명한다.
[플럭스 함유 와이어]
본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어(이하, 간단히 와이어라고도 함)는, 실드 가스를 이용하는 가스 실드 아크 용접용임과 함께, 스테인레스 강 또는 연강 외피 내부에 플럭스가 충전되는 스테인레스 강 용접용의 플럭스 함유 와이어이다.
상세하게는, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 통상(筒狀)을 나타내는 스테인레스 강 또는 연강제의 외피와, 그 외피의 내부(안쪽)에 충전되는 플럭스로 이루어진다. 한편, 플럭스 함유 와이어는, 외피에 이음매가 없는 심리스(seamless) 유형, 외피에 이음매가 있는 심(seam) 유형의 어느 쪽의 형태이어도 좋다. 또한, 플럭스 함유 와이어는, 와이어 표면(외피의 외측)에 도금 등이 실시되어 있어도, 실시되어 있지 않아도 좋다.
그리고, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 소정량의 C, Si, Mn, P, S, Cr, Ti, O를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어의 각 원소의 함유량을 한정한 이유에 대하여 설명하지만, 이 함유량은, 외피와 플럭스에서 함유량의 총합으로 표시되어 있고, 플럭스 함유 와이어 전체 질량(외피 전체 질량+플럭스 전체 질량)에 대한 함유량이다.
(C: 0.10질량% 이하)
C는 강도를 향상시키는 원소이다. 그러나, C의 함유량이 O.10질량%를 초과하면 입계에서 Cr 탄화물이 형성되어, 입계 근방의 내식성을 현저히 저하시켜 버린다.
따라서, C의 함유량은 0.10질량% 이하(0질량%도 포함)로 한다.
(Si: 1.50질량% 이하)
Si는 비드 형상을 개선시키는 원소이다. 그러나, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 이용하는 경우는, 아크를 넓힘으로써, 비드 형상을 충분히 개선시킬 수 있기 때문에, Si는 함유하지 않아도 좋다.
또한, Si는 페라이트 안정화 원소로서 용접 금속의 주상(柱狀) 조직의 조대화(粗大化)를 촉진하는 작용이 있고, 또한 입계에 편석하여 취약화시키는 작용도 갖기 때문에, Si의 함유량이 많으면 배 모양 비드 형상 균열과 연성 저하로부터의 균열에 의한 용접 균열 감수성을 높여 버린다. 상세하게는, Si의 함유량이 1.50질량%를 초과하면 용접 균열 감수성이 증대하여, 용접 결함이 생길 가능성이 높아진다.
따라서, Si의 함유량은 1.50질량% 이하(0질량%도 포함)로 한다.
(Mn: 2.00질량% 이하)
Mn은 유효한 탈산제이며, S과 결합하기 쉬운 원소이다. 여기서, Mn은, S과 결합하여 MnS를 형성한 경우, 용접 금속의 내고온 산화성을 현저히 저하시켜 버린다. 상세하게는, Mn의 함유량이 2.00질량%를 초과하면 내고온 산화성이 현저히 저하된다.
따라서, Mn의 함유량은 2.00질량% 이하(0질량%도 포함)로 한다.
(P: 0.050질량% 이하, S: 0.050질량% 이하)
P, S은 일반적으로 불순물로서 혼입되는 원소이다. 그리고, 본 발명에서는, P, S을 특별히 적극 첨가를 행하는 의미는 없다. 또한, P, S의 함유량 중 어느 것이든 한쪽이 O.050질량%를 초과해 버리면, 내고온 균열성을 저하시켜 버리고, 용접 결함을 발생시켜 버린다.
따라서, P, S의 함유량은, 각각 0.050질량% 이하(0질량%도 포함)로 한다.
(Cr: 15.0 내지 25.0질량%)
Cr은 페라이트계 스테인레스 강의 주요한 원소이다. 그리고, Cr은 고온 하에서 Cr2O3 주체(主體)의 치밀한 산화물을 형성하여, 산소의 확산을 저지할 수 있기 때문에, 내고온 산화성을 향상시킨다. 또한, Cr은 고온 강도 및 내염해(耐鹽害) 부식성, 내입계 부식성 등의 내식성을 확보하는 데에도, 필수적인 원소이다.
Cr의 함유량이 15.0질량% 미만에서는 내고온 산화성을 확보할 수 없어짐과 함께, 내입계 부식성도 저하된다. 한편, Cr은 융점이 높기 때문에, Cr의 함유량이 25.0질량%를 초과하면 스퍼터량이 증가함과 함께, 비용 상승으로도 이어진다.
따라서, Cr의 함유량은 15.0 내지 25.0질량%로 한다. 한편, 상기 효과를 보다 확실한 것으로 하기 위해서, Cr의 함유량은 15.0 내지 19.0질량%가 바람직하다.
(Ti: 0.16 내지 1.00질량%)
Ti은 탈산 효과와 등축정(等軸晶)의 생성에 유효한 원소이며, 배 모양 비드 형상 균열 방지하는 작용을 갖는다. 또한, Ti은 용융 금속 중의 산소와 결합하는 것에 의해 산화물을 형성하기 때문에, Ti을 첨가하는 것에 의해 순 아르곤 분위기에서도 안정되게 음극점이 형성되어, 양호한 용접을 행하는 것이 가능해진다. 또한, Ti을 함유시키는 것에 의해 내입계 부식성을 향상시킬 수 있다. Ti의 함유량이 0.16질량% 미만에서는, 이들 효과는 불충분하다. 한편, Ti의 함유량이 1.00질량%를 초과하면 아크 취부력(吹付力)이 과잉이 되어, 스퍼터량이 많아짐과 함께 비드가 볼록 형상이 되기 때문에 바람직하지 못하다.
따라서, Ti의 함유량은 0.16 내지 1.00질량%로 한다. 한편, 상기 효과를 보다 확실한 것으로 하기 위해서, Ti의 함유량은 0.16 내지 0.50질량%가 바람직하다.
(O: 0.300질량% 이하)
0는 내고온 산화성을 저하시켜 버리는 원소이며, 함유량을 억제할 필요가 있는 원소이다. 상세하게는, O의 함유량이 0.300질량%를 초과하여 버리면, 내고온 산화성을 현저히 저하시켜 버린다.
따라서, O의 함유량은 0.300질량% 이하(0질량%도 포함)로 한다.
한편, O의 함유량이 0.300질량% 이하이면, O는 와이어 중에 어떠한 상태로 함유시켜도 좋고, 예컨대, TiO2, ZrO2, MgO, SiO2, FeO, Fe2O3, MnO, MnO2, Al2O3, CaO, Li2O라는 화합물의 형태로 함유시켜도 좋다. 즉, O가 0.300질량% 이하가 되는 범위에서, 상기 화합물 중 적어도 1종 이상을 적절히 함유시켜, 아크의 안정이나 결정립의 미세화를 도모하여도 좋다.
(Fe 및 불가피적 불순물)
잔부의 Fe은 외피를 구성하는 Fe, 플럭스에 첨부되어 있는 철분, 합금 가루의 Fe이 상당한다.
잔부의 불가피적 불순물이란, 상기 성분 이외의 성분이거나, 상기 성분으로서 선택적으로 첨가하는 성분(Al, N, Nb, Mo) 등이 불가피적으로 포함되는 것도 해당되어, 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위로 함유하는 것이 허용된다.
한편, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어는, 다음의 Al, N, Nb, Mo을 소정량 포함하는 것이 바람직하다.
(Al: 1.00질량% 이하, N: 0.05질량% 이하)
Al, N는 AlN(알루미늄나이트라이드)를 형성하는 원소이며, 결정립 미세화의 효과를 발휘한다. 그러나, Al의 함유량이 1.00질량%를 초과하면, 스퍼터량이 많아져, 최종적으로는, 자동차의 배기계 부품을 폐색시켜 파손 원인이 된다. 또한, N의 함유량이 0.05질량%를 초과하면, 기공 결함(블로우 홀)의 발생이 다발한다.
따라서, Al, N를 함유시키는 경우는, Al: 1.00질량% 이하(0질량%도 포함), N: 0.05질량% 이하(0질량%도 포함함) 중 1종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
(Nb: 0.10 내지 1.00질량%)
Nb은 탄소 및 질소와 결합하여 페라이트 형성핵이 되는 탄질화물을 생성하는 성분이며, 탄질화물을 생성시켜 결정립의 미세화 및 고온 강도의 개선이 예상된다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.10질량% 이상의 Nb의 첨가가 필요하다. 한편, Nb은 융점이 높고, 과잉으로 첨가를 행하면 스퍼터가 발생한다. 따라서, 상한을 1.00질량% 이하로 한다.
따라서, Nb을 함유시키는 경우는, Nb의 함유량은 0.10 내지 1.00질량%가 바람직하다. 한편, 상기 효과를 보다 확실한 것으로 하기 위해서, Nb의 함유량은 0.30 내지 1.00질량%가 보다 바람직하다.
(Mo: 3.00질량% 이하)
Mo은 내식성의 향상에 유효한 원소이지만, 고가이고, 또한 고융점이기 때문에 함유량이 과잉이 되어버리면, 스퍼터량이 많아져 버린다. 상세하게는, Mo의 함유량이 3.00질량%를 초과해 버리면 스퍼터를 다량으로 발생시켜 버린다.
따라서, Mo을 함유시키는 경우는, Mo의 함유량은 3.00질량% 이하인 것이 바람직하다.
(플럭스 충전율)
본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어의 플럭스 충전율은, 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, 5 내지 30질량%인 것이 바람직하다. 플럭스 충전율이 5질량% 미만, 또는 30질량%를 초과하면, 순 Ar 가스 용접 분위기에서의 아크 안정화 효과를 잃고, 그 결과, 스퍼터량의 증가, 비드 외관의 저하를 야기하기 때문이다.
한편, 이 플럭스 충전율은, 외피 내에 충전되는 플럭스의 질량을, 와이어(외피+플럭스)의 전체 질량에 대한 비율로 규정한 것이다.
(기타)
본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어의 외피의 외경, 내경 등, 그 밖의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 외피의 재질은, 스테인레스 강 또는 연강이며 플럭스 함유 와이어 전체 중량에서의 조성이 상기 규정 범위가 된다면 특별히 제한은 없다.
[실드 가스]
본 발명에 따른 실드 가스는 순 Ar 가스이다.
실드 가스인 순 Ar 가스는 CO2 가스를 함유하지 않기 때문에, 플럭스 함유 와이어와 모재의 사이에 발생하는 아크를 긴축시키지 않고, 넓힌 상태로 할 수 있고, 그 결과, 용해를 짧게 할 수 있다. 따라서, 실드 가스로서 순 Ar 가스를 이용함으로써, 대폭 내용락성이 향상된다.
[모재]
용접 대상이 되는 모재는 스테인레스 강이며, 예컨대, 건축 내장재, 자동차 장식재 또는 자동차의 배기계 부재로서 사용되는 페라이트계 스테인레스 강이다. 한편, 스테인레스 강의 조성, 형상 등에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.
[가스 실드 아크 용접 방법]
다음으로, 가스 실드 아크 용접 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 가스 실드 아크 용접 방법은, 플럭스 함유 와이어를 순 Ar 가스인 실드 가스 중으로 송급하고, 상기 플럭스 함유 와이어에 용접 전류를 공급함으로써, 상기 플럭스 함유 와이어와 모재인 스테인레스 강의 사이에 아크를 발생시켜 용접을 행하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 용접 전류로서 펄스 전류를 이용하는 것을 특징으로 한다.
용접 전류로서 펄스 전류를 사용함으로써, 순 Ar 가스를 실드 가스로서 이용하는 가스 실드 아크 용접의 용접 작업성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 펄스 전류의 조건에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 피크 전류값: 400 내지 460A, 피크 전류 기간: 1.0 내지 2.0msec, 베이스 전류값: 100A 이하와 같은 조건을 적용하면 좋다.
실시예
다음으로, 본 발명의 요건을 만족시키는 실시예와 그렇지 않은 비교예를 예시하여, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법에 관하여 설명한다.
(플럭스 함유 와이어, 실드 가스)
플럭스 함유 와이어는, 표 1에 나타내는 조성의 것을 사용했다. 또한, 플럭스 함유 와이어의 와이어 직경(외피의 외경)은 1.2φ(직경 1.2mm)였다.
또한, 사용한 실드 가스의 조성을 표 1에 나타낸다.
(모재)
모재는 ISO 9444에 준거한 스테인레스 강판을 이용했다.
그리고, 2장의 스테인레스 강판(300mm×55mm×2.0mm)을 25mm만 비켜서 포개어, 스폿 용접에 의해 접착(임시 접착)했다. 한편, 용접갭은 Omm였다.
(용접 조건)
스폿 용접으로 접착된 2장의 상기 모재의 귀퉁이 부분에 대하여 중첩 용접(150mm)을 행한다고 하는 방법으로 용접을 행했다.
한편, 시험 No.1 내지 38에 대하여는, 수평 자세(수평면에 대하여 0°)임과 함께, 토치 각도가 모재면에 대하여 수직으로 되는 상태로 용접을 행했다.
또한, 시험 No.1 내지 38에 대하여, 전류-전압, 모재-칩간 거리, 유량(실드 가스), 용접 속도, 와이어 송급 속도의 상세한 조건은 이하와 같다.
표 1에 전류: 「펄스」로 기재되어 있는 경우는, 펄스파 모양의 용접 전류를 이용함과 함께, 전류-전압: 180A-18V, 모재-칩간 거리: 15mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 100cm/min, 와이어 송급 속도: 7.4m/min이라는 조건으로 용접을 행했다.
표 1에 전류: 「비(非)펄스」로 기재되어 있는 경우는, 펄스파 모양이 아니고 정전류·정전압 특성의 용접 전류를 이용함과 함께, 전류-전압: 180A-18V, 모재-칩간 거리: 815mm, 유량: 25리터/min, 용접 속도: 100cm/min, 와이어 송급 속도: 6.0m/min이라는 조건으로 용접을 행했다.
(스퍼터량의 측정 방법과 평가 기준)
발생한 스퍼터의 측정은, 용접부의 양측면에 구리판으로 작성한 상자를 설치(상세하게는, 400mm×150mm×150mm의 상자를 모재의 양측에 2개 배치)하여 용접을 행하고, 1분간에 발생한 스퍼터 모두를 상자 내에서 채취하고, 모은 스퍼터의 전체 질량을 측정하여 스퍼터량(g/min)으로 했다.
스퍼터량은 1.OOg/min을 초과하면 눈에 보여 스퍼터가 많이 비산하기 때문에, 1.00g/min 이하를 양호(○)로 평가하고, 그의 반값인 0.50g/min 이하를 매우 양호(◎)로 평가했다. 한편, 1.OOg/min을 초과하는 경우를 불량(×)으로 평가했다.
(용접 결함의 확인과 평가 기준)
용접 결함의 확인은, 용접 후의 비드(150mm)에 X선 촬영을 행하고, 균열의 발생을 확인함과 함께, 방사선 투과 시험(RT: JIS Z3104 참조)에 준거한 방법에 의해, 블로우 홀의 존재를 확인했다.
균열이 존재하지 않음과 함께, 블로우 홀이 존재하지 않는 경우를 매우 양호(◎)로 평가하고, 균열이 존재하지 않음과 함께 블로우 홀이 2개 이하인 경우를 양호(○)로 평가하고, 균열이 존재하는 경우를 불량(×)으로 평가했다.
(내고온 산화성의 측정 방법과 평가 기준)
내고온 산화성의 측정은, 4층 육성 용접(肉盛 溶接)(용접 전류 200A, 용접 속도 30cm/min)을 행하고, 최종층으로부터 두께 1.2mm, 폭 20mm, 길이 25mm의 산화 시험편을 채취하고, 대기 중에서 1000℃×100시간 가열 유지하여 시험 전후의 중량을 측정했다.
산화 증량이 0.30mg/cm2 이하인 경우를 매우 양호(◎)로 평가하고, 산화 증량이 0.30mg/cm2를 초과하고 0.70mg/cm2 이하인 경우를 양호(○)로 평가하고, 산화 증량이 0.70mg/cm2를 초과하는 경우를 불량(×)으로 평가했다.
(내입계 부식성의 측정 방법과 평가 기준)
내입계 부식성의 측정은, JIS G0571에 준거한 옥살산 에칭 시험으로 행하고, 에칭 조직이, 단상(段狀) 조직(결정립계에 홈이 없는 단상의 조직)으로 된 경우를 매우 양호(◎)로 평가하고, 혼합 조직(결정립계에 부분적으로 홈이 있는 조직. 단, 완전히 홈으로 둘러싸인 결정립이 하나도 없는 것.)으로 된 경우를 양호(○)로 평가하고, 구상(溝狀) 조직(완전히 홈으로 둘러싸인 결정립이 하나 이상 있는 조직)으로 된 경우를 불량(×)으로 평가했다.
(비드 외관의 확인 방법과 평가 기준)
비드 외관의 확인은 육안으로 행하며, 비드가 사행(蛇行)하고 있는지 아닌지, 비드 형상이 볼록 형상을 나타내고 있는지 아닌지, 이면(裏面) 비드가 형성(용락)되어 있는지 아닌지를 확인했다.
상기한 것과 같은 사행, 볼록 형상의 형성, 이면 비드의 형성이 존재하지 않는 경우를 매우 양호(◎)로 평가하고, 문제시 되지 않는 정도의 볼록 형상(수축 여유 높이가 2.3mm 미만)이 형성되어 있는 경우를 양호(○)로 평가하고, 사행, 볼록 형상(수축 여유 높이가 2.3mm 이상)의 형성, 이면 비드의 형성 중 어느 것인가가 존재하는 경우를 불량(×)으로 평가했다.
각 플럭스 함유 와이어를 이용하여, 소정의 용접 조건으로 용접을 행한 결과를 표 1에 나타낸다. 한편, 표 중의 밑줄은 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 것을 나타낸다. 또한, 표 중의 Ar-숫자%CO2란, 숫자%의 CO2 가스와, 잔부의 Ar 가스로 이루어지는 Ar-CO2 가스를 나타낸다.
또한, 표 중의 FCW란 플럭스 함유 와이어를 나타내며, 솔리드란 솔리드 와이어를 나타낸다. 그리고, 표 중의 F1이란 연강 후프(hoop)를 나타내고, F2란 페라이트계 스테인레스 강 후프를 나타낸다.
Figure pat00001
표 1 중의 시험 No.1 내지 22는 본 발명의 실시예가 된다. 어느 쪽의 경우도 스퍼터량이 저감되어 있음과 함께, 용접 결함도 거의 없고, 내고온 산화성, 내입계 부식성, 비드 외관이 양호하다는 결과였다.
특히, 시험 No.1 내지 22 중에서도, 시험 No.16 내지 22에 대해서는, 본 발명이 규정하는 모든 요건을 만족시키고 있었기 때문에, 모든 평가 항목에서 매우 양호하다는 결과로 되었다.
한편, 시험 No.1 내지 22 중, 시험 No.1 내지 11은, Cr, Ti, Al, N, Nb, Mo의 함유량의 바람직한 범위로부터 벗어나 버렸거나, 또는, Al, N, Nb, Mo을 불가피적 불순물이라고 판단할 수 있는 양밖에 포함하고 있지 않았기 때문에, 어느 항목에서 양호라는 평가에 머무는 결과가 되었다.
또한, 시험 No.1 내지 22 중, 시험 No.12, 15는 용접 전류를 펄스가 아닌 전류를 사용했기 때문에, 스퍼터량의 항목에서 양호라는 평가에 머무는 결과가 되었다.
또한, 시험 No.1 내지 22 중, 시험 No.13, 14는 플럭스 충전율이 바람직한 범위로부터 벗어나 버렸기 때문에, 스퍼터량과 비드 외관의 항목에서 양호라는 평가에 머무는 결과가 되었다.
한편, 시험 No.23 내지 38은, 본 발명이 규정하는 요건 중 어느 것인가를 만족시키지 않았기 때문에, 어느 항목에서 불량이라는 결과가 되었다. 상세하게는, 이하와 같다.
시험 No.23은, C의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, CO 가스가 발생함에 의해 스퍼터량의 항목에서 불량이라는 결과가 됨과 함께, Cr 결핍층이 생성됨에 의해 내고온 산화성, 내입계 부식성의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.24는, Si의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, 용접 결함의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.25는, Mn의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, MnS가 생성되어, 내고온 산화성의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.26은, P의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, 용접 결함의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.27은, S의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, 용접 결함의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.28은, Cr의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖(하한 미만)이기 때문에, 내고온 산화성, 내입계 부식성의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.29는, Cr의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖(상한 초과)이기 때문에, 스퍼터량의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.30은, Ti의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖(하한 미만)이기 때문에, 아크 불안정에 의한 비드 사행이 생겨, 비드 외관의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다. 또한, 내입계 부식성의 항목에 대해서도 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.31은, Ti의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖(상한 초과)이기 때문에, 아크의 취부(吹付)가 증대하여, 스퍼터량, 비드 외관의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.32는, O의 함유량이 본 발명의 규정 범위 밖이기 때문에, 내고온 산화성의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.33 내지 37은, 실드 가스가 순 Ar 가스가 아니기 때문에(산화성 가스를 포함하고 있었기 때문에), 아크가 집중하여, 비드 외관의 항목에서 불량(용락 발생)이라는 결과가 됨과 함께, 산화물이 발생함으로써, 내고온 산화성의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다. 또한, 일부의 것에 대해서는, 스퍼터량, 내입계 부식성의 항목에서도 불량이라는 결과가 되었다.
시험 No.38은, 와이어가 솔리드 와이어이기 때문에, 아크가 불안정해져, 스퍼터량, 비드 외관의 항목에서 불량이라는 결과가 되었다.
이상, 본 발명에 따른 플럭스 함유 와이어 및 이를 이용한 가스 실드 아크 용접 방법에 대하여, 발명을 실시하는 형태 및 실시예에 의해 상세하게 설명했지만, 본 발명의 취지는 이들의 설명에 한정되는 것이 아니며, 특허청구범위의 기재에 기초해서 넓게 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 실드 가스를 이용하는 가스 실드 아크 용접용임과 함께, 스테인레스 강 또는 연강 외피 내부에 플럭스가 충전되는 스테인레스 강 용접용의 플럭스 함유 와이어로서,
    상기 플럭스 함유 와이어는, 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여,
    C: 0.10질량% 이하,
    Si: 1.50질량% 이하,
    Mn: 2.00질량% 이하,
    P: 0.050질량% 이하,
    S: 0.050질량% 이하,
    Cr: 15.0 내지 25.0질량%,
    Ti: 0.16 내지 1.00질량%,
    O: 0.300질량% 이하
    를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며,
    상기 실드 가스는 순 Ar 가스인 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여,
    Al: 1.00질량% 이하,
    N: 0.05질량% 이하,
    Nb: O.1O 내지 1.OO질량%,
    Mo: 3.00질량% 이하
    중 1종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Cr과 상기 Ti의 함유량이,
    Cr: 15.0 내지 19.0질량%,
    Ti: 0.16 내지 0.50질량%이며, 또한
    상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여,
    Al: 1.00질량% 이하,
    N: 0.05질량% 이하,
    Nb: O.1O 내지 1.OO질량%,
    Mo: 3.00질량% 이하
    중 1종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    플럭스 충전율이, 상기 플럭스 함유 와이어 전체 질량에 대하여, 5 내지 30질량%인 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 Nb의 함유량이,
    Nb: 0.30 내지 1.00질량%
    인 것을 특징으로 하는 플럭스 함유 와이어.
  6. 제 1 항에 기재된 플럭스 함유 와이어를 순 Ar 가스인 실드 가스 중에 송급(送給)하고, 상기 플럭스 함유 와이어에 용접 전류로서 펄스 전류를 공급함으로써, 상기 플럭스 함유 와이어와 모재인 스테인레스 강의 사이에 아크를 발생시켜 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 가스 실드 아크 용접 방법.

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