KR20160085307A - 서브머지 아크 용접용 플럭스 - Google Patents

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Abstract

용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능한 서브머지 아크 용접용 플럭스를 제공한다. 서브머지 아크 용접용 플럭스를, MgO: 25∼35질량%, F(CaF2 환산치): 15∼30질량%, Al2O3: 10∼25질량%, SiO2: 10∼20질량%, Na(Na2O 환산치) 및 K(K2O 환산치) 중 적어도 한쪽: 합계로 0.5∼5.5질량%, Fe(FeO 환산치): 0.5∼5질량%, TiO2: 1∼5질량%, CaO: 6질량% 이하, Mn(MnO 환산치): 2.0질량% 미만을 함유하고, 또한, 수용성 SiO2: 1질량% 이하이며, 하기 수식(I)을 만족하는 조성으로 한다.

Description

서브머지 아크 용접용 플럭스{FLUX FOR SUBMERGED ARC WELDING}
본 발명은, 서브머지 아크 용접에 이용되는 플럭스에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고온 소성형 플럭스에 관한 것이다.
서브머지 아크 용접에 이용되는 플럭스는, 그 형태로부터, 용융형 플럭스와 소성형 플럭스로 대별된다. 용융형 플럭스는, 여러 가지 원료를 전기로 등으로 용해하여, 분쇄하는 것에 의해 제조된다. 한편, 소성형 플럭스는, 여러 가지 원료를 규산 알칼리 등의 바인더에 의해 결합하고, 조립(造粒)한 후, 소성하는 것에 의해 제조된다.
또한, 소성형 플럭스는, 소성 온도에 의해 분류되고, 일반적으로, 400∼600℃에서 소성한 것을 저온 소성형 플럭스, 600∼1200℃에서 소성한 것을 고온 소성형 플럭스라고 한다. 그리고, 저온 소성형 플럭스에서는, 종래, 용접 금속 중으로의 수소의 확산을 저감하기 위해, 여러 가지 검토가 이루어지고 있다(특허문헌 1∼3 참조). 예를 들어, 특허문헌 1∼3에는, 플럭스 중의 탄산염의 비율을 특정의 범위로 하는 것에 의해, 용접 시에 CO2 가스를 발생시켜, H2 분압을 저감하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 탄산염을 사용하지 않고 흡습 특성을 개선하기 위해서, 주로 플럭스 성분 유래의 특성치인 A값 및 플럭스의 비표면적의 최대치를 규정하여, 용접 금속 중으로의 수소량을 저감하는 수법도 제안되어 있다(특허문헌 4 참조). 한편, 고온 소성형 플럭스에 대해서는, 예를 들어, 염기성 산화물, 알칼리 금속 불화물 및 산성 산화물 등의 종류와 그 함유량을 특정하는 것에 의해, 확산 수소량을 저감하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 5 참조).
일본 특허공개 소49-70839호 공보 일본 특허공개 소53-95144호 공보 일본 특허공개 소51-87444호 공보 일본 특허공개 평9-99392호 공보 일본 특허공개 소62-68695호 공보
그렇지만, 전술한 소성형 플럭스에 있어서의 확산 수소량 저감 기술에는, 이하에 나타내는 문제점이 있다. 먼저, 특허문헌 1∼3에 기재되어 있는 탄산염을 첨가한 저온 소성형 플럭스는, 직류식의 용접 전원을 이용하면, 플럭스 소비량이 증대되어, 교류식의 용접 전원을 이용한 경우보다도 한층 더 탄산염의 분해가 촉진되어, 용접 중에 대량으로 발생하는 CO 가스나 CO2 가스에 의해 비드 표면이 거칠어지고, 또한, 이들 포크마크가 발생하여 비드 외관이나 비드 형상이 열화된다는 문제점이 있다.
특허문헌 4에 기재된 기술에서는, 수화성을 나타내는 지표인 A값에 있어서, MnO를 수화성의 성분으로서 파악하고 있지만, MnO는, 다른 플럭스 성분과의 병용에 의해 비수화성의 성분으로도 될 수 있다. 또한, 특허문헌 4에 기재된 기술에서는, 비표면적의 저하를 도모하고 있지만, 플럭스의 비표면적은, 용접 시의 슬래그의 실드성에 크게 영향을 준다. 구체적으로는, 플럭스의 비표면적을 저하시키면, 슬래그의 실드성이 손상되어 용접 금속 중의 질소량이 상승하여, 용접 금속의 인성이 열화된다.
한편, 고온 소성형 플럭스에 관한 특허문헌 5에 기재된 기술은, 교류식의 용접 전원에 대한 대응을 주목적으로 하여 플럭스 성분이 설계되어 있고, 직류식의 용접 전원 사용 시에 가장 염려되는 용접 작업성의 열화에 대해서는 고려되어 있지 않다. 즉, 특허문헌 5에 기재된 플럭스는, 용접 전원에 직류식을 이용하면, 교류식을 이용한 경우와 동등한 효과는 얻어지지 않는다.
그래서, 본 발명은, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능한 서브머지 아크 용접용 플럭스를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명에 따른 서브머지 아크 용접용 플럭스는, MgO: 25∼35질량%, F(CaF2 환산치): 15∼30질량%, Al2O3: 10∼25질량%, SiO2: 10∼20질량%, Na(Na2O 환산치) 및 K(K2O 환산치) 중 적어도 한쪽: 합계로 0.5∼5.5질량%, Fe(FeO 환산치): 0.5∼5질량%, TiO2: 1∼5질량%, CaO: 6질량% 이하, Mn(MnO 환산치): 2.0질량% 미만을 함유하고, 또한 수용성 SiO2: 1질량% 이하이며, Al2O3 함유량을 [Al2O3], MgO 함유량을 [MgO], F 함유량(CaF2 환산치)을 [CaF2], TiO2 함유량을 [TiO2]로 했을 때, 하기 수학식 1을 만족한다.
Figure pct00001
본 발명의 서브머지 아크 용접용 플럭스에서는, C 함유량을 0.2질량% 이하로 규제해도 된다.
또한, 본 발명의 서브머지 아크 용접용 플럭스는, 예를 들어, 800℃ 이상에서 소성된 것이다.
본 발명에 의하면, 각 성분의 함유량을 특정함과 함께, MgO 함유량과, Al2O3, F 및 TiO2의 총 함유량의 비를 특정의 범위로 하고 있기 때문에, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시예의 용접 시험에서 이용한 시험편의 개선 형상을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명자는, 전술한 과제를 해결하기 위해서, 예의 실험 검토를 행한 결과, 이하에 나타내는 지견을 얻었다. 직류식의 용접 전원을 이용하는 경우, 슬래그 박리성을 양호하게 유지하기 위해, 플럭스의 SiO2량은 최대한 저감해야 한다. 또한, MgO에 대해서는, 특허문헌 5에 기재된 플럭스보다도 첨가량을 많게 하지 않으면, 슬래그 박리성을 개선할 수 없다.
그래서, 본 발명의 실시형태에 따른 서브머지 아크 용접용 플럭스(이하, 간단히 플럭스라고도 한다.)에서는, SiO2 함유량을 10∼20질량%, MgO 함유량을 25∼35질량%로 함과 함께, 수용성 SiO2를 1질량% 이하로 규제하고 있다. 또한, 본 실시형태의 플럭스에서는, Al2O3 함유량을 [Al2O3], MgO 함유량을 [MgO], F 함유량(CaF2 환산치)을 [CaF2], TiO2 함유량을 [TiO2]로 했을 때, 하기 수학식 2를 만족하도록, 각 성분을 조정하고 있다.
Figure pct00002
이하, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 조성 한정 이유에 대해 설명한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 각 성분의 함유량은, 특별히 예고하지 않는 한, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법으로 정량한 값을, 산화물 또는 불화물로 환산한 환산치이다.
[MgO: 25∼35질량%]
MgO는, 슬래그 박리성의 향상에 크게 기여하는 성분이며, 용접 전원의 방식에 의하지 않고, 양호한 슬래그 박리성을 확보하기 위해서 필수적인 성분이다. 그렇지만, MgO 함유량이 25질량% 미만인 경우, 슬래그 박리성 향상의 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또한 35질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화되어, 용접 전원의 종별에 의존하여 슬래그 권입, 융합 불량, 더욱이 언더컷 등의 결함이 발생하기 쉬워진다. 특히, 교류식 용접 전원에 있어서는, 전술한 슬래그 권입 및 용융 불량 등의 용접 결함의 발생이 현저해진다. 따라서, MgO 함유량은 25∼35질량%로 한다.
MgO 함유량은, 결함 발생 억제의 관점에서, 32질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30질량% 이하이다. 한편, 여기에서 말하는 MgO 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8222:1997 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Mg량을, MgO로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Mg량에는, MgF2 등의 MgO 이외의 성분이 포함되는 경우가 있지만, 이들 성분은 미량이기 때문에, MgO 함유량(전Mg량의 MgO 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 MgO의 효과에는 영향을 주지 않는다.
[F(CaF2 환산치): 15∼30질량%]
CaF2 등의 불화물은, 용융 슬래그의 전기 전도성이나 유동성을 높이는 효과가 있어, 용융 슬래그의 고온 점성에 영향을 주는 성분의 하나이다. 이 작용은, 후술하는 CaO와 마찬가지로, 그의 함유량에 비례한다. 구체적으로는, F 함유량(CaF2 환산치)이 15질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또한, 용융 슬래그로부터 CO 가스의 배출을 촉진하여, 내포크마크성을 개선하는 효과도 기대할 수 없다.
한편, F 함유량(CaF2 환산치)이 30질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 유동성이 지나치게 높아져, 비드 형상이 열화된다. 따라서, F 함유량(CaF2 환산치)은 15∼30질량%로 한다. F 함유량(CaF2 환산치)은, 내포크마크성 향상의 관점에서, 18질량% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20질량% 이상이다. 또한, 비드 형상 향상의 관점에서는, F 함유량(CaF2 환산치)은, 27질량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 25질량% 이하이다.
한편, 여기에서 말하는 F 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS K 1468-2:1999 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전F량을, CaF2로 환산한 값이다. 또한, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 불화물 성분은, 주로 CaF2이며, 그 외에 AlF3나 MgF2 등이 포함되는 경우가 있지만, F 함유량(전F량의 CaF2 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 불화물의 효과에는 영향을 주지 않는다.
[Al2O3: 10∼25질량%]
Al2O3은, 용융 슬래그의 점성 및 융점을 조정하는 성분이며, 용접 시의 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 그렇지만, Al2O3 함유량이 10질량% 미만인 경우는, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 또한, Al2O3 함유량이 25질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 융점이 지나치게 상승하여, 용접 시에 비드 형상의 열화를 초래한다. 따라서, Al2O3 함유량은 10∼25질량%로 한다.
Al2O3 함유량은, 용융 슬래그의 점성 및 융점의 조정의 관점에서, 15질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 17질량% 이상이다. 또한, 용융 슬래그의 융점의 관점에서는, Al2O3 함유량은 22질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20질량% 이하이다. 이것에 의해, 비드 형상을 더욱 양호하게 할 수 있다.
한편, 여기에서 말하는 Al2O3 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8220:1995 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Al량을, Al2O3으로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Al량에는, AlF3 등의 Al2O3 이외의 성분이 포함되는 경우가 있지만, 이들 성분은 미량이기 때문에, Al2O3 함유량(전Al량의 Al2O3 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 Al2O3의 효과에는 영향을 주지 않는다.
[SiO2: 10∼20질량%]
SiO2는, 용융 슬래그에 적당한 점성을 주는 것에 의해, 주로 비드 외관 및 비드 형상을 양호하게 하는 효과가 있다. 그렇지만, SiO2 함유량이 10질량% 미만인 경우, 전술한 효과가 충분히 얻어지지 않고, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다. 또한, SiO2 함유량이 20질량%를 초과하면, 슬래그의 점성이 과잉이 되어, 슬래그 박리성이 열화됨과 함께, 슬래그의 버닝이 격렬해진다. 따라서, SiO2 함유량은 10∼20질량%로 한다.
SiO2 함유량은, 비드 외관 및 비드 형상의 향상의 관점에서, 13질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15질량% 이상이다. 또한, 용융 슬래그의 점성의 적정화의 관점에서, SiO2 함유량은 바람직하게는 18질량% 이하이다.
한편, 여기에서 말하는 SiO2 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8214:1995 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Si량을, SiO2로 환산한 값이다. 이 방법으로 측정한 전Si량에는, Fe-Si 등의 합금으로서 첨가되는 Si 등 SiO2 이외의 성분이 포함되어 있지만, SiO2 함유량(전Si량의 SiO2 환산치)이 전술한 범위 내이면, 전술한 SiO2의 효과에는 영향을 주지 않는다. 한편, 여기에서 말하는 SiO2 함유량은, 후술하는 수용성 SiO2 함유량을 포함하고 있다.
[Na(Na2O 환산치) 및 K(K2O 환산치) 중 적어도 한쪽: 합계로 0.5∼5.5질량%]
Na 및 K는, 주로 용접 시의 아크 안정성과 플럭스의 흡습 특성에 영향을 주는 성분이며, 주로, Na2O 및 K2O 등의 산화물의 형태로 첨가된다. 그렇지만, Na 함유량(Na2O 환산치) 및 K 함유량(K2O 환산치)이 합계로 0.5질량% 미만인 경우, 용접 시의 아크 전압이 불안정해져, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다.
한편, Na 함유량(Na2O 환산치) 및 K 함유량(K2O 환산치)이 합계로 5.5질량%를 초과하면, 플럭스의 흡습 특성이 열화됨과 함께, 아크가 지나치게 강해져서 불안정해져, 비드 외관 및 비드 형상이 열화된다. 따라서, Na 함유량(Na2O 환산치) 및 K 함유량(K2O 환산치)은, 합계로 0.5∼5.5질량%로 한다. 한편, 본 실시형태의 플럭스는, Na 및 K 중 적어도 한쪽이 첨가되어 있으면 된다.
Na 함유량(Na2O 환산치) 및 K 함유량(K2O 환산치)은, 아크 전압의 안정화의 관점에서, 합계로 1.5질량% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.0질량% 이상이다. 또한, 플럭스의 흡습 특성의 관점에서, Na 함유량(Na2O 환산치) 및 K 함유량(K2O 환산치)은, 합계로 4.5질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3.5질량% 이하이다.
한편, 여기에서 말하는 Na 함유량 및 K 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8852:1998 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Na량 및 전K량을, 각각 NaO 및 K2O로 환산한 값이다. 또한, 본 실시형태의 플럭스에 있어서의 Na 성분 및 K 성분은, 주로 Na2O 및 K2O이지만, 그 외에 NaAlSi3O8이나 KAlSi3O8 등이 포함되는 경우가 있다.
[Fe(FeO 환산치): 0.5∼5질량%]
Fe는, 탈산 현상을 촉진하여, 내포크마크성을 높이는 효과가 있고, 주로, Fe-Si 등의 금속 분말의 형태로 첨가된다. 전술한 효과는, 그의 존재량에 비례하고, Fe 함유량(FeO 환산치)이 0.5질량% 미만인 경우, 특히 용접 전원이 직류식인 경우에, 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Fe 함유량(FeO 환산치)이 5질량%를 초과하면, 슬래그의 응고 온도에 영향을 주어, 비드 외관, 비드 형상 및 슬래그 박리가 열화된다. 따라서, Fe 함유량(FeO 환산치)은 0.5∼5질량%로 한다.
Fe 함유량(FeO 환산치)은, 내포크마크성의 관점에서, 1질량% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5질량% 이상이다. 또한, 슬래그의 응고 온도에 대한 영향을 고려하면, Fe 함유량(FeO 환산치)은, 4질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3질량% 이하이다.
한편, 여기에서 말하는 Fe 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8202:2000 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Fe량을, FeO로 환산한 값이며, 금속 분말로서 첨가되는 Fe 이외에, 불가피적 불순물로서 첨가되는 FeO, Fe2O3 및 Fe3O4 등이 포함되는 경우가 있다.
[TiO2: 1∼5질량%]
TiO2는, 슬래그 박리성 향상에 유효한 성분이며, 비드 형상을 양호하게 정돈하는 효과도 있다. 또한, TiO2의 일부는, 용접 시의 환원 반응에 의해 Ti가 되고, 이 Ti는 용접 금속 중에 첨가되어, 인성 향상에 기여한다. 전술한 작용은, 그의 존재량(TiO2 함유량)에 비례한다. 단, TiO2 함유량의 상한치가 5질량%를 초과하면, 비드 형상이 열화된다. 또한, TiO2 함유량이 1질량% 미만인 경우는, 슬래그 박리성 및 비드 형상이 열화된다. 따라서 TiO2 함유량은 1∼5질량%로 한다.
한편, 여기에서 말하는 TiO2 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8219:2012 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Ti량을, TiO2로 환산한 값이다.
[CaO(환산치): 6질량% 이하]
CaO는, 슬래그의 염기도를 높여 용접 금속의 청정도를 높임과 함께, 용융 슬래그의 유동성에도 영향을 주는 성분이며, 그의 존재량에 비례하여, 전술한 효과가 발휘된다. 그렇지만, CaO 함유량이 6질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 유동성이 과대해져, 비드의 외관 및 형상이 열화된다. 따라서, CaO 함유량은 6질량% 이하로 규제한다. CaO 함유량은, 용융 슬래그 유동성의 관점에서, 4질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2질량% 이하이다.
한편, 본 실시형태의 플럭스에는, Ca 성분으로서 CaO 이외에, 전술한 CaF2가 포함된다. 이 때문에, 여기에서 말하는 CaO 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법으로 분석하여 얻은 전Ca량 및 전F량으로부터 구해지는 환산치이다. 따라서, CaF2량이 다량인 경우는, JIS Z 3352:2010에 준거하면, CaO가 0이 되는 경우도 존재한다.
[Mn(MnO 환산치): 2질량% 미만]
Mn은, 용융 슬래그의 점성 및 응고 온도에 영향을 줌과 함께, 내포크마크성 개선에 유효한 성분이다. 그렇지만, 본 발명자가 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 실험 검토를 행한 결과, Mn의 첨가량이 증가함에 따라, 용접 금속 중의 산소량이 증가하는 경향이 확인되었다. 용접 금속 중의 산소량 증가는 인성을 열화시키는 원인의 하나이기 때문에, Mn 함유량(MnO 환산치)이 2질량% 이상이 되면, 용접 금속의 인성이 열화된다. 그래서, 본 실시형태의 플럭스에 있어서는, Mn을 규제 성분으로 하고, 그의 함유량을, MnO 환산치로, 2질량% 이하로 규제한다.
한편, 본 실시형태의 플럭스에 함유되는 Mn은, 불가피적 불순물로서 원료로부터 혼입되는 것이다. 그리고, 여기에서 말하는 Mn 함유량은, JIS Z 3352:2010에 규정되는 방법(예를 들어 JIS M 8232:2005 등)으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Mn량을, MnO로 환산한 값이다.
[수용성 SiO2: 1질량% 이하]
수용성 SiO2의 함유량이 1질량%를 초과하면, 플럭스의 내흡습성이 열화됨과 함께, 용접 금속의 확산 수소량이 증가한다. 따라서, 수용성 SiO2 함유량은 1질량% 이하로 규제한다. 수용성 SiO2 함유량은, 내흡습성 향상 및 확산 수소량 저감의 관점에서, 0.8질량% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.6질량% 이하이다.
이 수용성 SiO2는, 주로 물유리 등의 결합제에서 유래하고, 그 양을 저감하려면, 결합제가 난흡습화되는 온도 이상에서 플럭스를 소결하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 소성 온도를 800℃ 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다.
플럭스 중의 수용성 SiO2량은, 이하의 방법에 의해 측정할 수 있다. 먼저, 플럭스를 진동 밀로 입경 300μm 이하로 분쇄하고, 거기로부터 측정용 시료를 약 0.2g 채취한다(스텝 1). 다음에, 석영제 삼각 플라스크에, 전술한 시료와 증류수 100ml를 넣고 자비(煮沸)하에서 4시간, 가용성 성분을 추출했다(스텝 2). 그 후, 추출액을 12시간 이상 방치한 후, 추출액 중의 침전물 및 부유물 등을 제거하고, 흡광 광도법으로 Si를 정량했다(스텝 3).
한편, 여기에서 말하는 수용성 SiO2는, 전술한 방법으로 분석하여 얻은 플럭스의 전Si량을, SiO2로 환산한 값이며, 전술한 전SiO2와는 구별하여, 그 함유량을 특정하고 있다.
[[MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2]): 0.5∼1.1]
MgO, Al2O3, F 및 TiO2는, 각각 개별적으로 그 함유량을 규정하고 있지만, 본 실시형태의 플럭스에서는, 추가로, MgO 함유량과, Al2O3 함유량, F 함유량(CaF2) 및 TiO2 함유량의 합계량의 비(=[MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2]))도 규정한다.
본 발명자는, MgO를 첨가한 플럭스의 흡습 특성 및 용접 작업성에 대해 여러 가지 실험 연구한 결과, MgO 함유량과, Al2O3 함유량, F 함유량(CaF2) 및 TiO2 함유량의 합계량의 비(=[MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2]))가, 흡습 특성 및 용접 작업성에 대해 큰 영향을 미친다는 것을 발견했다. 예를 들어, 직류식의 용접 전원을 이용하는 경우는, 교류식의 용접 전원을 이용하는 경우와 비교하여, 플럭스 소비량이 증가한다. 이 때문에, 용접 금속 중의 Si가 증가해, 슬래그 박리성의 열화가 현저해지지만, 슬래그 박리성에 대해서는, MgO의 첨가에 의해 개선할 수 있다.
그렇지만, MgO는, 수화성이 풍부하기 때문에, 플럭스 중에 첨가하면, 흡습 특성이 열화되어, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 증가한다. 한편, Al2O3, F 및 TiO2는, 비수화성의 성분이며, 첨가에 의한 흡습 특성의 향상 효과는 현저하다. 그 중에서도, F는, Al2O3나 TiO2와 병용하는 것에 의해, 종래의 지견과는 달리, 플럭스의 흡습 특성의 향상을 시켜, 확산성 수소량 저감에 기여하는 효과를 갖고 있다는 것을 알 수 있었다.
단, [MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2])가 0.5 미만인 경우, 직류식의 용접 전원에서 용접한 경우에, 슬래그 박리성이 현저하게 열화된다. 한편, [MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2])가 1.1을 초과하면, 흡습 특성이 열화되어, 용접 금속 중의 확산성 수소량이 증가한다. 따라서, [MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2])가 0.5∼1.1이 되도록, 각 성분의 첨가량을 조정한다. 이것에 의해, 흡습 특성의 열화를 억제할 수 있다.
[C: 0.2질량% 이하]
C는, 플럭스의 각 원료에 불순물로서 포함되는 탄산염 등에서 유래하여, 불가피적으로 도입된다. 한편, 전술한 바와 같이 직류식의 용접 전원을 이용한 경우, 플럭스의 소비량이 증대되어, 교류식의 용접 전원을 이용한 경우에 비해, 탄산염의 분해가 한층 더 촉진된다. 이 때문에, C 함유량이 미량이어도, 용접 중에 CO나 CO2 가스가 대량으로 발생하여, 내포크마크성의 열화나 비드의 외관 및 형상의 열화를 초래하게 된다. 따라서, 용접 작업성의 열화를 방지하기 위해, 플럭스 중의 C량은, 0.2질량% 이하로 저감하는 것이 바람직하다.
C 함유량은, 특히 내포크마크성 향상의 관점에서, 0.1질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05질량% 이하이다. 한편, 내포크마크성을 양호하게 유지하기 위해서는, C 함유량은 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 또한, 여기에서 말하는 C 함유량은, JIS Z 2615:2009에 규정되는 방법으로 분석하여 얻은 값이다.
[그 외의 성분]
본 실시형태의 플럭스에 있어서의 상기 이외의 성분은, Zr, Ba, Li, P 및 S 등이다. 이들 불가피적 불순물 중, Zr, Ba 및 Li 등은 각각 1.0질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하고, 특히 용접 품질에 영향을 주는 P 및 S는 각각 0.05질량% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.
[제조 방법]
본 실시형태의 플럭스를 제조하는 경우는, 예를 들어, 전술한 조성이 되도록 원료 분말을 배합하고, 결합제와 함께 혼련한 후, 조립하고, 소성한다. 그 때, 결합제(바인더)로서는, 예를 들어, 폴리바이닐알코올 등의 수용액이나 물유리를 사용할 수 있다. 또한, 조립법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전동식 조립기나 압출식 조립기 등을 이용하는 방법이 바람직하다.
더욱이, 조립된 플럭스는, 더스트 제거 및 조대립의 해쇄 등의 정립 처리를 행하여, 입자경을 2.5mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 조립 후의 소성은, 로터리 킬른, 정치식 배치로 및 벨트식 소성로 등으로 행할 수 있다. 그 때의 소성 온도는, 예를 들어 600∼1200℃로 할 수 있지만, 전술한 바와 같이 결합제를 난흡습화하는 관점에서, 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 플럭스는, 각 성분의 함유량을 특정의 범위로 함과 함께, MgO 함유량과, Al2O3, F 및 TiO2의 총 함유량의 비가 특정의 범위가 되도록, 이들 성분의 양을 조정하고 있기 때문에, 용접 전원이 교류식 및 직류식의 어느 것이어도, 용접 작업성이 양호하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능해진다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대해 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 하기 표 1에 나타내는 강판 및 표 2에 나타내는 와이어를 사용하여, 도 1에 나타내는 개선 형상으로, 하기 표 3에 나타내는 용접 조건(A 또는 B)에 의해, 서브머지 아크 용접에서의 용접 시험을 행하여, 하기 표 4에 나타내는 실시예의 플럭스 및 하기 표 5에 나타내는 비교예의 플럭스에 대해, 그 성능을 평가했다. 한편, 본 실시예에서는, 하기 표 4 및 표 5에 나타내는 조성이 되도록 원료를 배합하고, 결합제(물유리)와 함께 혼련한 후, 조립하고, 추가로 로터리 킬른을 이용하여 하기 표 4 및 표 5에 나타내는 온도에서 소성하고, 정립하는 것에 의해, 입자경이 2.5mm 이하인 플럭스를 얻었다.
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
한편, 상기 표 1에 나타내는 강판 조성 및 상기 표 2에 나타내는 와이어 조성의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 또한, 상기 표 4 및 표 5에 나타내는 「M」은 [MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2])의 값이다.
실시예 및 비교예의 각 플럭스의 평가는, 용접 금속 중의 확산 수소량, 충격시험, 비드 외관, 비드 형상, 슬래그 박리성, 용접 결함(내재·외재)에 대해 행했다.
＜확산 수소량＞
용접 금속 중의 확산 수소량은, 원칙적으로 JIS Z 3118:2007에 규정되는 방법에 기초하여 측정했다. 본 실시예에서는, 확산 수소량이 3.5ml/100g 이하였던 것을 합격으로 했다.
＜충격 시험＞
충격 시험은, JIS Z 2242:2005에 규정되는 방법에 기초하여 실시하여, -40℃에서의 샤르피 흡수 에너지의 값에 의해 평가했다. 본 실시예에서는, 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상이었던 것을 합격으로 했다.
＜비드 외관＞
비드 외관은, 주로 비드의 파목(波目)이나 광택에 관한 평가이며, 용접부를 육안 관찰하는 것에 의해 행했다. 그 결과, 비드의 파목에 흐트러짐이 없고 비드에 금속 광택이 있는 것을 ◎, 단위 용접 길이(1m)당에 비드 파목의 흐트러짐이 1개소이고 비드에 금속 광택이 있는 것을 ○, 단위 용접 길이(1m)당에 비드 파목의 흐트러짐이 2∼4개소이고 비드에 금속 광택이 없는 것을 △, 단위 용접 길이(1m)당에 비드 파목의 흐트러짐이 5개소 이상 있고 비드에 금속 광택이 없는 것을 ×로 하여, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
＜비드 형상＞
비드 형상은, 주로 비드의 요철이나 모재에 대한 친숙성에 관한 평가이며, 용접부를 육안 관찰하는 것에 의해 행했다. 그 결과, 비드 형상이, 매우 양호했던 것을 ◎, 양호했던 것을 ○, 약간 불량이었던 것을 △, 불량이었던 것을 ×로 하여, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
＜슬래그 박리성＞
슬래그 박리성은, 슬래그 제거의 용이함이나 버닝의 유무에 의해 평가했다. 구체적으로는, 슬래그가, 자연 박리되고, 버닝이 없었던 것을 ◎, 자연 박리되지만, 단위 용접 길이(1m)당 3개소 이하에서 버닝이 발생한 것을 ○, 자연 박리되지 않고, 단위 용접 길이(1m)당 4∼9개소에서 버닝이 발생한 것을 △, 자연 박리되지 않고, 단위 용접 길이(1m)당 10개소 이상에서 버닝이 발생한 것을 ×로 했다. 그리고, 본 실시예에서는, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
＜아크 안정성＞
아크 안정성은, 용접 시의 전류나 전압의 편차에 의해 평가했다. 구체적으로는, 용접 전류가 ±50A이고 아크 전압이 ±2V였던 것을 ◎, 용접 전류가 ±100A이고 아크 전압이 ±2V였던 것을 ○, 용접 전류가 ±100A이고 아크 전압이 ±4V였던 것을 △, 용접 곤란했던 것을 ×로 했다. 그리고, 본 실시예에서는, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
＜용접 결함＞
용접 결함(내재)은, 주로 기공 결함, 슬래그 권입 및 융합 불량 등의 용접 금속 내부에서 발생하는 용접 결함에 관한 평가이며, 이들 용접 결함의 발생이 없었던 것을 ◎, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 0.5% 이하였던 것을 ○, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 0.5%를 초과하고 1.0% 이하였던 것을 △, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 1.0%를 초과하고 있던 것을 ×로 하여, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
한편, 용접 결함(내재)의 검출에는, JIS Z 3104에 준거하여 촬영한 X선 투과 사진을 사용했다. 용접 결함(내재)의 평가에 있어서의 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이란, JIS Z 3104에 준거하여 개개의 결함(흠집)의 치수(길이)를 측정하여, 결함(흠집)의 총 길이를 산출한 후, 시험부의 유효 길이로 나누어, 단위 용접 길이당으로 환산한 것이다.
한편, 용접 결함(외재)은, 주로 언더컷 및 포크마크 등의 용접 금속 표면에서 발생하는 용접 결함에 관한 평가이며, 이들 용접 결함의 발생이 없었던 것을 ◎, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 0.5% 이하였던 것을 ○, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 0.5%를 초과하고 1.0% 이하였던 것을 △, 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이 1.0%를 초과하고 있던 것을 ×로 하여, 평가가 ◎ 또는 ○였던 것을 합격으로 했다.
한편, 용접 결함(외재)의 검출은, 육안에 의해 행했다. 용접 결함(외재)의 평가에 있어서의 단위 용접 길이(1m)당의 발생 비율이란, 개개의 언더컷 및 포크마크 등의 길이를 육안으로 측정하여, 용접 결함(외재)의 총 길이를 산출한 후, 용접 결함(내재)과 동일 시험부의 유효 길이로 나누어, 단위 용접 길이당으로 환산한 것이다.
이상의 평가 결과를, 하기 표 6 및 표 7에 정리하여 나타낸다.
Figure pct00008
Figure pct00009
표 7에 나타내는 비교예 No. 1의 플럭스는, Al2O3 함유량이 25질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 불량이었다. 한편, 비교예 No. 2의 플럭스는, Al2O3 함유량이 10질량% 미만이기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 또한, 비교예 No. 3의 플럭스는, SiO2 함유량이 20질량%를 초과하고 있기 때문에, 슬래그 박리성이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 No. 4의 플럭스는, SiO2 함유량이 10질량% 미만이기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다.
비교예 No. 5의 플럭스는, MgO 함유량이 35질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고, 더욱이, 용접 금속의 내부 및 표면에 있어서 용접 결함이 발생했다. 한편, 비교예 No. 6의 플럭스는, MgO 함유량이 25질량% 미만이기 때문에, 버닝이 발생하고, 슬래그 박리성이 불량이었다. 또한, 비교예 No. 7의 플럭스는, F 함유량이 30질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 8의 플럭스는, F 함유량이 15질량% 미만이기 때문에, 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다.
비교예 No. 9의 플럭스는, Mn 함유량(MnO 환산치)이 2질량% 이상이기 때문에, 용접 금속 중의 확산 수소량이 증가하여, 인성이 열화되었다. 비교예 No. 10의 플럭스는, Na 함유량(Na2O 환산치)과 K 함유량(K2O 환산치)의 합계량이 0.5질량% 미만이기 때문에, 아크 안정성이 현저하게 저하되고, 아울러 비드 외관이나 비드 형상도 열화되었다. 그 결과, 용접이 곤란했다. 한편, 비교예 No. 11의 플럭스는, Na 함유량(Na2O 환산치)과 K 함유량(K2O 환산치)의 합계량이 5.5질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다.
비교예 No. 12의 플럭스는, Fe 함유량(FeO 환산치)이 0.5질량% 미만이기 때문에, 용접 금속 표면에 언더컷이나 포크마크 등의 용접 결함이 발생했다. 한편, 비교예 No. 13의 플럭스는, Fe 함유량(FeO 환산치)이 5질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드 외관 및 비드 형상이 뒤떨어지고, 더욱이, 슬래그 박리성도 뒤떨어지고 있었다. 또한, 비교예 No. 14의 플럭스는, 8질량%를 초과하여 TiO2를 함유하고 있기 때문에, 비드 형상이 뒤떨어지고 있었다. 한편, 비교예 No. 15의 플럭스는, TiO2 함유량이 1질량% 미만이기 때문에, 슬래그 박리성 및 비드 형상이 열화되었다.
비교예 No. 16의 플럭스는, 수용성 SiO2 함유량이 1.0질량%를 초과하고 있기 때문에, 용접 금속 중의 확산 수소량이 증가했다. 비교예 No. 17의 플럭스는, M(=[MgO]/([Al2O3]＋[CaF2]＋[TiO2]))이 0.5 미만이기 때문에, 슬래그 박리성이 열화되었다. 한편, 비교예 No. 18의 플럭스는, M이 1.10을 초과하고 있기 때문에, 용접 금속 중의 확산 수소량이 증가했다. 또한, 비교예 No. 19의 플럭스는, CaO 함유량이 6질량%를 초과하고 있기 때문에, 비드의 외관 및 형상이 열화되었다.
이에 반해서, 표 6에 나타내는 실시예 No. 1∼33의 플럭스는, 본 발명의 범위를 만족하는 것이기 때문에, 비드 외관, 비드 형상, 슬래그 박리성 및 아크 안정성이 우수하고, 또한 용접 결함(내재·외재)의 발생도 보이지 않았다. 특히, C 함유량을 0.2질량% 이하로 규제한 실시예 No. 1∼32의 플럭스는, C 함유량이 0.2질량%를 초과하고 있는 실시예 No. 33의 플럭스에 비해, 포크마크의 발생을 억제하는 효과가 높아, 내포크마크성이 우수했다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 플럭스를 이용하는 것에 의해, 용접이 교류식 및 직류식인 어느 경우에서도, 용접 작업성을 양호하게 하고, 또한 용접 금속 중의 확산성 수소량을 저감하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
본 출원은, 출원일이 2013년 12월 13일인 일본 특허출원, 특원 제2013-257686호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반하고, 특원 2013-257686호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 도입된다.

Claims (3)

  1. MgO: 25∼35질량%,
    F(CaF2 환산치): 15∼30질량%,
    Al2O3: 10∼25질량%,
    SiO2: 10∼20질량%,
    Na(Na2O 환산치) 및 K(K2O 환산치) 중 적어도 한쪽: 합계로 0.5∼5.5질량%,
    Fe(FeO 환산치): 0.5∼5질량%,
    TiO2: 1∼5질량%,
    CaO: 6질량% 이하,
    Mn(MnO 환산치): 2.0질량% 미만
    을 함유하고,
    또한,
    수용성 SiO2: 1질량% 이하
    이며,
    MgO 함유량을 [MgO], Al2O3 함유량을 [Al2O3], F 함유량(CaF2 환산치)을 [CaF2], TiO2 함유량을 [TiO2]로 했을 때, 하기 수식(I)을 만족하는 서브머지 아크 용접용 플럭스.
    Figure pct00010
  2. 제 1 항에 있어서,
    C 함유량이 0.2질량% 이하인 것을 특징으로 하는 서브머지 아크 용접용 플럭스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    800℃ 이상에서 소성된 것인 서브머지 아크 용접용 플럭스.
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