KR20180038844A - 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서브머지드 아크용접용 플럭스 조성물로서,
상기 플럭스 조성물은 13.49 ~ 14.91wt%의 Al₂O₃, 22.705 ~ 25.095wt%의 MgO, 20.045 ~ 22.155wt%의 SiO₂, 15.105 ~ 16.695wt%의 CaO, 2.09 ~ 2.31wt%의 TiO₂를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 탠덤(Tandem) SAW 적용 시 최대 용접속도 100cpm를 유지하면서 미려한 용접부 외관으로 용접부 표면 연삭 작업이 불필요하고 개선 형상(I,Y,X 개선)에 관계 없이 용접부 기계적 물성치를 만족하는 효과가 있다.

Description

서브머지드 아크용접 플럭스 조성물{Flux composition for submerged arc welding}

본 발명은 용접 플럭스 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박 등의 후판 강재의 접합 공정에서 대입열의 고속 용접을 구현하기 위한 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물에 관한 것이다.

통상적으로 후판 강재의 맞대기 용접 시 대입열의 서브머지드 아크 용접(이하 SAW)이 주로 적용된다. SAW 용접의 생산성 향상을 위해 점차 대입열화, 고속화 용접이 필요한데, 기존의 SAW 플럭스를 사용하는 경우 다소의 문제점이 드러난다. 즉, 용접 입열 증가 시 용접부 기계적 물성치(충격인성)가 저하되고 고속 용접 시 용접비드 외관 불량(Humping Bead)이 발생하므로 용접 속도 향상이 불가능하며, 용접부 외관 불량을 수정하는 시수가 추가로 과대하게 발생하기 쉽다.

서브머지드 아크용접 플럭스와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로 한국 등록특허공보 제0513214호(선행문헌1), 한국 등록특허공보 제1340448호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 전체 질량당 SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, CaF₂, TiO₂에 대한 함량을 제시하고, {[SiO₂]+[MgO]} / [Al₂O₃] = 2 내지 2.5를 만족시키며, 금속 Mn 또는 Mn 합금을 Mn으로 환산한 함량과 금속 탄산염을 CO₂로 환산한 함량을 제시한다. 이에, 대입열 단층 및 다층 용접에서 작업 능률을 향상하고, 우수한 용접 품질을 수득하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 제시된 함량의 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, Fe-Si, Na₃AlF₆ 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, {[TiO₂]+[SiO₂]} / [Al₂O₃] = 1.5 ~ 3.5인 것을 제시한다. 이에, 대입열 용접에서 아크안정성 및 양호한 비드외관을 얻고, 고속용접시 우수한 내포크마크성을 확보하는 효과를 기대한다.

다만, 상기한 선행문헌에 의하면 대입열 용접의 속도와 품질을 고려하고 있기는 하지만 서브머지드 아크 용접의 다양한 조건에 대응하여 물성과 외관을 유지하기 위한 측면에서 개선의 여지가 있다.

1. 한국 등록특허공보 제0513214호 "서브머지드 아크 용접용 본드 플럭스" (공개일자 : 2003.08.14.) 2. 한국 등록특허공보 제1340448호 "서브머지드 아크용접용 소결형 플럭스" (공개일자 : 2013.07.02.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 선급강(A~EH36 grade) 또는 그에 준하는 등급의 강재의 맞대기 이음부 SAW 용접 시 입열량과 용접속도를 증가시켜도 용접부 기계적 물성치와 비드외관을 만족하는 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서브머지드 아크용접용 플럭스 조성물로서, 상기 플럭스 조성물은 13.49 ~ 14.91wt%의 Al₂O₃, 22.705 ~ 25.095wt%의 MgO, 20.045 ~ 22.155wt%의 SiO₂, 15.105 ~ 16.695wt%의 CaO, 2.09 ~ 2.31wt%의 TiO₂를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, F, Na₂O, MnO, 및 Fe₂O₃를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 14.725 ~ 16.275wt%의 F, 3.895 ~ 4.305wt%의 Na₂O, 1.52 ~ 1.68wt%의 MnO, 1.425 ~ 1.575wt%의 Fe₂O₃인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 탠덤(Tandem) SAW (선행 DC, 후행 AC) 적용 시 최대 용접속도 100cpm를 유지하면서 미려한 용접부 외관으로 용접부 표면 연삭 작업이 불필요하고 개선 형상(I,Y,X 개선)에 관계없이 용접부 기계적 물성치를 만족하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 플럭스 조성물 도표와 후속 처리를 나타내는 사진
도 2는 종래의 플럭스 조성물에 의한 물성치 시험을 나타내는 자료
도 3은 본 발명에 따른 플럭스 조성물에 의한 시험을 나타내는 자료

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 서브머지드 아크용접용 플럭스 조성물에 관하여 제안한다. 선박류의 A~EH36 등급 강재에 다양한 개선 형상(I,Y,X 개선)으로 대입열, 고속 SAW 용접을 수행하는 공정을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따르면 상기 플럭스 조성물은 13.49 ~ 14.91wt%의 Al₂O₃, 22.705 ~ 25.095wt%의 MgO, 20.045 ~ 22.155wt%의 SiO₂, 15.105 ~ 16.695wt%의 CaO, 2.09 ~ 2.31wt%의 TiO₂를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 함량에 의하면 플럭스가 용융 후 응고되어 비드 표면에 형성되는 슬래그의 점도를 증가시키고, 융점을 높여 용접금속이 응고 될 때 플럭스가 굳어서 형성되는 슬래그가 거푸집 역할을 잘 수행하도록 조력한다.

Al₂O₃ 성분은 슬래그의 융점을 높이지만 너무 많으면 아크를 불안정하게 한다. 이는 약산성 성분으로서 함량이 적정 범위에 미달하는 경우에는 용접비드 외관을 나쁘게 한다. 적정 범위를 초과하면 응고점이 1300℃ 이상으로 높아진다.

MgO 성분은 용접부 충격인성 향상, 슬래그의 염기도 향상, 용접금속의 산소 저감에 기여한다. 다만 너무 많으면 슬래그의 유동성이 높아져 비드 외관에 악영향을 끼친다. 이는 염기성으로서 물성치(충격인정)를 개선하고 용착금속의 산소를 감소시키며 슬래그 박리성의 개선에 유리하지만, 적정 범위를 초과하면 SiO₂ 나 Al₂O₃ 가 적정 범위일지라도 용접비드 외관을 해친다.

SiO₂ 성분은 고전류에서의 슬래그 점성을 증가시키며, 너무 많을 경우 아크 불안정을 유발한다. 즉, 적정 범위를 초과하면 슬래그의 유동성이 나빠져 용착금속 표면에 결함들을 형성시키고 유해 가스의 발생량도 증가시킨다.

CaO 성분은 슬래그의 점도를 높이고 슬래그의 융점을 높이며 비드 외관을 우수하게 한다. 이는 적정 범위에 미달되면 유해가스 발생의 억제가 미흡하고, 적정 범위를 초과하면 슬래그 박리성이 불량해진다.

TiO₂ 성분은 높은 융점과 빨리 응고되어서 용접비드 표면을 미려하게 하는데 도움을 주며, 슬래그 박리성과 더불어 아크 안정성을 향상한다. 다만 적정 범위를 초과하면 슬래그 박리성을 악화시킨다.

본 발명의 세부 구성으로서, F, Na₂O, MnO, 및 Fe₂O₃를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

F 성분은 아크 안정제로서 비드 표면의 피팅 방지, 슬래그의 융점 향상, 슬래그 박리성 향상에 기여한다. 적정 범위보다 너무 적으면 비드 표면 피팅 발생, 너무 많으면 아크 안정성 저하 및 흄 증가의 우려가 커진다.

Na₂O 성분은 훌륭한 아크 안정제임과 동시에 슬래그의 염기도를 향상한다.

MnO, Fe₂O₃ 성분은 슬래그의 융점과 점성을 감소시키며, 적으면 큰 영향 없으나 너무 많으면 슬래그 유동성 증가, 용접금속의 산소 증가, 비드 형상 불량을 유발한다. Fe₃O₃는 비드 표면의 광택을 증가시키기도 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 14.725 ~ 16.275wt%의 F, 3.895 ~ 4.305wt%의 Na₂O, 1.52 ~ 1.68wt%의 MnO, 1.425 ~ 1.575wt%의 Fe₂O₃인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 플럭스 조성물은 Al₂O₃ 성분의 함량을 기준값 이하로 감소시키는 동시에 상기 SiO₂ , CaO , TiO₂ , MgO 성분의 함량을 각각의 기준값 이상으로 증가시킨다. 기준값(도 1 참조)은 종래에 보편적으로 부가되는 함량의 의미한다. F 성분, Na₂O 성분, MnO 성분, Fe₂O₃ 성분은 표준적 오차를 유지하더라도 유의적인 변화가 크지 않다. 다만, Na₂O 성분은 과다한 첨가시에 아크를 불안정하게 할 뿐만 아니라 응집분말의 유동성이 증가하여 정상적인 응집작업을 곤란하게 한다.

도 1(a)처럼 서브머지드 아크용접용 플럭스로 상기 제반 성분을 기준값으로 적용하는 경우, 도 1(b)(c)처럼 대입열/고속 용접 시 용접비드 표면 불량, 용접부의 기계적 성질 저하 문제가 발생하여 이를 해결하기 위해 플럭스에 첨가되는 주요 산화물 원소 조성을 변경하는 방식으로 접근한다.

도 2(b)는 하나의 토치와 하나의 용접 와이어를 이용한 싱글 SAW를 나타내고, 도 2(c)는 2개의 토치와 2개의 용접 와이어를 이용한 탠덤(Tandem) SAW를 나타낸다. 도 2(a)와 같이 I,Y,X 개선 형상에 대응하여 용접을 수행하고 EH6강 용접부 충격흡수 에너지 기준(34J at -40℃)으로 대비한 결과 X 개선의 싱글 SAW에서 30.3J로 기준에 미달한 것으로 나타난다. 적용 가능한 최대 용접속도는 80cpm (cm/min)로 나타나며, 용접부 표면 결함이 상시적으로 발생하여 전체 용접부 표면에 대한 연삭을 수반한다. 특히, 탬덤 용접 시 용접부 전 구간 표면 결함(Humping Bead)이 발생하여 용접부 전체 표면비드 그라인딩을 수행하여 생산성을 저하시키는 것은 물론 심각한 안전/보건 문제를 초래한다.

본 발명에서 SiO₂ , CaO , TiO₂ , MgO 성분을 기준값보다 증가시킴에 따라, 플럭스가 용융 후 응고되어 비드 표면에 형성되는 슬래그의 점도를 증가시키고, 융점을 높여 용접금속이 응고될 때 플럭스가 굳어서 형성되는 슬래그가 거푸집 역할을 잘 수행하도록 조력한다.

통상적으로 SAW에 사용되는 플럭스는 여러 종류의 원료를 혼합한 것으로, 그 배합에 따라 용접성, 용접금속의 형상과 기계적 성질에 영향을 미친다. 본 발명에서 플럭스의 화학적 조성은 제조원가를 증가시키지 않는 범위 내에서 선정하고 첨가 성분들이 용접에 미치는 이론적인 영향을 기반으로 배합비를 설계하고 다양한 실험을 거쳐 도출된 최적의 배합비를 제시하여 생산성 향상에 기여한다.

도 3(a)을 참조하면 I,Y,X 개선에 탠덤(Tandem) SAW 적용 시 최대 용접속도 100cpm를 유지하면서 외관이 미려함을 나타내고, 도 3(b)를 참조하면 I,Y,X 개선의 싱글 SAW 및 탠덤 SAW에 대하여 충격흡수 에너지가 만족한 수준으로 나타난다.

본 발명은 A~EH36 등급 강재에 대한 대입열, 고속 용접성이 우수한 SAW 용접용 플럭스를 제안하지만, 이외에 저/중입열, 저속 용접 시에도 용접부 품질을 만족할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 서브머지드 아크용접용 플럭스 조성물로서,
   상기 플럭스 조성물은 13.49 ~ 14.91wt%의 Al₂O₃, 22.705 ~ 25.095wt%의 MgO, 20.045 ~ 22.155wt%의 SiO₂, 15.105 ~ 16.695wt%의 CaO, 2.09 ~ 2.31wt%의 TiO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물
2. 청구항 1에 있어서,
   F, Na₂O, MnO, 및 Fe₂O₃를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물.
3. 청구항 2에 있어서,
   14.725 ~ 16.275wt%의 F, 3.895 ~ 4.305wt%의 Na₂O, 1.52 ~ 1.68wt%의 MnO, 1.425 ~ 1.575wt%의 Fe₂O₃인 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크용접 플럭스 조성물.

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