KR800000726B1 - 엘렉트로 가스 아아크(electro-gas arc)용접용 복합 용접봉 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

엘렉트로 가스 아아크(ELECTRO-GAS ARC)용접용 복합 용접봉

제1도, 제2도, 제3도는 엘렉트로 가스 아아크 용접용 복합 용접봉의 단면도, [1은 솔리드 와이어, 2는 피복(casing), 3은 분말합성물]

본 발명은 엘렉트로 가스 아아크 용접에 쓰이는 복합 용접봉에 관한 것인데 좀더 상세히 말하면 금속분말과 슬랙(slag)형성제를 관모양의 원통형 껍질로 덮어 싼 소모식 복합용접봉에 관한 것이다.

오늘날에는 연강(軟鋼)과 장력강도 약 50㎏/㎟인 고장력강의 용접법 상기 엘렉트로 가스 아아크 용접이 광범위하게 사용된다. 이같은 용접의 수요가 증가함에 따라 개량된 노치인성(NOTCH TOUGHNESS)을 갖는 용착금속을 형성할 수 있는 용접봉을 획득하려고 여러가지의 노력이 있었다.

종래의 용접봉은 용접할 모재에 바나듐(V), 니오브(Nb), 인(P), 유황(S), 및 탄소(C)등의 성분이 많이 포함할 경우 매우 중요한 문제를 야기시켰다. 즉 상기 성분들이 필연적으로 용착금속물질 속으로 침투하는데 왜냐하면 엘렉트로 가스 아아크 용접을 할때 모재의 많은 양이 녹게되기 때문이다. 이렇게 되므로 용착금속의 노치인성을 저하시키며 또 용접후에 용착금속에 열처리를 다시한다해도 노치인성의 회복은 불가능하다.

상기 문제점을 해결키 위해 여러시도가 실시되던중 그 한가지가 일본특허공고 번호 22,644/1965에 표시되었는데 이는 제한된 일정량의 탈산성 금속이 함유된 용접봉을 쓰던가 혹은 일정량의 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 알루미늄Al), 지르코늄(Zr), 바나듐(V) 혹은 니켈등을 용접봉에 첨가시켜 사용한다는 것이다. 그러나 상기와 같은 방법은 용착금속의 노치인성을 개량함에 있어 부분적 성공만을 달성했으며 오히려 가끔 노치인성을 저하시키는 결과도 초래했다. 이같은 현상은 엘렉트로 가스 아아크 용접이라는 것이 다른 용접과 달라 많은 열로 단층 용접(SINGLE LAYER WELDING)을 하기때문에 일어난다. 좀더 상세히 말하면 손용접(MUNUAL WELDING)이나 탄산가스용접(CO₂GAS WELDING)때의 투입열은 최고라야 50,000줄/㎝(joule/㎝)이고 잠호 용접때는 100,000줄/㎝ 인데 반하여 엘렉트로 가스 아아크 용접시의 투입열은 무려 60,000-50,000줄/㎝이다. 여기에 더 첨가한다면 상기 손용접이나 탄산가스용접 및 잠호용접등은 대개 멀티패스용접(MULTI-PASS WELDING)을 하는데 최초의 용착금속은 다음번 용접시의 용착금속에 의해 열을 받게되므로 결과적으로는 이들 용착금속의 입자가 미세화된 조직체가 되어진다. 이와는 대조적으로 대개의 경우 엘렉트로 가스 아아크 용접은 용착금속이 일회로 끝나 단층이기 때문에 용접한 용착금속이 상기한 열도 받을 수 없어 단지 용착금속이 주물형태로 남아있게 된다.

본 발명에 따라 엘렉트로 가스 아아크 용접용으로 가느다란 원통형 피복(CASING)내에 금속분말과 슬랙형성제로된 분말합성물(POWDERED COMPOSITION)을 충전하여 만든 소모성 용접봉을 마련했는데 이는 연강에서부터 고장력강에 이르기까지의 용접을 할수 있으며 상기 분말 합성물질의 양은 상기 복합용접봉 총무게의 1.5-60%의 범위내에 있고 상기 복합용 접봉 그 자체의 화학적 구성은 용접봉 자체 총무게의 0.3% 이하의 탄소, 0.8-3.0%의 망간, 0.1-1.0%규소, 0.05-0.8%의 몰리브덴(Mo) 및 0.001-0.3%의 티타늄(Ti)등의 비율로 구성되어 있고 나머지는 슬랙형성제와 더불어 철이 차지하며 상기 분말합성물내에는 최소한 약간의 티타늄이 들어간다.

역시 본 발명에 따라 엘렉트로 가스 아아크 용접봉으로 가느다란 원통형 용접봉 외피내에 금속분말과 슬랙형성제로 된 분말합성물을 충전하여 만든 두번째의 소모성 용접봉을 또 마련했는데 이것도 연강에서 부터 고장력강에 이르기까지의 용접을 할수 있으며 상기 분말합성물질의 양은 상기 복합용접봉 총무게의 1.5-60% 범위내에 있고 상기 복합용접봉 그 자체의 화학적 구성은 용접봉 자체 무게의 0.3% 이하의 탄소, 0.8-3.0%의 망간, 0.01-1.0%의 규소, 0.05-0.8%의 몰리브덴, 0.001-0.3%의 티타늄 및 0.001-0.05%의 붕소(B)등의 비율로 구성되어 있고 나머지는 슬랙형성제와 함께 철이 차지하며 상기 분말합성물내에는 최소한 약간의 티타늄이 섞이게 된다.

더 나아가서 구성비가 아래와 같이 다른 세번째의 복합 용접봉을 마련했는데 그 화학적 구성비는 다음과 같다.

분말합성물질은 복합용접봉 총무게의 1.5-60%, 용접봉 내의 구성은 중량 백분율로 0.3% 이하의 탄소 0.8-3.0%의 망간, 0.1-1.0%의 규소, 0.05-0.8%의 몰리브덴, 0.001-0.3%의 티타늄 및 하기에 열거한 3가지 원소중 최소한 한가지이며 나머지는 슬랙형성제와 함께 차지하며 상기 분말합성물내에는 최소한 약간의 티타늄이 존재한다.

1. 니켈(Ni)……6% 이하

2. 크롬(Cr)……10% 이하

3. 알루미늄 그리고/혹은 지르코늄(Zr) 그리고/혹은 바나듐(V)……1.5%이하

본 발명은 다음 3가지 사실의 발견에 근거를 두고 있다.

가. 엘렉트로 가스 아아크 용접에 있어서 용착금속의 노치인성을 개량시키기 위해서는 용착금속의 결정입자와 구상화는 물론 미세화가 요구된다.

나. 상기 결정입자의 미세화와 구상화가 되도록 하기 위해서는 용착금속내에 미량의 망간과 규소가 포함되어야 하고 또 극미량의 티타늄도 균일하게 분산되어 있어야 한다.

다. 용착금속의 내부균열을 줄이고 비드표면(BEAD SURFACE)의 질을 개량키 위해서는 용접봉내에 들어있는 상기 분말 합성물질에 티타늄을 포함시켜야 한다.

엘렉트로 가스 아아크 용접은 기타 용접 공정(工程)과는 다른 특성을 갖고 있다. 즉

가. 용착금속의 냉각과 응고의 속도가 고열로 인해 매우 느리고

나. 멀티패스 용접보다는 일회로 끝나는 용접이므로 멀티패스 용접때와 같이 첫번째 용접으로 생긴 용착금속이 두번째 용접을 할때 열을 받는 효과같은 것이 없으며

다. 용착금속내에 함유된 수소와 산소량이 비교적 적다는 것 등이다.

이상과 같은 특성때문에 미량의 티타늄 첨가가 노치인성을 크게 높혀주게 된다.

가늘고 긴 원통형의 피복속에 분말형 합성물질이 든 복합용접봉을 갖고있는 엘렉트로 가스 아아크 용접은 우수한 아아크 안정성(ARC STABILITY)과 비피복용접봉(BARE WIRE)보다 질적으로 우수한 비이드(BEAD)를 만든다는 것으로 알려져왔다.

용착금속의 노치인성을 개량하고 적정수준의 강도와 연성을 얻기위해서 복합 용접봉에 망간과 규소의 첨가가 요구된다. 이 목적을 위해 망간은 무게비율로 0.8-3.0%, 규소는 0.1-1.0%가 함유되어야 하는데 만일 망간과 규소의 함유량이 각각 0.8%, 0.1% 이하일때는 상기 특성을 기대할 수 없으며 또 망간이 3% 이상되면 용착금속의 강도는 높아지나 균열의 원인이 되는 미소한 편석이 생긴다. 만일 규소가 1.0%를 초과 함유하면 용착금속의 강도는 높아지나 역시 균열이 생기고 용착금속 내에서의 몰리브덴(Mo)의 역할은 결정입자를 미세화시켜 용착금속의 노치인성을 높혀 준다. 그런데 용접봉내의 목리브덴 함유량이 0.05% 이하면 상기 몰리브덴의 역할은 기대할 수 없고 반면 0.8%이상이면 용착금속의 노치인성과 균열내성(CRACK-RESISTANCE)을 각각 저하시킨다. 몰리브덴의 최적함량은 0.1-0.8%이다.

탄소함량은 0.3%를 초과치 말어야 한다. 탄소함량이 적을수록 용착금속의 노치인성을 좋아지는데 만약 0.3%가 초과되면 용착금속의 충격치가 낮어져 결국 균열이 생긴다. 탄소함량이 3.0%를 초과치 않는것이 실질적 면에서 바람직하다.

규소와 몰리브덴 및 망간 등은 규소철과 몰리브덴철 및 망간 철과 같은 분말상태의 합금으로 피복속에 충전하는 것이 바람직하나 때로는 규소, 몰리브덴 및 망간 그 자체가 피복 물질속에 배합될 수도 있다. 티타늄(Ti)은 분말상태의 티타늄철이나 티타늄 분말 혹은 분말상태의 티타늄합금형태로 용접봉 속에 들어간다.

표 1은 25㎜ 두께의 연강판을 엘렉트로 가스아아크 용접할때 사용되는 비피복 용접봉(직경 (2.4㎜))의 화학성분을 표시한 것이다.

표 2는 상기 비피복 용접봉에 의한 용착금속의 역학적 성질을 표시한 것이다.

[표 1]

[표 2]

이와달리 본 발명의 복합용접봉은 높은 노치인성을 가진 용착 금속을 제공하는데 이는 지금부터 성명해둔다.

비피복 용접봉과 피복된 복합 용접봉과의 차이는 다음 사실로 알게된다. 즉 비피복 용접봉은 엘렉트로 가스 아아크 용접시 그 속에 있는 티타늄이 아아크에 노출되어 고열을 받기때문에 망간이나 규소보다도 산화가 훨씬 많이 되어 결국 산화티타늄이 되므로 이는 용착금속의 충격치를 저하시키는 용착금속의 침상현상이 발한다.

반대로 본 발명의 복합용접봉은 피복이 형성되어 있어 그 속에 티타늄이 티타늄철의 형태로 분말상태의 합성물질 속에 혼합되어 있어 용접시 그 피복에서 아아크가 발생하기 때문에 그 속에 있는 티타늄이 고열에 직접 노출치 않으므로 상기 비피복 용접봉과는 달리 산화가 덜 된다.

모든 티타늄은 반드시 분말합성물내에 함유되어야 한다. 위에서 평가한데로 복합용접봉을 사용하므로서 산화티타늄으로 인한 역효과는 있을 수 없으며 오히려 티타늄에서 기대했던 양질의 용착금속을 만들수 있게된다. 티타늄이 분말상태로 들어간 용접봉은 분말상태가 아닌 티타늄이 피복물질속에 배합된 용접봉보다 훨씬 좋은 용착금속을 형성한다. 그러나 후자(분말이 아닌 Ti가 피복물질속에 배합)의 용접봉도 어느정도의 노치인성을 높혀주기는 한다.

티타늄 함유량은 매우 적은량인 즉 0.001-0.3%의 범위이지만 가능한한 0.07%를 초과치 않는것이 좋다. 왜냐하면 많은량의 티타늄은 용접봉내의 망간과 규소 및 몰리브덴의 특성에 악영향을 주기때문이다. 만일 티타늄 함유량이 3.0%를 초과하면 용착금속이 취약하여져서 결국 균일을 초래하게 된다. 이같은 현상은 특히 티타늄 함유량이 0.07%를 초과시에 발생하기 시작하므로 가장 좋은 결과를 얻기위해서는 0.07% 이하에서 유지시켜야 한다. 한편 티타늄 함유량이 0.001% 미만인 경우 기대했던 결과는 얻을 수 없으므로 최소한 0.001% 이상이어야한다.

전술한 바와같이 본 발명의 한가지로 용접봉내에 붕소의 첨가를 말하였다. 즉 용접봉 무게에 대한 비율로 0.001-0.05%의 붕소를 붕소철의 분말상태로 첨가하는데 상기 붕소의 함유량의 범위가 결정된 이유는 상기 티타늄의 경우와 꼭같은 이유에서 이다. 알루미늄, 지르코늄 그리고/혹은 바나듐등의 총함량은 용접봉 무게의 1.5%를 초과하지 말아야 된다는 것이 실험으로 증명되었다. 알루미늄, 지르코늄, 니켈, 크롬등의 배합은 훌륭한 결과를 가져온다. 알루미늄, 지르코늄과 바나듐의 총함량이 상기 1.5%를 초과하지 않는다면 용착금속의 노치인성이 좋아지는 반면 상기 1.5%를 초과하면 용착금속의 연성은 물론 노치인성도 저하되어 결국 균열의 가능성도 있다.

게다가, 니켈과 크롬을 사용하면 용착금속의 강도가 다시 올라가나 너무 많이 사용시는 노치인성의 강도가 불필요할 정도로 증가하는 한편 용착금속의 굽힘특성이 저하된다. 니켈의 함량은 용접봉 총무게의 6%를 초과치 말아야 하는데 만약 초과시는 용착금속 내에서 니켈자체가 침상현상이 일어나 결국 균열의 원인이 된다. 크롬함량은 용접봉 총무게의 10%를 초과하면 안된다. 크롬과 니켈은 용접봉의 피복 그 자체속에 배합하거나 혹은 분말상태의 합성물 등 둘중의 하나에 배합해도 좋다.

용접봉의 피복내에 있는 분말합성물의 성분은 주로 슬랙형성제, 철분, 분말상태의합금 및 탈산제 등이다. 엘렉트로 가스 아아크 용접에서는 슬랙형성제의 양을 최소한으로 줄여야만 하는데 만일 그 함유량이 일정수준을 초과하면 아아크가 불안정해져 결국 불완전한 용입을 형성한다.

다음은 본 발명의 용접봉을 사용한 몇가지 예를 들었다.

(예 1)

다음 각각의 화학성분을 함유한 복합용접봉을 사용하였다.

즉 용접봉 총무게비로 탄소 0.09%, 망간 1.96%, 규소 0.48%, 몰리브덴 0.11%와 티타늄 0.03%이며 여기서 티타늄과 규소는 각각 티타늄철과 규소철의 분말함성물로 피복내에 충전하였다.

이 복합용접봉의 외경은 2.4㎜, 두께 32㎜의 고장력강을 모재로 하는 폭 18㎜의 I형 용접홈(WELD GROOVE)을 맞대기 용접(BUTT-WELDING)하는데 상기 용접봉을 사용했다. 모재의 성분은 탄소 0.08%, 망간 1.36%, 규소 0.39%, 인 0.016% 및 유황 0.022% 등이다.

다음 표 3은 용착금속(상기 복합용접봉과 상기 모재에 의한)의 역학적 특성이다.

[표 3]

(예 2)

다음 각각의 화학성분을 함유한 복합용접봉을 사용하였다. 즉 용접봉 총무게비로 탄소 0.09%, 망간 1.82%, 규소 0.64%, 티타늄 0.07%, 몰리브덴 0.28% 그리고 붕소 0.004%이며 여기서 티타늄, 규소 붕소 및 망간은 분말상태의 합금형태로 피복내에 충전하였다.

이 복합용접봉의 외경은 3.2㎜이며 모재의 두께 25㎜인 연강을 엘렉트로 가스 아아크 용접하였는데 제일 좁은 용접홈의 폭이 14㎜, 그 각도가 20°(연강판의 수직방향에서 20°)였다. 그리고 모재의 성분은 탄소 0.16%, 망간 0.69%, 규소 0.21%, 인 0.027% 및 유황 0.019% 등이다.

다음 표 4는 용착금속(상기 복합용접봉과 상기 모재에 의한)의 역학적 특성이다.

[표 4]

(예 3)

다음 각각의 화학성분을 함유한 복합용접봉을 사용하였다. 즉 용접봉 총무게비로 탄소 0.09%, 망간 1.52%, 규소 0.39%, 티타늄 0.01% 및 몰리브덴 0.61%이며 여기서 티타늄, 망간, 규소 및 몰리브덴은 각각 티타늄철, 망간철, 규소철 및 몰리브덴철의 분말상태로 용접봉의 피복내에 충전하였다.

이 복합용접봉의 외경은 3.2㎜이며 모재의 두께가 32㎜, 인장강도가 50㎏/㎟인 고장력강을 엘렉트로 가스 아아크 용접하였는데 제일좁은 용접홈의 폭이 10㎜, 그 각도가 20°였다.

그리고 모재의 성분은 탄소 0.16%, 망간 1.42%, 규소 0.37% 및 바나듐 0.02% 등이다.

다음 표 5는 용착금속(상기 복합용접봉과 상기 모재에 의한)의 역학적 특성이다.

[표 5]

Claims (1)

1. 금속분말과 슬랙(slag) 형성제로 이루어진 분말합성물이 원통형 피복내에 충전된 연강으로부터 고장력강의 용접에 사용되는 소모식 복합용접봉에 있어서, 상기 분말합성물의 량은 복합용접봉 총무게의 1.5-60%이고 상기 용접봉은 무게 백분율로 0.3% 이하의 탄소, 0.8-3.0%의 망간, 0.1-1.0%의 규소, 0.05-0.8%의 몰리브덴, 및 0.001-0.3%의 티타늄이며 나머지는 슬랙 형성제와 함께 철이며 상기 분말합성물 내에는 최소한 약간의 티타늄이 존재함을 특징으로 하는 엘렉트로 가스 아아크 용접용 복합용접봉.

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