KR900009218B1 - 서브머어지드 아아크 용접 플럭스 - Google Patents
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Description
본 발명은 전기 아아크 용접기술, 좀더 구체적으로는 저탄소강의 서브머어지드 아아크 용접에 사용되는 입상 플럭스의 개량 조성물에 관한 것이다.
강의 전기 아아크 용접에 있어서, 통상적인 방법은 용접될 용접 접합선위에 입상 플럭스를 배열하고 그후 전기적으로 부하된 저탄소강 용접봉을 입상 플럭스의 열을 따라 전진시킴으로써 상기 용접봉 단부와 용접될접합선의 가장자리 사이에 아아크를 형성시키는 것이다. 상기 아아크는 접합선 가장자리들과 용접봉 단부를 용해시켜 용융상태의 용접웅덩이를 만든다. 동시에 용융 용접비이드의 상부에 부유하는 약간의 입상 플럭스를 용융시키고 용접웅덩이속의 용융강을 응고시킨 후 응고된 용접비이드의 표면을 형성시켜 여기에 적절한 표면조직을 부여한다.
종래에 있어 상기와 같은 플럭스는 용융 슬래그에 바람직한 응고 온도, 바람직한 슬래그 제거 특성 그리고 가장 중요하게는, 용착된 용접비이드에 바람직한 기계적 특성을 제공하도록 정확하게 조절된 비율의 칼슘과 칼륨의 불화물 ; 알루미늄, 실리콘, 망간, 티타늄, 지르고늄 등의 산화물 ; 그리고 때때로 탈산제와 같은 다양한 공지된 용제 성분의 혼합물이었다.
분말형태의 여러가지 플럭스 성분은 통상적으로 완전히 혼합된 후 모든 성분들이 녹아 서로서로 반응하게되는 온도로 가열함에 의해 용해되고, 냉각된후 바람직한 입자크기로 분쇄되거나 ; 또는 규산 나트륨과 같은 저융점 결합제를 상기 혼합물에 첨가하여 그 혼합물을 가열하고, 반응하지 않은 상태의 그 나머지 입자들을 바람직한 크기의 입자로 결합시킴에 의해 덩어리로 형성된다.
용융 플럭스는 성분 모두를 녹이는데 요구되는 에너지가 크고 또는 높은 온도에 견딜 수 있는 복잡한 장치가 필요하고 상기 액체물질을 냉각 및 분쇄하는 부가적인 단계가 필요하기 때문에 제조비가 비싸진다. 또한, 상기 용융 플럭스는 용접시 많은 양이 녹기 때문에 사용비도 비싸다. 따라서, 본 발명의 우수한 원리는 용융 플럭스 조성물에도 응용될 수 있기는 하지만 특히 본 발명은 응집된 플럭스에 관한 것이다, 한편, 용융 플럭스에서 사용되는 제조방식은 종종 응집된 플럭스에는 사용될 수 없다.
용접비이드에 필요한 기계적 특성은 통상적으로는 우수한 인장강도, 좀더 중요하게는 샤르피 충격시험과 같은 다양한 테스트, 기술에 의해 측정되는 높은 충격강도이다.
상기의 같은 테스트에 있어, 상기 용접비이드로부터 규정 크기의 시편을 채취하고, 노치(motch)를 형성하고 그리고 그후 상기 노치에서 시편을 파괴시키기에 충분한 충격을 가한다. 시편을 파괴하는 에너지가 클수록 충격치가 커진다.
상기 용접금속의 노치 강인성을 증가시기기 위해 지금까지 사용해온 한 수단은 상기 용접 플럭스내에 여러가지 공지된 강한 금속탈산제 또는 합금을 혼입시켜, 그들 플럭스가 상기 용접웅덩이내의 산소와 결합하여 슬래그의 일부분이 되게해 주므로써 상기 용접금속의 산소함유량을 감소시키는 것이었다. 그러나, 용융 플럭스 또는 응집된 플럭스내에 알루미늄 또는 티타늄과 같은 강한 금속탈산제를 혼입하는 것은 상기 금속탈산제들이 플럭스의 제조온도에서 쉽게 산화하기 때문에 어렵다. 상기 플럭스를 연소시키고 그리고 일정한 크기로 해준후 상기의 같은 금속탈산제를 첨가시키는 것은 플럭스가 수송 또는 처리되는 동안 상기 플럭스내에서 침강분리되는 문제를 야기시킨다. 또한, 사용되는 금속탈산제의 양은 그의 초과량이 용착금속내에 회수되고, 멀티패스용접(multi-pass)에서는 각 패스마다 증가하여 궁극적으로 기계적 특성에 해로운 영향을 끼치는 과도한 양까지 이르게되므로 정확히 조절하여야 한다.
연구를 통해, 상기 용접비이드의 산소함량이 감소됨에 따라, 샤르피 충격값이 증가함을 알았다. 상기 산소는 용접용 플럭스, 용접봉 또는 모재 금속내에 함유된 철 또는 그밖의 금속산화물의 형태로 상기 용접비이드내에 존재할 수 있다. 상기와 같은 산화물은, 만일 상기 용접비이드내에 존재한다면, 그것이 응고하기 전에 상기 용융 용접금속의 표면에서 부유할 수 없는 미세한 입자로 나타나므로 그에따라 입자 경계를 따라 상기 용접금속 전체적으로 산재되어 응고된 강에 저에너지 파괴가능구역이 생긴다.
지금까지의 연구를 통해, 상기 용접금속의 산소함유량을 금속탈산제의 제한없이 점차적으로 감소시키기 위해서는 상기 플럭스의 염기도를 점차적으로 증가시키는 것이 필요하다는 사실이 밝혀졌다.
이러한 현상을 재삼재사 탐구 및 실험하여 염기도를 계산하는 몇가지 등식을 발견하였고 그에 의해 상기 용접금속 금속내의 산소값과 상기 용접금속의 충격값을 평가하였다.
문제는 높은 염기도의 플럭스가 일반적으로 좋지않은 용접특성을 갖는다는 것이다. 상기와 같은 플럭스는 불화칼슘, 산화칼슘 및 산화망간과 같은 염기성 플럭스 성분을 다량으로 그리고 이산화규소와 같은 산성 플럭스성분을 소량으로 포함한다. 그들은 개방 맞대기 이음(open butt joint) 이상의 좋은 용접을 만들 수 없었다.
저염기도 플럭스는 일반적으로 언더커팅과 슬러그 포함량이 적은 여러가지 이음형태를 고속으로 용접한다고 알려져 있다. 또한, 저염기도 플럭스는 일반적으로 우수한 슬래그 제거성을 가지므로 작은 틈새(작은 각도)용접, 깊은 홈 용접 또는 필렛용접에서 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명 이전에 있었던 상기와 같은 플럭스는 낮은 산소량과 높은 충격강도를 갖는 용접을 제조할 수 없었다. 따라서, 지금까지 용접비이드의 우수한 노치강도를 얻기 위해서는 용접작업자가 고염기도 플럭스를 사용해야만 했으므로 그에따라 용접속도, 용접비이드 외관 및 일반적인 작업자 어려움등의 희생은 감수해야만 했다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하도록, 우수한 용접비이드 외관, 용이한 슬래그 제거성 및 고속의 용접성을 갖는 동시에 높은 노치강도를 갖는 용접 금속 용착물을 제공하는 산성 플럭스를 제공하는 것이다. 이것은 용접금속의 산소량을 조절하여 얻어진다.
본 발명에 따르면, 합계량이 10% 내지 30%가 되는 칼슘, 리듐, 알루미늄, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 또는 바륨의 불화물중 한가지 이상과 합계량이 20% 내지 50%가 되는 알루미늄 산화물을 포함하고; 플럭스내의 유효산소를 5% 이하로 제한하고; 그리고 그후 1.25 이하의 플럭스 염기도 지수를 유지하면서 바람직한 용접특성에 맞추어 슬레그 응고범위와 조성을 조절하기 위해 티타늄, 실리콘, 마그네슘, 망간, 지르코늄, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 스트론튬, 러듐 및 바륨으로 구성되는 집단으로부터 산화물 성분을 선택하는 강의 서브머지드 아아크 용접용의 용접 플럭스가 제공된다.
여기서 사용한 염기도 지수는 툴리아니등에 의해 1969년 8월에 간행된 Welding and Metal Fabrication의 페이지 327-339에서 설명된 것으로, 본질적으로 다음과 같다 :
상기 MgO는 상기 플럭스내의 산화마그네슘의 중량퍼센트를 의미하고 그리고 CaO는 상기 플럭스등내의 산화칼슘의 중량퍼센트를 의미한다.
염기도를 계산하는 다른 종래의 방법은 일본 금속협회 발행물, 1960, 페이지 383-386에서 모리의 논문에 의해 제안된 것으로 다음과 같다 :
BL(염기도 수)=-6.31(SiO2)-4.97(TiO2)-0.2(Al2O3)+3.4(FeO)+4.0(MgO)+4.8(MnO)+6.05(CaO)
여기서, (MgO)는 플럭스내의 산화마그네슘의 몰퍼센트를 의미하고, 그리고 (CaO)는 플럭스등내의 산화칼슘의 몰퍼센트를 의미하며, 나머지도 마찬가지이다.
본 발명에 따르면 플럭스의 염기도 지수는 1.25 이하 그리고 플럭스의 염기도 수는 50 이하이다. 상기와 같은 타입의 플럭스는 일반적으로 산성 또는 중성/산성 플럭스로 일컬어진다.
상기 플럭스 조성물은 티타늄, 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 어떠한 강력한 탈산제도 포함하지 않는다는 것은 주목할 만한 사실이다. 상기와 같은 금속은 플럭스 염기도에 영향을 끼치지 않으면서 용접금속 산소를 낮출 수 있기는 하나, 이들은 본 발명에 따라 제조되는 플럭스내에서 사용되는 성분보다 훨씬 더 비싸다. 또한, 알루미늄 및 티타늄과 같은 탈산제는 그들 모두가 반응하여 슬래그의 부분이 되지 않는 경우, 상기 용접금속을 불리하게 합금시켜 취성과 균열을 일으키는 역효과를 가져올 수 있다. 본 발명은 이런 탈산제를 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명을 사용하여, 용융 용접푸울에 플럭싱 또는 청정작용을 나타내는 높은 불화물량에 의해 대개의 부분에서 낮은 용접금속 산소가 얻어진다. 이러한 이유로 인해, 본 발명은 낮은 용접금속 산소량과 우수한 용접비이드 외관을 얻는데 많은 양의 금속성 탈산제를 필요로 하지 않는다. 상기 용접금속은 합금 함유량, 특히 망간과 실리콘에 있어 현저한 변화를 나타내지 않고 그리고 용융된 플럭스의 양의 변화는 용접변수의 변화로부터 발생한다. 이러한 바람직한 특성을 보여주는 플럭스는 중성 플럭스로 알려져있다. 중성 플럭스는 25 이하의 월중성수(Wall Neutrality Number)를 갖는 플럭스로서 정의될 수 있다.
상기 월중성수는 AWS형 판으로부터 두개의 용접금속 샘플을 취함에 의해 계산된다. 상기와 같은 판의 하나는 28볼트로 그리고 다른 하나는 36볼트로 시험된다. 상기 월중성수는 상기와 같은 두 개의 용접물중의 망간의 절대변화값과 실리콘의 절대변화값의 합에 100를 곱한 것으로 다음과 같은 식으로 표시된다 :
NWALL=(|Mn36V-Mn28V|+Si36V-Si28V|)×100
0.98의 염기도 지수를 갖는 응집된 플럭스로서 본 발명을 사용하여 4개의 샘플이 대한 용접금속 산소 테스트는 470ppm 내지 330ppm의 범위이었고 그의 평균은 397ppm이었다.
상기 발명의 또다른 필요요건은 상기 플럭스내에서 유효산소를 제한하는 것이다. 유효산소는 여기서 산화물 형성의 자유에너지(G)가 1600℃와 2000℃ 사이의 어떤 온도에서 Si+O→SiO2의 자유에너지 보다 적게 음(negative)적인 어떤 원소 또는 물질에 결합되는 산소로서 정의된다. 본 발명에 있어서, 상기 유효산소는 중량퍼센트로 층 플럭스의 5% 이하가 되도록 제한된다. 상기 값보다 더 큰 유효산소량은 산소 퍼텐셜을 심하게 증가시켜 그 결과 본 발명의 그 나머지와 결합되어 있을때조차, 결과로서 발생한 용접금속 산소는 바람직한 결과를 줄만큼 충분히 낮지 않다. 이러한 낮은 유효산소량에 도달하기 위해서는 사용될 금속산화물을 선택하는 것이 필요하다. 산화망간을 사용할 경우는 Mn2O3또는 Mn3O4보다는 MnO상태로 사용하여야한다. 이것은 MnO가 다른 덜안정한 산화망간의 형태보다 산소를 방출하기 어렵기 때문에 중요하다. 이 산소는 산소 또는 산화물 함유물로서 용접금속중에 남아있을 수 있다. 또한 상기 MnO는 사용될 경우, 플럭스 혼합물속에 혼합되기전에 다른 산성산화물과 반응함에 의해 아아크 작용으로부터 부분적으로 보호될 수 있다.
본 발명은 여러가지 이유에 의하여 성공적이라고 생각되나 여기서 완벽을 기하기 위해 다음과 같은 이론을 제시하였다.
서브머지드 아아크 용접동안, 철, 실리콘, 망간, 및 다른 원소들 뿐만아니라 산소 또한 상기 공정의 진행단계에서 발견할 수 있다. 제1단계는 이동하는 금속에 용해된 이온상태이다. 제2단계는 용접푸들의 용융 금속내에 현탁하는 함유물상태이다. 마지막으로, 그들은 슬레그내에서 발견된다.
금속은 상기 용접공정에 있어 전기 아아크에 의해 가열된다. 응고동안, 상기 산소는(실리콘, 망간 및 다른 원소와 함께) 상기 금속내에 용해된것, 상기 금속내의 함유물로서 현탁된 것 및 슬레그중의 것. 사이에서 평형을 이루려는 경향이 있다. 그러나, 급냉때문에 상기와 같은 구역에서 평형을 달성하지 못한다. 평형을 얻을 수 있다면, 염기성 제강기술이 상기 용접을 청정하는데 이용될 것이다.
첫째로, 본 발명은 상기 용접푸들에 소용들이 상황을 일으킴에 의해 반응이 평형을 향해 이동하도록 해준다. 이것은 상기 용융용접 금속과 슬레그내에 용해된 원소들이 열역학적 평형에 도달하도록 촉진한다. 둘째로, 좀더 중요하게는, 상기 용융금속 이동은 현탁된 함유물이 상기 용융 용접금속의 표면으로 나오게끔 도와주고, 또 그들이 상기 슬레그속으로 혼합되게 해준다. 그에따라, 매우 적은 산화물 함유물을 갖는 매우 깨끗한 용접 용착물을 얻을 수 있다.
상기 용접금속의 낮은 산소함유량은 통상적인 강탈산제(Mg, Al, Ti, Si등)의 첨가에 의해 이루어진 것이 아니라는 사실을 주목해야만 한다. 종래에 있어, 단일의 패스용접에 있어 표면결함이 없는 맑은 용접비이드를 얻기 위하여, 상기와 같은 종래의 통상적인 금속탈산제를 대량으로 플럭스에 첨가시켰다. 상기와 같은 첨가는 각각의 패스에서 상기 용접비이드, 내에 잔류하는 반응하지 않은 합금이 궁극적으로 과도한 수준에 도달할 수 있기때문에 멀티-패스용접에 대하여 그다지 바람직하지 못한 플럭스를 만든다. 상기 플럭스가 탈산되는 독특한 방식은 단지 한번의 패스후에 조차, 우수한 외관을 갖는 깨끗한 용접을 얻는데, 금속탈산제를 거의 사용하지 않는다.
본 발명에 따른 플럭스 제조방법은 다음과 같다 :
여기서, Al2O3의 범위는 20-50%로 되어있는데, 염기도 지수가 1.25 보다 작아야 하기때문에 하한범위인 20%가 정해졌으며, 플럭스가 아크 용접용 플럭스로서 제기능을 발휘할 수 없는 높은 응고온도를 갖지않도록 상한 범위는 50%로 정해졌다.
CaF2는 비교적 높게 1-30%로 되어 있다. CaF2는 대기로부터 보호작용을 하고 슬레그의 용융온도를 낮춘다. 슬래그의 용융온도 또는 응고온도가 적절하게 만들어질 수 있는 최소치로서 하한범위 10%가 정해졌다. 상기 CaF2의 상한범위보다 큰 범위에서는 아크 용접성이 나빠지며, 용접비이드의 모서리에서 언더컷팅이 증가된다.
나머지 산화물인 Na2O, MnxOy, SiO2, TiO2및 MgO는 하나의 집단으로 취급된다. 각각의 산화물의 상한범위는 그 범위를 초과할때 최대 가용산소가 5%로 초과하게 되어 본 발명의 범위를 벗어나게 된다. TiO2의 하한범위는 낮은 용접비이드 프로필을 갖는 비이드 용접을 만들고 아아크를 안정시키기 위하여 2%로 정해졌다. SiO2의 하한범위는 용접금속에 대한 탈산제와 페라이트 강화제로서 작용하여 인성을 부여하도록 5%로 정해졌다. SiO2의 상한범위는 결합제로서 작용하는 규산염 형태의 SiO2와 결합된 Na2O에서 Na2O의 상한범위에 영향을 준다. 따라서 본 발명의 원리가 용융 플럭스내에서 사용되거나 또는 응집을 위해 다른 결합제를 사용한다면 상기 Na2O는 필요없게 된다.
금속 Mn+Si는 용접비이드에 대하여 합금원소로서 작용하며, 용접비이드가 합금으로서 가장 적절한 상한범위는 5%이다.
상기 범위를 벗어난 응집된 플럭스가 만들어진다면 플럭스는 가용산소한계를 갖지 못하며, 또는 못하거나 본 발명에서 요구하는 염기도 지수를 갖지 못하고 이 플럭스는 양호한 인성과 용접특성을 갖는 용접비이드를 만들지 못할 것이다.
본 발명은 전술한 특정의 플럭스 제조방법에만 국한되지 않고 다음에 부착된 특허청구의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (3)
- 강을 전기 아아크 용접하는데 사용되는 응집 플럭스에 있어서, 칼슘, 칼륨, 알루미늄, 마그네슘, 바륨, 나트륨 및 리듐으로 구성되는 집단으로부터 선택되는 한가지 이상의 불화물을 10 내지 30중량퍼셴트의 양으로; 알루미늄산화물을 20 내지 50중량퍼센트의 양으로; 그리고, 나트륨, 칼륨, 스트론튬, 리듐, 바륨, 망간, 실리콘, 마그네슘, 티타늄, 지르고늄 및 칼슘의 산화물로 구성되는 집단으로부터 선택되는 다른 산화물을 포함하고, 최대 유효산소는 5% 이하이고, 그리고 상기 다른 화합물은에 의해 계산되는 플럭스의 염기도 지수를 1.25 이하로 낮추는 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 강의 전기 아이크 용접용의 응집 플럭스.
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