KR930009965B1 - 아크 용접용 소모성 용접재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

아크 용접용 소모성 용접재

제 1 도는 본 발명에 따라 구성된 염기성 금속 코어 매설 전극의 개략적인 단면도.

제 2 도는 본 발명의 적합한 실시예의 변형예의 단면도.

제 3 도는 전극의 염기성 조성과 용착금속중의 산소 함량의 관계를 도시한 그래프.

제 4 도는 총 전극 중량중의 불소 함유 중합체의 백분율과 용착 금속중의 확산성 수소 농도와의 관계를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 염기성 금속 코어 매설전극 12 : 외피

14 : 봉합부 20 : 합금화물질입자

22 : 불화칼슘입자 24 : 불소함유중합체

본 발명은 아크 용접에 사용되는 충전금속 및 소모형 전극과 같은 소모성 용접재에 관한 것으로, 그중에서도 특히 염기성 금속 코어를 매설한 전극에 관한 것이다.

본 발명은 TIG용접용 충전금속 또는 MIG용접시의 소모성 전극으로서 사용될 수 있는 소모성 용접재에 관한 것이지만, 특정한 군사 및 산업용 용도에 요구되는 형태의 고강도 금속을 MIG용접하는데 보다 잘 적용되므로 이후로는 상기 용도와 관련하여 기재하겠다. 그러나, 이후의 기재사항은 본 발명의 모든 용도에도 적용되는 것이다.

전기 아크 용접기술에 있어서, 금속와이어를 가공물을 향해 전진시키면서, 와이어의 단부 또는 전극의 단부를 용융하여 가공물상에 금속을 용착시키도록 소모성 전극으로 지칭되는 와이어와 가공물 사이에 전기 아크를 발생시키는 MIG용접법을 사용하는 것이 통상적이다. 이러한 MIG용접법은 용접작업에서 소모되는 전극의 정밀한 조성에 대한 고도로 개발된 복잡한 기술과 연관되어 있다. 전극의 조성비, 플럭스(flux)시스템, 전류형태, 차폐가스 및 다른 조건들은 원하는 용접결과를 얻을 수 있도록 조절되고 처리되어진다. 모든 아크 용접법의 주요목적중 하나는 MIG용접법을 적용할때 수직면의 용접에 대해 보통 약 5 lbs/hr을 초과하는 비율을 나타내는 높은 용착속도를 얻는 것이다.

용착금속은 양호한 비드를 형성해야 하고, 용착 비드상에 형성되는 슬래그를 적게 가져야 할 뿐아니라, 용접조작후 용착 접합부를 청정하는데 소요되는 작업량을 감소 시킬수 있는 물리적 성질 등을 가져야 한다. 또한, 접합부 자체의 용착 금속 또는 비드는 낮은 균열성향 및 흔히 샤르피(Charpy)충격치로 측정되는 높은 충격강도와 같은 물리적 성질을 가져야 한다. 또한, 다운 핸드 포지션(down hand position)뿐만 아니라 아웃 오브 포지션(out-of position)용접에서도 용접전극을 사용할 수 있는 것이 요망된다. 이러한 모든 목적들은 실질적으로 이미 특허화된 기술들의 주제이었다. 이와 관련하여 당업자에게 주지의 전극 조성물에 관한 상세한 설명을 반복할 필요 없을 것이다.

가공물 금속의 항복강도가 군용 규격인, HY-80, HY-100 및 HY-130과 같은 고강도 수준으로 증가할 경우, 지금까지는 고용착 속도로 아웃 오브 포지션 용접을 할 수 있으면서 낮은 균열성 및 높은 충격 강도까지 얻고자 함에 있어 심각한 어려움을 겪어왔다. HY-80(80,000psi)를 초과하는 강과 같은 고항복 강도강을 용접할 경우, 이제까지 소모성 전극은 통상 약 0.045인치의 아웃 오브 포지션 직경 및 약 0.062인치의 다운 해드직경을 가진 고체 금속와이어 형태를 취하였다. 그러나, HY-100을 포함하여 이를 초과하는 고항복강도강의 용접은 이러한 고체 MIG와이어를 사용한다해도 극히 어려웠다.

본 발명의 목적은 HY-80이상의 고강도강 및 이상적으로 HY-130정도의 고강도강에서도 사용할 수 있는 MIG용접용 소모성 전극 또는 TIG용접용 충전재 와이어를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 달성하려는 종래의 노력은 합금 조성을 조절하고 이와 함께 가공물을 예열하면서 고체와이어를 사용하여 용접하려는 것이었다. 그러나, 이러한 노력은 실효성이 없었다. 용접 기술분야에서는, 낮은 균열성향과 높은 충격치로 고강도강율보다 용이하게 용접할 수 있도록 용접전극을 개선해야 한다는 여망이 늘 강력히 존재해 왔다.

이것이 본 발명에서 달성하고자 하는 목적이다.

고항복강도강(80,000psi이상)에 대해 MIG용접을 사용하여 상기와 같은 고용착 속도 및 고품위의 용접을 달성하려는 시도는 향상 고체와이어의 사용을 포함하여 왔다. 이러한 와이어는 용착금속중에 비교적 낮은 농도의 확산성 수소를 발생시킬 수 있다. 그러나, 전극에 플럭스의 사용이 요구되는 경우에는, 용착 금속중에 확산성 수소가 증가되어 용착 금속이 응고될 때 균열을 일으키는 성향을 증대시킨다. 용착금속중의 확산성 수소를 증가시키는 플럭스 화합물의 경향을 고려하면 일반적으로 MIG용접용의 금속 코어 매설 전극은 전술한 바와같은 고강도 용으로는 만족스럽지 못함을 인지할 수 있다. 또한, 코어 재료의 처리 및 조성은 용착금속중의 산소량을 증가시킨다. 결과적으로 선체에서와 같이 극히 높은 고항복강도의 재료를 사용하는 군용규격의 경우, 일반적으로 고체 용접 와이어의 사용을 필요로하여 왔다. 그러나, 이러한 고체 용접 와이어는 아웃 오브 포지션 용착속도를 약 6 lbs/hr로 제한하며, 이러한 용착속도로 단지 정밀한 전기 필성 기술에 의해서만 얻어질 수 있었다. 이를 감안하지 못하였기 때문에, 군부대에서도 고체 용접 와이어로써 HY-100강의 항복강도 이상의 용도를 만족시킬 수는 없었다. 플럭스 코어를 매설한 전극이 사용되는 경우, 고농도의 확산성 수소가 용착금속중에서 발견되는데, 이것은 균열성향을 증가시킨다. 결국, 고항복강도강을 용접하기 위해 고체 용접 와이어를 사용하는 것은 통상적인 유일한 실시방법이 되어 왔다. 또한, 용접 접합부의 기계적 성질을 향상시키기 위해, 용접에 앞서서 모금속을 가열하였다. 또 한편, 이러한 고체 와이어 전극 재료는 정확한 조성비율의 합금재료를 함유해야만 하였으며, 따라서, 고체 와이어의 합금 조성을 정확하게 제어하는 것은 극히 중요하였다. 그러나, 이것은 야금학적으로 어려운 작업이다.

용접공업에 있어서, 코일 매설전극은 MIG용접용으로 통상 사용된다. 이러한 코어 매설 전극은 전극의 관형성분을 형성하는 합금화 금속의 정밀한 조성, 즉 임계도를 감소시켜준다. 이것은 생성 용착 금속에서 원하는 합금 특성 및 조성비율을 얻도록 매우 정밀한 양으로 합금화 금속을 코어내에 포함시킴으로써 달성된다. 용착금속의 조성을 제어하기 위해 금속 분말코어를 매설한 전극을 사용하면 용착 금속의 실제 조성을 제어할 수 있는 능력이 향상되지만, 금속 코어 매설전극은 상당한 양의 산소를 용착 금속중으로 도입하는 경향을 가지게 되어 용착 금속의 충격강도를 감소시키게 된다. 또한, 금속 코어 매설 전극을 가장 높은 강도의 용도에 사용할 경우에는 플럭스 성분이 필요하게 되며, 이것은 결국 고체 와이어를 사용하는 것보다도 용착 금속중에 보다 많은 확산성 수소를 생성하게 만든다. 또한, 이러한 금속 코어 매설 전극 재료는 용접 작업 동안 전기적 스틱-아웃(stick-out)의 차이에 다소 더 민감하다. 이러한 결점은 전극 코어 및 봉합부에 있는 수분과 전극 주위의 차폐 가스에 있는 수분에 기인한 것이다. 따라서, 용착금속의 실질적 조성을 용이하게 제어할 수 있다는 장점만을 가지는 금속 코어 매설 전극을 사용하면 중대한 결함을 가지게 되어 조선 공업에서 직면하게 되는 형태의 고항복강도강을 용접하는데 따른 문제점을 해결할 수 없다. 또한, 코어 매설전극은 고강도강의 아웃 오브 포시션 용접에 사용되는 것과 같은 펄스 용접법에 사용되지 못한다.

오랫동안 고항복강도강(80,000psi이상)의 용접방식은 고체 용접 와이어를 사용하는 복잡한 MIG용접법이었으며, 금속 코어 매설 전극을 사용하자는 제안은 거의 수용되지 못하였다. 전극의 코어에 금속 분말 합금을 사용함으로써 용착 금속에 요구되는 정밀한 비율과 관련된 임계성의 어려움을 해결할 수는 있지만, 이러한 코어 매설 전극의 사용은 생성된 접합부의 용착금속중에 존재하는 수소 및 산소로 인해 많은 어려움을 겪어왔다. 이러한 결점은 고강도강에 금속 코어 매설전극을 사용하는 것을 부적절하게 만든다. 고항복 강도의 MIG용접에 금속 코어 매설전극을 사용함으로써 수반되는 결점을 고려하여, 플럭스 코어 매설전극을 고항복강도의 용접을 위해 제한적으로 사용해왔다는 사실은 그리 놀라운 것이 아니다. 금속 코어 매설 전극에서 인지되는 문제점은 플럭스코어 매설 전극에서도 존재한다. 그러나, 플럭스 코어 매설전극은 또다른 추가의 제한성을 가진다.

통상의 플럭스 코어 매설전극은 코어내에 분말로서 형성되고 저탄소강 외피에 의해 둘러싸이는 이산화티타늄 플럭스 시스템을 가진 것이다. 이러한 플럭스 코어 매설전극은 8 lbs/hr까지의 고용착속도로 양호한 용접을 제공하며 아웃 오브 포지션에도 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 전극은 오히려 HY-80강에서 사용할 때 보다도 더 높은 농도의 확산성 수소를 발생시킨다.

또한, 산소에 의해 비교적 낮은 샤르피 강도를 나타낸다. 따라서, 통상의 이산화티타늄 플럭스 시스템을 사용하는 연강 플럭스 코어 매설 전극을 사용함으로써 고용착속도 및 작업자에게 비교적 호평을 받는 양호한 용착특성을 얻을 수는 있지만, 생성된 용착 금속은 대부분의 고항복강도감이 수용할 수 없는 농도의 산소 및 수소를 함유하게 된다. 이산화티타늄 플럭스 이외의 다른 플럭스 코어 매설 전극에 의해 얻을 수 있는 지극이 높은 품위 및 고용착 속도 때문에, 불화칼슘과 같은 염기성 화합물을 사용하는 염기성 플럭스 코어 매설전극을 사용하는 것이 제안되었다. 이러한 전극은 불화물이 용착금속으로부터 산소를 제거하는 경향을 가지기 때문에 양호한 충격 강도를 생성할 수 있다. 그러나, 염기성 플럭스 코어 매설전극은 아웃 오브 포지션 용접에 만족스럽게 사용되지 못한다. 염기성 플럭스 코어 매설 전극의 사용은 일반적으로 다운 핸드 용접에 한정되기 때문에, 용접작업자에게 일반적으로 채택되지 못한다. 결국, 염기성 플럭스 코어 매설전극은 이러한 형태의 고항복강도 용접용으로 사용되지 못하였다.

결론적으로 말하자면, 금속 코어 매설전극, 플럭스 코어 매설전극 및 염기성 플럭스 코어 매설전극은 지금까지 고항복강도강, 즉 약 80,000psi(HY-80)이상의 강도를 가지는 강의 MIG용접에 사용되지 못하였다. 단지 고체 와이어 전극만이 이러한 고항복강도의 기계용접용으로서 군사 및 산업분야에서 널리 사용되어 왔다.

본 발명은 HY-100을 초과하는 고항복강도의 용접에 사용될 수 있는 전극 또는 충전재 와이어와 같은 용접재에 관한 것이다. 실제로 본 발명의 전극은 HY-130강에도 적용가능하다. 이러한 개선된 전극은 전술한 바와같이 HY-80을 초과하는 고항복강도의 MIG용접에 일반적으로 고체금속 와이어를 사용할 수 밖에 없는 원인이 되었던 염기성 플럭스 코어 매설전극의 결점을 갖지 않는 염기성 금속코어 매설전극이라고 하겠다. 본 발명은 아웃 오브 포지션 용접용으로 사용될 수 있는 염기성 금속코어 매설전극에 관한 것으로, 본 발명의 염기성 금속 코어 매설전극은 5.0 lbs/hr보다 상당히 큰 용착속도 얻을 수 있고, 보다 적은 수의 패스만을 필요로 하고, 거의 고체와이어 용착 비드의 2개가 되는 용착 비드를 생성할 수 있으며, 이러한 용접 비드의 생성시 단지 소규모의 슬래그 형태의 고립점만을 비드 표면을 따라 형성시킨다.

본 발명에 따라, 100,000psi를 초과하는 고항복강도강의 MIG용접에 사용할 수 있는 염기성 금속 코어 매설전극 또는 동일 목적의 코어 매설 충전재 와이어가 제공된다. 또한, 본 발명에 따라 금속 합금화 분말을 함유하는 압축된 코어를 둘러싸고 있는 강제 외피를 포함하는 소모성 아크 용접전극 또는 용접재가 제공된다. 이러한 코어는 용접재, 즉 전극의 총중량의 약 1.6%보다 작은양의 100%염기성 혼합물을 포함한다. 금속 합금화 분말은 표준 방식을 사용하여 용착 비드의 합금화 조성을 결정한다. 염기성 화합물은 용착 금속중의 산소를 용착금속의 약 0.04%이하의 양으로 감소시키는 단일 성분의 플럭스를 제공한다. 본 발명에 따르면 100%염기성 화합물은 불화칼슘 분말이다.

본 발명의 다른 특징에 따라, 불화칼슘 분말은 전극의 총 중량의 약 0.1% 내지 약 0.9%의 양으로 코어내에 포함된다. 이와같이 플럭스 성분, 즉 불화칼슘 분말의 양이 소량으로 됨으로써 플럭스 코어 매설전극에 수반되는 전술한 용접상의 문제점을 해결할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 불화칼슘은 여전히 용착 금속중의 산소량을 제어하게 된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따라, 염기성 금속 코어 매설 전극은 용착 금속중의 확산성 수소량을 감소시키기 위한 소량의 첨가제를 포함한다. 이 첨가제는 불소함유중합체를 포함한다. 불소 함유 중합체는 미립자 형태로 코어 물질내에 혼합될 수 있고 전극을 성형하고 인발하는 동안 그 조성을 유지할 수 있도록 약 1,000℉의 융점을 가진다. 이 첨가제는 아크 용접 작업 동안 용착 금속중의 확산성 수소를 포획할 목적으로 불소를 방출한다. 불소함유중합체는 전극 중량의 0.4%까지 증가될 수 있으며, 그 결과 확산성 수소량이 이전에는 결코 얻을 수 없었던 수준인 1ppm 이하 및 0.6ppm정도의 낮은 수준까지 감소된다. 이러한 수소제거 중합체는 고체 금속 와이어 전극에는 사용될 수 없다. 왜냐하면, 중합체는 고체 와이어를 제조하기 위한 모든 용융 공정 또는 합금화 공정중에서 소모되어 버리기 때문이다.

본 발명의 주요 특징에 따르면, 염기성금속 코어 매설전극은 단일 성분의 플럭스재로서 코어내에 불화칼슘을 포함하며, 불소함유중합체와 같은 수소 제거용 분말을 부가적으로 포함한다. 또한, 금속 합금화 분말이 단일의 염기성 성분 및 수소 제거제와 함께 코어내에 포함된다. 이 코어는 직경이 약 0.100인치 이하의 전극으로 인발될 수 있는 저 탄소강 외피로 둘러싸여진다. 이때, 금속합금화 분말 및 저 탄소강 외피는 용접제 총 중량의 0.2%이하의 탄소를 포함하는 것이 적합하다. 물론, 전극의 외피는 소모성 전극의 코어에 금속 분말을 합금할 필요가 없도록 합금과 용광로내에서 형성될 수도 있다. 그러나, 본 발명의 중요한 특징은 수소 제거제와 함께 100% 염기성 및 불활성을 가지는 단일성분을 도입한 염기성 금속 콩 매설 전극을 제공하는데 있다. 합금화 금속이 정밀히 조절된 외피 금속내에 존재하거나 코어내에 있는 금속 합금화 분말에 의해 조절되는 것은 이러한 본 발명의 특징에 큰 영향을 미치지 않는다. 통상적으로 합금화 분말 및 외피는 적어도 망간, 실리콘, 몰리브덴, 니켈 및 티타늄을 포함하게 되지만, 합금화 방안에 대한 기술 및 그 결과는 본 기술분야의 통상의 기술에 따라 수정될 수 있다. 그러나, 코어내에 합금화 금속을 사용하면 분명히 장점을 얻게 된다. 따라서, 본 발명은 고체 와이어를 대체하여 동일한 결과를 얻을 수 있으면서, 용착 금속중의 산소 및 확산성 수소를 감소시킬 수 있는 장점까지 가지는 염기성 금속 코어 매설 전극을 의도하는 것이다. 이것은 새로운 개념이며 용접 기술 분야에서 한번도 실시되지 않는 개념이다. 본 발명에 의해, 초고강도 강의 MIG용접이 심지어 아웃 오브 포지션 용접에서도 달성될 수 있다.

본 발명의 염기성 금속 코어 매설 전극은 고항복강도강의 MIG용접에 대한 기존의 아크 용접분야의 개념에 반대되는 개념이다. 코어 매설 전극의 제한성으로 인하여, 종래의 용접 기술은 전술한 결점을 가지는 고체 금속 와이어를 사용할 수 밖에 없었다. 이것은 80,000psi이상의 항복강도를 가지는 강을 만족스럽게 용접하지 못한다. 본 발명은 전극의 코어내에 불활성의 100%염기성 화합물을 사용하려는 것이다. 이러한 목적으로 불화칼슘분말을 사용한다. 종래에는, 전극의 코어내에 불화칼슘을 사용할 경우, 통상의 산성플럭스 성분을 중화시키기 위해 불화칼슘이 상대적으로 높은 비율로 존재하였다. 불화칼슘의 비율이 상대적으로 높았기 때문에, 아웃 오브 포지션 용접이 곤란하였다. 따라서, 이것은 고항복강도의 아웃 오브 포지션 용접용으로 사용하기 위한 양호한 코어 매설 전극이 되려면, 불화칼슘을 전극의 성분으로서 사용하지 말 것을 가르쳐 주는 것이다. 그러나, 본 발명에서는, 불화칼슘 분말을 사용하되, 신규한 방식으로 사용하게 된다. 본 발명에서, 불화칼슘은 단일의 플럭스 성분으로서 전극의 코어에 사용된다. 통상의 TiO₂시스템 또는 염기성 플럭스 시스템과 같은 플럭스 시스템은 또는 염기성 플럭스 시스템과 같은 플럭스 시스템은 존재하지 않는다. 여기서 "시스템"이란 용어는 서로 반응하여 플럭싱작용을 생성해내는 2개 이상의 플럭스 성분을 의미한다. 본 발명의 신규한 개념은 다른 어떤 플럭스와도 상호작용 하지않고 스스로 플럭스로서의 역할을 수행하는 불화칼슘이라고 하겠다. 본 발명에 따라, 불화칼슘의 양은 전극의 총 중량의 약 1.60%이하의 양으로 감소되며 적합하게는 0.9%이하로 감소된다. 이처럼 낮은 불화칼슘의 양으로도, 불화칼슘 자체에 의해 플럭싱 작용을 달성하게 된다. 즉, 플럭스 시스템은 존재하지 않는다. 전극 중량의 1.6%이하, 바람직하게는 0.9%이하의 양으로 불화칼슘 분말을 감소시킴으로써, 불화칼슘은 용접작업을 불량하게 만들지 않고 또한 다량의 불화칼슘을 가진 통상의 플럭스 코어 매설전극과는 달리 아웃 오브 포지션 용접도 할 수 있으면서 용착 금속중의 산소량도 제어하게 된다. 불화칼슘은 용접 작업에 영향을 미치지 않은채 전술한 상한값(1.60%)이하로 까지 감소될 수 있으나, 불화칼슘의 하한값이 0.2%에 접근함에 따라, 용착 금속중의 산소량은 본 발명에 따라 개발된 전극이 사용되기 위한 고항복강도강의 충격 강도를 감소시키는 수준까지 증가된다. 불화칼슘은 100%의 염기성과 불활성을 가지므로, 코어 매설 전극을 위한 단일의 플럭스 또는 플럭스 성분을 생성한다. 불화칼슘은 개선된 전극을 생성할 수 있도록 상한 비율이 제한되어 있으므로, 용착 금속에 사용하기 위해 불화칼슘으로부터 가용될 수 있는 불소가 제한된다. 불소는 고항복강도강을 용접할 때 가장 주의를 기울어야 하는 균열발생의 원인인 확산성 수소를 감소시키는 작용제이므로, 본 발명은 다른 특징에 따라, 부가 성분으로서 수소 감소제를 포함한다. 이 수소 감소제는 신규한 것이며 용착 금속중의 확산성 수소의 양을 감소시킨다. 이 수소감소제는 중량으로 0.4%까지의 양으로 될 수 있는 불소함유중합체이다. 이 감소제는 확산성 수소를 1ppm(1ml/100g)이하로 감소시킬 수 있다.

전술한 바와같이 본 발명은 불소 함유 중합체와 같은 소량의 적절한 수소 감소제와 함께 정밀한 범위내에 있는 상대적으로 적은 양의 불화칼슘 분말을 사용한다.

실제로 실시함에 있어서, 본 발명은 염기성 금속 코어 매설 전극이다. 따라서, 용착 금속을 위한 합금화 금속은 분말 형태이고 코어내에 압축된다. 물론, 외피강을 합금화하여 야금적으로 정확성을 기할 수 있다면 합금화 재료가 전극을 둘러싸는 외피내에 포함될 수도 있다. 본 발명의 적합한 실시예와, 본 발명의 가장 실용적인 실시예에 따라, 저 탄소강 또는 저합금강의 외피가 코어를 둘러싸기 위해 사용된다. 합금화 금속은 코어내에 분말로서 포함된다. 결과적으로, 본 발명은 염기성 금속 코어 매설 전극이라고 말할 수 있다.

전극은 적합하게는 직경이 0.100인치 미만인 원통으로 되는 소정의 크기로 인발된다. 본 발명에 따라 구성되는 이러한 인발된 코어 매설 전극을 MIG용접에 사용하여 고체 와이어 전극의 장점과 함께 코어 매설 전극의 장점을 모두 얻게된다. 신규한 수소 감소제와 함께 소량의 단일 염기성 성분을 코어내에 사용함으로써 용착 금속중의 산소 및 수소가 감소된다. 이러한 용접전극은 100,000psi(HY-100) 및 심지어 130,000psi(HY-130)의 최소 항복 강도를 가지는 강과 같은 고항복강도 강을 용접하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따라, 이러한 염기성 금속 코어 매설 전극은 불화칼슘이 제어되어 제한되는 최대 수준, 즉 1.60%이하로 존재하고 이러한 불화칼슘이 전극내 또는 전극상에서 유일한 플럭스성분을 구성하기 때분에 아웃 오브 포지션에서 용접하는데에도 사용될 수 있다. 본 발명을 채용함으로써, 불화칼슘은 코어내에 있는 단일의 플럭스 성분이 되며, 용접전극은 아웃 오브 포지션 용접 및/또는 펄스 용접과 같이 고체 MIG와이어에서와 동일한 방법으로 용접을 수행하게 된다. 코어 매설 전극의 장점은 고체 와이어 전극의 장점을 그대로 유지하고 있다는 점이다.

종래에는 금속 코어 매설 전극을 사용함으로써 많은 양의 산소를 발생시켰다. 본 발명에서 이러한 산소는 코어내에 불화칼슘 입자 또는 분말이 함유됨으로써 감소된다. 그러나, 불화칼슘의 함유량은 불화칼슘을 사용하면서 경험하여 왔던 종래의 문제점, 즉 아웃 오브 포지션의 펄스용접을 할 수 없다는 문제점이 본 발명의 해로운 특징이 되지 않음을 좀 더 확실히 하기 위하여 1.60%이하의 소량으로 제한된다. 본 발명에 사용되는 바와 같이 코어내의 불화칼슘을 감소시키는 것은 신규한 것이다. 본 발명의 하나의 특징은 플럭스가 단지 불화칼슘으로만 된다면, 염기성 플럭스 시스템에서 사용되는 바와 같은 많은 양의 불화칼슘이 요구되지 않는다는 인지로부터 비롯된 것이다. 이러한 방식으로, 염기성 플럭스는 불화칼슘에 의해 생성된다. 염기성 플럭스 시스템의 다른 모든 성분을 제거함으로써, 불화칼슘이 보다 적은 양으로 사용될 수 있다. 불화칼슘의 양을 감소시킴으로써 전극의 용접 특성이 만족스럽게 된다. 따라서, 본 발명은 용착 금속내에서 산소를 제거할 수 있는 정도의 불화칼슘만을 사용하도록 불화칼슘의 화학적 성질을 제어하는 것을 포함한다. 불화칼슘은 염기성 플럭스 시스템내의 몇가지 구성요소중의 하나가 아니며, 본 발명의 불화칼슘은 전체 염기성 플럭스 성분을 형성한다. 불화칼슘의 화학적 성질을 제어함으로써 고체 와이어 전극보다 우수한 용접 특성을 가지는 염기성 금속 코어 매설 전극이 생성된다. 본 발명의 불화칼슘은 본 발명 이외의 경우에 발생될 수 있는 용착금속의 충격강도상의 감소를 최소화하도록 용착금속중의 산소를 제어하기에 충분한 양을 가지게 된다. 물론 코어를 둘러싼 외피금속 또는 코어내의 합금화 금속은 본 발명의 범위내에서 샤르피노치 인성에 영향을 미치도록 포함될 수 있으며, 적어도 망간, 실리콘, 몰리브덴 니켈 및 티타늄을 포함한다.

전체적으로 다중성분으로 되는 플럭스 시스템에서 처럼 다른 플럭스 성분을 상쇄시키도록 전극내에 불화칼슘을 추가할 필요가 없기 때문에, 용접전극은 고체 MIG와이어 전극과 같은 정도로 아웃 오브 포지션의 펄스용접에도 유용하게 된다. 따라서, 염기성 코어 매설 전극은 100%의 염기성 및 불활성을 가지는 단일의 플럭스 성분을 구비한다. 이러한 단일의 플럭스 성분은 용착 금속의 노치 인성에 악영향을 미치는 이산화티타늄을 함유하는 형태의 다른 플럭스 시스템과 구별된다. 통상의 플럭스 전극을 사용하는 것은 HY-100 또는 그 이상에 달하는 강을 가진 군사용으로 사용되는 형태의 고항복강도강을 용접하는데 적용될 수 없다.

종래에는 금속 코어 매설 전극 및 염기성 플럭스 코어 매설 전극의 2개 전극이 있었다. 이들 2개의 전극은 군함, 군사물 및 상업분야에서 사용되는 것과 같은 고항복강도강을 MIG용접함에 있어서 결코 고체 와이어를 대체할 수 있는 것으로 고려되지 못했다. 전술한 바와 같이, 염기성 플럭스 코어 매설 전극은 아웃 오브 포지션 용접용으로 사용될 수 없다. 이들 전극은 작업자들에게 흥미를 끌지 못하였으며, 5.0lbs/hr미만의 낮은 용착속도를 가진다. 본 발명은 본 출원에 기재된 목적에 부합되는 금속 및 염기의 결합물질인 코어 매설 전극에 관한 것이다. 코어내의 비금속성 성분은 불화칼슘 및 선택적으로 불소 함유 중합체로 되는 수소 제거제로 제한된다. 코어내에는 통상적인 것과 같은 전체 플럭스 시스템을 형상하는 다른 비금속성 물질이 존재하지 않는다.

본 발명에 따라 구성된 지금까지 설명한 염기성 금속코어 매설 전극은 고항복강도의 용접용으로 매우 유리한 장점을 가지며, 고체 와이어 전극재를 대체할 수 있음을 알게 되었다. 그러나, 보다 우수한 코어 매설 전극을 제조하기 위해, 본 발명은 또한 용착금속중의 확산성 수소를 감소하기 위한 성분을 고안해 낸다. 이러한 수소는 모세관 작용 등에 의해 코어를 둘러싼 외피 봉합부로 들어가는 수분으로부터 나오는 것으로 생략된다. 균열 성향은 용접되는 모금속의 항복강도가 증가함에 따라 증가된다. 따라서, 강도가 증가함에 따라 용착금속내에 허용되는 수소의 양이 감소된다. 수소는 코어내의 오염물질, 전극상의 윤활제 및 전극을 가공하는데 사용되는 인발 화합물 및 다른 공급원으로부터 용착금속내로 들어간다. 군사용 규격은 82,000 내지 88,000psi범위내의 강을 상온에서 용접함에 있어 2ml/100g미만의 수소량을 필요로 한다. 고체 와이어로 이것을 달성하기 위해서는 처리후에 와이어를 세척해야 한다. 이러한 세척작용은 시간을 소모하여 와이어를 공급하는 능력을 감소시킬 뿐만 아니라 상기 요건을 완전히 만족시키지 못한다. 모금속의 가열은 모금속 표면으로부터 수분을 배척하는 성향을 가진다. 따라서, 용접전의 가열은 용착 금속중의 수소를 제한하는 또 다른 방법이다. 수소를 감소시키기 위하여, 일부의 회사들은 튜브의 봉합부를 통해 코어제 속으로 들어오는 수분을 제한하기 위해 코어 매설 전극용으로 봉합부가 없는 튜브를 제조하고 있다. 그러나, 어떤 과정을 적용한다해도, 수소는 여전히 용착 금속중에 존재하게 된다. 수소는 차폐가스내의 수분 및 표면상의 수소로부터 발생되거나 또는 용접될 모금속사이의 이음새에 수납된다. 다른 수소의 공급원은 약 80,000psi이상의 고강도 강에서 문제를 일으킬 수 있는 소량의 수소 제거하기 위한 임의의 물리적 과정을 복잡하게 만든다. 따라서, 본 발명은 원하지 않는 소량의 수소의 존재를 수용하고 전극을 신규하게 정형화하여 이 소량의 수소를 제거하려는 것이다. 불화칼슘의 양이 상대적으로 낮기 때문에, 단지 소량의 불소만이 확산성 수소를 감소시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 상온에서 용접할때 고항복강도강 즉 HY-100과 같은 강에 대하여 수소의 양은 2ppm이하여야 한다. 본 발명은 제한된 양의 불화칼슘을 사용함으로써 이러한 목적을 달성할 수 있다. 그러나, 고항복 강도 용접에 요구되는 바와같이 군사용 규격으로써 인정되는 2ppm의 한계치보다 상당히 낮은 수준까지 수소를 감소시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 수소 감소제가 해로운 확산성 수소를 감소시키기 위해 사용된다. 이 작용제는 불화탄소와 같은 불소를 함유하는 중합체이다. 이 작용제는 불소를 방출하여 확산성 수소에 결합시킨다. 이 작용제는 전극을 처리하는데 사용되는 온도에서 고체 상태이다. 이러한 고체상태는 약 1,000℉의 온도를 견딜 수 있는 중합체를 사용함으로써 달성될 수 있다. 중합체 형태의 작용제는 금속분말 및 불화칼슘분말과 혼합될 수 있도록 미세한 분말로 미립화될 수 있어야 한다. 물론, 중합체내에서는 수소원자나 질소원자가 전혀 있을 수 없다. 본 발명의 적합한 실시예에서, 전술한 중합체 형태의 작용제는 전극의 코어내에서 금속합금화 분말과 결합되는 시스템을 만들어내도록 불화칼슘 분말과 함께 사용된다. 소량의 불화칼슘으로부터 방출되는 불소는 수소를 제거하는 것을 지원한다. 불소 함유 중합체는 수소의 양을 상당히 감소시켜서, 용착금속중의 수소양이 2ppm미만으로 되도록 한다. 주지된 바와같이, 1가상 태의 수소는 용착 금속에 균열을 발생시키는 주된 유해성분이다. 수소를 불소와 결합시킴으로써 이러한 유해 수소를 감소시킬 수 있다. 또한, 수소가 자체 결합에 의해 수소 분자를 형성한다면, 수소는 용착금속의 균열 특성에 심각한 영향을 미치지 않는다. 따라서, 불소는 용착금속의 균열 경향을 감소시킨다. 이러한 확산성 수소의 현저한 감소는 HY-130강에서와 같이 노치인성이 문제가 될 때 더욱 유익하다.

전술한 바와같이 종래의 코어 매설 전극은 용착 금속내에 존재하는 수소량에 대한 스틱 아웃(stick out)변동에 민감하였다. 본 발명에 의한 수소 감소제는 스틱아웃 민감성이 크지 않고 MIG용접공에서의 스틱 아웃의 통상적인 변동에 상관없이 거의 동일한 양의 확산성 수소를 용착금속 내에 생성하는 것으로 결정된 것이다.

본 발명에 따라 저 탄소강 외피가 0.100인치 미만의 외경에 의해 코어제를 압축할 정도로 직경을 감소시킨 미립재의 코어를 둘러싸게 된다. 연강 또는 저합금강 외피는 소량의 불화칼슘 분말과 극소량의 수소를 감소시키는 불소함유중합체를 둘러싸게 된다. 금속분말은 본 발명에 따라 구성된 전극을 사용하여 용착된 용착 금속을 합금화할 목적으로 코어내에 함유된다. 이러한 구성에 의해, 고항복강도강의 MIG용접에 사용하기 위한 표준 고체 와이어를 대체하여 생성되는 확산성 수소를 2ppm이하로 할 수 있고, 0.3 내지 0.4%의 중합체를 부가하여 생성되는 확산성 수소를 1ppm이하로 할 수 있는 염기성 금속 코어 매설 전극이 생성된다. 본 발명은 TIG용접에 대한 충전 와이어용으로 사용될 수 있다.

본 발명의 주목적은 분말형 불화칼슘과 같은 염기성 성분을 가지는 다소 재래적인 금속 코어 매설 전극을 제공하는 것이다. 본 발명은 일군의 염기성 금속코어 매설전극을 제공한다.

본 발명이 다른 목적은 낮은 용착 금속 산소함량이 요구되는 상황에 사용될 수 있는 염기성 금속 코어 매설전극을 제공하는 것이다. 산소 함량은 분말형 불화칼슘과 같은 염기성 성분의 화학적 성질에 의해 제어된다.

본 발명의 또 다른 목적은 MIG용접시 지금까지 고체 와이어 전극에만 의존해 왔던 아웃 오브 포지션 펄스용접에 사용될 수 있는 코어 매설전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용착 금속중의 확산성 수소를 감소시키는 코어내의 작용제를 구비하는 코어 매설전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수소 균열이 보다 넓게 확대되는 HY-80, HY-100 및 HY-130과 같은 고항복강도 강의 용접용으로 사용될 수 있는 염기성 금속코어 매설전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 일반적으로 전극의 0.1 내지 1.6중량%, 적합하게는 0.1 내지 0.9중량%의 범위를 가지는 양으로 코어내에 불화칼슘을 제공하는 코어 매설전극을 제공하는 것이다. 용접 아크내의 불소는 스패터링 현상을 일으키는 핀칭효과를 유발하고 또한 금속코어 매설전극내의 슬래그 성분은 아웃 오브 포지션 펄스용 접시 용접속도를 저하시키므로, 전극내의 불화칼슘을 총 전극중량의 단지 0.9%까지로 제한함으로써 본 발명을 사용하는 용착물의 질이 향상된다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 산소 함량으로 높은 충격강도 특성을 달성하고 용착 금속의 미세구조물을 개선하는 고항복강도 용접에 사용하기 위한 코어 매설전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 불화칼슘 또는 불화바륨의 분말 또는 불화리듐, 불화나트륨 또는 불화칼륨의 분말을 사용할 수 있는 고항복강도 용접에 사용하기 위한 염기성 금속 코어 매설전극을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 다른 목적들과 장점은 첨부 도면을 참조로 한 이후의 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 일실시예를 도시하는 도면을 참조하면, 이 실시예에서의 1인치 두께를 가지는 2개의 판은 250℉의 온도로 미리 가열하여 55 내지 100킬로주울/인치의 열을 투입한 상태에서 98%의 아르곤과 2%의 산소를 함유하는 차폐가스로 용접된다. 이러한 판은 HY-100의 고항복강도 강으로 형성된다. 제 1 도에 개략적으로 도시된 바와같이, 염기성 금속 코어 매설전극(10)은 봉합부(14)에서 함께 접속되는 외측의 저 탄소강 외피(12)을 구비한다. 제 1 도는 일반적인 측면에서 설명할 본 발명의 특징들을 도시하고 있다.

외피(12)의 봉합부(14)는 전극(10)을 형성하기 위한 표준 관행에 따라 겹쳐지거나 또는 다르게 형성될 수 있다. 외피(12)의 내부에는 합금화입자(20)(장방형으로 도시), 불화칼슘 입자(22)(큰 원형으로 도시), 및 소량의 불소함유 이러한 코어는 0.100인치 미만의 직경까지 전극을 인발함으로써 압축된다. 이 실시예에서, 불소함유 중합체는 실시예 A에 대해 총 전극 무게의 0.16%이고, 실시예 B에 대해 0.4%이다(제 4 도 참조), 총 전극 총중량에 대한 불화칼슘 입자의 백분율은 0.5%이다. 금속 합금화 입자(20)은 전극 총중량의 약 19%에 해당하는 백분율을 가진다. 나머지 중량은 외피 또는 튜브(12)의 중량이다. 실시예 A 및 B는 HY-100과 같은 고항복강도 강에 대해 만족스러운 용접 결과를 제공한다.

제 2 도는 본 발명의 적합한 실시예의 변형예를 도시한 것으로, 이 변형예에서 외피(12)내부의 코어는 불화칼슘 분말(22)와 수소 감소제 분말(24)만을 포함한다. 이 실시예에서, 외피(12)를 형성하는 금속은 합금화 착용제를 포함한다. 합금화 작용제의 조성을 다양화하는 것은 본 발명의 부분이 아니며, 실질적으로 단일의 성분, 즉 코어내에 합금화 분말과 함께 불화탄소, 적합하게는 부가적인 수소 감소제가 포함된다는 개념에만 관련되는 본 발명을 벗어나지 않는 범위에서 합금화 작용제의 조성은 조정될 수 있는 것이다. 알수 있는 바와같이, 본 발명은 특정한 용접작업을 수행하기 위해 합금화 작용제의 선정과 관련된 개념 및 기술을 목표로 하는 것은 아니다.

제 3 도를 참조하면 코어내의 불화칼슘 입자는 전극 총 중량의 약 1.6%이하이다. 1%에서, 또는 불화칼슘의 최대 함량에 가까운 위치에서 용접의 품질은 그 만족성이 감소하기 시작하며, 약 1.6%가 넘는 값에서는 용접금속이 여러 용접위치에서 고항복강도 강을 용접하는데 사용하기에는 만족스럽지 않게 된다. 불화칼슘이 감소함에 따라, 용착 금속중의 산소량이 증가한다. 고항복강도 강의 항복강도가 증가함에 따라, 군용 규격을 만족하고 만족할 만한 충격강도를 부여하도록 보다 적은 양의 산소가 용착 금속중에 포함될 수 있다. HY-130과 같이 보다 높은 범위에 있는 고항복강도 강에 대해서는, 용착금속중의 산소 함유량이 HY-80과 같은 고강도강에 대한 것보다 작아야 한다. 따라서, HY-130에 대한 불화칼슘의 최소 함량은 그래프 상에서 A위치에 있다. HY-80과 같은 보다 낮은 강도를 가지는 고강도 강에 있어서는, 용착 금속중에 포함되는 산소가 약간 더 높을수도 있다. 이는 그래프상에서 B위치에 도시되어 있다.

따라서, 불화칼슘의 하한값은 본 발명을 특별히 적용할 수 있는 고항복강도 강의 항복강도에 따라 달라진다. 모든 실시예에서, 용착 금속합금은 고항복강도 강을 용접하는데 요구되는 낮은 산소 함량을 가진다. 본 발명을 설명하고 본 발명을 실시하는데 요구되는 불화칼슘의 하한값을 보여주는 제 3 도에서만 더 많은 산소를 포함할 수 있음이 도시되어 있다.

제 4 도의 그래프를 참조하면, 불소함유 중합체의 백분율이 용착 금속중의 확산성 수소와 비교되어 있다. 수소량의 값은 통상 ppm과 직접적으로 같은 관계에 있는 매개변수 ml/100g으로 표시된다. 실제로, 고항복강도강은 2.0ppm보다 작은 확산성 수소를 가져야 한다. 1.0ppm이하의 수소량은 현장에서 사용하는데는 적용할 수 없는 극도로 조절된 조건하에서 이외에는 대체로 달성될 수 없다. 알 수 있는 바와 같이 금속 합금화 분말과 불화칼슘 분말을 혼합함으로써, 수소 감소제가 전혀 없어도 2.0ppm이하의 수소를 함유하려는 목적이 달성된다. 그러나, 본 발명의 특징에 따르면, 수소 감소제를 포함함으로써 용착 금속중의 수소가 훨씬 더 감소된다. 실시예 A에서 그러하였듯이 0.16%의 불소함유 중합체를 포함함으로써, 소량의 수소 감소제만으로도 용착 금속중이 수소를 급격히 감소시키게 된다. 따라서, 이러한 본 발명의 적합한 실시예와 본 발명의 일특징은 용착 금속중의 해로운 확산성 수소량을 감소시키는 수소 감소제를 사용하는 것과 관련된다. 제 4 도에서 상부의 실선 그래프는 3/8인치에 대한 전기적 스틱 아웃(stick out)을 나타내며, 하부의 실선 그래프는 3/4인치에 대한 전기적 스틱 아웃을 나타낸다. 알 수 있는 바와같이, 전극(10)의 코어에 이러한 감소제를 사용하는 것은 수소와 관련하여 스틱 아웃에 대한 매우 작은 민감도를 가진다. 이것은 이처럼 낮은 양으로 확산성 수소를 최소화하기 위한 어떤 다른 배합 보다도 우수한 장점이 된다. 이러한 2개의 그래프는 실시예 A까지 연장되어 도시되어 있다. 그러나, 이들 그래프는 불소함유 중합체가 0.4%에서 극도로 낮은 수소를 함유하는 실시예 B까지 연장될 수 있다. 황을 전극중량의 0.008%이하 및 0.004% 정도의 낮은 수준으로 감소시키는 것이 어떻게 마그네슘을 0.16%로부터 0.3%이하로 감소시켜 중합체를 증가시키는지를 보이기 위하여, 실시예 B를 표시하였다. 실시예 B는 황이 약 0.004%이고 마그네슘이 약 0.3이하인 실제예에 해당한다. 이때, 용착금속은 약 0.6ppm의 확산성 수소를 가졌다. 이러한 수준은 이전에는 현장용으로 얻어질 수 없었던, 고강도 강 용착에 있어 탁월한 수준에 해당한다.

Claims (8)

1. 용접재에 플럭싱 작용을 제공할 수 있는 양의 분말형 불화칼슘으로 형성된 단일성분의 플럭스 시스템을 포함하는 압축된 코어를 둘러싸고 있는 강제외피를 구비하며, 상기 코어는 용착금속중의 확산성 수소량을 감소시키시 위한 작용제를 0.4%까지 구비하며, 상기 작용제는 불소 함유 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 용접용 소모성 용접재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 상기 용접재 총중량의 1.6%이하의 불화칼슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 코어는 상기 용접재 총중량의 0.1 내지 0.9%의 불화칼슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 상기 용접재 총중량의 0.3 내지 0.40%범위의 수소 감소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 분말형 금속 합금화 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 코어는 분말형 금속 합금화 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 합금화 물질 및 상기 강제 외피는 상기 용접재 총중량의 0.2%이하의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 합금화 물질 및 상기 강제 외피는 망간, 규소, 몰리브덴, 니켈 및 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접재.