KR960002526B1

KR960002526B1 - 육성용 용접와이어(Wire)

Info

Publication number: KR960002526B1
Application number: KR1019930030036A
Authority: KR
Inventors: 백응률; 안상호; 김낙준
Original assignee: 산업과학기술연구소; 백덕현
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1996-02-22
Also published as: KR950017061A

Abstract

내용 없음.

Description

육성용 용접와이어(Wire)

제1도는 육성용접부의 단면도.

제2도는 자동 용접와이어 제조공정도.

제3도는 고크롬철계 합금의 제1층 용접부중 모재 근처의 미세조직의 현미경 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 아크열에 의해 용해된 모재부 2 : 새로 형성된 육성부

3 : 육성용접층 4 : 모재

5 : 후프릴(Hoop Reel) 6 : U형 가공롤

7 : 플럭스 호퍼(Hopper) 8 : 플럭스 배출구

9 : 성형롤 10 : 인발다이

11 : 와이어 권취기

본 발명은 육성용 용접와이어에 관한 것으로, 특히 용접와이어의 합금성분의 희석율이 낮은 용접와이어에 관한 것이다.

일반적으로 용접기술로 분류될 수 있는 것은 크게 보아서 대상 모재를 접합시키는 접합용접, 손상된 부분을 보수하거나 대상 모재의 표면에 목적성 특질을 부여하기 위한 육성용접과 대상 재료를 용도에 따라 잘라내는 절단이 있다. 육성용접의 경우에 있어서, 모재표면에 그 사용환경에 따라 내마모성, 내식성 또는 내열성을 부여하기 위하여 그 목적에 부합하는 합금성분을 포함하는 용접봉이나 용접와이어와 같은 용접재료를 사용하여 용접을 수행한다. 특히 이에 사용되는 용접와이어는 연속적인 와이어 형태이므로 무인자동용접방식에 의한 연속용접의 경우에 사용될 수 있는 것이다. 자동용접기에 사용되는 용접와이어는 그 중공부에 플럭스재를 충전한 튜브라(Tubular)형의 와이어가 일반적으로 사용된다.

통상적으로, 용접와이어는 그 희석율이 낮아야 용접와이어가 갖고 있는 금속적 성질을 왜곡이 적은 상태로 대상모재의 표면에 부여할 수 있다. 따라서 희석율이 낮은 용접와이어는 고합금의 육성층을 얻고자 할 때 매우 적합하므로, 제철소의 원료 및 소결광의 처리시설의 스크린, 호퍼(Hopper), 시멘트 공장의 파쇄를, 화력발전소의 원료탄 장입부 등과 그 밖에 일반적인 롤(Roll)을 육성용접할 때 사용될 수 있다. 용접와이어의 합금성분의 희석현상은 육성용접시 용접와이어와 모재가 용융되어 섞일 때 용접금속의 합금원소의 함유율이 용접와이어의 그 함유율보다 낮아지는 것을 말한다. 이는 통상적으로, 육성용접의 경우에 사용되는 용접봉이나 용접와이어는 그 목적상 모재보다 높은 합급성분을 함유하거나 추가적인 합금성분을 포함하고 있기 때문에 일어난다. 제1도는 육성용접부의 단면도이다. 1은 아크열에 의해 용해된 모재부이며, 2는 새로 형성된 육성부이며, 3은 육성용접층이며 4는 모재이다. 여기서 희석율은 제1도에서[(체적 1)/(체적 1+체적 2)]×100의 값으로 정의한다. 이때 용접조건이 일정하여 용접비드의 단면형상이 일정한 직선형의 용접의 경우에는 체적 대신에 각각의 단면적의 값을 대입하여 희석율을 구할 수도 있다. 여기서의 희석율은 육성용 용접와이어를 기준으로 설정된 개념으로 용접와이어의 합금성분의 희석정도 즉 용접와이어의 물성의 변화 정도를 알기 위해 구하는 수치로 그 값이 낮을수록 좋다. 그러나 희석율이 너무 낮게 되면 접합력이 약해진다.

종래의 기술에 있어서, 용접와이어의 제조공정은 제2도와 같다. 용접와이어 제작용으로 준비된 두께가 1㎜ 이하이고 폭이 1㎝ 내외인 냉연 후프(Hoop)가 U형 가공롤(6)을 지나면서 U형태로 가공된 후 플럭스호퍼(7)에서 떨어진 플럭스가 이에 담기면서 담배가 말리듯이 성형롤을 지나 직경 3㎜ 내외의 와이어 형태로 말린다. 이때 와이어의 내부에는 플럭스가 충전된 상태이다. 와이어 내부에 충전된 플럭스는 통상적으로 금속분말 혹은 무기물 분말이 사용되며 경우에 따라서는 서로 섞어 함께 사용하기도 한다. 그리고 플럭스가 후프보다 가격이 비싸므로 가능한 한 충전되는 플럭스의 양은 적게 하고 두꺼운 후프를 사용한다. 또한 자동용접시 용접와이어는 전극의 역할도 하게 되므로 플럭스 충전율과 후프의 두께는 같은 용접조건에서 아크열 발생에 영향을 주는 것이다. 현재 일반적으로 사용되는 육성용 용접와이어의 예는 다음과 같다.

롤의 육성용접에 사용되는 용접와이어는 사용 후프의 두께가 0.45-0.6㎜이고 플럭스 충전율이 25-35%이다.그리고 소결광 스크린과 같은 웨어플레이트(Wear Plate)의 육성용 용접와이어는 후프의 두께가 0.3-0.4㎜이고 플럭스의 충전율이 40-47%이다. 여기서 플럭스의 충전율이란 와이어 내부에 충전된 플럭스양의 정도를 나타낸 것으로서 [(와이어 내부에 충전된 플럭스 무게)/(와이어 총무게)]×100을 의미한다. 희석율은 실험조건 즉 사용전압, 사용전류나 용접속도 또는 용접환경과 같은 용접조건에 따라 다른 값을 가질 수 있지만 이들 종래의 용접와이어를 사용하여 육성용접을 하는 경우 희석율은 평균 40-55% 정도로 높다.

현재 일반적으로 사용되는 육성용 용접와이어는 희석율이 높기 때문에 특히 1-2층의 육성용접을 하는 박판의 육성용접의 경우에는 제1층 육성부에서의 재질이 요구되는 조건보다 낮아지는 경향이 있어 문제가 되고 있으며, 용입 정도가 심해서 판에 구멍이 발생하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 희석에 의한 용접와이어의 합금성분의 저하 정도가 개선된 용접금속을 얻을 수 있는, 희석율이 종래보다 낮은 육성용 용접와이어를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 용접와이어는, Fe, Cr, C, Si, Mn과 Mo, V, W, Nb 중 선택된 적어도 하나 이상이 함유된 냉연강 후프를 튜브라(Tubular)형태로 가공하여 만든 외피와, Fe분말에 Cr, Mo, Si, Mn, Nb, W, V, C 원소군 중에서 용접 대상 모재의 합금성분에 따라 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 분말을 더 포함하는 금속분말재 및 TiO₂, MgO, SiO₂, Na₃AlF₆를 포함하는 무기물분말재로 이루어진 플럭스 조성물이 상기 튜브라 내에 충전된 육성용 용접와이어에 있어서, 상기 외피의 두께는 0.25-0.34㎜로 형성되고, 그 내부에 충전되는 플러스의 플럭스의 충전율은 48-55%인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 육성용 용접와이어에 있어서, 특히 상기 외피의 두께는 0.27-0.3㎜로 형성되고, 플럭스 충전율은 52-55%인 것이 바람직하다.

이러한 특징에 의해 제1층 육성부 용접금속이 용접와이어와 같은 정도로 높은 합급성분을 가직 수 있게되며 얇은 두께의 고합금의 육성층 형성 작업이 가능하게 된다. 또한 종래의 용접와이어는 용입 깊이가 3㎜ 내외이지만 본 발명의 용접와이어는 용입 깊이가 1㎜ 내외여서 보다 얇은 판에의 육성용접도 가능하다.

한편, 상기 냉연강 후프는 종래의 육성용 용접와이어 제조에 사용되는 것과 동일한 것으로 적용가능하며, 통상 Fe, Cr, C, Si, Mn과, Mo, V, W, Nb중 선택된 적어도 하나 이상의 원소가 함유된 성분을 가진다.

본 발명에 의한 용접와이어의 구성요소의 작용과 그 조성 또는 형상이 갖는 의미는 다음과 같다.

플럭스 : 와이어 내부에 충전되는 플러스는 아크용접시 발생하는 아크열을 흡수하게 되므로 가능한 한 충전율이 높을수록 동일 입열량의 조건이면 모재로의 열량이입이 적게되어 희석율을 줄일 수 있다. 플럭스의 충전율이 48% 이하이면 아크열 흡수에 의한 희석율 개선효과가 뚜렷하지 않다. 플럭스ㅢ 충전율이 높을수록 희석율 개선효과는 뚜렷하다. 그렇지만 플럭스의 충전율이 50% 이상이면 플럭스의 금속분말을 아크 용접시에도 녹지 않을 정도의 조대한 것을 사용해야 하는 문제가 있다. 따라서 플럭스의 충전율은 48-55%인 것이 바람직하다. 충전율을 향상시키기 위해서는 첫째 사용 후프의 두께가 얇아야 하고, 후프의 폭이 좁아야 한다. 둘째 충전되는 플럭스의 겉보기 밀도가 높아야 한다. 플럭스의 겉보기 밀도는 플럭스를 구성하는 개개 분말들의 형상이 구형에 가깝고 비중이 높고 입자 크기가 굵고 유동도가 우수할수록 높아진다. 입자 크기가 0.5㎜ 이상이 되면 육성용접중 용융풀(liquid pool) 내에서 완전히 용해되지 않은 상태로 응고될 가능성이 높으므로 0.5㎜ 크기 이하의 금속분말을 사용해야 한다. 그리고 0.045㎜ 이하의 금속분말을 다량 사용할 경우 겉보기 밀도가 현격히 저하하므로 사용량을 제한해야 한다.

다음의 (표1)은 사용 플럭스의 겉보기 밀도에 따른 충전율을 나타낸 것이다. 이때 사용 후프는 두께가 0.3㎜, 폭이 12.7㎜이었다.

[표 1]

이때 사용하는 플럭스는 아크열의 흡수성이 높은 금속분말이 90% 이상이어야 한다. 플럭스 무기물 금속분말은 아크용접시 아크열에 의해 녹으면서 많은 아크열을 소비하지만, 무기물 성분은 아크열을 적게 소비하기 때문에 플럭스중 무기물 성분의 함량을 10% 이하인 것이 바람직하다.

후프 : 본 발명의 실시예에 사용한 후프의 성분은 0.04C-0.25Mn-나머지 Fe로 구성된 냉연 강재이다. 물성은 비커스 경도값 130 이하이고 인장강도 28-38㎏/㎝이고 연신율 35% 이상이다. 후프 선단과 모재 표면의 용접부 사이에서 아크가 발생되면서 용접이 이루어진다. 용접와이어의 경우에는 전기가 후프를 통해서 흐르게 되므로 후프의 두께가 0.34㎜ 이상으로 두꺼워지면 아크 생성용 전류량이 너무 커지게 되어 용접시 입열량이 많게 되어 모재의 과다 용융으로 희석정도가 심해진다. 그리고 후프의 두께가 얇을수록 입열량이 작게 되고, 그 결과 모재에 의한 희석율도 줄일 수 있다. 그러나 후프의 두께가 0.25㎜ 이하이면 와이어 가공시의 어려움과 용접시 와이어 송급성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 후프는 바람직하게는 0.25-0.34㎜, 더욱 바람직하게는 0.28-0.30㎜의 두께를 갖는다.

상기 냉연강 후프는 그 성분 및 조성범위의 다양함에 대해 구체적으로 한정하지 않았으나, 상술한 바 있는 종래의 육성용 용접와이어 제조에 사용되는 일반 냉연강 즉, Fe, Cr, C, Si, Mn과 Mo, V, W, Nb 중 선택된 적어도 하나 이상의 원소가 함유된 것을 이용한다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

플럭스 충전율이 49.64%이며 후프의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용하였다. 또한 웨어플레이트용 고크롬계 육성용접용 용접와이어로 논가스(Non-Gas)형이다. 용접와이어에 사용된 플럭스는 용접금속의 합금화를 고려한 크롬, 망간, 실리콘, 알루미늄, 탄소 등을 함유하는 금속분말과 용접시 용융금속을 대기로부터 보호해 주기 위한 쉴딩(Shielding)가스 발생재, 슬래그 형성재 등 용접성을 확보하기 위해서 첨가한 무기물 분말을 서로 건식혼합한 것을 사용하였다. 이때 건식혼합된 플럭스중의 금속분말 함량은 중량비로 90% 이상이었다.

여기서, 상기 금속분말은 Fe분말에 Cr, Mo, Si, Mn, Nb, W, V, C 원소군 중에서 용접 대상 모재의 합금성분에 따라 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 분말을 더 포함하고, 상기 무기물분말재는 TiO₂, MgO, SiO₂, Na₃AlF₆를 포함하여 이루어지는 통상적인 플럭스 조성물이 적용된다. 바람직하게는 상기 무기물분말재는 TiO₂0.1-4중량%, MgO 0.1-3중량%, SiO₂0.1-3중량%, Na₂AlF₆0.1-5중량%가 함유되는 것이 좋다.

이들 혼합 플럭스를 사용하여 제2도와 같은 공정을 거쳐 제조된 와이어의 직경은 3.2㎜이었다. 이렇게 제조된 용접와이어를 사용하여 자동용접기에 의해 육성용접을 실시했다. 이때의 용접조건은 30볼트, 380-400암페어이며, 용접비드의 폭이 5㎝되게 오실레이팅(Oscillating)하면서, 두께가 9㎜이고 연강판인 모재위에 제1층부 용접비드의 두께가 3-4㎜이도록 육성용접을 하였다. 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 25%이었고 용입깊이는 1.0-1.2㎜이었다.

[실시예 2]

플럭스 충전율이 54.0%이며 후프의 두께는 0.27㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 20%이었고 용입깊이는 0.8-1.0㎜이었다.

[실시예 3]

플럭스 충전율이 52.48%이며 후프의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 22%이었고 용입깊이는 0.9-1.1㎜이었다.

[실시예 4]

플럭스 충전율이 52.2%이며 후프의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 22%이었고 용입깊이는 0.9-1.1㎜이었다.

[실시예 5]

플럭스 충전율이 48%이며 후프의 두께는 0.34㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 27%이었고 용입깊이는 1.1-1.3㎜이었다.

[실시예 6]

플럭스 충전율이 49.49%이며 후프의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 25%이었고 용입깊이는 1.0-1.2㎜이었다.

[비교예 1]

플럭스 충전율이 46.1%이며 후의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 31%이었고 용입깊이는 1.2-1.5㎜이었다.

[비교예 2]

플럭스 충전율이 42.0%이며 후의 두께는 0.3㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 44%이었고 용입깊이는 2.4-2.7㎜이었다.

[비교예 3]

플럭스 충전율이 42.3%이며 후의 두께는 0.35㎜인 용접와이어를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후, 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 50%이었고 용입깊이는 2.9-3.1㎜이었다.

[비교예 4]

플럭스 충전율이 42.0%이며 후의 두께는 0.3㎜이고, 웨어플레이트용 고크롬철계 육성용접용인 동시에 논가스(Non-Gas)형인 용접와이어를 사용하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 45%이었고 용입깊이는 2.4-2.7㎜이었다.

[비교예 5]

플럭스 충전율이 46.0%이며 후프의 두께는 0.3㎜이고, 웨어플레이트용 고크롬철계 육성용접용인 동시에 논가스(Non-Gas)형인 용접와이어를 사용하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 육성용접을 수행하였다. 육성용접 후 수득한 결과물의 희석율 및 용입깊이를 측정한 바, 희석율은 40%이었고 용입깊이는 2.0-2.3㎜이었다.

[표 2]

(표2)로부터 알 수 있는 바와 같이, 충전율 48-55%이고 후프의 두께 0.25-0.34㎜인 본 발명의 용접와이어를 사용한 실시예 1-6의 경우에는 모두 희석율이 30% 이하로서 종래에 사용되어온 용접와이어를 사용한 비교예 4-5의 경우에서의 희석율40% 이상과 비교하면 희석율이 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 모재 방향으로의 용입깊이도 비교예 4-5의 2.0-2.7㎜에 비하면 실시예 1-6의 경우는 0.8-1.3㎜로서 사용 모재의 두께를 1-2㎜ 정도 더 얇은 것을 사용할 수 있게 되었다. 비교예 1과 비교예 2를 대비하면 후프의 두께는 같지만 충전율이 다르기 때문에 희석율이 달라졌음을 알 수 있다. 비교예 2와 비교예 3의 경우는 충전율이 비슷하지만 후프의 두께가 다르기 때문에 희석율이 달라졌음을 알 수 있다. 물론 비교예 1-3은 그 충전율 또는 후프의 두께가 본 발명의 범주를 벗어나기 때문에 희석율은 실시예의 경우보다 높음을 알 수 있다.

제3도는 고크롬계 합금의 제1층 용접부중 모재 근처의 미세조직의 현미경 사진이다. 제3a도에서는 비교예 4의 육성용접 후 수득한 결과에 대한 사진이고 제3b도는 실시예 2의 육성용접 후 수득한 결과에 대한 사진이다. 다량의 합금성분을 가지는 종래의 고크롬철계 육성용접재의 경우 용접시 희석으로 인해서 모재 근처의 육성용접부는 충분한 합금화가 이루어지지 않아서 내마모성을 개선시켜 주는 고크롬계 합금 특유의 다각형인 크롬계 탄화물을 형성할 수 없었다(제3a도 참조). 그러나 본 발명의 용접와이어의 경우는 희석율이 낮고, 합금의 충전율이 높아 모재 근처의 제1층 용접부에서도 크롬계 탄화물이 잘 발달된 용접육성층을 얻을 수 있었다(제3b도 참조).

상술한 바와 같이 본 발명의 용접와이어는 후프의 두께가 얇고 금속성분이 90% 이상인 플럭스의 충전율이 48% 이상으로 매우 높아 용접시 모재금속으로의 용입깊이가 작고 동시에 희석율이 낮은 자동용접기의 육성용 용접와이어이다. 따라서 본 발명의 와이어를 사용한 육성용접의 수행은 종래의 용접와이어에 비해서 보다 얇은 모재에 대해서도 가능하며 이에 의해 가벼운 웨어플레이트를 제작할 수 있다. 그리고 희석율이 낮아 모재 근처의 육성부에서도 충분한 합금화가 이루어진 육성층을 얻을 수 있다.

Claims

Fe, Cr, C, Si, Mn과, Mo, V, W, Nb중 선택된 적어도 하나 이상이 함유된 냉연강 후프를 튜브라(Tubular)형태로 가공하여 만든 외피와 ; Fe분말에 Cr, Mo, Si, Mn, Nb, W, V, C 원소군 중에서 용접 대상 모재의 합금성분에 따라 선택되는 적어도 1종 이상의 원소분말을 더 포함하는 금속분말재 및 TiO₂, MgO, SiO₂, Na₃AlF₆를 포함하는 무기물분말재로 이루어진 플럭스 조성물이 상기 튜브라 내에 충전된 육성용 용접와이어에 있어서, 상기 외피의 두께는 0.25-0.34㎜로 형성되고, 그 내부에 충전되는 플럭스의 충전율은 48-55%인 것을 특징으로 하는 육성용 용접와이어.
제1항에 있어서, 상기 외피의 두께는 0.27-0.3㎜로 형성되고, 플럭스 충전율은 52-55%인 것을 특징으로 하는 육성용 용접와이어.