KR100355581B1 - 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ti, Si, Mg, K, Na 등의 금속 및 산화물로 구성되며, K2O, Na2O 및 SiO2등 특정 성분 사이에는 특정 상관 관계식을 만족시키는 플럭스로 충진되어 연강 및 고장력강의 용접에서 우수한 성능을 갖도록 한 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
본 발명의 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 외피인 금속제 쉬드를 포함한 와이어 전체 중량을 기준으로 하여, TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 3.0∼8.0wt%와, SiO2환산치로서 Si 및 Si 산화물 0.5∼2.0wt%와, Mn 환산치로서 금속 Mn 및 합금 1.5∼3.5wt%와, C 0.02∼0.10wt%와, MgO 환산치로서 Mg 및 Mg 산화물 0.5∼1.5wt%와, Na2O와 K2O의 화합물을 합하여 0.2wt% 이하와, ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 0.1∼0.5wt%와, Al2O3환산치로서 Al 및 Al 산화물 0.2∼0.8wt%로 구성되는 동시에, 특정 성분들을 상호 일정 범위의 성분비를 만족시키도록 조절함에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 플럭스 성분 조성과 각 성분들의 함량비를 적절하게 조절함으로써 용접 속도 향상에 효과가 있을 뿐 아니라, 수평필렛 및 입향상진 자세에서의 용접 비드 처짐현상이 방지되어 용접작업 후의 수정작업이 최소화 되고, 용접작업의 능률향상과 안정성이 확보되는 이점이 있다.

Description

가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어{Flux cored wire for gas shield arc welding}
본 발명은 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로, 더 자세하게는 Ti, Si, Mg, K, Na 등의 금속 및 산화물로 구성되며, K2O, Na2O 및 SiO2의 특정 성분 관계를 만족시키는 플럭스를 금속 쉬드 내에 충진시켜 연강 및 고장력강의 용접에서 우수한 성능을 갖도록 한 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
일반적으로 금속의 용접에 가장 널리 사용되는 용접법은 용접재(전극 또는 용가재)와 피용접재(모재) 사이에 저전압 고전류의 전원을 인가하여 발생하는 아크 열로서 상기 두 재료를 용융시켜 모재와 모재를 결합시키는 아크 용접으로서, 아크 용접은 크게 두 가지 형식으로 구분된다.
그 하나는 용극식 아크 용접으로서 용접봉을 전극으로 사용하여 모재와 전극 사이에서 발생하는 아크 열에 의하여 전극 역할을 하는 용접봉과 모재가 용융되면서 용접금속 즉, 용접부에 형성되는 비드(bead)가 되는 형태로서 피복 아크 용접,서브머지드 아크 용접, 탄산가스 아크 용접, 미그 용접 등을 들 수 있다.
다른 한 방법으로는 비용극식 아크 용접으로서 전극은 단지 아크를 발생시키는 역할만을 하기 때문에 용접금속을 얻기 위해서는 별도의 용가재(熔加材)를 아크 발생 범위내에 넣고 용융시켜야 한다. 이러한 방법의 대표적인 것으로는 티그 용접과 원자수소 용접 등을 들 수 있다.
상기의 아크 용접법 중에서 피복 아크 용접을 제외한 다른 용접법들은 용접시 아크 열에 의하여 용융된 액상의 금속이 형성되어 있는 용접지(熔接池)의 산화를 방지하거나 용융 금속의 분위기 조절을 위하여 불활성 가스나 이산화탄소 가스 등을 용접지 부근에 공급하여 용융 금속과 공기의 접촉을 차단시키기 때문에 가스 쉴드 아크 용접(gas-sheilded arc welding)이라고도 한다.
즉, 가스 쉴드 아크 용접은 미그 또는 티그 용접과 같이 불활성 가스를 사용하는 용접법과 가격이 싼 이산화탄소 가스를 이용하는 용접법의 두 가지로 대별되며, 이러한 용접법들에 사용되는 용접재로는 솔리드 와이어 또는 플럭스 코어드 와이어가 사용되나, 특수한 목적이 아닌 경우 비드의 형상이 좋으며 슬래그 도포성 및 제거성이 좋고 용착 속도가 빠른 플럭스 코어드 와이어의 사용이 증가되고 있다.
고효율의 용접 방법으로서, 자동차, 조선, 건축 등의 다양한 산업 분야에서 널리 적용되고 있는 가스 쉴드 아크 용접에 사용되는 용접 메체로서 상기 플럭스 코어드 와이어는 적절한 성분으로 조성된 플럭스가 금속 쉬드 내에 충진된 것으로서, 이는 용접 작업성이 양호하고 아크 안정성이 좋기 때문에 스패터(spatter) 발생량이 적을 뿐 아니라 균일한 용접 비드 형상을 얻을 수 있는 장점이 있다.
가스 쉴드 아크 용접 작업의 성력화 및 고능률화를 위하여 하향 및 수평 필렛 등의 용접에서는 다른 용접 분야보다 50% 이상의 속도 증가가 요구되기도 하며, 이를 위하여 플럭스 코어드 와이어의 주성분 플럭스 입도 분포를 조절하거나, 슬래그 형성제의 구성비를 조정하여 아크를 안정시켜 용접 속도를 증가시키는 방법이 모색되기도 하였으나, 용접 속도의 향상 보다는 비드 외관의 개선 측면에서 그 효과가 더욱 컸다.
그리고, 용접 속도를 높이기 위하여 다전극 용접을 실시하게 되면 용접 설비와 주변 설비가 복잡하게 되어 용접 설비에 대한 투자 비용이 상승되는 문제가 있다.
본 발명은 상기에서 살펴본 종래 플럭스 코어드 와이어의 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 전자세 용접성이 우수하며 특히, 입향 상진 용접의 편리성과 단전극에 의한 고속의 수평 필렛 용접이 가능한 동시에 우수한 비드 형상이 가능한 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, 플럭스의 양을 용접용 와이어 전체 중량의 10∼20%, 플럭스에 의하여 충진되는 쉬드를 와이어 전체 중량의 80∼90%가 되도록 구성하고,상기 플럭스 중에 기타 성분으로서의 철분과 탈산제 및 아크 안정제 등을 함유시키되, 기타 성분의 총량을 와이어 전체 중량의 5∼15%가 되도록 한 다음, 기타 성분까지 함유한 플럭스를 연강제 쉬드 내에 충진한 플럭스 코어드 와이어에 의하여 달성된다.
본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 연강제 쉬드의 중공에 일정 범위 조성의 플럭스가 충진되는 구조로서, 충진 플럭스를 구성하는 성분은 와이어의 전체 중량을 기준으로 하여, TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 3.0∼8.0wt%와, SiO2환산치로서 Si 및 Si 산화물 0.5∼2.0wt%와, Mn 환산치로서 금속 Mn 및 합금철 1.5∼3.5wt%와, C 0.02∼0.10wt%와, MgO 환산치로서 Mg 및 Mg 산화물 0.5∼1.5wt%와, Na2O와 K2O의 화합물을 합하여 0.2wt% 이하와, ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 0.1∼0.5wt%와, Al2O3환산치로서 Al 및 Al 산화물 0.2∼0.8wt%로 조성됨에 기술적 특징이 있다.
또한, 상기 조성 범위 내에서 플럭스를 구성하는 각 성분들은 다음 식 1과 2를 만족하여야 한다.
상기 플럭스를 구성하는 각 성분들의 함량에 따른 용접성에의 영향은 다음과 같다.
Ti은 금속 Ti 및 산화물의 형태로 첨가되며, 금속분말 또는 철 합금의 형태로 첨가되면 강력한 탈산작용을 함으로써 TiO2를 생성하게 되고, 이때 생성된 TiO2는 슬래그 형성제로 작용하여 비드의 피포성을 개선시키는 역할을 한다. 그리고, 산화물의 형태로 첨가되는 Ti은 슬래그 형성제로 작용하여 비드의 피포성 개선과 함께 형상을 조절하는 기능을 수행하기 때문에, TiO2로의 환산 함량이 3.0wt% 미만일 경우에는 슬래그 생성량이 부족하여 하향 및 수평 필렛의 고속 용접에서 슬래그 피포성이 열악해지고 비드의 형상이 불량해질 뿐 아니라, 입향 상진 자세에 있어서는 비드의 처짐 현상이 발생되며, 그 함량이 8.0wt%를 초과하게 되면 수평필렛 자세에서의 비드의 융합성이 떨어진다.
단독 또는 화합물의 형태로 첨가되는 Si는 금속 쉬드 내에 함유된 Si와 함께 용착금속의 탈산을 촉진하는 동시에 슬래그 형성제로서의 역할을 수행할 뿐 아니라, 슬래그에 적절한 유동성을 부여해 주는 성분으로서, 그 함량이 SiO2로 환산하여 0.5wt% 미만일 경우에는 슬래그의 유동성이 떨어질 뿐 아니라 블로우 홀과 같은 용접부 결함이 발생하게 되며, 2.0wt%를 초과하게 되면 용착금속의 저온 충격 특성이 떨어지게 된다.
Mn은 용착금속에 대한 탈산제로서 대표적 용접 결함인 블로우 홀 밑 피트의 발생을 억제하고 용접부의 기계적 강도와 인성을 향상시키는 성분이나, 그 함량이 1.5wt% 미만일 경우에는 탈산제로서의 기능이 떨어지고 용접부의 강도와 인성 향상의 효과도 미미하게 되며, 3.5wt%를 초과하면 용착금속의 과잉 탈산에 의하여 비드 외관이 불량해진다.
C는 플럭스와 금속 쉬드에 함유되어 용접금속의 강도를 향상시키나, 총 함량이 0.02wt% 미만일 경우에는 그 효과가 거의 없으며, 0.10wt%를 초과하게 되면 용접시 스패터와 흄 발생이 증가하여 용접 작업성이 저하하게 된다.
Mg은 일반적으로 Al, Ti과 함께 강력한 탈산제로 사용되며, MgO은 슬래그 형성제로 사용되는 성분으로서, MgO로 환산한 총 함량이 1.5wt%를 초과하면 용접 비드에 대한 슬래그 피포성이 떨어져 비드 외관이 불량해지고 0.5wt%에 미치지 못하게 되면 용접금속에 대한 탈산작용과 비드의 처짐 방지 효과가 없어진다.
Zr은 주로 Fe-Zr 또는 Zr 샌드로 첨가되는 성분으로서, 용접시 생성되는 ZrO2은 특히 수평 필렛 용접시 비드의 융합성을 향상시키는 효과가 있으며, ZrO2로의 환산량이 0.1wt% 미만에서는 그 효과가 미미하고, 0.5wt% 초과시에는 수평 필렛 용접시 용접 비드의 형상이 불량해진다.
Al은 대표적인 탈산제로서 용융금속의 탈산을 돕고, 탈산 작용에 의하여 생성된 Al2O3는 슬래그의 응고점을 상승시킴으로써 입향 상진 자세의 용접 작업에서는 비드의 흘러내림을 억제하여 비드의 형상을 개선시키는 역할을 하나, Al2O3로서의 환산량이 0.2wt% 미만에서는 그 효과가 극히 적고, 0.8wt%를 초과하게 되면 수평 필렛 용접시 비드의 형상 불량을 초래하게 된다.
그리고, 상기에서 설명한 바와 같이 SiO2는 슬래그 형성제로서 슬래그 피포성과 점성 조절에 의하여 비드의 형상을 조절하며, K2O와 Na2O는 슬래그의 융점을 낮추어 슬래그의 유동성을 개선시키면서 아크의 안정성 향상시키는 역할을 하나, 상기 식 1의 값이 0.1 미만일 경우에는 아크 안정성 향상 효과가 거의 없으며, 0.3을 초과하게 되면 용접시 슬래그의 융점이 낮아져 입향 상진 자세의 용접작업시 비드의 흘러내림 현상이 일어나기 쉬울 뿐 아니라 용접흄의 발생이 증가하게 된다.
상기와 같은 조성 범위를 갖는 플럭스와 KS D 3512 SPCC 규격의 금속 쉬드를 사용하여 직경 1.4mm인 본 발명 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하여 비교예 와이어에 대한 용접 작업성과 성능을 비교 시험하였으며, 이때의 용접 조건과 실시예 및 비교예 와이어의 화학 조성은 표 1 및 표 2와 같다.
구 분 용 접 조 건
용 접 자 세 수 평 필 렛 입 향 상 진
모 재 종 류 KS D 3515 SM490A
모 재 두 께 12 mm
용 접 전 압 38 V 26 V
용 접 전 류 380 A 240 A
용 접 속 도 100 cm/분 -
쉴 드 가 스 100% CO2
가스공급량 20 l/분
구분 플럭스 코어드 와이어의 화학성분(wt%)
TiO2 SiO2 MgO ZrO2 Al2O3 Mn C K2O+Na2O
실시예 1 6.0 1.5 1.0 0.2 0.6 3.0 0.04 0.16
2 5.8 1.2 1.0 0.2 0.4 3.0 0.04 0.16
3 6.2 1.2 0.8 0.2 0.4 3.0 0.04 0.14
4 6.0 1.0 0.8 0.2 0.6 3.0 0.03 0.16
5 6.2 1.4 0.8 0.2 0.6 3.0 0.03 0.16
6 6.0 1.4 0.8 0.2 0.4 2.5 0.03 0.14
7 5.0 1.5 1.0 0.2 0.4 2.5 0.03 0.18
비교예 8 6.0 2.4 1.0 0.6 0.4 2.5 0.03 0.14
9 2.5 1.5 1.0 0.2 0.4 2.5 0.03 0.14
10 6.2 1.5 2.0 0.2 0.6 3.0 0.04 0.14
11 6.0 1.4 0.8 0.2 0.0 3.0 0.04 0.12
12 6.2 1.4 0.8 0.2 0.4 4.0 0.04 0.14
13 6.0 1.4 0.8 0.2 0.6 3.0 0.03 0.24
14 5.0 1.5 1.0 0.0 0.6 3.0 0.03 0.14
상기 각 용접용 플럭스 코어드 와이어에 대한 수학식 1과 2의 값은 다음의 표 3과 같다.
구분 플럭스 성분의 수식비
수학식 1의 값 수학식 2의 값
실시예 1 0.10 1.86
2 0.13 2.00
3 0.12 2.00
4 0.16 2.16
5 0.11 1.94
6 0.10 1.80
7 0.12 1.84
비교예 8 0.06 1.38
9 0.09 2.66
10 0.09 1.94
11 0.09 2.02
12 0.10 2.33
13 0.17 1.97
14 0.09 2.16
상기의 용접 조건 하에서 실시한 수평필렛 및 입향상진 자세에서의 용접 작업에 대한 평가 결과를 다음의 표 4와 5에 나타내었다.
구분 용접작업성 평가(수평필렛자세)
아크 안정성 스패터 발생량 슬래그 박리성 비드 형상
실시예 1 ◎ ◎ ◎ ◎
2 ○ ○ ○ ○
3 ◎ ◎ ◎ ○
4 ◎ ○ ◎ ○
5 ◎ ◎ ◎ ○
6 ○ ○ ◎ ○
7 ○ ○ ◎ ○
비교예 8 △ △ ○ △
9 × × × △
10 △ × ○ △
11 ○ △ △ △
12 △ △ ○ △
13 ◎ ○ ◎ △
14 △ △ ○ △
구분 용접작업성 평가(입향상진 자세)
아크 안정성 스패터 발생량 슬래그 박리성 비드 형상
실시예 1 ◎ ◎ ◎ ○
2 ○ ○ ○ ○
3 ◎ ◎ ◎ ○
4 ◎ ○ ◎ ○
5 ◎ ○ ◎ ○
6 ○ ○ ◎ ○
7 ○ ○ ○ ○
비교예 8 △ △ ○ ×
9 × × × △
10 △ × ○ △
11 ○ △ △ △
12 △ × ○ ×
13 ◎ ○ ○ ×
14 △ △ ○ △
본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 상기 표 4와 5에서 알 수 있듯이 수평필렛 및 입향상진 자세 모두에서 양호한 결과를 보이고 있으나, 비교예 플럭스 코어드 와이어의 경우에는 바람직한 결과를 얻지 못하였다.
상기 비교예 플럭스 코어드 와이어의 용접 결과를 본 발명 성분 조성 범위 기준에 의하여 설명하면 다음과 같다.
비교예 8은 SiO2의 함량 및 수학식 1과 2를 만족하지 못하여 비드의 형상이 불량해지고 특히, 입향상진 자세의 용접에서 용융금속의 흘러내림 현상이 발생하였으며, 비교예 9의 경우는 TiO2의 함량이 부족하여 아크가 불안할 뿐 아니라 스패터 발생량이 많고 슬래그 포피성이 좋지 않다.
비교예 10의 경우에는 MgO 함량이 기준 범위를 초과하고 플럭스 조합비가 불안정 영역에 있는 관계로 아크가 안정화되지 못하고 스패터 발생량이 많으며, 비교예 11은 Al2O3가 거의 함유되지 않은 상태로서 슬래그의 응고점 조절이 용이하지 못하여 수평필렛 및 입향상진 자세에서의 용접시 비드의 형상이 만족스럽지 않았고, 비교예 12 내지 14는 각각 Mn과 K2O+Na2O 및 ZrO2의 함량이 기준 범위를 벗어남으로써 아크 안정성이 떨어지고 스패터 발생량이 많아 지거나 용접 흄의 발생이 많아지는 등 용접 작업성 측면에서 바람직하지 않았다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어는, 플럭스 성분 조성 뿐 아니라 각 성분들의 함량비를 적절하게 조절함으로써 보다 빠른 용접 속도에서도 용접이 가능할 뿐 아니라, 수평필렛 및 입향상진 자세에서의 용접 비드 처짐현상이 방지되어 용접작업 후의 수정작업이 최소화 되고, 용접작업의 능률향상과 안정성이 확보되는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 용접용 플럭스 코어드 와이어로서, 와이어의 전체 중량을 기준으로 하여 TiO2환산치로서 Ti 및 Ti 산화물 3.0∼8.0wt%와, SiO2환산치로서 Si 및 Si 산화물 0.5∼2.0wt%와, Mn 환산치로서 금속 Mn 및 합금 1.5∼3.5wt%와, C 0.02∼0.10wt%와, MgO 환산치로서 Mg 및 Mg 산화물 0.5∼1.5wt%와, Na2O와 K2O의 화합물을 합하여 0.2wt% 이하와, ZrO2환산치로서 Zr 및 Zr 산화물 0.1∼0.5wt%와, Al2O3환산치로서 Al 및 Al 산화물 0.2∼0.8wt%로 구성되며, 동시에 다음의 수학식 1과 2를 만족하는 성분 범위로 조성됨을 특징으로 하는 가스 쉴드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어.
    수학식 1
    수학식 2
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