KR100641509B1 - 미리 합금화된 분무 원소를 이용하는 서브머지드 아크 용접 방법 - Google Patents

미리 합금화된 분무 원소를 이용하는 서브머지드 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 용융 전극 와이어와 조합된 미리 합금화된 분무 분말을 사용하는 SAW법에 관한 것이다. 전극 와이어는 합금 처리되지 않은 금속 또는 저합금 금속이고 금속 분말은 전극 와이어보다 높은 퍼센트를 포함하는 금속 분말이다.

Description

미리 합금화된 분무 원소를 이용하는 서브머지드 아크 용접 방법{SUBMERGED ARC WELDING METHOD USING ATOMISED PREALLOYED ELEMENTS}
본 발명은 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)용 금속 분말, 특히 서브머지드 아크 용접에 의해 금속 표면을 코팅하기 위한 고 합금 금속 분말(high-alloy metal powder)의 이용에 관한 것이다.
서브머지드 아크 용접(SAW)법은 잘 알려진 방법이며, 그 원리는 Welding Handbook No 2, 4판(1958년) Chapter 28, Section 2의 "용접 공정(Welding Processes)"에 설명되어 있다.
현재 SAW법은 용접 및 표면 코팅에 대해 매우 합리적인 방법으로 여겨진다. 이 방법이 합리적이기는 하지만 생산성을 높이는데도 관심이 모이고 있다. 생산성을 높이는 방법 중 하나는 높은 암페어와 조합해서 다중 와이어 시스템(multi-wire systems)을 사용하는 것이다. 다른 방법으로서는 전체 용접 공정 동안 정밀하게 계산된 양의 금속 분말을 용접 이음부에 추가하는 것이다. 금속 분말은, 분말을 플럭스 공급부 및 전극 와이어의 앞쪽에 공급하는 것을 의미하는 "전방 공급(forward feed)"이나 분말을 전극 와이어에 자기적으로 부착하는 것을 의미하는 "직접 공급(direct feed)"에 의해서 추가될 수 있다. 현재 사용되는 금속 분말은 기본적으로 합금이 첨가되지 않은 금속 분말인 반면, 최종 이음부에 필요한 원소 및 그 조성은 전극 와이어(들) 또는 전극 코드(들)에 의해 결정되는데, 이들은 다량의 합금 원소를 포함한다.
본 발명에 따라, 합금이 첨가된 금속이나 저합금 금속으로 이루어지는 적어도 하나의 용융 전극 와이어 또는 코드와 함께 다량의 합금 원소를 포함하는, 미리 합금화된 분무 금속 분말(prealloyed atomised metal powder)을 사용하여 SAW법을 개선할 수 있음이 발견되었다. 분말은 반드시 미리 합금화되어야 하며, 그렇지 않으면 균일한 코팅을 얻을 수 없다. 다른 중요한 특징은 분말이, SAW법에 사용되는 전극 와이어의 외측에 제공되거나 별도로 제공되는 점이다.
경도, 강도 및 내산화성과 내마모성을 높이기 위해서 코팅되어야할 저합금 강제 기판 같은 금속 기판의 표면 코팅에 본 발명의 방법이 적용될 때 특히 유리하다. 현재 사용되는 코팅법의 문제점은 낮은 생산성 및 금속 기판 표면에서의 비교적 높은 희석(dilution)이다. 희석이 심해지면 원하는 조성과 성질을 가지는 표면 코팅을 얻기 위해 다수의 합금 재료 층과 다량의 합금 재료가 필요하게 된다. 간단히 말해서, 이는 현재 사용되는 방법으로 얻는 코팅 기판은 비싸고 생산성이 낮다는 의미이다.
미국 특허 제 2,810,063호에는 금속 분말이 서브머지드 아크 용접에 사용되는 방법이 설명되어 있다. 이 특허에서 사용된 분말에는 구체적으로 연철 분말과 규산 나트륨과 조합된 몰리브덴철, 망간철 및 크롬철이 포함된다. 이 특허의 특징은 합금 원소를 전극 로드 또는 와이어에 자기적으로 부착시키기 위해 필수적인 철 분말이 존재한다는 점이다. 그러나 분말 혼합물의 다양한 성분은 쉽게 편석되기 때문에 이들 분말에서 얻어지는 표면 코팅의 균일성에는 문제가 있다.
상기 미국 특허에 따른 방법이 높은 균일성이 요구되는 산업분야에 실제로 적용될 수 없도록 하는 이러한 단점은 본 발명에 따라 미리 합금화된 금속 분말을 사용함으로써 해결할 수 있다.
미국 특허 제 2,810,063호의 것과 유사한 방법이 미국 특허 제 2,191,471호에 설명되어 있다.
본 발명에 따른 미리 합금화된 분말을 사용함으로써, 매우 균일한 구조를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 미세구조를 더욱 곱게 할 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 코팅 내에 마이크로 크랙이 생길 위험은 줄어들고 강도는 더욱 높게 된다. 미리 합금화된 분말을 별도로, 즉 분말을 전방 공급하거나 전극 표면의 외측에 자기적으로 부착되도록 공급함으로써, 용융된 기판 표면이 효율적으로 냉각되고 용융 욕을 감소시킬 수 있다. 합금 원소의 대부분이 용융 전극 와이어 또는 코드 내에 포함될 때와 동일한 정도로 합금 원소가 희석되지 않기 때문에 고가의 합금 원소량을 감소시킬 수 있다. 표면처리(surfacing) 또는 코팅 속도가 높아질 수 있다는 추가의 장점이 있다. 그러므로 정해진 영역을 코팅하는데 있어서의 생산성은 개방 아크 방법이 사용될 때에 비해 3배이다. 전극 재료가 상대적으로 고합금 처리되고 금속 분말이 기본적으로 합금화되지 않는 종래의 SAW법에 비해, 본 발명은 약 50 퍼센트의 개선을 제공한다.
금속 분말의 종류와 양은 전극 와이어와 조합되어 원하는 기판 코팅 조성을 형성하도록 선택된다. 자성일 수도 있고 비자성일 수도 있는 분말은 구입 가능한 다양한 분말 중에서 선택될 수 있다. 분말이 자성이면 (자기) 전극 와이어와 함께 기판에 공급 또는 이송되고 이 와이어에 고정될 수 있다. 자성 분말은 특히 롤을 코팅하는데 적합하다. 금속 분말이 비자성이면 기판 상의 용융욕에 직접 공급되거나 그 전방에 공급된다.
주요 특징은 분말이 미리 합금화되고 많은 양의 합금 원소를 포함하는 것이며, 이는 분말의 합금 원소량이 와이어의 합금 원소량보다 많음을 의미한다. 합금 원소량은 분말의 적어도 2중량%이어야 효과적이다. 금속 분말의 합금 원소량 뿐만 아니라 금속 분말과 전극 와이어의 공급량은 기판의 최종 코팅에 요구되는 조성의 관점에서 선택된다. 분말 공급은 대개 전체 충진 금속(filler metal), 즉 분말 금속 및 와이어 금속의 30∼80%이다. 가스 또는 물 분무(gas or water atomised)된 미리 합금화된 분말을 사용함으로써, 높은 정밀도의 코팅 조성이 얻어질 수 있다.
철계(iron-based) 분말에 적합한 합금 원소의 예는 Cr, Ni, Mo, Mn, V, Nb, Si, N, C, Co, Ti 및 W이다.
본 발명에 따른 표면 코팅에 잘 맞는 고합금 철계 분말의 예는, 철 및 0∼55중량% Cr, 0∼50중량% Ni, 0∼35중량% Mo, 0∼15중량% Mn, 0∼17중량% V, 0∼15중량% Nb, 0∼5중량% Si, 0∼0.8중량% N, 0∼8중량% C, 0∼55중량% Co , 0∼15중량% Ti 및 0∼65중량% W을 필수 구성요소로 하여 이루어지는 분말이다.
바람직한 합금 원소의 양은 12∼35중량% Cr, 25중량% 미만 Ni, 15중량% 미만 Mo, 0.05∼15중량% Mn, 0∼8중량% V, 0∼8중량% Nb, 0∼10.0중량% Si, 0.5중량% 미만 N, 0.005∼5중량% C이다.
더욱 바람직한 합금 원소량은 20∼34중량% Cr, 0∼18중량% Ni, 0.5∼8중량% Mo, 0.1∼2.0중량% Mn, 0.1∼2.0중량% V, 0.1∼2.0중량% Nb, 0.05∼0.3중량% Si, 0.005∼0.4중량% N, 0.005∼0.8중량% C이다.
본 발명의 다른 유용한 조성은 0∼40중량% Co, 7∼17중량% W, 5∼15중량% Mo, 0.05∼2.5중량% Mn, 1∼6중량% V, 0.05∼2.5중량% Si, 0.40중량% 미만 N, 1∼4.0중량% C를 포함하는 철계 분말이다.
본 발명에 따른 용융 전극 와이어의 주 목적은 금속 분말 및 기판 표면을 용융하기에 충분한 열을 제공하는 것이다. 다양한 합금 원소를 가지는 다양한 형태의 금속 분말과 조합되면, 여러 형태의 코팅에 동일한 전극 와이어가 사용될 수 있다는 특별한 장점이 있다.
철계일 경우, 전극 와이어는 DIN 8557에 따른 SI 또는 S2와 같은 합금 처리되지 않은 것이거나 저합금일 수 있다. 그러나 금속 코드 및 플럭스 코드 전극, 즉 중공 전극을 포함하는 모든 비합금 또는 저합금 전극 와이어가 본 발명에 따라서 사용될 수 있다.
삭제
상술한 전극 와이어와 금속 분말의 조합을 사용함으로써, 동일한 주기 동안, 종래 코팅법을 사용하는 것보다 많은 양의 코팅 재료를 금속 표면에 도포할 수 있다. 또 보다 얇은 코팅으로 정확한 표면 코팅 조성을 얻는 이점이 있으며, 이는 고가의 코팅 재료를 상당히 절약할 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따라서, 전극 와이어 대 분말의 중량% 비는 0.25 ~ 2.33인 것이 바람직하다. 이 비는 1.5 미만이 가장 바람직하다.
금속 기판은 어떠한 형태라도 좋으며 본 발명에 따른 코팅법은, 실시할 때 고려되어야 할 사항에 의해서만 제한된다. 통상적인 기판은 저합금강 또는 공구강이다; 즉 기판의 화학 조성은 넓은 범위에서 변경될 수 있다.
본 발명의 방법에 사용된 플럭스는 합금 처리되지 않은 염기성 플럭스가 바람직하다.
본 발명은 아래의 예에 의해 추가로 설명된다.
예 1
기판: 회전 속도가 21cm/min인 롤(지름 227mm, 길이 305mm)
전원: 650A, 32.2V
트윈 아크: 스웨덴소재의 ESAB AB에서 구입할 수 있는 2.5mm의 OK 1220 S2
금속 분말 X: 345-4
플럭스: 합금 처리되지 않은 염기성 플럭스
요구되는 조성의 최종 3mm 코팅은 표에 나타난 조성의 자기 분무되고 미리 합금화된 분말을 15.0kg/h으로, 그리고 와이어는 9.5kg/h으로 도포함으로써 얻어졌는데, 이는 원하는 코팅이 24.5kg/h의 속도로 제공된다는 의미이다. 분말은 전극 와이어의 외측에 자기적으로 부착된다. 이 경우 코팅의 폭은 55mm이다. 이 속도는 금속 분말의 외부 공급이 없이 스트립, 와이어 등과 같은 형태의 고합금 코팅 재료를 사용하는 SAW법과 같은 종래 코팅법에 필적될 수 있다. 다량의 용융 기판 재료 때문에, 종래의 SAW법에 따르면 코팅 재료는 단지 약 10kg/h로 기판 표면에 공급될 수 있으므로, 높은 희석에 의해서, 원하는 표면 코팅 조성을 얻기까지는 다수의 층이 제공되어야 한다.
아래 표 1은 요구되는 코팅, 즉 와이어 및 금속 분말의 조성 및 롤로부터 얻은 절단물의 최종 조성을 나타낸다.
표 1
와이어 조성 (중량%) 분말 조성 (중량%) 최종 표면 코팅 조성 (중량%)
C 0.099 0.145 0.129
Si 0.10 0.43 0.34
Mn 1.00 0.48 0.89
S 0.015 0.006 0.013
P 0.013 0.012
Ni 8.82 4.01
Cr 27.35 12.7
Mo 2.03 1.06
V 0.55 0.25
N 0.0037 0.052 0.039
Nb 0.38 0.19
예 2
예 1에 따른 방법을 N이 첨가된 분말로 반복하였다. 이 예에서 원하는 코팅을 얻는 데에는 13.8kg분말/h과 9.5kg전극와이어/h가 필요하였다. 이 결과는 아래의 표 2에 나타나 있다.
표 2
삭제
와이어 조성 (중량%) 분말 조성 (중량%) 최종 표면 코팅 조성 (중량%)
C 0.099 0.020 0.075
Si 0.10 0.41 0.27
Mn 1.00 2.51 1.51
S 0.015 0.008 0.014
P 0.014 0.014
Ni 5.08 2.35
Cr 29.09 12.9
Mo 4.78 2.15
V 0.58 0.27
N 0.0037 0.169 0.079
Nb 0.45 0.18
예 3
예 1에 따른 방법을 표 3에 따른 조성의 자기 합금 분말로 반복하였다. 이 예에서는 직경 4.0mm의 싱글 아크 S2가 사용되었다.
8kg분말/h이 전극의 외측에 자기적으로 부착되었고; 즉 기판에 직접 공급되었고, 8.4 kg/h의 분말은 기판에 전방 공급되었다.
와이어 공급은 직접 공급 및 전방 공급 모두에 대해 8kg/h이었다. 이 결과는 아래의 표 3에 나타나 있다.
표 3
와이어 조성 (중량%) 분말 조성 (중량%) 최종 표면 코팅 조성1)(중량%) 최종 표면 코팅 조성2)(중량%)
C 0.10 0.18 0.15 0.16
Si < 0.15 0.67 0.43 0.41
Mn 1.00 0.44 1.01 1.01
S 0.008 0.005 0.008
P 0.030 0.0288
Ni 7.200 2.137 2.100
Cr 28.90 8.434 8.319
Mo 3.16 0.91 0.89
V 0.38 0.114 0.114
1)전극의 외측에 가해진 분말, 2)전방 공급

Claims (24)

  1. 하나 이상의 소모성 전극 와이어 또는 전극 코드를 이용하여 금속 기판을 서브머지드 아크 용접(SAW)하는 방법으로서, 분무화되고(atomized) 미리 합금화되며 합금 원소 함량이 높은 금속 분말을 서브머지드 아크에 의해 형성된 용접 용융욕내로 직접 공급하는 단계를 포함하며, 상기 분말은 용융되는 상기 소모성 전극의 외부에 자기적으로 부착되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분말이 철계 분말인 서브머지드 아크 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분말이 가스 분무되거나 물 분무된 서브머지드 아크 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 와이어 또는 전극 코드가 합금화되지 않은 저합금 금속으로 이루어진 서브머지드 아크 용접 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 와이어 또는 전극 코드가 합금화되지 않은 금속 또는 저합금 금속으로 이루어진 서브머지드 아크 용접 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 분말에 대한 소모성 전극의 중량% 비가 0.25 ~ 2.33이 되도록 상기 분말이 용접 용융욕으로 공급되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 분말에 대한 소모성 전극의 중량% 비가 1.5 미만이 되도록 상기 분말이 용접 용융욕으로 공급되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 분말내의 합금 원소의 함량이 2중량% 이상인 서브머지드 아크 용접 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 분말이 자성을 가지는 서브머지드 아크 용접 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 기판은 서브머지드 아크 용접중에 표면 코팅되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 서브머지드 아크의 전방 위치에서 상기 용접 용융욕내로 추가적인 양의 분말이 공급되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 전극 와이어들에 자기적으로 부착되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 하나 이상의 전극 코드에 자기적으로 부착되는 서브머지드 아크 용접 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 하나의 전극 와이어 또는 하나의 전극 코드를 이용하여 용접을 실행하는 서브머지드 아크 용접 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 저합금강 기판인 서브머지드 아크 용접 방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 미리 합금화된 분말을 필수 구성으로 포함하는 서브머지드 아크 용접 방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 분말이 전체 충진 금속(total filler metal)의 30 내지 80%가 되도록, 충진 금속을 상기 용접 용융욕으로 공급하는 서브머지드 아크 용접 방법.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 분말은 Cr, Ni, Mo, Mn, V, Nb, Si, N, C, Co, Ti 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 2 중량% 이상으로 포함하는 철계 분말인 서브머지드 아크 용접 방법.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 공구강을 포함하는 서브머지드 아크 용접 방법.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 용융욕은 플럭스에 의해 덮여지는 서브머지드 아크 용접 방법.
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