KR101065222B1 - 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어 - Google Patents

가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속용접시에도 양호한 용접작업성과 저온 충격인성의 확보가 가능한 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어에 관한 것으로써,
강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, C: 0.2~0.4%, Si: 3.0~5.5%, Mn: 8.0~11.0%, Ni: 8.0~12.0%, Mg: 1.5~2.5%, Al2O3+SiO2: 3.5~6.5%, TiO2: 15.0~20.0%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 2~3을 만족하는 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.
고속 용접, 메탈계 플럭스 충전 와이어, 저온 충격인성, 용접작업성

Description

가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어{METAL-BASED FLUX CORED WIRE FOR GAS SHIELDED ARC WELDING}
본 발명은 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 고속용접시에도 양호한 용접작업성과 저온 충격인성의 확보가 가능한 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어에 관한 것이다.
최근 고부가가치 선박인 LPG운반선 등의 수요가 증가함에 따라, 그 제조에 사용되는 저온용 강 및 그 용접재료의 사용량이 증가되는 추세이다. 또한, 용접 효율성을 높이기 위해 고속 필렛용접이 가능하고, 프라이머 도포에 따른 용접부 결함발생을 최소화할 수 있는 플럭스 충전와이어의 개발이 요구되고 있다.
그러나 종래의 저온용 강에 사용되는 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 경우는 용접 효율성 향상을 위한 고속 필렛 용접에서는 용접작업성을 확보하기 어렵고, 내결함성 또한 떨어지는 문제점이 있었다.
또한 하향 전용 메탈계 플럭스 충전와이어의 경우는 티타니아계 플럭스 충전 와이어와 비교하면, 용착효율 및 용착속도를 향상시키기 위하여 강재 외피 내에 충전되는 플럭스의 철분 함량이 높게 설정되기 때문에 일반적으로 충격인성이 저하되는 경향이 나타나는 문제점이 있었다.
따라서, 고속 필렛 용접을 통해 용접 효율성을 향상함으로써, 전체 용접 비용을 감소시키고, 저온에서도 안정적인 충격인성을 확보할 수 있는 저온용 강에 사용되는 메탈계 플럭스 충전와이어의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 산성계 플럭스 성분인 Al2O3와 SiO2의 합과 강탈산제인 Mg와의 함량비를 적절하게 제어함으로써 고속 필렛 용접에서 우수한 용접 작업성을 나타내고, 저온 충격인성 또한 우수한 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, C: 0.2~0.4%, Si: 3.0~5.5%, Mn: 8.0~11.0%, Ni: 8.0~12.0%, Mg: 1.5~2.5%, Al2O3+SiO2: 3.5~6.5%, TiO2: 15.0~20.0%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 2~3을 만족하는 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어를 제공한다.
본 발명에 의하면 저온용 강의 고속 필렛 용접에서 우수한 용접 작업성 및 저온 충격인성을 확보하는 것이 가능하다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
이하 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 조성은 플럭스 전중량에 대한 중량%이다.
탄소(C)의 함량은 0.2~0.4%로 한다. C는 그 함량이 0.2% 미만이면 용접금속의 조직이 연화되어 강도가 저하될 뿐만 아니라, 충격인성도 낮아진다. 반면에 그 함량이 0.4%를 초과하면 용접금속의 조직이 취화되어 균열감수성이 증가될 뿐만 아니라, 스패터와 용접흄이 과도하게 증가하는 문제점이 발생한다.
실리콘(Si)의 함량은 3.0~5.5%로 한다. Si는 탈산제로 작용할 뿐만 아니라, 용착금속의 기계적 성질에도 영향을 미치는 성분으로 그 함량이 3.0% 미만이면 탈산력이 부족하여 비드표면 결함을 발생시킬 수 있으며 용융금속의 거동이 나빠져 비드외관이 나빠지게 된다. 반면에 5.5%를 초과하면 Si가 용접금속의 취화를 유발할 뿐 아니라, 용융금속의 유동에 영향을 주어 비드외관이 저하된다.
망간(Mn)의 함량은 8.0~11.0%로 한다. Mn은 탈산제와 탈황제로 작용하며, 용접금속의 인장강도 및 충격인성에 많은 영향을 주는 성분으로써 그 함량이 8.0% 미만이면 탈황제로서의 역할이 감소하여 저융점 화합물 FeS를 먼저 형성하게 되므로 고온 균열을 야기하고, 충격인성도 저하되는 문제가 있다. 또한 그 함량이 11.0%를 초과하게 되면 아크안정성 및 용융성을 저하시켜 용접작업성이 나빠지는 문제가 발생한다.
니켈(Ni)의 함량은 8.0~12.0%로 한다. Ni는 용접금속의 충격인성을 향상시킴과 동시에 충격 천이온도를 낮추는 역할을 하는 성분으로, 그 함량이 8.0% 미만인 경우에는 충격 천이온도를 낮추는 효과가 미흡하여 저온에서의 충격인성을 확보하기 어렵고, 12.0%를 초과하면 아크가 불안정해지고 스패터가 증가하며, 슬래그 유동성을 저하시켜 비드 외관이 나빠지는 문제점이 발생하기 때문이다.
마그네슘(Mg)의 함량은 1.5~2.5%로 한다. Mg는 강력한 탈산제로서 용접부의 건전성을 확보하여 용접금속의 충격인성을 향상시키는 역할을 하는데, 그 함량이 1.5% 미만에서는 탈산효과가 부족하여 용접금속의 인성이 저하되게 되며, 2.5%를 초과하면 과도한 탈산으로 인해 용접시 스패터 및 흄량이 증가하고 용접작업성이 저하되는 문제가 있다.
Al2O3와 SiO2는 병행 첨가되어 슬래그의 점성 및 유동성을 조정하여 비드외관을 향상시키는 역할을 하는데, 본 발명에서는 그 합을 3.5~6.5%로 제한한다. 그 합이 3.5% 미만에서는 슬래그 유동성이 떨어져 비드외관이 저하되고, 6.5%를 초과하게 되면 슬래그 유동이 과도하여 슬래그가 비드 하단부로 몰리는 응집현상이 발생되어 비드외관이 저하되기 때문이다.
TiO2의 함량은 15.0~20.0%로 한다. TiO2는 슬래그형성제 및 아크안정제로서, 그 함량이 15.0% 미만일 경우에는 아크안정성이 저하되고 스패터 발생량이 증가하며, 슬래그량이 충분치 못해 슬래그 박리성이 떨어짐과 아울러 비드외관이 저하되는 문제가 있다. 반면에 그 함량이 20.0%를 초과하면 상대적으로 철분의 함량이 줄어들게 되고 슬래그 발생량이 많아져, 메탈계 플럭스 충전와이어의 특징인 고용착 효율을 얻기가 어려울 뿐만 아니라 내기공성이 저하될 수 있다.
본 발명에서는 추가적으로 아크안정제로서 나트륨(Na) 및 칼륨(K) 중 1종 또는 2종이 1.0~5.0% 포함된다. Na 및 K 중 1종 또는 2종이 함유됨으로써 아크안정성이 더욱 향상될 수 있다.
나머지는 강재 외피 중의 Fe, 플럭스 중의 철분 및 불가피한 불순물로 조성된다.
본 발명에서는 (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 2~3을 만족한다. 그 비가 2 미만이면 과탈산으로 인해 스패터가 증가하는 등 전반적인 용접작업성이 나빠지고, 슬래그 부족으로 인해 고속 필렛용접시 슬래그 포피가 불균일해져 비드외관이 나빠지게 된다. 또한 그 비가 3을 초과하면 슬래그량이 과도하여 비드외관이 저하되고 아크가 불안정해지며, 탈산 부족 및 용접금속내 비금속 개재물의 함량 증가로 충격인성이 저하되기 때문이다.
본 발명에서의 플럭스 충전율은 15~20%가 바람직하다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
(실시예)
강재 외피 내에 아래 표 1의 조성(각 성분의 단위는 중량%임)을 갖는 플럭스를 충전하여, 선경 1.4㎜의 메탈계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였으며, 이때 사용된 강재 외피의 조성을 아래 표 2에 나타내었다.
상기와 같이 마련된 플럭스 충전 와이어를 이용하여, 표 3과 같은 조건으로 고속 필렛용접을 실시하여 용접작업성을 평가하였으며, 용접금속의 저온 충격인성 평가를 위하여 표 4에 나타낸 용접조건으로 V형 개선 맞대기 용접을 실시하고 그에 따른 용접작업성 및 충격인성을 평가하여 그 결과를 표 5에 나타내었다.
표 5에서 용접금속의 저온 충격인성은 -60℃에서 47J이상이면 양호한 것으로 판단하였고, 용접작업성은 관능평가를 통해 매우 양호(◎), 양호(○), 보통(△), 불량(×)으로 평가하였다.
구분 C Si Mn Ni Mg TiO2 Al2O3+SiO2 (Al2O3+SiO2)/Mg
발명예1 0.31 4.2 8.5 9.5 1.8 15.0 4.0 2.22
발명예2 0.35 3.5 9.0 11.0 1.5 20.0 4.5 3.00
발명예3 0.40 4.7 11.0 9.6 1.6 19.5 3.5 2.19
발명예4 0.20 5.5 9.5 12.0 2.2 19.0 4.7 2.14
발명예5 0.32 3.0 8.0 8.0 1.9 18.0 3.8 2.00
발명예6 0.25 5.2 8.5 11.5 2.5 17.5 6.5 2.60
발명예7 0.20 3.8 9.8 8.3 2.0 17.0 5.0 2.50
발명예8 0.32 3.3 10.2 11.8 2.1 15.5 6.0 2.86
발명예9 0.23 3.4 9.5 8.9 1.6 16.5 4.7 2.94
발명예10 0.29 4.0 10.8 9.7 2.5 18.0 6.2 2.48
발명예11 0.36 4.3 9.8 10.4 2.0 17.5 4.0 2.00
발명예12 0.39 5.0 8.5 10.1 2.1 19.5 4.4 2.10
발명예13 0.34 4.9 8.4 10.8 1.7 19.0 5.1 3.00
발명예14 0.30 3.8 9.2 11.2 1.9 19.0 5.0 2.63
비교예1 0.20 2.4 10.2 9.3 2.5 18.5 5.8 2.32
비교예2 0.32 6.0 9.5 9.0 2.5 18.0 5.7 2.28
비교예3 0.27 4.6 13.0 10.6 1.6 19.0 4.5 2.81
비교예4 0.40 3.3 7.2 10.8 2.3 18.5 4.8 2.09
비교예5 0.46 4.1 10.7 9.6 2.0 19.5 5.0 2.50
비교예6 0.34 3.9 9.8 7.2 1.8 19.5 4.3 2.39
비교예7 0.35 5.3 10.5 12.8 2.4 17.5 6.0 2.50
비교예8 0.29 4.2 10.9 9.8 0.8 18.5 3.2 4.00
비교예9 0.30 3.0 9.8 10.5 1.2 18.5 3.5 2.92
비교예10 0.30 3.5 11.0 10.0 2.8 19.0 6.0 2.14
비교예11 0.30 4.0 10.5 10.0 2.3 19.0 6.9 3.00
비교예12 0.30 3.5 10.5 10.5 1.6 19.5 3.2 2.00
비교예13 0.36 4.3 9.8 10.4 2.0 13.0 4.0 2.00
비교예14 0.39 5.0 8.5 10.1 2.1 22.5 4.4 2.10
비교예15 0.22 3.0 9.8 10.2 1.5 18.5 5.5 3.67
비교예16 0.23 5.0 8.2 8.4 1.5 19.0 5.0 3.33
비교예17 0.26 3.4 10.8 8.9 2.5 18.5 4.0 1.60
비교예18 0.37 4.8 8.9 11.6 2.4 18.5 4.2 1.75
구분 C Si Mn P S Fe
외피 연강재 화학성분 0.02 0.002 0.2 0.01 0.009 나머지
구분 용접조건
시험 모재 FH36
시험 모재 치수 두께 12㎜, 길이 1500㎜
용접자세 수평 필렛
용접전류 및 전압 300A ×32V
용접속도 60㎝/min
보호가스 및 유량 100% CO2, 20ℓ/min
구분 용접조건
시험 모재 FH36
시험 모재 치수 두께 20㎜, 길이 300㎜
개선각도 45°
루트갭(root gap) 12㎜
층수 및 패스(pass)수 7층 15패스
층간온도 150℃이하
용접전류 및 전압 300A ×32V
보호가스 및 유량 100% CO2, 20ℓ/min
구분
 용접작업성 인장강도
(㎏f/㎟)		 충격인성
(J, at -60℃)
아크안정성 비드외관 스패터발생량
발명예1 ◎ ○ ○ 65 56
발명예2 ◎ ◎ ○ 66 61
발명예3 ◎ ○ ○ 67 55
발명예4 ◎ ○ ○ 69 51
발명예5 ◎ ◎ ◎ 64 69
발명예6 ◎ ○ ◎ 68 55
발명예7 ◎ ◎ ○ 69 52
발명예8 ◎ ◎ ◎ 65 68
발명예9 ◎ ○ ○ 63 63
발명예10 ◎ ◎ ○ 67 65
발명예11 ◎ ◎ ○ 68 58
발명예12 ◎ ◎ ○ 64 61
발명예13 ◎ ◎ ○ 66 54
발명예14 ◎ ○ ○ 65 68
비교예1 ○ × △ 58 59
비교예2 △ × △ 70 27
비교예3 × × × 75 48
비교예4 ○ × × 67 12
비교예5 × × × 72 35
비교예6 △ △ △ 68 15
비교예7 △ × × 64 55
비교예8 × × △ 62 24
비교예9 △ △ △ 65 22
비교예10 × × × 66 53
비교예11 × × △ 68 47
비교예12 × × × 67 52
비교예13 × △ × 65 55
비교예14 × × △ 64 56
비교예15 × × × 68 23
비교예16 × × △ 61 31
비교예17 × × × 65 54
비교예18 × × × 60 50
표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명예 1 내지 14의 경우, 고속 필렛용접에서 양호한 용접작업성을 나타내었으며, 용접금속의 저온 충격인성 평가에서도 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.
이에 반해 본 발명범위를 벗어난 비교예 1 내지 18은 용접작업성 및 용접금속의 저온 충격인성 평가 결과가 바람직하지 않았다.
비교예 1은 Si의 함량이 본 발명범위 미만으로 비드외관이 저하되는 문제가 있었으며, 비교예 2는 Si의 함량이 본 발명의 범위를 초과한 경우로 비드외관이 저하되었을 뿐 아니라 충격인성도 떨어지는 문제가 있었다.
비교예 3은 Mn의 함량이 본 발명의 범위를 초과하여 아크안정성 및 비드 외관이 저하되고 스패터가 증가하는 등 전반적으로 용접작업성이 좋지 않았으며, 비교예 4는 Mn의 함량이 본 발명 범위 미만으로 충격인성이 저하되었다.
비교예 5는 C함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로 아크안정성이 저하되고 스패터 발생이 과도하였으며, 충격인성도 바람직하지 않았다.
비교예 6은 Ni 함량이 본 발명범위 미만으로 충격인성이 저하되었고, 비교예 7은 Ni함량이 본 발명범위를 초과하여 아크안정성, 비드외관 및 스패터성이 저하되었다.
비교예 8은 Mg 및 Al2O3+SiO2의 함량과 (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 본 발명범위를 벗어나 충격인성이 저하되고 전반적인 용접작업성이 좋지 않았다.
비교예 9, 10은 Mg의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로, 충격인성이나 용접작업성이 좋지 않았고, 비교예 11, 12는 Al2O3+SiO2함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로 비드외관 및 아크안정성이 좋지 않았다.
비교예 13, 14는 TiO2의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우로, 아크안정성 및 비드외관이 저하되는 등 전반적인 용접작업성이 저하되었다.
비교예 15, 16은 (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 본 발명범위를 초과한 경우로써, 용접작업성 및 충격인성이 저하되었으며, 비교예 17, 18은 (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 본 발명의 범위 미만으로 전반적인 용접작업성이 저하되었다.

Claims (2)

  1. 강재 외피 내에 플럭스가 충전되어 있는 플럭스 충전 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 플럭스 전중량에 대한 중량%로, C: 0.2~0.4%, Si: 3.0~5.5%, Mn: 8.0~11.0%, Ni: 8.0~12.0%, Mg: 1.5~2.5%, Al2O3+SiO2: 3.5~6.5%, TiO2: 15.0~20.0%, 나머지는 철분 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (Al2O3+SiO2)/Mg의 비가 2~3을 만족하는 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조성에 추가적으로 Na 및 K 중 1종 또는 2종이 1.0~5.0중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 가스실드 아크 용접용 메탈계 플럭스 충전와이어.
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