KR101168162B1

KR101168162B1 - 후판 용접용 서브머지드 아크 용접 플럭스

Info

Publication number: KR101168162B1
Application number: KR1020100135127A
Authority: KR
Inventors: 유동현; 한동우
Original assignee: 현대종합금속 주식회사
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-24
Also published as: KR20120073386A

Abstract

본 발명은 고장력강 후판의 서브머지드 아크 용접시, 다층 용접뿐만 아니라, 단층(Two-run) 용접에 있어서도 우수한 용접작업성과 저온 충격인성을 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접 플럭스에 관한 것으로, 플럭스 전중량에 대한 중량%로, SiO₂: 10~15%, Al₂O₃: 20~30%, TiO₂: 10~15%, MgO: 25~35%, CaF₂: 5~15%, CaO: 5~10%, MnO: 1~5% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고, MgO/(SiO₂+TiO₂)비가 1.0~1.5인 후판 용접용 서브머지드 아크 용접 플럭스를 제공한다.

Description

후판 용접용 서브머지드 아크 용접 플럭스{SUBMERGED ARC WELDING FLUX FOR THICK STEEL PLATE WELDING}

본 발명은 조선 및 해양구조물에 사용되는 고장력강 후판의 단층(Two-run) 및 다층 용접을 위한 서브머지드 아크 용접 플럭스에 관한 것이다.

최근에 각종 구조물의 고강도화 및 후판화 추세에 따라 용접생산성을 향상시키기 위한 고능률의 용접기법의 채택이 증가하고 있다. 이러한 고능률 고입열의 용접시공은 용접생산성의 향상에는 크게 기여할 수 있으나, 건전한 용접부, 특히 우수한 충격인성을 확보하기는 어렵다.

특히 단층 용접은 그루브(Groove)형상이 I, Y, X 형태로 이루어진 모재를 양쪽면에서 한번(1층)씩만 용접하는 용접방법으로, 여러 층으로 용접을 진행하는 다층 용접에 비해 1층 용접시의 용접금속량이 많게 되고, 그에 따라 용접 입열량 또한 증가하지 않을 수 없다. 즉, 다층용접은 용접 입열량 범위가 40kJ/cm 이하로 적용되는 것이 일반적이며, 단층용접은 입열량 범위가 30~100kJ/cm정도로 적용되고 있는 실정이다. 이 때문에 단층용접은 입열량이 크고 모재와의 희석이 커짐으로써 충격인성 확보에 상당한 어려움이 따른다.

일반적으로 50kgf/㎟급 고장력강 단층 용접용으로 사용되는 서브머지드 아크 용접용 플럭스는 모재 두께가 증가됨에 따라 용접 입열량이 증가하고 용접금속 조직이 조대해지기 때문에 충격인성 확보가 미흡한 점이 있다.

이를 위해, 한국공개특허 제2002-0008869호 등에서는 플럭스 성분, 입도 및 CO₂ 함량을 제어함으로서, 기계적 성질, 용접작업성 및 저온균열특성을 해결하고자 하고 있으나, 이들은 다층 용접에 있어서는 그 목적을 확보할 수 있으나, 단층(Two-run) 용접에 있어서의 용접작업성 및 충격인성을 확보하는데 한계가 있었다.

상술한 용접시공상의 위험요인을 감소시키기 위해서는 용접부의 예열과 후열처리 등과 같은 용접시공 측면에서의 세심한 배려가 필수적이나, 대형구조물에는 예열이나 후열처리를 하는 것이 현실적으로 불가능하며, 이를 만족시킬 수 있는 용접재료나 용접기법의 개발 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 일측면은 고장력강 후판의 서브머지드 아크 용접시, 다층 용접뿐만 아니라, 단층(Two-run) 용접에 있어서도 우수한 용접작업성과 저온 충격인성을 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접 플럭스를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 플럭스 전중량에 대한 중량%로, SiO₂: 10~15%, Al₂O₃: 20~30%, TiO₂: 10~15%, MgO: 25~35%, CaF₂: 5~15%, CaO: 5~10%, MnO: 1~5% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고, MgO/(SiO₂+TiO₂)비가 1.0~1.5인 후판 용접용 서브머지드 아크 용접 플럭스를 제공한다.

본 발명의 플럭스를 이용하면, 후판의 다층용접시는 물론 단층 용접시에도 슬래그 박리성과 비드외관 및 저온 충격강도가 우수한 용접금속을 얻을 수 있어, 조선, 압력용기, 해양 구조물 등의 제작을 위한 용접에 유용하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 서브머지드 아크 용접 플럭스의 조성에 대하여 상세히 설명한다(이하 중량%).

SiO₂ : 10~15%

SiO₂는 슬래그 점성 및 응고온도를 조절하기 위하여 첨가되며, 비드 외관 및 슬래그의 박리성을 양호하게 하기 위해 필수적으로 첨가되는 산성 산화물로서, 본 발명에서는 그 첨가량을 플럭스의 전중량에 대하여, 10~15%를 첨가하는 것이 바람직하다. 첨가량이 10% 미만이면 슬래그 유동성이 나빠져 비드 균질성 및 비드 퍼짐성이 저하되어 단층 용접시 아크가 튀는 현상과 비드 몰림 현상이 나타나며, 그 첨가량이 15%를 초과하면 슬래그 잔해가 발생하기 쉬우며 포크마크 등의 외관결함이 발생할 수 있고, 용접금속중의 산소량이 증가하여 충격강도를 저하시킬 수 있으므로, 10~15%를 포함하는 것이 바람직하다.

Al₂O₃ : 20~30%

Al₂O₃는 슬래그의 염기도를 떨어뜨리지 않고 슬래그 점성, 응고온도를 조정하는데 유효한 성분이다. 상기 Al₂O₃의 첨가량이 20% 미만이면 첨가에 의한 효과를 기대하기 어렵고, 30%를 초과하게 되면 슬래그 점성이 증가하면서 유동성이 나빠져 볼록(convex) 비드가 형성되고, 비드 외관이 저하되기 때문에, 상기 Al₂O₃의 함량은 20~30%인 것이 바람직하다.

TiO₂ : 10~15%

TiO₂는 슬래그 박리성과 아크 발생을 안정화시키는 고융점 산화물로서 슬래그 응고속도를 제어하고 단층 용접시 비드를 평활하게 하기 위하여 첨가되는 산화물이다. 상기 TiO₂의 함량이 10% 미만이면 충격인성을 제어하는 효과가 미비하며 용접비드 표면에 슬래그가 융착되어 슬래그 박리성이 열화되고, 15%를 초과하면 슬래그의 융점 상승으로 슬래그 점성이 열화되고, 포크마크 등의 발생으로 비드 외관을 해치기 때문에 10~15%로 하는 것이 바람직하다.

MgO : 25~35%

상기 MgO는 고융점 염기성 산화물로서 슬래그 응고속도를 조절하기 위해서 첨가된다. MgO의 첨가량이 25% 미만이면 염기도가 낮아져 용접금속내 산소함유량 제어가 어려워 충격인성이 저하되며, 35%를 초과하게 되면 슬래그의 융점이 너무 상승하여 용접비드가 중앙으로 몰리며 슬래그 잔해성 및 박리성이 나빠져 비드 외관을 해치기 때문에 25~35%를 포함하는 것이 바람직하다.

CaF₂ : 5~15%

CaF₂는 아크 안정성 및 슬래그 유동성을 조절하기 위해 첨가되며, 슬래그의 점성을 높혀 비드 형상을 양호하게 하는 역할을 하는 염기성 산화물이다. 또한, 용접금속 중의 산소량 및 질소량을 제어하여 충격인성을 향상시키는 유효한 성분이다. 상기 CaF₂의 함량이 5% 미만에서는 산소 및 질소를 제어하는 효과를 기대하기 어렵고, 슬래그 응고온도를 증가시켜 비드외관을 나빠지게 하고, 15%를 초과하는 경우에는 아크 안정성을 저해하여 용접 비드가 불규칙해지고, 블로우 홀과 같은 결함 발생이 증가하므로, 그 함량은 5~15%인 것이 바람직하다.

CaO : 5~10%

CaO는 염기성 산화물로서 용접금속의 충격강도를 향상시키는 효과를 가진 산화물이다. 그러나, 플럭스 중 그 함유량이 과소하면 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없고, 과다한 경우에는 슬래그 박리성이 현저히 나빠지는 문제가 있다. 즉, CaO의 함량이 5% 미만이면 염기도가 부족하여 용접금속 중의 산소량이 증가하게 되고, 슬래그 점성이 부족하여 고전류 용접시 비드 험핑(humpping)이 발생하기 쉬우며, 10%를 초과하게 되면 슬래그 박리성이 저하되고 플럭스의 내흡습성이 나빠질 뿐만 아니라, 포크 마크가 발생하기 쉽기 때문에 그 함량은 5~10%인 것이 바람직하다.

MnO : 1~5%

MnO는 용접금속의 Mn을 확보하기 위한 염기성 성분으로 슬래그 점성 조절에 유효하다. 상기 MnO의 함량이 1% 미만시에는 단층(two-run) 용접시에 언더컷 및 슬래그 잔해 발생이 일어나기 쉽고, 5%를 초과하면 슬래그 박리성이 현저히 나빠지고, Mn 증가로 인해 충격인성이 감소할 뿐만 아니라, 가스의 발생이 증가되어 포크마크 등의 표면결함이 발생하기 때문에 1~5%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 조성에 나머지는 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명 플럭스는 상기 조성 중 MgO/(SiO₂+TiO₂)의 조성비가 1.0~1.5인 것이 바람직하다. 상기 MgO, SiO₂, TiO₂는 슬래그 점성과 응고온도를 조절하는 역할을 하는 성분들로서, 본 발명자들은 MgO/(SiO₂+TiO₂)의 조성비가 고전류 다층 용접과 단층(two-run) 용접에 영향을 미치는 것을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다. 상기 조성비가 1.0 미만이면 용접작업성은 비교적 양호하나, 용접금속의 산소량이 증가하여 충격인성을 확보하기 어려우며, 1.5를 초과하면 용접작업성, 특히 단층(two-run) 용접에 있어서 슬래그 잔해성 및 비드 형상이 열악해지기 때문에, 1.0~1.5인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 플럭스를 마련하였다. 하기 표 1에서 각 성분의 단위는 중량%이다. 이 플럭스를 이용하여, 길이 500㎜, 두께 25㎜t의 AH36강 모재에 다층 용접을 실시하였다.

상기 다층 용접의 극성은 AC, 용접조건 중 전류/전압/용접속도는 각각 750A/34V/40cpm으로 설정하여 용접을 진행하였다.

또한, 상기 플럭스를 이용하여, 길이 1000㎜, 두께 20㎜t의 EH36강 모재에 단층(two-run) 용접을 실시하였다. 상기 단층 용접에서 선행극 용접조건은 DC+, 1250A/35V로, 후행극 용접조건은 AC, 750A/40V로 하고, 용접속도는 100cpm으로 하여 용접을 진행하였다.

상기 다층 및 단층 용접에 사용된 와이어의 와이어경과 조성은 하기 표 2에 나타내었다.

구분	SiO₂	Al₂O₃	TiO₂	MgO	CaF₂	CaO	MnO	MgO/(SiO₂+TiO₂)
발명예 1	12	23	10	32	13	7	2	1.5
발명예 2	14	23	13	30	10	6	2	1.1
발명예 3	10	24	15	35	7	5	3	1.4
발명예 4	10	27	10	26	13	10	2	1.3
비교예 1	17	19	16	24	9	10	2	0.7
비교예 2	12	19	20	30	2	12	3	0.9
비교예 3	10	26	7	33	14	7	2	1.9
비교예 4	8	28	14	29	12	4	3	1.3
비교예 5	10	23	10	32	11	7	5	1.6
비교예 6	12	20	10	35	14	5	2	1.6
비교예 7	15	20	15	25	10	10	2	0.8
비교예 8	14	26	15	26	2	12	3	0.9

와이어경(㎜)	C	Si	Mn	P	S	Cu
4.8	0.12	0.01	2.00	0.01	0.005	0.06

상기 용접을 행한 후, 용접작업성 및 용접금속 충격강도를 평가하여 그 결과를 표 3에 나타내었다. 상기 용접작업성은 구체적으로 슬래그 박리성, 용접비드 균일성, 슬래그 잔해성, 포크마크 및 블로우홀 발생여부를 육안으로 확인하여, 우수(○), 보통(△), 불량(×) 으로 평가하였다.

또한, 충격강도는 샤르피 충격인성 평가방법에 의하여 충격시험을 진행하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 단층 및 다층 용접에 따라, 충격인성 온도를 달리하였고, 충격강도의 평가는 100J 이상은 우수(○), 100J 미만 50J 이상은 보통(△), 50J 미만은 불량(×)으로 평가하였다.

구분	다층용접					양면 단층용접
구분	슬래그 박리성	용접비드 균일성	슬래그 잔해성	포크마크 및 블로우홀성	충격강도 (-60℃)	슬래그 박리성	용접비드 균일성	슬래그 잔해성	충격강도 (-20℃)
발명예 1	○	○	○	○	○	○	○	○	○
발명예 2	○	○	○	○	○	○	○	○	○
발명예 3	○	○	○	○	○	○	○	○	○
발명예 4	○	○	○	○	○	○	○	○	○
비교예 1	△	△	△	○	×	○	△	△	×
비교예 2	○	×	△	×	△	×	○	△	×
비교예 3	×	△	×	○	△	△	△	×	△
비교예 4	○	△	○	○	○	△	×	○	○
비교예 5	△	○	△	△	○	△	×	△	△
비교예 6	○	○	×	△	○	×	×	△	△
비교예 7	△	△	△	○	○	△	△	△	×
비교예 8	△	○	△	○	○	△	△	△	×

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조성 및 조성비를 만족하는 발명예 1 내지 4는 단층 및 다층 용접시 우수한 용접작업성과 충격강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

이에 반해, 플럭스의 조성과 MgO/(SiO₂+TiO₂)의 조성비가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 1 내지 3은 전반적으로 용접작업성과 충격강도가 저하되고, MgO/(SiO₂+TiO₂)의 조성비는 본 발명 범위이나, 일부 플럭스의 조성이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 4에서는 충격인성이 양호하나, 우수한 용접작업성을 얻지는 못하였다. 그리고, 조성은 본 발명 범위이지만 MgO/(SiO₂+TiO₂)의 조성비가 본 발명 범위를 벗어난 비교예 5 내지 8은 양호한 용접작업성과 충격인성을 확보하기 어려웠다.

Claims

플럭스 전중량에 대한 중량%로, SiO₂: 10~15%, Al₂O₃: 20~30%, TiO₂: 10~15%, MgO: 25~35%, CaF₂: 5~15%, CaO: 5~10%, MnO: 1~5% 및 나머지는 불가피한 불순물을 포함하고, MgO/(SiO₂+TiO₂)비가 1.0~1.5인 후판 용접용 서브머지드 아크 용접 플럭스.