KR101719797B1 - 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

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Abstract

플럭스 코어드 와이어가 개시된다. 본 발명의 일 측면은, 금속 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어 전중량에 대한 중량%로, BaF2: 5.0~14.0%, 희토류 산화물의 희토류 원소 환산량: 0.4~1.5%, Al계 환원제 및 Mg계 환원제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상: 2.0~3.8%, 알칼리 금속 불화물: 0.5~2.4%, 알칼리 금속 탄산염: 0.1~0.35%, 산화철: 2.0~4.0%, Mn: 1.0~1.2%, Ni+Zr: 0.8~2.2%를 포함하는 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.

Description

플럭스 코어드 와이어{FLUX CORED WIRE}
본 발명은 플럭스 코어드 와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀프 실드 아크 용접(Self-shielded arc welding)에 바람직하게 적용될 수 있는 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
최근 들어 에너지원의 개발이 근해를 벗어나, 심해 및 극지방 등으로 확대됨에 따라 에너지 개발 및 수송을 위한 구조물 제작에 있어 극저온에서도 기계적 성능이 안정적인 용접부를 확보하는 것이 매우 시급한 과제로 떠올랐다. 또한 신흥 개발국가의 에너지 사용량 급증으로 에너지 수송량이 함께 증가되어 에너지 수송용 배관의 신설 프로젝트 또한 빈번하게 착수되고 있으며 그에 따라 극한지를 지나가는 에너지 수송 파이프의 용접부위에서 안정적인 저온 충격인성을 비롯한 기계적 성능이 요구되고 있다.
저온에서 용접부의 안정적인 기계적 성능을 확보하기 위하여 기존 가스실드 아크 용접 방법에서는 염기성 플럭스를 충전하는 등의 방법으로 용접금속 내의 산소함량을 저감하여 용접부의 저온 충격인성이 우수한 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어의 제작을 도모하고 있다.
그러나 극한지에서의 배관에 대한 가스실드 아크 용접을 위해서는 용접장치 이외에 차폐용 가스 및 가스 연결관을 함께 운반 설치하여야 하는 번거로움이 있어 셀프실드 아크 용접이 그 대안으로 제시 활용되고 있으나, 셀프 실드 아크 용접 시, 대기 중의 산소 및 질소의 침투는 저온 충격 인성에 악영향을 미치는 주요 원인이 되어 그에 대한 대책이 요구된다.
본 발명은 셀프 실드 아크 용접시, 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라, 저온 충격인성이 우수한 용접부를 확보할 수 있는 플럭스 코어드 와이어를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 금속 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어 전중량에 대한 중량%로, BaF2: 5.0~14.0%, 희토류 산화물의 희토류 원소 환산량: 0.4~1.5%, Al계 환원제 및 Mg계 환원제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상: 2.0~3.8%, 알칼리 금속 불화물: 0.5~2.4%, 알칼리 금속 탄산염: 0.1~0.35%, 산화철: 2.0~4.0%, Mn: 1.0~1.2%, Ni+Zr: 0.8~2.2%를 포함하는 플럭스 코어드 와이어를 제공한다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 셀프 실드 아크 용접시 용접작업성이 매우 우수한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 셀프 실드 아크 용접에 의해 얻어진 용접부는 저온 충격인성이 매우 우수한 장점이 있다.
본 발명자는 셀프 실드 아크 용접시, 용접작업성이 우수할 뿐만 아니라, 저온 충격인성이 우수한 용접부를 확보할 수 있는 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하기 위한 방안에 대한 실험을 거듭하였고, 그 결과, 슬래그 형성제로서 다량의 BaF2를 이용하고, 환원제로서 다량의 Al 및/또는 Mg를 이용함과 동시에, 고융점 슬래그 성분인 희토류 산화물, 알칼리금속 산화물, 알칼리금속 불화물, 산화철 등을 적절히 투입할 경우, 상기와 같은 목적을 달성할 수 있음을 확인하고, 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명의 일 측면인 플럭스 코어드 와이어에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명 플럭스 코어드 와이어의 성분 및 그 조성 범위에 대하여 상세히 설명한다. 후술하는 각 성분의 함량 범위는 와이어 전체에 대한 함량 범위를 의미하는 것이며, 특별히 언급하지 않는 한 모두 중량 기준임을 미리 밝혀둔다.
BaF2: 5.0~14.0%
BaF2는 염기성 슬래그 형성제로서, 슬래그의 알칼리성을 상당히 향상시키고, 용착금속 내 불순물의 함량을 저감시켜 용접부의 저온 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. 특히, BaF2는 CaF2, SrF2 등의 타 슬래그 형성제에 비해, 용적 이행 및 차폐 효과가 우수하고, 또한, BaF2는 수직하진 자세 용접시 비드 처짐 방지에 효과적이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 5.0% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 8.2% 이상 함유하는 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 슬래그 형성이 과도하여 슬래그 혼입이 발생하고, 용접 작업성이 열화된다. 따라서, 상기 BaF2의 함량은 14.0% 이하인 것이 바람직하고, 10.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.
희토류 산화물의 희토류 원소 환산량: 0.4~1.5%
희토류 산화물은 용접 중 BaF2와 반응하여 슬래그의 융점을 저감시킬 뿐만 아니라, 용융지 내 잔류 Al의 함량을 감소시켜 AlN 형성을 억제함으로써 용접부의 저온 충격인성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 희토류 산화물의 희토류 원소 환산량이 0.4% 이상인 것이 바람직하고, 0.48% 이상인 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 플럭스의 유동도가 지나치게 저하되어 플럭스 코어드 와이어 생산성에 악영향을 미칠 우려가 있다. 따라서, 상기 희토류 산화물의 희토류 원소 환산량은 1.5% 이하인 것이 바람직하고, 1.0% 이하인 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서는 희토류 산화물의 종류에 대해 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 Ce 산화물 또는 La 산화물일 수 있다.
Al계 및/또는 Mg계 환원제: 2.0~3.8%
Al계 환원제 및 Mg계 환원제는 강력한 탈산제, 탈질제 및 질소 고정제로서, 대기 중에 존재하는 산소나 질소의 용융지 침입을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 상기 Al계 및/또는 Mg계 환원제의 함량은 2.0% 이상인 것이 바람직하고, 2.4% 이상인 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 용접 중 과도한 탈산 작용에 의해 용융지 내부의 산소 함량이 지나치게 저하되어, 산화 슬래그 형성에 의한 불순물 제거가 이뤄지지 않는 문제가 있다. 더욱이, Al계 환원제의 함량이 과다할 경우, 결정립 조대화로 인해 용착금속의 충격인성이 저하될 우려가 있으며, Mg계 환원제의 함량이 과다할 경우, 흄 및 스패터의 발생이 과도하게 발생하고, 슬래그의 점도가 과도하게 증가하여 슬래그에 의한 차폐 능력이 감소될 우려가 있다. 따라서, 상기 Al계 환원제 및/또는 Mg계 환원제의 함량은 3.8% 이하인 것이 바람직하고, 3.2% 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 Al계 환원제의 구체적인 예로는, Al, Fe-Al계 합금, Al-Mg계 합금, Al-Li계 합금, Al-Zr계 합금을 들 수 있으며, 상기 Mg계 환원제의 구체적인 예로는, Mg, Al-Mg계 합금, Mg-Si계 합금, Mg-Si-Ca계 합금, Ni-Mg계 합금, Li-Mg계 합금을 들 수 있다.
알칼리금속 불화물: 0.5~2.4%
알칼리금속 불화물은 슬래그 융점 및 점성을 적절히 조절해주며, 용입을 깊게 하며, 아크를 강화하고 안정화시키는 역할을 한다. 이를 통해, 슬래그 혼입 및 불완전 용융 등의 결함을 방지한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.5% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 1.0% 이상 함유하는 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 슬래그 유동성이 과도하게 증가하여, 수직 자세의 슬래그 형상이 불량해지고, 비드가 흘러내리게 되는 문제가 있다. 따라서, 상기 알칼리금속 불화물의 함량은 2.4% 이하인 것이 바람직하고, 1.4% 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, 일부 알칼리금속 불화물은 흡습성이 강해, 습기를 흡수할 경우 용착금속에 기공을 형성하는 문제가 있으므로, 흡습성이 낮은 알칼리금속 불화물을 적절히 선택하여 단독 또는 조합하여 사용하는 것이 바람직하며, 흡습성이 낮은 알칼리금속 불화물의 구체적인 예로는, Na2ZrF6, K2SiF6, Na2SiF6, Na3AlF6, RbSiF6, K2TiF6, K2ZrF6, LiF, LiBaF3 등을 들 수 있다.
알칼리금속 탄산염: 0.1~0.35%
알칼리금속 탄산염은 슬래그 형성제로서, 건전한 슬래그의 형성을 촉진시켜 슬래그 박리성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.1% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 0.2% 이상 함유하는 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 용접중 알칼리금속 탄산염이 분해되면서 발생하는 이산화탄소의 양이 폭발적으로 증가하여 아크 안정성을 저해하는 문제가 있다. 따라서, 상기 알칼리금속 탄산염의 함량은 0.35% 이하인 것이 바람직하고, 0.3% 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 알칼리금속 탄산염의 구체적인 예로는, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, Cs2CO3 등을 들 수 있다.
산화철: 2.0~4.0%
산화철은 용접시 형성되는 용융지 내 잔류 Al과 반응하여 AlN 형성을 억제함으로써 용접부의 저온 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는, 2.0% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 2.8% 이상 함유하는 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 용착금속과 슬래그의 계면 친화력을 향상시켜 슬래그 박리성을 열화시킬 우려가 있다. 따라서, 상기 산화철의 함량은 4.0% 이하인 것이 바람직하고, 3.2% 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 산화철의 구체적인 예로는, FeO, Fe2O3, Fe3O4 등을 들 수 있다.
Mn: 1.0~1.2%
망간은 용착금속의 강도를 증대시키고, 용융 금속의 표면장력을 감소시켜 비드 형상을 개선시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 플럭스 코어드 와이어에 함유된 Mn의 함량은 1.0% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 용착금속의 강도가 지나치게 높아져 충격인성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 플럭스 코어드 와이어에 함유된 Mn의 함량은 1.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 Mn은 플럭스 내 금속 Mn, Fe-Mn계 합금, Fe-Si-Mn계 합금, MnO, Li2MnO3, SrMnO3, Ba(MnO4)2 등의 형태로 투입될 수 있다.
Ni+Zr: 0.8~2.2%
니켈은 오스테나이트 안정화 원소로서, 환원제 다량 투입에 따른 페라이트 결정 조대화를 막아 충격인성을 강화하는 역할을 하며, 지르코늄은 질소 고정 및 결정립 미세화로 용착금속의 충격인성을 강화하는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 플럭스 코어드 와이어에 함유된 Ni 및 Zr 함량의 합을 0.8% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 용착금속의 강도가 지나치게 높아져 충격인성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 플럭스 코어드 와이어에 함유된 Ni 및 Zr 함량의 합을 2.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 Ni은 플럭스 내 금속 Ni, Fe-Ni-Cr계 합금, Ni-Mg계 합금, NiO, Ba2NiO4 등의 형태로 투입될 수 있고, 상기 Zr은 플럭스 내 Fe-Zr계 합금, Zr-Si계 합금, Al-Zr계 합금, K2ZrF6, Na2ZrF6, ZrO2, ZrSiO4, Li2ZrO3 등의 형태로 투입될 수 있다.
상기 조성 이외에 나머지는 금속외피 중 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
본 발명에 따른 플럭스 코어드 와이어는 아크 안정성 및 슬래그 박리성이 매우 우수한 장점이 있으며, 본 발명에 따른 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 형성된 용착금속은 저온 충격인성이 매우 우수한 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
강재 외피에 플럭스를 충전하여, 하기 표 1의 조성(와이어 전 중량에 대한 중량%임)을 갖는 직경 2.0mm의 셀프 실드 아크 용접용 플럭스 코어드 와이어를 제조하였다. 이때, 강재 외피는 중량%로, C: 0.02%, Si: 0.002%, Mn: 0.20%, P: 0.010% 및 S: 0.009%를 포함하는 연강재를 이용하였다. 한편, 모든 실시예에 있어서, 희토류 산화물로는 CeO2를, 환원제로는 금속 Al 및 금속 Mg(50:50의 중량비)을, 알칼리금속 불화물로는 K2SiF6를, 알칼리금속 탄산염으로는 Na2CO3를 이용하였다.
이후, 제조된 각각의 와이어를 이용하여 하기 표 2의 용접 조건 하 미국용접협회 규격(AWS A5.29/A5.29M)에 따른 시편 용접을 행한 후, 용접작업성을 평가하고, 충격인성 결과를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
보다 구체적으로, 용접작업성 평가는, 용접작업자의 관능평가를 통해 아크안정성 및 슬래그 박리성을 비교 판단하였고, 그 결과를 우수(○), 보통(△), 불량(X)으로 구분하여 나타내었으며, 충격인성 결과는, 각각의 실시예 당 5개의 시편을 제조하고, -40℃에서 샤르피 V notch 충격시험을 실시해 얻은 결과값에서 최대값 및 최소값을 제외한 나머지 3개 결과값의 평균을 산출하는 절사평균법으로 구하였으며, 그 결과값이 60J 이상인 경우를 우수한 것으로 평가하였다.
비고 플럭스 성분 (중량%)
희토류 금속 산화물:
희토류 원소 환산치		 산화철 BaF2 환원제 알칼리금속 불화물 Mn Ni+Zr 알칼리금속 탄산염
비교예1 0.16 2 10 3 2 1 2 0
비교예2 0.16 2 8.6 4.09 1.2 1 2.11 0
비교예3 0.45 2 7.2 3.79 2.2 1.28 2.11 0
비교예4 0.16 4.5 6.9 2 2.4 1 2.06 0.3
비교예5 0.16 2 7.7 3.79 2.4 1 2.31 0
비교예6 0.45 4.5 4.8 3.79 2.4 1 2.11 0.2
비교예7 0.45 2 6.4 4.49 3 1 2.11 0.2
비교예8 0.49 2 7.2 4.09 2.4 1 2.11 0
비교예9 0.16 2 10 3.8 0 1 2.4 0
비교예10 0.45 2 15 2 0.5 0.5 1 0.1
비교예11 0.81 2 7.4 4.09 2.4 1 2.11 0
비교예12 0.45 2.6 6.4 4.49 2.4 0.64 2.11 0
비교예13 0.45 2.6 6.2 4.49 2.4 0.64 2.11 0.05
비교예14 0.65 3.2 8 3.4 1.2 1 2 0.4
발명예1 0.48 3.2 8.78 2.4 1.4 1.2 2.2 0.3
발명예2 1 3 8.2 2.89 1.2 1.2 2.11 0.2
발명예3 0.81 2.8 10 3.2 1 1 0.8 0.2
용접조건 용접 전압(V) 용접 전류(A) 보호가스 극성
19~22 200~250 없음 DCEN
비고 용접작업성 충격인성(J)
아크안정성 슬래그 박리성
비교예1 O △ 16.8
비교예2 O △ 18.8
비교예3 O △ 28.1
비교예4 O △ 30.1
비교예5 X X 20.56
비교예6 X X 50.58
비교예7 O X 52.58
비교예8 O △ 55.66
비교예9 △ △ 54.5
비교예10 O X 63.7
비교예11 O △ 57.04
비교예12 O △ 57.08
비교예13 O △ 53.58
비교예14 △ O 61.2
발명예1 O O 80.78
발명예2 O O 80.14
발명예3 O O 135.3
표 3을 참조할 때, 본 발명이 제안하는 성분 범위를 모두 만족하는 발명예 1 내지 3은 용접작업성이 매우 우수할 뿐만 아니라, 용접부의 저온 충격인성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.
이에 반해, 비교예 1, 2, 4, 5 및 9의 경우, 희토류 산화물의 함량이 부족하여 용접부의 저온 충격인성이 낮게 나타났으며, 비교예 3은 Mn 함량의 과다로 인해, 비교예 6은 BaF2 부족으로 인해, 비교예 7 및 8, 11 내지 13은 환원제 함량의 과다로 인해 용접부의 저온 충격인성이 낮게 나타났다.
비교예 1 내지 3, 5, 8 및 9, 11 내지 13은 알칼리금속 탄산염의 결핍 또는 부족으로 인해, 비교예 4 및 6은 산화철의 과다로 인해, 비교예 7은 알칼리금속 불화물의 과다로 인해, 비교예 10은 BaF2의 과다로 인해 슬래그 박리성이 보통 또는 불량하게 나타났다.
비교예 5 및 9는 Ni+Zr의 함량 과다로 인해, 비교예 6은 BaF2의 부족으로 인해, 비교예 14는 알칼리금속 탄산염의 과다로 인해 아크안정성이 보통 또는 불량하게 나타났다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (1)

  1. 금속 외피 내에 플럭스가 충전된 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 상기 플럭스는 와이어 전중량에 대한 중량%로, BaF2: 5.0~14.0%, 희토류 산화물의 희토류 원소 환산량: 0.4~1.5%, Al계 환원제 및 Mg계 환원제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 합: 2.0~3.8%, 알칼리 금속 불화물: 0.5~2.4%, 알칼리 금속 탄산염: 0.1~0.35%, 산화철: 2.0~4.0%, Mn: 1.0~1.2%, Ni+Zr: 0.8~2.2%를 포함하는 플럭스 코어드 와이어.
KR1020150075015A 2015-05-28 2015-05-28 플럭스 코어드 와이어 KR101719797B1 (ko)

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