KR101760829B1 - 박판 용접용 내결함성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 플럭스 - Google Patents

박판 용접용 내결함성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 플럭스 Download PDF

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Abstract

박판 용접용 내결함성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 플럭스가 제공된다.
본 발명의 서브머지드 아크 용접용 플럭스는, 중량%로, Al2O3: 40~60%, SiO2: 10~20%, TiO2: 15%이하, MnO: 5~15%, CaF2: 5% 이하, FeSi: 5% 이하, S: 0.15% 이하, 기타 불가피한 불순물을 포함하고, [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비가 0.2~0.4 범위를 만족하도록 조성된다.

Description

박판 용접용 내결함성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 플럭스{Submerged arc welding flux for thin plate welding}
본 발명은 서브머지드 아크 용접용 플럭스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저전류 고속으로 용접이 진행되는 박판 용접에서 우수한 용접성과 내결함성을 갖는 서브머지드 아크 용접용 플럭스에 관한 것이다.
일반적으로 서브머지드 아크 용접에 사용되는 플럭스는 그 제조방법에 따라 크게 용융형 플럭스와 소결형 플럭스의 두가지로 구분된다.
이 중, 용융형 플럭스는 플럭스 원료를 1400℃ 이상의 고온에서 용해, 냉각, 분쇄하여 제조되는 것이다. 본 기술은 합금원소의 첨가가 불가능하여 용접금속의 기계적 성질 및 화학성분의 조절이 용이하지 못하며, 용접 비드 가장자리에 슬래그가 잔류하는 등 용접작업성이 열등한 등의 단점을 지니고 있다. 그러나 본 기술은 제조방법상 유리상의 치밀한 플럭스 입자를 형성하여 흡습이 용이하지 않다는 장점이 있다.
반면, 소결형 플럭스는 플럭스의 원료를 바인더와 혼합한 후 고온에서 소결하여 제조되는 것이다. 본 기술은 합금원소의 첨가로 용접금속의 기계적 성질 및 화학성분을 조절하는데 용이하며 용접작업성이 우수한 등의 장점이 있으나, 대기 중 수분에 의한 흡습이 용이하다는 단점 또한 가지고 있다. 특히, 고온 다습한 기후 조건에서의 소결형 플럭스의 용접은 용접결함을 유발하여 용접품질을 저해하는 중요한 요인 중의 하나이다.
최근 용접 업체에서 생산 효율을 높이기 위하여, 12mmt이하의 박판 용접에서 서브머지드 아크 용접이 적용되는 비율이 증가하고 있으며, 그와 함께 생산 속도를 향상시키기 위하여 용접 속도가 상승하고 있다. 그러나 높은 생산 효율을 요구하는 분야에서 기존 용접재가 일정 용접 속도 이상 구간에서 용접성 저하 현상과 결함 발생 현상으로 일정 속도 이상으로 작업을 하지 못하여 기대하는 생산 효율을 얻지 못하는 현상이 발생하였다.
그러므로 고속 박판 용접에서 용접특성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 플럭스에 대한 개발요구가 대두 되고 있다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 서브머지드 아크 용접에 이용되는 소결형 플럭스의 성분조성 및 성분관계를 면밀히 제어함으로써, 고속 박판 용접에서 아크 안정성, 슬래그 박리성 및 양호한 비드 외관을 얻을 수 있음과 아울러, 우수한 내결함성을 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
중량%로, Al2O3: 40~60%, SiO2: 10~20%, TiO2: 15%이하, MnO: 5~15%, CaF2: 5% 이하, FeSi: 5% 이하, S: 0.15% 이하, 기타 불가피한 불순물을 포함하고, [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비가 0.2~0.4 범위를 만족하도록 조성된 서브머지드 아크 용접용 플럭스에 관한 것이다.
상술한 구성의 본 발명에 의하면, 플럭스의 성분조성과 성분간의 관계식을 최적화함으로써, 고속 박판 용접시 양호한 용접 작업성과 내결함성을 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공함에 유용한 효과가 있다.
전술한 바와 같이, 종래 맞대기, 필렛, 핀튜브 등의 12mmt이하 박판 용접에서 용접속도 80~90cm/min에서 기공 결함 현상이 발생하여 용접 속도를 80cm/min이하로 적용하여 작업을 진행하고 있으며 그에 따라 생산 효율이 저하되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명자들은 고속 박판 용접시 아크 안정성과 양호한 비드 외관을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 내결함성을 확보할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공하기 위해 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 상기 플럭스의 조성과 그 조성비를 제어하는 경우 목표로 하는 물성을 확보할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명에서는 플럭스내 SiO2, TiO2, MnO, Al2O3, S 비율을 제어함으로써 박판 용접에서 내결함성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 제공함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 서브머지드 아크 용접용 플럭스는, 중량%로, Al2O3: 40~60%, SiO2: 10~20%, TiO2: 15%이하, MnO: 5~15%, CaF2: 5% 이하, FeSi: 5% 이하, S: 0.15% 이하, 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성된다.
또한 상기 플럭스는 [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비가 0.2~0.4 범위를 만족하도록 조성된다.
본 발명에서 상기와 같이 성분 조성을 제어하는 이유는 아래에 구체적으로 설명할 것이나, 이때 특별한 언급이 없는 한 각 조성의 함량은 중량 %를 의미한다.
·Al2O3: 40~60%
Al2O3는 슬래그의 연화온도를 상승시킴과 더불어, 슬래그의 점도 및 응고온도를 조절하여 비드 외관을 양호하게 하고, 용접작업성을 향상시키는데 유효한 성분이다.
그런데 이러한 Al2O3의 함량이 40% 미만이면 슬래그의 점도 및 응고온도의 상승효과가 불충분하여 언더컷(under cut)이 발생하는 등 비드 외관을 저해할 우려가 있다. 반면, 그 함량이 60%를 초과하게 되면 용접시 여성고가 과도하게 높아져 균열 발생율이 높아지고, 충격인성을 안정적으로 확보하지 못하게 된다.
따라서 본 발명에서 Al2O3의 함량은 40~60%로 제한하는 것이 바람직하다.
·SiO2: 10~20%
SiO2는 슬래그의 유동성을 제어하여 용접 비드의 형상에 영향을 미치며, 그 함량에 따라 슬래그의 염기도에 영향을 미치는 산성 산화물이다.
이러한 SiO2의 함량이 10% 미만이면 슬래그 유동성이 부족하여 비드의 형상이 불안정하고 비드 폭이 불균일해지는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 20%를 초과하게 되면 입열량에 따라 비드 표면에 슬래그 잔해가 발생할 뿐만 아니라 플럭스의 염기도가 저하되어 용접금속 중의 산소량 증가에 따른 충격 인성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명에서 SiO2의 함량은 10~20%로 제한하는 것이 바람직하다.
·TiO2: 15% 이하
TiO2는 SiO2와 마찬가지로 슬래그의 유동성을 제어하여 용접 비드의 형상에 영향을 미치며 용접 외관을 향상시킨다. 그러한 그 함량이 15% 초과하게 되면 고속 용접에서 결함을 유발한다.
·MnO: 5~15%
MnO는 슬래그의 점성을 조정하여 슬래그의 유동성을 부드럽게 하는 효과를 하는 산화물이다. 본 발명에서는 그 첨가량이 5% 미만이면 고속 용접에서 용접성이 저하되며, 15%를 초과하면 고속 용접에서 슬래그 응고 속도가 느려져 잔해가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에서 MnO의 함량을 5~15%로 제한하는 것이 바람직하다.
·CaF2: 5% 이하
CaF2는 아크 안정성과 슬래그 유동성을 제어하기 위해 첨가되는 성분으로서, 슬래그의 점성을 높여 비드 형상을 양호하게 하는 효과를 가진 염기성 산화물이다. 그러나 그 함량이 5%를 초과하게 되면 슬래그 융점이 상승하여 고속 용접에서 유동성이 저하될 뿐만 아니라 저입열 용접에서 슬래그 잔해성과 박리성이 나빠져 비드 외관을 해치는 문제가 있을 수 있다.
따라서 본 발명에서 CaF2의 함량을 5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·FeSi : 5% 이하
FeSi는 용접금속에 Si을 이행시키고 내포크 마크성을 향상시키기 위해 첨가하는 성분이다. 그런데 만일 그 함량이 5%를 초과하면 용접작업성은 양호하지만 용착금속 내 불순물 증가로 인해 인성이 저하되고, 과도한 Si 이행으로 인해 인장강도 향상으로 연신율이 저하되는 문제가 있다.
따라서 본 발명에서 FeSi의 함량은 5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·S: 0.15% 이하
S는 일반적으로 불순물로써 그 함량이 0.15%를 초과하게 되면 균열을 야기시키는 성분이나, 본 발명에서는 미량으로 용탕의 유동성을 조절하는 역할을 할 수 있다.
·[(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비: 0.2~0.4
본 발명의 플럭스는 상술한 성분조성을 모두 만족함과 아울러, 안정적인 고속 박판 용접성과 내결함성을 만족하기 위하여 [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]로 정의되는 조성성분비 값이 0.2~0.4 범위를 만족함을 특징으로 한다.
만일 상기 성분비 값이 0.2 미만이면 용접부 여성고가 높고 슬래그가 두꺼워지며, 용접 외관 저하와 함께 언더컷 및 균열 발생 확률이 증가한다. 반면에, 상기 성분비가 값이 0.4를 초과하면 용입성이 저하되고, 고속 용접 중 응고된 용탕 내부에 빠져나가지 못한 기공 발생 확률이 높아질 뿐만 아니라 외부에 블로우홀 및 핀홀을 유발할 수 있다.
상술한 성분 이외에 본 발명에서 제공하는 플럭스 특성에 큰 영향을 미치지 않지만, 상기 플럭스를 적당한 크기의 입자로 만드는데 사용되는 고착제(binder)를 더 포함할 수 있으며, 예컨대 Na2O, K2O 등이 추가로 포함될 수 있으며, 기타 불가피한 불순물이 포함된다.
한편, 일반적으로 산성계 원료가 주를 이루고 있는 플럭스는 고속 용접에서 유동성이 우수하고 용접성이 양호하나 고속 용접시 용접부 중심부에 발생하는 기공 결함에 취약한 단점이 있다. 그와 반대로 염기성계 원료가 주를 이루고 있는 플럭스는 고속 용접에서 내결함성은 양호하나, 용접 외관과 슬래그 박리성이 저하되고, 언더컷이 발생한다. 본 발명은 상기 두 가지 타입의 장점을 불순물인 S와 주요 성분을 제어함으로써 고속 용접에서 안정적인 외관을 확보하는 동시에, 기공 및 균열 결함을 감소시킴에 그 기술적 의의가 있는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스를 이용하여 고속 박판 용접시 용접 외관과 내결함성을 모두 확보할 수 있으며, 특히, 기공 결함에 대한 내성을 확보할 수 있는 효과가 크다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(실시예)
하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 용접 모재에 하기 표 2의 성분조성을 갖는 와이어 2종을 이용하여 하기 표 3과 같은 용접 조건으로 필렛 (Fillet) 용접, Fin-tube용접 실시하였다. 이때, 용접에 사용된 플럭스의 조성은 하기 표 4에 나타내었다.
상기 각각의 성분조성에 따라 마련된 플럭스를 이용하여 용접을 각각 행한 후, 용접 외관 및 결함 특성을 하기 표 5에 나타내었다. 이때의 물성 관찰기준은 하기 표 6과 같은 판단기준으로 설정하였다.
모재 두께
(mm)		 성분조성(중량%)
C Si Mn P S Fe 및 기타 불순물
SS400 12 0.12 0.28 1.05 0.015 0.007 나머지
와이어 와이어경
(mm)		 성분조성(중량%)
C Si Mn P S Fe 및 기타 불순물
EH14 2.4 0.12 0.03 1.93 0.016 0.009 나머지
EB2 2.4 0.08 0.16 0.67 0.008 0.002 Cr: 1.37, Mo: 0.51
구분 전류
(A)		 전압
(V)		 용접속도
(cm/min)		 입열량
(kJ/cm)		 비고
1pole DC+ 400 30 120 6.0 맞대기 용접
1pole DC+ 400 30 100 7.2 Fillet,
Fin-tube
구분 성분조성(중량%) (SiO2+TiO2+MnO)/
(Al2O3+(500×S))
Al2O3 SiO2 TiO2 MnO CaF2 FeSi S 기타
발명예 1 50 15 5 6 4 4 0.07 15.93 0.31
발명예 2 58 12 4 13 4 4 0.07 4.93 0.31
발명예 3 41 19 8 12 2 4 0.13 13.87 0.37
발명예 4 56 13 6 8 4 4 0.09 8.91 0.27
발명예 5 48 16 12 11 3 5 0.14 4.86 0.33
발명예 6 43 18 14 14 3 5 0.15 2.85 0.39
비교예 1 38 18 13 13 5 5 0.15 7.85 0.39
비교예 2 64 12 7 6 4 5 0.10 1.9 0.22
비교예 3 58 8 14 13 3 3 0.10 0.9 0.32
비교예 4 52 23 8 8 3 4 0.10 1.9 0.38
비교예 5 48 12 18 6 4 4 0.12 7.88 0.33
비교예 6 53 18 14 3 4 3 0.14 4.86 0.28
비교예 7 46 16 12 17 2 3 0.14 3.86 0.39
비교예 8 44 18 14 14 4 4 0.35 1.65 0.21
비교예 9 58 11 6 8 5 5 0.15 6.85 0.19
비교예 10 60 10 5 7 5 5 0.14 7.86 0.17
비교예 11 42 18 11 14 4 5 0.08 5.92 0.52
비교예 12 47 16 13 11 4 4 0.05 4.95 0.56
상기 성분조성 이외의 기타 성분은 Na2O 및 불가피한 불순물이다.
구분 맞대기 용접 Fillet, Fin-tube
용접외관 슬래그 박리 내결함성 용접외관 슬래그 박리 내결함성
발명예 1 ○ ○ ○ ◎ △ ○
발명예 2 ◎ ◎ ○ ○ ○ ○
발명예 3 △ ○ ○ ○ ○ ◎
발명예 4 ◎ ◎ ○ ○ ○ ○
발명예 5 ◎ ○ ○ ○ △ ◎
발명예 6 ○ ○ ○ ○ ○ ◎
비교예 1 △ △ ○ △ × △
비교예 2 ○ ○ △ ○ △ ×
비교예 3 × ◎ △ × △ ○
비교예 4 ◎ ○ ○ ○ × ×
비교예 5 ○ ○ ○ △ ○ ×
비교예 6 △ ○ △ × △ ○
비교예 7 ◎ △ ○ ○ × △
비교예 8 × ○ △ × △ △
비교예 9 ○ ○ △ △ △ ×
비교예 10 ○ ○ △ △ △ △
비교예 11 ◎ △ ○ ○ × ×
비교예 12 ◎ ○ ○ ○ △ ×
용접 외관 슬래그 박리 내결함성
◎: 양호
○: 비드(bead)선 또는 결 중 하나가 불안정
△: 비드(bead)선 및 결 모두 불안정
×: 험핑비드
 ◎: 자연 박리
○: 시작과 끝 부분 외
자연 박리
△: 피치 해머로 쳐서 박리 가능
×: 박리 저하, 피치 해머 이용하여 박리 어려움		 ◎: 포크마크 및 기공 결함 1개 이하 / 30cm
○: 포크마크 및 기공 결함 2~3개 이하 / 30cm
(1개 초과)
△: 포크마크 및 기공 결함 4~5개 / 30cm
×: 포크마크 및 기공 결함 5개 초과 / 30cm
상기 표 4-5에 나타낸 바와 같이, 플럭스의 성분조성 및 성분비가 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1-6은 용접성과 내결함성 모두 양호한 수준을 나타내었으며, 특히, 발명예 2, 4, 6 은 전체적인 용접외관, 슬래그 박리, 내결함성 모든 면에서 양호한 결과를 나타내었다.
이에 반하여, Al2O3 함량이 본 발명 범위보다 적게 함유한 비교예 1은 언더컷이 발생하였고, 과도하게 함유한 비교예 2는 기공 결함이 발생하였다.
그리고 SiO2가 본 발명 범위보다 적게 함유된 비교예 3은 내결함성은 양호하였으나 용접 외관이 저하되었으며, SiO2와 TiO2 함량이 과도한 비교예 4-5는 용접 외관은 양호하지만 기공 결함이 발생하였다.
또한 MnO가 본 발명 범위보다 적게 함유된 비교예 6은 용접 외관이 저하되었으며, MnO가 과도한 비교예 7은 잔해 및 언더컷 발생으로 슬래그 박리가 저하되었다. 아울러, S가 본 발명 범위보다 과도하게 함유된 비교예 8은 용접 외관 저하될 뿐만 아니라 슬래그 박리성도 저하되었다.
한편, 비교예 9-12는 각각의 성분 조성은 본 발명 범위를 만족하지만 [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비가 0.2~0.4 범위를 벗어난 경우로서내결함성과 슬래그 박리성이 저하되는 현상이 나타났다.
구체적으로, 상기 성분비 값이 0.2 미만인 비교예 9-10 의 경우, Fillet과 Fin-tube 용접에서 기공 결함인 핀홀 및 블로우홀이 발생하였다. 그리고 상기 성분비 값이 0.4를 초과하는 비교예 11-12는 용접 외관은 양호하였으나, Fillet과 Fin-tube 용접에서 핀홀과 블로우홀이 다량으로 발생했다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

  1. 중량%로, Al2O3: 40~60%, SiO2: 10~20%, TiO2: 15%이하, MnO: 5~15%, CaF2: 5% 이하, FeSi: 5% 이하, S: 0.15% 이하, 기타 불가피한 불순물을 포함하고, [(SiO2+TiO2+MnO)/(Al2O3+(500×S))]의 조성성분비가 0.2~0.4 범위를 만족하도록 조성된 서브머지드 아크 용접용 플럭스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100706026B1 (ko) 2005-11-17 2007-04-12 고려용접봉 주식회사 고속용접성이 우수한 서브머지드 아크 용접용 소결형플럭스
KR101579927B1 (ko) 2014-10-28 2015-12-29 현대종합금속 주식회사 다전극 고염기성계 서브머지드 아크 용접용 소결형 플럭스

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