KR20010086841A - 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판용접용 플럭스 코어드 와이어 - Google Patents

내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판용접용 플럭스 코어드 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 플럭스의 양을 용접용 와이어 전체 중량의 10∼20, 플럭스에 의하여 충진되는 쉬드를 와이어 전체 중량의 80∼90가 되도록 구성하고, 철분과 탈산제 및 아크 안정제 등의 기타 성분을 잔량으로 한 플럭스가 충진되는 연강제 쉬드로 구성된다.
상기 연강제 쉬드 내에 충진되는 플럭스는 와이어 전체 중량에 대하여 슬래그 생성제 2∼15와, 규소 산화물 1.0∼10와, 금속 티타늄 또는 금속 마그네슘과 그 합금 혼합물 중에서 금속 티타늄을 포함하여 적어도 두 가지 이상을 포함한 성분 0.4∼3와, 나트륨 불화물과 칼륨 불화물 중 하나의 불화물 0.1∼1로 구성됨을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 플럭스 코어드 와이어는 아연 도금층의 두께가 두꺼운 경우에도 용접시 발생하는 피트와 블로우 홀의 발생을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 용접 흄과 스패터의 발생을 제어할 수 있음으로써, 용접성을 향상시킬 수 있기 때문에 연속 용접 공정이나 자동화된 용접 공정에 효과적으로 사용 가능하다.

Description

내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어{Pit and blow hole resistant flux-cored wire electrode for gas-shielded arc-welding of galvanized steel sheet}
본 발명은 아연도금 강판의 용접에 사용되는 플럭스 코어드 와이어(flux- cored wire electrode)에 관한 것으로, 더 자세하게는 아연도금 강판의 용접시 발생하기 쉬운 피트(pit)와 블로우 홀(blow hole)의 형성을 효과적으로 억제하기 위하여 슬래그 생성제로서 티타늄 산화물, 규소 산화물, 알카리 불화물 등이 적당히 함유된 플럭스를 연강제 쉬드(sheath, 외피) 내에 와이어 전체 중량에 대하여 10∼20가 되도록 충진한 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어에 관한 것이다.
일반적으로 금속의 용접에 가장 널리 사용되는 용접법은 용접재(전극 또는 용가재)와 피용접재(모재) 사이에 저전압 고전류의 전원을 인가하여 발생하는 아크 열로서 상기 두 재료를 용융시켜 모재와 모재를 결합시키는 아크 용접으로서, 아크 용접은 크게 두 가지 형식으로 구분된다.
그 하나는 용극식 아크 용접으로서 도 1에 도시한 바와 같이 용접봉(11)을 전극으로 사용하여 모재와 전극 사이에서 발생하는 아크(12) 열에 의하여 전극 역할을 하는 용접봉과 모재가 용융되면서 용접금속(13) 즉, 용접부에 형성되는 비드(bead)가 되는 형태로서 피복 아크 용접, 서브머지드 아크 용접, 탄산가스 아크 용접, 미그 용접 등을 들 수 있다.
다른 한 방법으로는 비용극식 아크 용접으로서 도 2에 도시한 바와 같이 전극(21)은 단지 아크(22)를 발생시키는 역할만을 하기 때문에 용접금속을 얻기 위해서는 별도의 용가재(23)(熔加材)를 아크 발생 범위내에 넣고 용융시켜야 한다. 이러한 방법의 대표적인 것으로는 티그 용접과 원자수소 용접 등을 들 수 있다.
상기의 아크 용접법 중에서 피복 아크 용접을 제외한 다른 용접법들은 용접시 아크 열에 의하여 용융된 액상의 금속이 형성되어 있는 용접지(熔接池)의 산화를 방지하거나 용융 금속의 분위기 조절을 위하여 불활성 가스나 이산화탄소 가스 등을 용접지 부근에 공급하여 용융 금속과 공기의 접촉을 차단시키기 때문에 가스 쉴드 아크 용접(gas-sheilded arc welding)이라고도 한다.
가스 쉴드 아크 용접은 고효율의 용접 방법으로서, 자동차, 조선, 건축 등의 다양한 산업 분야에서 널리 적용되고 있으며, 이러한 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 철강재의 용접은 매우 중요하나 다음과 같은 문제점이 있다.
철강재는 가격 대비 기계적 성질이 매우 우수한 재료이나 내식성에 있어서 취약한 특성을 갖기때문에 내식성 향상을 위하여 강재의 표면에 순 아연이나 아연 합금 등을 도금하여 사용되고 있다.
그러나, 상기 철강재 표면의 도금층이 용접시 형성되는 용접부 결함의 발생 요인으로 작용을 하게된다.
즉, 아연도금 강재의 도금층은 저융점, 저비점(低沸点) 특성을 갖는 아연으로 구성되기 때문에, 아크 용접성이 순수 강재에 비하여 현저히 떨어지며 용접부에 용접 결함이 발생하기 쉬운 바, 그 원인은 다음과 같다.
아크 용접시 발생하는 열에 의하여 용접지 및 열영향부 표면 도금층의 아연이 비점 이상으로 가열되고, 이때 증발되는 아연 가스가 용접지의 용융 금속(molten metal, melt) 속으로 침입하게 된다.
따라서, 상기와 같이 용접지의 용융 금속내로 침입한 아연 가스는 용융 금속이 응고한 이 후에도 비드 내부에 잔류하게 됨으로써, 내부 잔류 가스가 있는 공간 즉, 블로우 홀이 형성되며, 상기의 잔류 가스가 용융 금속의 응고 과정에서 완전히 응고되지 못한 비드 표면으로 뚫고 나오면서 비드 표면에 홈 - 피트를 형성시키게 된다.
상기와 같이 용접시 발생하는 아연 가스에 의하여 형성된 블로우 홀이나 피트는 용접부를 약화시켜 용접 강재의 강도를 떨어뜨리거나 크랙 발생의 근원이 되기 때문에 발생되지 않도록 해야한다.
종래 아연도금 강재의 가스 쉴드 아크 용접에 사용되어온 플럭스 코어드 와이어는 도금층 두께가 보통 20㎛ 이하인 자동차용 혹은 경량 철골용 아연도금 강재에 주로 사용되어 왔다.
그러나, 이를 도금층 두께가 50∼500㎛ 정도되는 도금 강재나, 도금층에 홈이 있는 강관 또는 선박의 공조 배관 등 백관(아연도금 강관)의 용접에 사용할 경우에는 특히, 상기의 블로우 홀이나 피트가 다량 발생하고 스패터링(spattering)이 심하여 비산된 용접부의 용융 금속이 쉴드 가스의 공급 노즐을 막아 가스의 쉴드 효율이 떨어져 연속적인 용접이 어렵게 되기도 한다.
따라서, 양호한 용접을 위해서는 용접할 부분의 도금층을 용접전 그라인딩 하여 제거하거나, I-형 맞대기 용접의 루트(root) 간격을 크게하여 기화한 아연 가스가 쉽게 방출되도록 하거나, 2회 이상의 용접을 실시하되 1차 용접시 예열 효과를 높여 도금층의 아연을 미리 기화시킨 후, 2차 이후의 용접에서 마무리 하는 등의 방법으로 용접을 하여야 함으로써 용접 작업성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 아연도금 강재의 용접시 문제가 되는 피트 및 블로우 홀의 발생을 최대한 억제할 수 있으며, 연속적인 용접 작업을 수행할 수 있도록 용접 흄과 스패터링을 적절히 제어 할 수 있는 용접에 최적화된 플럭스 성분으로 구성된 플럭스 코어드 와이어를 제공함 목적이 있다.
도 1은 용극식 아크 용접 과정을 보인 개략 구조도.
도 2는 비용극식 아크 용접 과정을 보인 개략 구조도.
도 3은 본 발명에 따른 용접용 플럭스 코어드 와이어를 이용한 용접 작업을 보인 것으로,
(가)는 사시도이고,
(나)는 측면도이며,
(다)는 측단면도이다.
도 4는 용접용 플럭스 코어드 와이어의 단면도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
11. 용접봉(전극) 21. 용접전극
23. 용가봉 34. 토 치
38,39. 비드 41. 쉬 드
본 발명의 상기 목적은 플럭스의 양을 용접용 와이어 전체 중량의 10∼20, 프럭스에 의하여 충진되는 쉬드를 와이어 전체 중량의 80∼90가 되도록 구성하고, 상기 플럭스 중에 기타 성분으로서의 철분과 탈산제 및 아크 안정제 등을 함유시키되, 기타 성분의 총량을 와이어 전체 중량의 5∼15가 되도록 한 다음, 기타 성분까지 함유한 플럭스를 연강제 쉬드 내에 충진한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어에 의하여 달성된다.
본 발명의 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어는 도 4에 도시한 바와 같이 연강제 쉬드(41) 내에 플럭스(42)가 충진된 구조로서, 충진 플럭스를 구성하는 성분은 와이어의 전체 중량을 기준으로 하여 슬래그 생성제 2∼15와, 규소 산화물 1.0∼10와, 금속 티타늄 또는 금속 마그네슘과 그 합금 혼합물 중에서 금속 티타늄을 포함하여 적어도 두 가지 이상을 포함한 성분 0.4∼3와, 나트륨 불화물과 칼륨 불화물 중 하나의 불화물 0.1∼1와, 상기 기타 성분을 잔량으로 함유한다.
상기 플럭스를 구성하는 각 성분들의 함량에 따른 용접성에의 영향은 다음과 같다.
이산화 티타늄을 주성분으로 구성되는 슬래그 생성제는 그 함량이 2미만일 경우에는 용접시 형성되는 아크가 안정되지 못하여 용접부 비드(bead) 형상이 불균일할 뿐 아니라, 용접지 용융 금속의 스패터 발생량이 증가하고 비산된 용융 금속에 의하여 쉴드 가스 공급 노즐의 막힘 현상이 증가할 수 있으며, 15를 초과하게 되면 용접부 비드에 피트와 블로우 홀이 다량으로 형성될 수 있다.
그리고, 규소 산화물은 상기의 슬래그 생성제의 역할도 하는 성분으로서, 그 함량이 1미만일 경우에는 용접 비드부로부터의 유리질 슬래그 탈락이 어렵게됨과 동시에 비드부의 형상이 지나치게 볼록한 형태로 형성되기 쉬우며, 10를 초과하면 아크 형성이 불안해지고 스패터 발생이 많아 진다.
금속 티타늄 또는 금속 마그네슘과 그 합금 혼합물 중에서 금속 티타늄을 포함하여 적어도 두 가지 이상의 성분을 첨가하되, 그 총 함량이 0.4미만이면 아크 형성이 불안해지고 용접부 비드에 피트와 블로우 홀이 다량으로 형성되며, 3를 초과하면 스패터링 현상이 심하여 규일한 용접부 비드의 형성이 어렵다.
나트륨 불화물이나 칼륨 불화물 중의 하나를 첨가하는 불화물의 경우는 그 함량이 0.1미만이면 아크 형성이 불안해지며, 1를 초과하게 되면 스패터링 현상이과도하게 발생되고 용접 흄의 발생량이 많아진다.
상기의 성분과 함량으로 구성되는 본 발명 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어의 기술적 구성과 구체적인 용접 특성 등에 관한 사항은 도면을 참조한 아래의 상세한 설명을 통하여 명확하게 이해될 것이다.
본 발명의 용접용 와이어를 사용한 용접 특성을 조사하기 위하여 실시한 용접 작업 방법의 실시예를 도 3의 (가)내지 (다)에 도시하였다.
도시한 바와 같이 평판형 주 모재(31)의 표면위에 동일한 형상의 부 모재(32)를 수직으로 용접하기 위하여 용접용 와이어(33)를 공급하는 토치(34)(torch)의 각도는 주 모재 표면과의 수평 경사각(35)은 60∼70°, 부 모재 표면과의 수직 경사각(36)은 45°를 이루도록 하고, 용접용 와이어(33) 선단이 부 모재(32) 하단 표면으로부터 떨어지는 이격 거리(37)는 와이어 직경의 1∼1.5배가 되도록 하였으며, 2회의 용접에 의하여 일차 비드(38)위에 이차 비드(39)를 형성시켰다.
그리고, 용접용 플럭스 코어드 와이어의 직경을 1.2mm로 제조하여 사용하였으며, 용접 전류는 180∼280 암페어, 용접 전압은 28∼32 볼트를 인가하고 쉴드 가스로서 이산화탄소 가스를 분당 20 리터의 양으로 공급하면서 탄산가스 아크 용접을 용접 속도가 분당 30 ㎝가 되도록 실시하였다.
상기의 용접에 사용된 두 모재는 두께 19mm, 폭 100mm, 길이 500mm의 SS400(JIS G 3101) 재질로서 도금 두께 100∼500㎛가 되도록 양면 아연 도금을 실시하였으며, 상기의 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어의 외피는 냉간 압연 강대인 SPWB 재질을 사용하였고, 그 중량 구성은 와이어 전체 중량에 대한 중량비로서 상기의 외피가 80∼90, 외피내에 충진된 플럭스를 10∼20로 하였다.
상기 실시예 용접에 사용된 플럭스의 중요 성분에 대한 함량과 내기공성 및 작업성은 표1과 같다.
구 분 플럭스 조성(와이어 전체 중량에 대한 백분율) 내기공성 작업성 종합평가
TiO2 금속Mg 금속Ti Mn SiO2 Al2O3 금 속불화물 A B
실시예 1 4.0 0.2 0.2 0.5 2.0 0.7 0.3 ◎ ◎ ◎
2 4.0 0.2 0.2 1.0 2.0 0.7 0.3 ◎ ◎
3 6.0 0.2 0.2 1.0 1.0 0.5 0.3 ◎ ◎
4 6.0 0.3 0.1 1.0 1.0 0.5 0.3 ◎ ◎
5 5.0 0.1 0.3 1.5 1.0 0.5 0.4 ◎ ◎ ◎
6 5.0 0.1 0.3 1.5 2.0 0.7 0.4
7 5.0 0.1 0.3 1.5 2.0 0.7 0.4 ◎
8 5.2 0.3 0.2 1.5 2.0 0.7 0.5 ◎
9 5.2 0.4 0.2 1.0 2.0 0.7 0.5 ◎
10 5.2 0.4 0.3 1.0 2.0 0.7 0.5 ◎
비교예 1 2.4 - 0.2 1.5 0.6 0.7 - △ X X
2 2.4 0.1 0.2 1.5 0.6 0.7 - X X X
3 3.0 0.4 - 1.0 0.6 0.5 - X X X
4 3.0 0.4 - 1.0 4.0 0.5 0.5 △ X X
5 8.0 0.2 2.0 1.5 4.0 0.5 1.0 X X
6 8.0 1.5 2.0 1.5 4.0 0.7 1.0 △ X X X
상기 표1의 내기공성 A는 비드 표면에 형성된 피트의 수를, B는 비드 내부에 형성된 블로우 홀의 수에 대한 평가이며, 작업성은 스패터 발생에 따른 작업성을 평가한 것이으로서, 용접 길이 500mm에 피트 및 블로우 홀의 발생 갯수가 없는 경우는 '◎'로, 1∼2개 인 경우는 ''로, 3∼5개 인 경우는 '△'로, 6개 이상의 경우는 'X'로 표시하였다.
그리고, 작업성은 스패터 발생 정도를 기준으로 하여 상대 평가하였으며, 종합 평가는 내기공성의 두 평가 항목과 작업성 평가의 세 항목에서 하나 이상의 'X'가 있는 경우는 'X'로 간주하고, 그 외에는 상대 평가를 하였다.
상기 표1의 비교예 1과 2와 같이 금속 마그네슘과 금속 티타늄의 함량이 0.4에 미치지 못하면 피트와 블로우 홀의 형성이 증가함을 알 수 있으며, 0.4가 되어도 금속 티타늄이 없이 금속 마그네슘만이 존재하면 피트와 블로우 홀의 형성을 억제하기가 어렵게 되는 것을 비교예 3과 4로부터 알 수 있는 바, 반드시 금속 티타늄이 함유되어야 함을 알 수 있다.
그리고, 금속 불화물은 특히 스패터에 영향을 미치는 것으로서, 비교예 1내지 3의 경우 내기공성은 불량하나 금속 불화물이 없기 때문에 아크가 불안정하기는 하지만 오히려 작업성에 있어서는 다소 안정적 임을 알 수 있다.
비교예 5는 내기공성은 양호하나 작업성이 불량함을 알 수 있다. 이는 전체적인 각 성분의 함량은 기준 범위에 있으나 금속 불화물의 함량이 기준치의 최고 값을 가짐과 동시에 중요한 슬래그 생성제인 이산화티타늄의 함량도 적지 않기 때문에 다량 발생되는 슬래그가 스패터링을 도와준 결과이다.
또한, 비교예 6의 경우에는 내기공성도 불량해짐을 알 수 있는데, 이는 금속 마그네슘과 금속 티타늄의 총 함량이 기준 범위를 벗어나기 때문이다.
상기 실시예와 비교예 용접부의 기계적 성질을 측정한 것이 다음의 표 2 이다.
구분 기계적 성질 충격치(0℃)J
인장강도(N/mm2) 신율()
실시예 1 590 27 75
2 570 28 75
3 585 27 80
4 585 28 70
5 590 28 80
6 570 29 65
7 568 26.5 70
8 570 27 68
9 570 27.5 65
10 590 27 75
비교예 1 580 24 55
2 550 27 60
3 540 26 55
4 570 24 40
5 590 27 40
6 580 24 40
상기 표2의 인장 및 충격 시험은 JIS Z 3111 에 따라 실시하였다.
상기 시험 결과를 살펴보면, 실시예와 비교예 시편의 인장강도는 비교예 2와 3을 제외하고는 비슷한 수준으로 나타났으나, 신율과 충격치에 있어서는 비교예 시편 모두가 현격한 감소를 보이고 있다.
즉, 용접부에 발생하는 용접 피트나 블로우 홀은 인장강도의 저하보다는 특히 신율과 충격치를 현저히 감소시키는 바, 이는 일반적으로 용접부가 급랭에 의하여 경화되기 때문에 인장강도 측면에서의 변화는 적으나, 경화에 의한 취성의 증가와 함께 피트나 블로우 홀이 균열에 대한 전파 역할을 수행함으로써 피트와 블로우 홀의 존재는 용접부를 더욱 취약하게 만든다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어는 도금층의 두께가 두꺼운 경우에도 용접시 발생하는 피트와 블로우 홀의 발생을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 용접 흄과 스패터의 발생을 제어할 수 있슴으로써, 용접성을 향상시킬 수 있기 때문에 연속 용접 공정이나 자동화된 용접 공정에 더욱 효과적으로 사용이 가능하다.

Claims (1)

  1. 플럭스와 쉬드로 구성되는 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어에 있어서, 플럭스로 충진되는 쉬드(sheath, 외피)의 중량을 와이어 전체 중량의 80∼90로, 플럭스의 양을 10∼20로 하여 구성되며, 이때 플럭스는 와이어 전체 중량에 대하여 슬래그 생성제 2∼15와, 규소 산화물 1.0∼10와, 금속 티타늄 또는 금속 마그네슘과 그 합금 혼합물 중에서 금속 티타늄을 포함한 적어도 두 가지 이상으로 이루어진 성분 0.4∼3와, 나트륨 불화물과 칼륨 불화물 중 하나의 불화물 0.1∼1와, 철분·탈산제·아크 안정제를 잔량으로 구성됨을 특징으로 하는 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판 용접용 플럭스 코어드 와이어.
KR1020000010761A 2000-03-03 2000-03-03 내피트 및 내블로우 홀 성능이 우수한 아연도금 강판용접용 플럭스 코어드 와이어 KR100343750B1 (ko)

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