이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명자는 비교적 높은 입열조건으로 CO2보호가스하에서 용접하더라도 저온 충격인성뿐만 아니라 용접작업성도 우수한 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 개발하기 위해 많은 연구를 거듭하였으며, 그 결과 용접금속중 산소와 질소함유량을 500~550ppm과 25~50ppm으로 각각 유지함에 따라 결정조직 미세화 촉진과 비금속 개재물의 생성억제로 저온영역에서도 우수한 저온인성을 갖는 용접금속을 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명자는 상기 저온 충격인성뿐만 아니라 용접작업성도 동시에 충족시키기 위해 와이어의 성분중 각종 산화물의 함유량도 최적으로 제어가 필요함을 발견하고 본 발명을 제안하는 것이다.
따라서, 본 발명은, 와이어에 대한 중량%로, C: 0.03~0.07%, Mn: 1.6~2.0%, Si: 0.35~0.7%, Mg: 0.5~1.1%, B: 0.005~0.02%, Al: 0.08~0.3%, Ni: 0.7~2.0%, F: 0.15~0.35%, 티탄산화물: 5.5~7.5%, SiO2, Al2O3및 ZrO2로 이루어진 비티탄산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합: 0.25%이하, 잔여 철 및 불가피한 불순물로조성되고, 상기 티탄산화물과 비티탄산화물의 총함량이 8.0%이하로 제어됨을 특징으로 하는 탄산가스 아크 용접용 티타니아계 플럭스 충전 와이어에 관한 것이다.
이하, 본 발명 와이어의 조성성분 제한사유를 설명한다.
C는 용접금속의 침상형 페라이트 조직형성을 촉진하여 결정조직 미세화를 이루는 원소로서 용접금속의 충격인성을 상승시키는 효과가 크다. 그러나, 그 함량이 와이어의 전중량에 대한 중량%(이하, 단지 %라 한다)로 0.03%미만이면 상기 효과를 기대할 수 없으며, 0.07%를 초과하면 다량의 탄화물을 형성하여 과도하게 강도를 상승시켜 충격인성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 탄소의 함유량을 0.03~0.07%로 제한함이 바람직하다.
Mn은 슬라그 유동성을 개선하여 비드 형상을 개선시킬 뿐만 아니라 용접금속의 탈산을 촉진시키고 용접부의 적정한 강도와 인성을 유지시킨다. 그러나 그 함유량이 1.6%미만에서는 상기 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 2.0%를 초과하면 강도증가에 의한 인성저하, 특히 저온인성의 급격한 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함유량을 1.6~2.0%로 제한함이 바람직하다.
Si는 Mn과 같이 비드 형상을 개선시키고 용접금속의 탈산을 촉진시킴과 아울러 강도를 상승시킨다. 그러나, 그 함유량이 0.35%미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.7%를 초과하면 강도증가에 의한 인성저하, 특히 저온영역에서의 현저한 인성저하를 초래할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Si의 함유량을 0.35~0.7%로 제한함이 바람직하다.
Mg은 용접금속중 산소함량을 효과적으로 감소시킬 수 있으므로 용접금속의 저온인성을 현저히 상승시킬 수 있는 원소이다. 따라서, 그 함유량이 증가할수록 용접금속의 파면 천이온도 저하로 인하여 충격인성이 현저히 상승될 수 있다. 그러나 그 함유량이 너무 과도하면 고융점 MgO 슬라그의 과도한 생성으로 유동성이 저하되고, 이에 따라 슬라그 포피성 저하로 양호한 비드 외관을 얻을 수 없다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Mg의 함유량을 0.5~1.1%로 제한함이 바람직하다.
B는 용접금속내 B 또는 BN을 형성하여 충격인성을 향상시키는 원소이다. 그러나 그 함유량이 0.005%미만에서는 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.02%를 초과하면 용접금속중 경화성 조직의 증가로 급격한 충격인성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 B의 함유량을 0.005~0.02%로 제한함이 바람직하다.
Al은 용접금속의 탈산을 촉진시키는 원소이다. 또한, 용접금속의 점도를 증가시켜 전자세 용접성을 향상시킬 수 있는 원소로서, 질소와 반응하여 질화물 AlN을 형성함으로써 용접금속내 자유질소의 활동을 억제시켜 저온에서의 충격인성을 향상시킨다. 그러나, 그 함량이 0.08% 미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.3%를 초과하면 용접금속 내부에 다량의 Al화합물을 형성하여 용접금속의 연성저하 및 충격인성 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al의 함유량을 0.08~0.3%로 제한함이 바람직하다.
Ni은 오스테나이트 조직 형성원소로서 용접금속의 파면 천이온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나, 그 함유량이 0.7% 미만이면 상기 함유에 따른 효과를 기대할수 없으며, 2.0%를 초과하면 필요이상의 강도를 유지하여 저온 충격인성의 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Ni의 함유량을 0.7~2.0%로 제한함이 바람직하다.
F는 아크 집중성을 크게 하여 용접시 용입을 증대시켜 재결정화영역을 넓게 형성함으로써 용접조직의 미세화를 촉진시켜 저온 충격인성을 개선시키는 원소로서, 또한 탈수소 작용을 촉진하여 저온 충격인성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그러나, 그 함량이 0.15%미만이면 그 함유에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.35%를 초과하면 용접시 스패터 발생과 흄 발생이 증가될 뿐만 아니라 슬라그 유동성이 현저히 떨어져 용접 비드 외관의 열화를 초래한다. 이런 연유로 본 발명에서는 F의 함량을 0.15~0.35%로 제한함이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 F는 NaF, K2SiF6, Na3AlF6, CaF2등과 같은 알칼리금속 또는 알칼리 토금속의 플루오르화합물로부터 제공되어 질 수 있다.
또한, 본 발명의 와이어는 산화물을 포함한다.
티탄산화물은 티타니아계 플럭스 충전 와이어의 슬라그 및 아크 안정제 역할을 하는 주 구성성분이므로 슬라그 포피성, 박리성, 비드형상등의 용접 작업성에 많은 영향을 끼친다.
본 발명에서는 TiO2를 기준으로 티탄산화물의 함량을 5.5~7.5%로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 그 함량이 5.5% 미만이면 슬라그 포피성이 나빠져서 양호한비드 외관을 얻을 수 없어 전자세 용접이 어려워지며, 7.5%를 초과하면 슬라그 생성과 점성이 과다하여 용접금속 내부의 슬라그 혼입을 야기시키고 용접금속의 산소함유량을 증가시켜 저온 인성저하를 가져올 수 있기 때문이다. 한편, 본 발명에서 상기 티탄산화물은 천연 금홍석, 환원성 일메나이트 등으로부터 제공될 수 있다.
본 발명의 와이어는 또한, SiO2, Al2O3, ZrO2와 같은 비티탄산화물을 슬라그 형성제로 포함하는데, 바람직하게는 이들 산화물중 선택된 1종 또는 2종이상의 성분의 합을 0.25%이하로 제한하는 것이다. 왜냐하면 상기 성분의 합이 0.25%이하에서는 슬라그 점성이 향상되어 양호한 비드 외관을 얻을 수 있음에 반하여, 0.25%를 초과하면 비드가 조악해 지기 때문이다.
또한, 본 발명에서는 상술한 티탄산화물과 비티탄산화물의 함량의 총합을 8.0%이하로 제한할 것을 요하는데, 이는 그 총합이 8.0%를 초과하면 현저한 스패터 증가로 용접작업 능률이 현저히 저하되기 때문이다.
한편, 본 발명에서는 CaF2가 알칼리토금속 플루오르화합물로서 탈산제 및 탈수소제로 이용될 수도 있다. 이를 함유하는 경우, 보다 우수한 스패터성을 확보하여 용접능률을 도모하기 위하여 그 첨가량을 0.2%이하로 제한함이 보다 바람직하다. 본 발명에서는 추가적으로 Na,K,Li와 같은 아크안정제를 미소량 포함할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표1과 같은 조성을 갖는 직경 1.4mm의 티타니아계 플럭스 충전 와이어를 각각 마련하였다. 그리고 상기와 같이 마련된 각각의 와이어를 이용하여 용접모재 JIS G 3126 SLA325B에 대하여 용접을 행하였으며, 이때의 구체적인 용접조건은 하기 표 2와 같다.
구분 |
와이어의 조성(중량%) |
C |
Mn |
Si |
Mg |
B |
Al |
Ni |
F |
티탄산화물(TiO2) |
비티탄산화물 |
CaF2 |
SiO2 |
ZrO2 |
Al2O3 |
발명예 |
1 |
0.050 |
1.9 |
0.45 |
0.80 |
0.006 |
0.15 |
1.50 |
0.18 |
6.5 |
0.1 |
0.1 |
- |
- |
2 |
0.031 |
2.0 |
0.38 |
0.50 |
0.01 |
0.10 |
1.85 |
0.20 |
5.5 |
0.05 |
0.1 |
0.1 |
0.05 |
3 |
0.035 |
1.8 |
0.50 |
0.90 |
0.01 |
0.08 |
1.55 |
0.31 |
5.9 |
0.1 |
0.1 |
- |
0.1 |
4 |
0.045 |
1.7 |
0.40 |
0.95 |
0.015 |
0.25 |
1.45 |
0.15 |
6.0 |
- |
0.1 |
- |
- |
5 |
0.036 |
1.9 |
0.70 |
0.62 |
0.008 |
0.11 |
1.25 |
0.22 |
6.2 |
- |
0.1 |
0.1 |
0.15 |
6 |
0.041 |
1.6 |
0.35 |
1.10 |
0.015 |
0.15 |
1.00 |
0.35 |
7.4 |
- |
0.1 |
- |
- |
7 |
0.039 |
1.6 |
0.45 |
0.90 |
0.01 |
0.30 |
0.70 |
0.25 |
6.8 |
0.1 |
0.1 |
0.05 |
- |
8 |
0.060 |
1.8 |
0.50 |
0.80 |
0.02 |
0.15 |
0.90 |
0.28 |
7.0 |
- |
- |
0.1 |
0.20 |
9 |
0.033 |
1.8 |
0.45 |
0.75 |
0.01 |
0.10 |
1.30 |
0.16 |
6.5 |
0.2 |
- |
- |
0.05 |
10 |
0.037 |
1.7 |
0.55 |
0.70 |
0.01 |
0.15 |
1.85 |
0.19 |
6.0 |
- |
- |
0.2 |
- |
비교예 |
1 |
0.035 |
1.9 |
0.45 |
0.80 |
0.006 |
0.15 |
1.50 |
0.20 |
4.1 |
1.0 |
0.1 |
- |
- |
2 |
0.021 |
1.8 |
0.41 |
0.30 |
0.01 |
0.20 |
1.80 |
0.20 |
5.4 |
0.5 |
0.1 |
0.1 |
- |
3 |
0.025 |
1.8 |
0.50 |
0.90 |
0.01 |
0.50 |
1.55 |
0.30 |
5.9 |
- |
- |
- |
- |
4 |
0.037 |
2.4 |
0.55 |
0.70 |
0.01 |
0.15 |
1.45 |
0.20 |
6.0 |
- |
- |
- |
0.1 |
5 |
0.046 |
1.9 |
0.40 |
0.95 |
0.015 |
0.25 |
0.40 |
0.15 |
5.8 |
0.5 |
- |
- |
- |
6 |
0.041 |
1.7 |
0.20 |
1.00 |
0.02 |
0.25 |
1.90 |
0.30 |
6.0 |
0.2 |
- |
- |
- |
7 |
0.010 |
1.8 |
0.70 |
1.05 |
0.008 |
0.15 |
1.25 |
0.20 |
6.5 |
1.5 |
0.2 |
0.2 |
- |
8 |
0.052 |
1.6 |
0.45 |
1.30 |
0.01 |
0.10 |
1.50 |
0.16 |
6.0 |
- |
- |
0.3 |
- |
9 |
0.049 |
1.6 |
0.35 |
1.10 |
0.015 |
0.15 |
1.00 |
0.50 |
7.4 |
- |
- |
- |
0.3 |
10 |
0.031 |
1.8 |
0.45 |
0.80 |
0.003 |
0.15 |
1.60 |
0.20 |
5.5 |
1.0 |
0.2 |
- |
- |
11 |
0.030 |
1.6 |
0.90 |
0.90 |
0.01 |
0.30 |
1.70 |
0.25 |
6.5 |
- |
0.1 |
0.2 |
- |
*상기 표에서 잔여분은 철 및 불가피한 불순물임
극성 |
용접전류/전압 |
용접속도 |
시일드 가스 |
개선형상 |
적층방법 |
DCRP(직류역극성) |
350Amp/35Volt |
25~35cm/min |
CO225ℓ/ min |
20°루트간격16mm받침판 9mm |
5층10패스 |
상기와 같이 용접을 행한 후 용접금속에 대한 저온 인성을 평가하기 위하여 ASTM A370기준에 따른 샤르피 충격시험을 실시하였으며, 그 시험에 따른 각각의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
또한, 상기의 용접중에 용접작업성을 평가하기 위하여 아크성, 스패터성 및 비드 외관을 육안으로 관찰하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었으며, 여기서 ◎는 그 평가결과가 양호, ○는 보통, 그리고 △는 그 평가결과가 불량인 것을 의미한다.
하기 표 3에 나타난 바와 같이, 용접금속중 산소와 질소함량 저감과 용접 작업성 향상을 꾀하도록 그 조성이 마련된 본 발명예(1~10)의 경우 모두 우수한 저온 충격인성과 용접작업성을 나타내었다.
특히, CaF2를 소정량 함유한 본 발명예(2~3, 5,8~9)가 그렇지 않은 경우에 비하여 보다 우수한 스패터성을 가짐을 알 수 있다.
구분 |
인장시험 |
샤르피 흡수에너지(J) |
용접 작업성 |
항복점(N/mm2) |
인장강도(N/mm2) |
연신율(%) |
vE-40℃ |
vE-60℃ |
vE-80℃ |
아크성 |
스패터 |
비드외관 |
발명예 |
1 |
555 |
590 |
26.0 |
144 |
111 |
84 |
◎ |
○ |
◎ |
2 |
585 |
610 |
25.8 |
126 |
105 |
72 |
◎ |
◎ |
◎ |
3 |
565 |
595 |
27.0 |
155 |
122 |
101 |
◎ |
◎ |
◎ |
4 |
540 |
580 |
27.5 |
161 |
134 |
104 |
◎ |
○ |
◎ |
5 |
564 |
594 |
25.6 |
128 |
101 |
68 |
◎ |
◎ |
◎ |
6 |
535 |
574 |
27.6 |
142 |
114 |
85 |
◎ |
○ |
◎ |
7 |
524 |
565 |
26.7 |
121 |
98 |
65 |
◎ |
○ |
◎ |
8 |
531 |
567 |
25.2 |
146 |
110 |
89 |
◎ |
◎ |
◎ |
9 |
542 |
571 |
26.5 |
138 |
106 |
78 |
◎ |
◎ |
◎ |
10 |
574 |
615 |
25.2 |
125 |
103 |
69 |
◎ |
○ |
◎ |
비교예 |
1 |
540 |
575 |
27.0 |
154 |
114 |
101 |
△ |
○ |
△ |
2 |
565 |
601 |
25.2 |
92 |
45 |
26 |
△ |
○ |
△ |
3 |
610 |
655 |
21.5 |
85 |
41 |
24 |
◎ |
○ |
△ |
4 |
604 |
642 |
22.4 |
98 |
52 |
31 |
◎ |
◎ |
△ |
5 |
542 |
574 |
28.1 |
104 |
51 |
28 |
◎ |
○ |
△ |
6 |
515 |
544 |
29.4 |
112 |
65 |
35 |
△ |
○ |
○ |
7 |
574 |
595 |
26.8 |
64 |
37 |
21 |
◎ |
○ |
△ |
8 |
557 |
594 |
24.2 |
156 |
121 |
103 |
△ |
○ |
△ |
9 |
545 |
585 |
26.2 |
148 |
104 |
96 |
○ |
△ |
△ |
10 |
546 |
579 |
28.0 |
65 |
46 |
35 |
◎ |
○ |
△ |
11 |
610 |
667 |
21.0 |
55 |
33 |
18 |
◎ |
○ |
△ |
이에 반하여, 티탄산화물의 함유량이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1의 경우에는 그 충격 인성치는 양호하나 용접작업성은 좋지 않았다. 그리고, Mg가 과소하게 함유된 비교예 2는 그 충격인성이 좋지 않은 반면에, 이를 과도하게 함유한 비교예 8은 충격인성은 양호하나 용접작업성이 좋지 않았다.
또한, Al, Mn, Ni 및 Si의 함유량이 각각 본 발명의 범위를 벗어난 비교예(3~6,11)은 모두 -60, -80℃온도에서 그 충격 인성치가 다소 미흡한 수준이었다.
그리고, C의 함유량이 과소한 비교예 7이나 B의 함유량이 본 발명의 벗어난 비교예 10의 경우에는 그 충격 인성치가 -40℃온도범위에서도 좋지 않았다.