KR20130029018A - 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스 - Google Patents

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Abstract

Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 용접시의 입열량이 작은 경우에도 용접의 안정성이 우수하고, 양호한 비드 형상 및 비드 외관이 얻어지는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 제공한다.
일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스(1)는, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 이용하여 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시할 때에 사용된다. 이 플럭스(1)는, CaF2: 5 내지 20질량%, Al2O3: 10 내지 20질량%, SiO2: 40 내지 60질량% 및 CaO: 15 내지 30질량%로 이루어지는 용융 플럭스를 소결 플럭스 원료의 일부로서 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량% 혼합시켜 소결하여 얻은 소결 플럭스이다. 그리고, 플럭스 전체의 조성이 최적화되어 있다.

Description

일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스{FLUX FOR ELECTROSLAG OVERLAY WELDING}
본 발명은, 원자력용 압력 용기 및 화학 반응 용기의 내면 등, 구조물의 내식성을 필요로 하는 부분에 대상(帶狀) 전극을 이용하여 육성(肉盛) 용접을 실시할 때에 사용되는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에 관한 것이며, 특히 Ni기(基) 합금으로 이루어지는 대상 전극을 이용하는 육성 용접에 사용되는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에 관한 것이다.
종래, 원자력용 압력 용기 및 화학 반응 용기의 구조물에 있어서, 내식성이 필요하다고 여겨지는 내면 등에는, 대상 전극(이하, 후프라고 함)과 구조물 표면(이하, 모재라고 함) 사이의 공간을 플럭스로 매몰시킨 상태에서 후프와 모재 사이에 전류를 흘리고, 플럭스 중에 포함되는 슬래그 성분의 저항 발열에 의해 후프 및 모재를 용융시켜 비드를 형성하는 용접 방법이 채용되고 있다. 상기 슬래그 성분에는, 용융 부분을 대기로부터 차단하는 외에, 비드 형상을 갖추거나 용접 금속의 성분을 조정하거나 하는 작용이 요구된다.
일렉트로슬래그 육성 용접은, 서브머지드 아크 육성 용접에 비해 모재의 희석률이 낮기 때문에, 1층 용접하는 경우에도 저탄소이고 내식성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있다. 또한, 비드 형상이 양호하며, 비드 상면을 평활하게 또한 비드 폭을 균일하게 형성할 수 있는 외에, 비드 중에 융합 불량 및 슬래그 권입 등의 용접 결함이 적고, 후프와 모재 사이의 공간이 용융 슬래그 중에 매몰된 상태에서 용접이 진행되기 때문에, 용접 금속 중에 포함되는 산소량 및 비금속 개재물을 적게 할 수 있다는 점에서 우수하다.
한편, 비드 상에 층상으로 형성되는 응고 슬래그는 후공정에서 박리되지만, 비드 표면에 슬래그가 눌어붙어 버리면 박리할 수 없기 때문에, 그 부분의 보수 작업이 필요하게 된다. 또한, 용접부에 융합 불량 등의 용접 결함이 발생하면, 일렉트로슬래그 육성 용접법은 다른 용접법에 비해 폭넓게 비드를 형성하기 때문에, 용접 결함부의 보수 작업이 대대적이게 된다는 문제점이 있다. 게다가, 슬래그의 저항 발열에 의해 후프 및 모재를 용융시키기 때문에, 일렉트로슬래그 육성 용접법은 용융 온도가 아크 용접법에 비해 낮아 모재가 용융되기 어려워, 융합 불량을 발생시키기 쉽다는 문제점도 있다.
도 1의 (a)는 일렉트로슬래그 육성 용접을 나타내는 측면도, 도 1의 (b)는 일렉트로슬래그 육성 용접을 나타내는 사시도이다. 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 일렉트로슬래그 육성 용접은, 용접 대상이 되는 모재(3) 상에 후프(11) 및 호퍼(10)를 배치하고, 호퍼(10)로부터 도 1의 (b)에 나타내는 화살표 방향으로 플럭스(1)를 공급하여 후프(11)와 모재(3) 사이의 공간을 플럭스(1)로 매몰시킨 상태에서 후프(11)와 모재(3) 사이에 전압을 인가한다. 그렇게 하면, 플럭스(1) 중에 함유시킨 슬래그 성분이 후프(11)와 모재(3) 사이에서 저항 발열하고, 이 열로 후프(11) 및 모재(3)가 용융되어 용융 금속(4c)이 된다. 또한, 용융 금속(4c) 상에는, 플럭스(1) 중의 슬래그 성분이 용융되어 용융 슬래그(4b)가 층상으로 형성된다.
그리고, 호퍼(10) 및 후프(11)를 용접 방향으로 전진시키면, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이 호퍼(10) 및 후프(11)의 후방으로 용융 금속(4c) 및 용융 슬래그(4b)가 각각 응고해 가고, 비드(4)(용접 금속(4d)) 및 그 상부의 응고 슬래그(4a)가 층상으로 형성되어 간다.
이와 같이 진행되는 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 후프로서는 예컨대 스테인레스강 또는 Ni기 합금으로 이루어지는 것이 사용되고 있다. 그리고, 이들 재질로 이루어지는 후프를 사용하여 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시하는 경우의 용접 작업의 고능률화, 비드 형상의 안정화 등을 도모하기 위한 기술이 개시되어 있다.
예컨대, 특허문헌 1에는, 347계 스테인레스강 후프를 사용하여 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시하는 경우에, SiO2를 종래에 비해 증가시켜 용융 슬래그에 점성을 부여함과 더불어, CaF2, MgF2 및/또는 AlF3, 및 MgO의 함유량을 적정화한 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스가 개시되어 있다. 이 특허문헌 1의 플럭스는 특히 CaF2, MgF2 및/또는 AlF3, 및 MgO의 함유량을 적정화함으로써 슬래그 박리성의 저하를 방지할 수 있다는 것이 개시되어 있다.
또한, 본원 발명자들은 특허문헌 2에서, 플럭스 중의 CaF2, NaF 및 Na3AlF6, Al2O3, SiO2, 및 Na2O의 함유량을 적정히 규정함으로써, 347계 스테인레스강 후프 또는 Ni기 합금 후프를 사용하여 육성 용접을 행한 경우에 양호한 슬래그 박리성이 얻어지는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 제안했다.
한편, 상기 원자력용 압력 용기 및 화학 반응 용기의 구조물 내면에는, 용접 금속의 박육화 및 생산성의 향상이 요구되고 있고, 다른 용접 조건에 비해 입열량이 작은 용접의 경우에도 용접 작업성이 우수하며, 건전한 용접 금속이 얻어지고, 이에 의해 안정된 용접을 실현할 수 있는 플럭스가 요구되고 있다. 이 요구에 대하여, 예컨대 특허문헌 3에는, 2.5 내지 3.5% Ni강의 서브머지드 아크 용접에 사용되는 용융 플럭스의 조성이 개시되어 있고, 용융 플럭스의 적정한 조성에 의해 소입열 용접에 있어서 용접의 안정성을 얻는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허공개 2008-183570호 공보 일본 특허공개 2010-234395호 공보 일본 특허공개 평7-155986호 공보
그러나, 전술한 종래 기술에는 이하와 같은 문제점이 있다. 즉, 특허문헌 1에 개시된 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 3질량% 정도의 Nb가 첨가된 Ni기 합금 후프를 사용하여 육성 용접을 행하는 경우에, 비드 표면에 슬래그가 대량으로 눌어붙어 슬래그 박리성이 현저히 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 2의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 용융 슬래그에 대한 전기 전도성이 불충분해져, 입열량이 작은 경우에 충분한 발열량이 얻어지지 않고, 또한 발생한 열이 플럭스의 용융에 빼앗겨 버려, 특히 저전류역에서 안정된 용접을 실시할 수 없다는 문제점이 있다. 예컨대, 용접 중에 아크가 빈번히 발생하여 용접 작업성이 저하된다. 또한, 용융 플럭스의 점성이 충분히 얻어지지 않고, 슬래그의 형성도 불충분하기 때문에, 양호한 용접 비드 외관이 얻어지지 않는다는 문제점도 있다.
특허문헌 3에 개시된 용융 플럭스는 2.5 내지 3.5% Ni강을 서브머지드 아크 용접하는 경우에는 적합하지만, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 특허문헌 3의 용융 플럭스를 사용한 경우에는, MgO량이 많음에 따라 슬래그의 발생량 및 용접 금속의 두께가 과잉이 되고, 양호한 용접 비드 형상이 얻어지지 않는다는 문제점이 있다. 한편, 특허문헌 3에서는, MgO량을 늘리는 것에 의해 용융 플럭스를 용해시에 유리화하기 쉽게 하고 있지만, 플럭스의 유리화는 예컨대 SiO2의 함유량을 늘리는 것에 의해서도 용이하며, MgO량을 늘릴 필요는 없다. 또한, 특허문헌 3의 용융 플럭스도 용융 슬래그에 대한 전기 전도성이 불충분해져, 특허문헌 2와 마찬가지로, 입열량이 작은 경우에 충분한 발열량이 얻어지지 않고, 또한 발생한 열이 플럭스의 용융에 빼앗겨 버려, 특히 저전류역에서 안정된 용접을 실시할 수 없다는 문제점도 있다. 게다가, 특허문헌 3의 용융 플럭스는 점성이 충분히 얻어지지 않음에 따라 양호한 비드 외관이 얻어지지 않는 한편, 용융 슬래그의 점성은 과잉이 되어 슬래그 박리성이 저하되고, 슬래그 눌어붙음 등의 불량이 발생하기 쉽다는 문제점도 있다.
본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 용접시의 입열량이 작은 경우에도 용접의 안정성이 우수하고, 양호한 비드 형상 및 비드 외관이 얻어지는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 이용하여 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시할 때에 사용되는 플럭스에 있어서, CaF2: 5 내지 20질량%, Al2O3: 10 내지 20질량%, SiO2: 40 내지 60질량% 및 CaO: 15 내지 30질량%로 이루어지는 조성을 갖는 용융 플럭스를, 원료의 일부로서 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량% 혼합시켜 소결하여 얻은 소결 플럭스이며, 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 전체 질량비로 CaF2: 55 내지 75질량%, Al2O3: 10 내지 25질량%, SiO2: 10 내지 20질량%, MgO: 5.0질량% 이하, CaO: 5.0질량% 이하, BaO: 5.0질량% 이하 및 TiO2: 5.0질량% 이하를 함유하고, Na2O, K2O 및 Li2O로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 총량으로 2 내지 5질량% 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 추가로 Si, Mn, Cr, Ni, Fe, Mo, Nb, Ta, Al 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 성분을 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 전체 질량비의 총량으로 10.0질량% 이하 함유할 수 있다.
본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 플럭스 전체의 조성이 최적화된 뒤에, 소정의 조성을 갖는 용융 플럭스를 소결 플럭스의 원료로서 적량 함유하고 있기 때문에, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 양호한 비드 형상 및 비드 외관을 확보할 수 있고, 슬래그 박리성을 양호하게 유지하면서, 용접시의 입열량이 작은 경우에도 용융 플럭스성분의 작용에 의해 플럭스의 융점을 최적 범위로 확보할 수 있어, 플럭스의 용해성이 향상된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 우수한 용접의 안정성을 얻을 수 있다.
도 1의 (a)는 일렉트로슬래그 육성 용접을 나타내는 측면도, (b)는 일렉트로슬래그 육성 용접을 나타내는 사시도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에서의 후프 및 플럭스와 모재 및 용접 비드의 위치 관계를 나타내는 도면으로, 도 1의 (a)는 측면도, 도 1의 (b)는 정면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세히 설명한다. 본원 발명자들은, Ni기 합금으로 이루어지는 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 용접시의 입열량이 작은 경우에도 안정되게 용접을 실시하기 위해 여러 가지 실험 검토를 거듭했다. 즉, 상기 후프를 사용한 일렉트로슬래그 육성 용접에 있어서, 종래의 플럭스를 사용한 경우에는, 용접 전류가 낮아 입열량이 작으면, 플럭스의 점성이 충분히 얻어지지 않음과 더불어 슬래그의 형성이 불충분해져, 양호한 비드 형상 및 비드 외관이 얻어지지 않는 등의 문제점이 있었다. 본원 발명자들은, 이 문제점을 해결하기 위해서는, 종래의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에서는 첨가되고 있지 않은 용융 플럭스를 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에 대하여 소정의 비율로 첨가하면, 용융 플럭스 성분의 작용에 의해 플럭스의 용융이 촉진되어, 입열량이 작은 경우에도 안정된 용접을 실현할 수 있다는 것을 알아냈다. 그리고, 용융 플럭스의 조성을 최적화함으로써 플럭스 전체의 융점을 최적 범위로 확보할 수 있고, 플럭스 전체의 조성을 최적화하면 비드 형상 및 비드 외관도 양호하게 유지할 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명을 발견했다.
즉, 본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 도 1의 (a), (b)에 나타내는 모재(3) 상에 배치한 호퍼(10) 내에 투입되는 것이다. 이 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 후술하는 용융 플럭스를 원료의 일부로서 포함하고, 이 용융 플럭스 원료에 다른 원료를 혼합한 후, 이 혼합 원료를 소결하고, 분쇄하여 정립(整粒)하는 것에 의해 제조되어 있다. 얻어진 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스(소결 플럭스)는, 플럭스 전체 질량비로 CaF2: 55 내지 75질량%, Al2O3: 10 내지 25질량%, SiO2: 10 내지 20질량%, MgO: 5.0질량% 이하, CaO: 5.0질량% 이하, BaO: 5.0질량% 이하 및 TiO2: 5.0질량% 이하를 함유하고, Na2O, K2O 및 Li2O로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 총량으로 2 내지 5질량% 함유하는 조성을 갖는다.
이하, 본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 조성에서의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 우선, 플럭스 전체 중의 각 성분의 함유량 한정 이유에 대하여 설명한다. 한편, 이하의 기재에서, 플럭스 전체 질량비란 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 전체 질량비를 의미한다.
「CaF2: 플럭스 전체 질량비로 55 내지 75질량%」
CaF2는 용융 슬래그의 전기 전도도를 적절히 확보하여 용접의 안정성을 향상시킨다. 또한, CaF2는 용융 슬래그의 점성을 적절히 확보하여 용접 비드의 형상을 향상시킨다. CaF2의 함유량이 플럭스 전체 질량비로 55질량% 미만이면, 비드 형상 및 비드 외관이 열화되고, 또한 전기 전도도가 과잉이 되어 저항 발열이 부족함에 따라 용접 중에 빈번히 아크가 발생하여 용접의 안정성이 저하된다. CaF2의 함유량이 플럭스 전체 질량비로 75질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 점성이 과잉이 되고, 용접 비드의 직선성이 저하되어 용접 비드의 형상이 열화됨과 더불어, 불소 가스의 발생량이 증가하여 용접 비드에 압흔(포크 마크)이 발생하고, 비드 외관이 열화된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, CaF2의 함유량을 플럭스 전체 질량비로 55 내지 75질량%로 규정한다. 이 CaF2의 함유량은 플럭스 전체 질량비로 60 내지 70질량%인 것이 바람직하다.
「Al2O3: 플럭스 전체 질량비로 10 내지 25질량%」
Al2O3는 슬래그 형성제로서 첨가되고, 용접 비드의 평활성, 시단부(始端部)의 젖음성 및 직선성을 적절히 확보하여 용접 비드 외관 및 용접 비드 형상을 향상시킨다. Al2O3의 함유량이 플럭스 전체 질량비로 10질량% 미만이면, 이들 효과를 충분히 얻을 수 없고, 25질량%를 초과하면, 저항 발열량이 부족하여 플럭스의 용융이 불충분해지고, 용접 중에 빈번히 아크가 발생하여 용접의 안정성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, Al2O3의 함유량을 플럭스 전체 질량비로 10 내지 25질량%로 규정한다. 이 Al2O3의 함유량은 플럭스 전체 질량비로 15 내지 20질량%인 것이 바람직하다.
「SiO2: 플럭스 전체 질량비로 10 내지 20질량%」
SiO2는 용융 슬래그의 점성을 적절히 확보하여 용접 비드 형상을 양호하게 한다. SiO2의 함유량이 플럭스 전체 질량비로 20질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 점성이 과잉이 되고, 용접 비드의 직선성이 저하되어 용접 비드의 형상이 열화되거나, 용접 비드 폭이 협소해져 언더컷이 생긴다. 통상, SiO2는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 제조시에 SiO2가 주체인 바인더가 첨가됨에 따라 플럭스 전체 질량비로 10질량% 이상 도입된다.
「MgO, CaO, TiO2, BaO: 각각 플럭스 전체 질량비로 5.0질량% 이하」
MgO, CaO, TiO2 및 BaO는 각각 슬래그 형성제로서 첨가되고, 용접 비드의 평활성 및 직선성을 적절히 확보하여 용접 비드 외관 및 용접 비드 형상을 향상시킨다. 또한, 용융 슬래그의 대류에 의해 후프의 폭 방향으로 균일한 용융 슬래그를 형성하여 슬래그 박리성을 향상시킨다. MgO, CaO, TiO2 또는 BaO의 함유량이 플럭스 전체 질량비로 5.0질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 대류가 과잉이 되어 슬래그의 발생량이 후프의 폭 방향으로 불균일해져 슬래그 박리성이 저하된다. 한편, 본 발명에 있어서는, 이들 성분은 적극적으로 첨가하지 않아도 특별히 문제는 없지만, 플럭스 원료 중에 불순물로서 필연적으로 포함됨에 따라 통상은 플럭스 중에 0.1질량% 이상 함유된다.
「Na2O, K2O 및 Li2O: 1종 이상을 플럭스 전체 질량비의 총량으로 2 내지 5질량%」
Na2O, K2O 및 Li2O는 용융 슬래그의 융점을 적절히 확보하여 용접의 안정성을 향상시킨다. 이들 성분은 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 제조시에 바인더로부터 첨가되고, 제조된 소결형 플럭스에 있어서 그의 함유량은 플럭스 전체 질량비의 총량으로 2질량% 이상이 된다. Na2O, K2O 및 Li2O의 함유량이 총량으로 5질량%를 초과하면, 용융 슬래그의 융점이 저하됨에 따라 발열량이 부족하여 플럭스의 용융이 불충분해지고, 용접 중에 빈번히 아크가 발생하여 용접의 안정성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, Na2O, K2O 및 Li2O의 1종 이상을 플럭스 전체 질량비의 총량으로 2 내지 5질량% 첨가한다.
이 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 용융 플럭스를 소결 플럭스 원료의 일부로서 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량% 혼합시킨 것이다. 본 발명에 있어서는, 이 용융 플럭스는 CaF2: 5 내지 20질량%, Al2O3: 10 내지 20질량%, SiO2: 40 내지 60질량% 및 CaO: 15 내지 30질량%로 이루어지는 조성을 갖는다.
다음으로, 본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에서의 용융 플럭스의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 용융 플럭스는 이하의 각 성분을 소정의 조성으로 함유하며, 예컨대 전기로 등에 의해 가열 용융시키고, 냉각 응고시킨 후, 분쇄하고, 사분(篩分)에 의해 입도를 조정하여(정립(整粒)) 제조되어 있고, 유리 형상으로 조립(造粒)되어 있다.
「CaF2: 5 내지 20질량%」
용융 플럭스 중의 CaF2는 용융 플럭스 재료의 융점을 적절히 확보하여 그의 용해성을 향상시키는 성분이다. CaF2의 함유량이 5질량% 미만이어도 20질량%를 초과하여도, 융점이 지나치게 높아짐에 따라 용융 플럭스 재료의 용해성이 저하된다. 또한, CaF2의 함유량이 20질량%를 초과한 경우에는, 용해시에 용융 슬래그의 비산이 발생한다. 따라서, 용융 플럭스 중의 CaF2의 함유량은 5 내지 20질량%이며, 10 내지 15질량%인 것이 보다 바람직하다.
「Al2O3: 10 내지 20질량%」
Al2O3는 CaF2와 마찬가지로 용융 플럭스 재료의 융점을 적절히 확보하여 그의 용해성을 향상시키는 성분이다. 그리고, Al2O3의 함유량이 10질량% 미만이어도 20질량%를 초과하여도, 융점이 지나치게 높아짐에 따라 용융 플럭스 재료의 용해성이 저하된다. 따라서, 용융 플럭스 중의 Al2O3의 함유량은 10 내지 20질량%이며, 13 내지 17질량%인 것이 보다 바람직하다.
「SiO2: 40 내지 60질량%」
SiO2는 Al2O3 및 CaF2와 마찬가지로 용융 플럭스 재료의 융점을 적절히 확보하여 그의 용해성을 향상시키는 성분이다. 또한, SiO2는 용해 후 플럭스의 유리화를 적절히 확보하여 생산성을 향상시킨다. SiO2의 함유량이 40질량% 미만이면, 용해 후 플럭스의 유리화가 곤란해져 생산성이 저하된다. 또한, SiO2의 함유량이 40질량% 미만이어도 60질량%를 초과하여도, 용융 플럭스 재료의 융점이 지나치게 높아져 용해성이 저하된다. 따라서, 용융 플럭스 중의 SiO2의 함유량은 40 내지 60질량%이며, 45 내지 55질량%인 것이 보다 바람직하다.
「CaO: 15 내지 30질량%」
CaO도 상기 성분과 마찬가지로 용융 플럭스 재료의 융점을 적절히 확보하여 그의 용해성을 향상시키는 성분이다. 그리고, CaO의 함유량이 15질량% 미만이어도 30질량%를 초과하여도, 용융 플럭스 재료의 융점이 지나치게 높아져 용해성이 저하된다. 또한, CaO의 함유량이 30질량%를 초과하면, 용해시에 플럭스의 유리화가 곤란해져 용해성이 저하된다. 따라서, 용융 플럭스 중의 CaO의 함유량은 15 내지 30질량%이며, 20 내지 25질량%인 것이 보다 바람직하다.
상기 용융 플럭스 중의 CaF2, Al2O3, SiO2 및 CaO의 4 성분은 모두 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 생산성에 영향을 주는 성분이지만, 4 성분 중 3 성분 이상의 함유량이 바람직한 범위인 경우에 용융 플럭스의 생산성이 현저히 향상된다.
「용융 플럭스의 첨가량: 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량%」
상기 용융 플럭스는, 소결 플럭스에 소결 플럭스 전체 질량비로 3질량% 이상 첨가함으로써, 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 용융 상태가 최적인 상태가 되어 용접의 안정성이 향상된다. 용융 플럭스의 첨가량이 소결 플럭스 전체 질량비로 3질량% 미만이면, 용융 플럭스 성분이 부족함에 따라 플럭스의 용융이 원활히 진행되지 않게 되고, 저항 발열이 플럭스의 용융에 빼앗겨 용접의 안정성이 저하된다. 한편, 용융 플럭스의 첨가량이 플럭스 전체 질량비로 10질량%를 초과하면, 플럭스의 조립이 곤란해져 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 생산성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 용융 플럭스 성분은 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량% 첨가한다. 보다 바람직하게는, 용융 플럭스 성분은 플럭스 전체 질량비로 5 내지 8질량% 첨가한다.
이상 설명한 본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스는, 추가로 Si, Mn, Cr, Ni, Fe, Mo, Nb, Ta, Al 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 성분을 플럭스 전체 질량비의 총량으로 10.0질량% 이하 함유할 수 있다. 즉, 일렉트로슬래그 용접에 있어서는, 후프 중에 함유되는 Mn 및 Cr 등의 금속 성분은 산화 소모 등에 의해 그의 일부가 감소하기 때문에, 플럭스에 금속 성분을 첨가함으로써, 감소한 성분을 보충하는 것이 바람직하다. 그러나, 이들 금속 성분을 플럭스 전체 질량비로 10질량%를 초과하여 첨가하면, 저항 발열이 플럭스의 용융에 빼앗기기 쉬워져 용접의 안정성이 저하되기 쉬워지기 때문에, 그의 첨가량은 총량으로 10질량% 이하로 한다. 한편, 금속 성분은 첨가하지 않아도 특별히 문제는 없지만, 플럭스에 불순물로서 포함됨에 따라 총량으로 0.1질량% 이상 도입된다.
다음으로, 본 실시형태의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스(1)를 사용한 육성 용접에 대하여 설명한다. 우선, 모재(3) 상에 후프(11) 및 호퍼(10)를 배치하고, 호퍼(10)로부터 도 1의 (b)에 나타내는 화살표 방향으로 플럭스(1)를 공급한다. 그리고, 후프(11)와 모재(3) 사이의 공간을 플럭스(1) 중에 매몰한 상태에서 후프(11)와 모재(3) 사이에 전압을 인가한다. 그러면, 플럭스(1) 중의 슬래그 성분이 후프(11)와 모재(3) 사이에서 저항 발열하고, 이 열로 후프(11) 및 모재(3)가 용융되어 용융 금속(4c)이 된다. 또한, 용융 금속(4c) 상에는, 플럭스(1) 중의 슬래그 성분이 용융되어 용융 슬래그(4b)가 층상으로 형성된다.
그리고, 호퍼(10) 및 후프(11)를 용접 방향으로 전진시키면, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이 호퍼(10) 및 후프(11)의 후방으로 용융 금속(4c) 및 용융 슬래그(4b)가 각각 응고해 가고, 비드(4)(용접 금속(4d)) 및 그 상부의 응고 슬래그(4a)가 층상으로 형성되어 간다.
이때, 후프(11)와 모재(3) 사이의 공간이 플럭스 중에 매몰되어 있지 않으면, 후프(11)와 모재(3) 사이에 아크가 발생해 버린다. 그리고, 아크가 발생하면, 용융 금속 표면에 슬래그가 권입되기 쉬워져 슬래그 박리성이 저하되고, 슬래그의 눌어붙음도 발생하기 쉬워지기 때문에, 후공정에서 박리하는 것이 어려워진다. 또한, 슬래그 형성이 양호하게 진행되지 않기 때문에, 용접 비드 형상이 흐트러지거나, 용접 금속 중에 비금속 개재물이 혼입되기 쉬워진다. 따라서, 플럭스는 호퍼(10) 및 후프(11)의 진행을 방해하지 않는 범위에서 후프(11)와 모재(3) 사이의 공간에 충분히 대량으로 공급하는 것이 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 효과를 나타내는 실시예에 대하여, 그 비교예와 비교하여 구체적으로 설명한다.
우선, 용융 플럭스 재료를 소정의 비율로 전기로 내에 투입하고, 전기로에 의한 가열·용융 후, 냉각하여 고형의 용융 플럭스재를 얻었다. 각 용융 플럭스 재료의 조성을 표 1-1 및 표 1-2에 나타낸다. 이 용융 플럭스재를 분쇄한 후, 정립하고, 소결 플럭스 원료의 일부로서 혼합하여, 표 2-1 및 표 2-2에 나타내는 조성을 갖는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 얻었다. 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스에서의 용융 플럭스 첨가량을 표 1-1 및 표 1-2에 함께 나타낸다. 한편, 표 1-1 및 표 1-2에서, 용융 플럭스재가 얻어지지 않은 것은 용융 플럭스 첨가량의 난이 공란이다. 또한, 표 2-1 및 표 2-2에서, 0의 수치가 기재되어 있는 난은 각 성분의 함유량이 불순물 수준인 것을 나타낸다. 표 2-1 및 표 2-2에서는, 물유리로부터의 SiO2 첨가량을 4질량%로 하여 환산했다.
각 실시예 및 비교예에 대하여, 플럭스 원료로부터 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 제조할 때의 생산성을 평가했다. 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 생산성이 양호했던 경우를 ○, 불량했던 경우를 ×로 하여 표 6-1 및 표 6-2에 나타낸다.
[표 1-1]
Figure pat00001
[표 1-2]
Figure pat00002
[표 2-1]
Figure pat00003
[표 2-2]
Figure pat00004
그리고, 하기 표 3에 나타내는 조성을 갖는 Mn-Ni강(ASTM A533B class 1 상당재)으로 이루어지는 후판(두께: 50mm, 폭: 500mm, 길이: 600mm)을 모재로서 사용하여, 표 2-1 및 표 2-2에 나타내는 각 실시예, 종래예 및 비교예의 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 모재(3)의 20mm 상방에 배치한 호퍼(10)로부터 산포함과 더불어 송급기(12)로부터 후프(11)를 송급하여 모재와 후프 사이의 공간을 플럭스로 매몰시킨 상태에서, 모재(3)의 상방 35mm의 위치에 배치한 전원 공급 장치(13)에 의해 모재(3)와 후프(11) 사이에 전압을 인가하여 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시했다. 이때, 후프로서는, 하기 표 4에 나타내는 3 종류의 Ni기 합금으로 이루어지는 후프 A 내지 C 중 어느 하나를 사용하고, 표 5에 나타내는 용접 조건에 의해 일렉트로슬래그 육성 용접을 실시했다. 그리고, 비드(4)를 1층 형성한 후, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 1층째 비드(4)의 측단부와 후프(11)가 7mm 겹쳐지도록 후프(11)를 배치하여, 일렉트로슬래그 육성 용접에 의해 2층째 비드를 형성했다.
[표 3]
Figure pat00005
[표 4]
Figure pat00006
[표 5]
Figure pat00007
그리고, 2층째 비드를 형성할 때의 용접의 안정성, 비드 형상, 비드 외관 및 슬래그 박리성을 각각 관능 평가했다. 각 평가 결과를 표 6-1 및 표 6-2에 나타낸다. 한편, 각 평가 결과의 기재는 각각 ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 약간 불량, ×: 불량이다.
[표 6-1]
Figure pat00008
[표 6-2]
Figure pat00009
표 6-1 및 표 6-2에 나타낸 바와 같이, 실시예 No. 1 내지 15는 플럭스의 조성이 본 발명의 범위를 만족하기 때문에, 용접의 안정성이 우수하고, 양호한 비드 형상 및 비드 외관이 얻어지며, 슬래그 박리성도 양호했다. 이 실시예 No. 1 내지 15 중 실시예 No. 1 내지 4, No. 10 및 No. 13은, 플럭스 원료로서 사용한 용융 플럭스(CaF2, Al2O3, SiO2 및 CaO)의 3 성분 이상의 함유량이 각각 바람직한 범위이기 때문에, 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스를 생산할 때의 생산성이 양호했다.
이에 반하여, 비교예 No. 1 내지 24는 플럭스의 조성이 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에, 용접의 안정성, 비드 형상, 비드 외관 및 슬래그 박리성 중 1 이상의 항목이 저하 또는 열화되었다.
비교예 No. 1 및 비교예 No. 8은 CaF2의 함유량이 본 발명의 범위 미만이었기 때문에, 비드 형상 및 비드 외관이 열화되고, 용접의 안정성도 저하되었다. 한편, 비교예 No. 2는 과잉의 CaF2에 의해 비드 형상이 열화되고, 비드에 포크 마크가 발생하여 비드 외관도 열화되었다.
비교예 No. 3, No. 9 및 No. 10은 Al2O3 부족에 의해 비드 형상 및 비드 외관이 열화된 한편, 비교예 No. 4, No. 11 및 No. 12는 다량의 Al2O3에 의해 용접의 안정성이 저하되었다.
비교예 No. 13 내지 15는 SiO2 부족에 의해 용융 슬래그의 점성이 부족하여 비드 형상이 열화되었다. 비교예 No. 5 및 No. 16은 SiO2량이 과잉이 됨에 따라 비드 형상이 열화되고, 비드 폭이 협소해져 언더컷이 생겼다.
비교예 No. 6은 소결 플럭스 원료의 일부로서 혼합시키는 용융 플럭스의 총량이 적어, 용접의 안정성이 저하되었다. 한편, 비교예 No. 7은 플럭스 원료 중에 혼합시키는 용융 플럭스의 총량이 많음에 따라 플럭스의 조립이 곤란해져, 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스의 생산성이 저하되었다.
비교예 No. 17 내지 22는 MgO, CaO, TiO2 또는 BaO의 함유량이 본 발명의 범위를 초과했기 때문에, 비드의 박리성이 저하되었다.
비교예 No. 23 및 No. 24는 Na2O, K2O 및 Li2O의 함유량이 총량으로 본 발명의 범위를 초과했기 때문에, 용접의 안정성이 저하되었다.
비교예 No. 25 내지 No. 31은 소결 플럭스 원료의 일부로서 혼합시키는 각 용융 플럭스 재료의 첨가량이 본 발명의 범위를 만족하지 않기 때문에, 표 6-2에 나타낸 바와 같이, 전기로에서의 원료 용해성이 저하되어 용융 플럭스재가 얻어지지 않았기 때문에, 용융 플럭스를 제조하는 시점에서 제조 불가가 되었다.
1: 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스
10: 호퍼
11: 대상 전극(후프)
2: 송급기
13: 전원 공급 장치
3: 모재
4: 비드
4a: 응고 슬래그
4b: 용융 슬래그
4c: 용융 금속
4d: 용접 금속

Claims (2)

  1. Ni기 합금으로 이루어지는 대상(帶狀) 전극을 이용하여 일렉트로슬래그 육성(肉盛) 용접을 실시할 때에 사용되는 플럭스에 있어서,
    CaF2: 5 내지 20질량%, Al2O3: 10 내지 20질량%, SiO2: 40 내지 60질량% 및 CaO: 15 내지 30질량%로 이루어지는 조성을 갖는 용융 플럭스를, 원료의 일부로서 플럭스 전체 질량비로 3 내지 10질량% 혼합시켜 소결하여 얻은 소결 플럭스이며,
    플럭스 전체 질량비로 CaF2: 55 내지 75질량%, Al2O3: 10 내지 25질량%, SiO2: 10 내지 20질량%, MgO: 5.0질량% 이하, CaO: 5.0질량% 이하, BaO: 5.0질량% 이하 및 TiO2: 5.0질량% 이하를 함유하고, Na2O, K2O 및 Li2O로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 총량으로 2 내지 5질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로, Si, Mn, Cr, Ni, Fe, Mo, Nb, Ta, Al 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 성분을 플럭스 전체 질량비의 총량으로 10.0질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 일렉트로슬래그 육성 용접용 플럭스.
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