1 Flux Cored Wire 의최신기술개발동향 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 임희대 *, 최창현 * 정재헌 * 길웅 * * 세아에삽용접기술연구소 The Latest Technology Development Trends of Flux Cored Wire Hee-Dae Im*,, Chang-Hyun Choi*, Jae-Heon Jung* and Woong Kil* *Welding Research Institute, ESAB SeAH Corp., Changwon 51553, Korea Corresponding author : hdlim@esab.co.kr (Received November 4, 2016 ; Revised November 14, 2016 ; Accepted December 2, 2016) Abstract Flux Cored Wire is the most widely used welding material for Flux Cored Arc Welding these days. This paper introduces the technical aspects of manufacturing FCW and the development trend of FCW for each type of steel and metal. The studies are ongoing to lower the production cost of seamless-type FCW since it has not been generally used in welding shops so far because of it high cost even though the seamless-type FCW has various advantages than folded-type FCW in terms of manufacturing technology. Meanwhile, a technical research has been carried out to develop a rutile type of FCW products which satisfies high toughness after post heat treatment. In addition, for high-speed fillet welding, there has been a development of welding materials which can be welded in Single Auto-Carriage 100 cpm or more and up to Twin Tandem 200 cpm without occurring any welding defect in order to improve the welding productivity. As Zn coated steel is being used recently to improve the corrosion resistance of the automotive parts, a research and development for Metal Cored Wire has been conducted to reduce the Si island produced in welding operation than those produced when using the former solid wires. A development of welding material that guarantees CTOD performance beyond -40 CTOD to -60 is underway by different steel grades, and FCW for super austenitic stainless steel is being developed as the corrosion resistant steel has been upgraded. Key Words : Flux cored wire, FCW, Flux cored arc welding, FCAW, Seamless FCW, Metal cored wire, MCW, Self-Shielded FCW, Stainless Steel FCW 1. 서론 Flux Cored Wire( 이하 FCW) 는 Flux Cored Arc Welding( 이하 FCAW) 에사용되는용접재료로 Covered Electrode를사용하는 Shield Metal Arc Welding ( 이하 SMAW) 을대체하기위해 1953 년 Arthur Bernard 1) 에의해개발되어현재는가장널리사용되고있는용접재료이다. 튜브 (Tube) 내부에플럭스 (Flux) 를함유하여반자동및자동용접이가능하고높은생산성과이동성때문에다양한산업분야에사용된다. FCW 의역사는단계적으로 2) 최초대구경 (3.2mm) 이주로사용되었으며, 용접성과적용성의문제로오버레이용접 (Overlay Welding) 등의일부분야에제한적으로사용되었다. 이후 1979 년부터전자세를위해슬래그 (Slag) 를포함하는소구경와이어 (1.2mm) 개발로사용량이크게증가하기시작했다. 이후많은연구가이루어져다양한슬래그타입의전자세용 FCW 의개발로용접생산공정비용을크게감소시킬수있어조선산업분야에사용량이증가되었고, 용접생산비용절감에충분히기여하게되었다. Journal of Welding and Joining, Vol.34 No.6(2016) pp1-10 https://doi.org/10.5781/jwj.2016.34.6.1
2 임희대 최창현 정재헌 길웅 한국에서 FCW 의사용량은지난 25년간급격하게증가하여전체아크용접 (Arc Welding) 의약 30% 이상을차지하고있다 3). FCW 의사용비율은조선과중 화학공업에서가장높고, 자동차를제외한모든영역에서 30% 이상을차지한다 3). 현재에도 FCW 의높은생산성과비용적인효과로다양한산업분야로확대적용되고있다. 본논문은최근 FCW 의제조기술적, 유형별, 강종별개발동향에대해각각소개하고자한다. 2. Flux Cored Wire 의개요 FCW 는금속외피또는튜브 (Metal Sheath or Tube) 와튜브내부에충전된플럭스로구성되어있으며, 금속튜브의단면모양이나플럭스조성에따라다양한형태의 FCW 의제조가가능하다. Fig. 1과 2는각각 FCW 의성형프로세스와제조공정을개념적으로보여주는것으로, 스트립을 U자형으로성형하여내부에사용목적에따라설계된플럭스를넣은다음 O자형으로성형하고, 성형된 O자형튜브를원하는직경까지인발하여생산한다. O자로성형생산된와이어의표면에는와이어길이방향을따라형성된심 (Seam) 부가남게되며, 심부의최종마무리형태에따라 Butt 와 Overlap type으로구분하기도한다. 일반적으로 Overlap type 이 Butt type 에비해심부의벌어짐이적어흡습에대한영향이적다 (Fig. 3). 이와같이 U자에서 O자로성 Sheath Strip Mixed Flux Mixing Design Forming Mixed Flux Fill Flux Cored Wire Raw Material Flux Fig. 1 Forming process of Flux Cored Wire Coil Slitting Flux hopper Strip reel U forming roll Baked wire Strip O forming roll Un-baked wire Flux inlet Flux mixing Raw material Forming & drawing Drawing diess Wire Bobbin Inspection Baking Winding Packing Delivery Fig. 2 Production process of Flux Cored Wire 512 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 6, 2016
Flux Cored Wire 의최신기술개발동향 3 형 생산되어심부를가지게된와이어를 Folded type 와이어라하고, 심부를형성하지않거나, 용접에의해심부가제거된것을 Seamless( 심리스 ) type 와이어라한다 (Fig. 4). 마지막으로인발이끝난후표면에남아있는잔류윤활제를처리하게되는데, 200-400 의온도에서 1-10 시간건조하여표면에산화피막을형성시킨것을베이크드타입 (Baked type) 이라하고, 건조공정을생략하고와이어표면의잔류윤활제를물리적, 화학적으로제거후방청성과송급성향상을목적으로액상또는고체의처리제를도포한것을언베이크드타입 (Unbaked type) 이라한다. 또한, Seamless FCW 와같이특수한경우에는와이어표면을구리 (Copper) 도금하는경우도있다. FCAW 는 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 와유사하나중심부에플럭스 (Flux) 가채워져있는 FCW 를사용하여일정한속도로 FCW 를공급하면서용접비드가형성되도록하는용접법이다 4). FCAW 는보호가스사용여부에따라가스보호 (Gas Shielded) FCAW 와자체보호 (Self-Shielded) FCAW 로구분되며, 용융부가보호가스및슬래그에의해이중 Overlap Butt Fig. 3 Cross-section photographs of Flux Cored Wire with seam type 으로보호되는것으로써, GMAW 의솔리드와이어 (Solid Wire) 와는사용하는형태만다를뿐원리는동일하다. 그러나자체보호 FCAW 에서는외부에서추가적인보호가스가공급되지않기때문에 SMAW의원리와유사하게플럭스에서발생하는자체가스와슬래그에의해용융부가보호된다. 자체보호 FCAW 는 SMAW 대비용융속도 (Melting Rate) 와용착속도 (Deposition Rate) 가매우높은것이특징이고, 보호가스를사용하지않으므로옥외의바람이부는곳에서도용접작업이가능하다. 또한, 용접토치가가볍고조작하기쉬워작업자의피로도가적으므로작업능률을향상시킬수있다 4). FCW 에서플럭스는용착금속의기계적물성치와용접작업성을조정하며, 아크 (Arc) 안정제, 슬래그형성제, 탈산제, 탈질제, 가스형성제, 그리고합금성분등을포함 한다 5). 대표적으로루타일 (Rutile) 을주성분계로하는 산성계슬래그조성을가질경우작업성이매우우수하고전자세용접이가능하다. 또한, 비드외관이나슬래그박리성을좋게하기위해서소량의특정화합물이첨가되고있으며, 슬래그의물리적성질을조정하여수직상진및하진용접성이우수하도록제조된제품도있다. CaO 와 CaF 2 를주성분계로하는염기성계슬래그조성을가질경우용접부인성이우수하나, 작업성이열악하고전자세용접이어려워진다. 마지막으로금속분말이주성분인플럭스를사용할경우에는메탈코어드와이어 (Metal Cored Wire, 이하 MCW) 라하며, 슬래그가생성되지않아보호가스를사용하여야만한다 6). 보호가스로는 Ar 또는 Ar+CO 2 의혼합가스를사용하는것이일반적이고, 솔리드와이어보다단위면적당전류밀도를높일수있어약 20~30% 정도높은용착속도로생산성을향상시킬수있다 4). 3. Flux Cored Wire 제조기술 Seam Seamless 3.1 Seamless Flux Cored Wire Folded type Flux Tube Seamless type Fig. 4 Photographs of folded and seamless type Flux Cored Wire 용접재료시장은기존고가의 Seamless FCW를저렴한가격으로대량생산이가능한 Seamless FCW 제조기술개발이진행되고있다. Seamless FCW는기존 Folded type이가지고있는심부를제거함으로써, Fig. 5와같이다습한환경에서도장시간내부플럭스의수분흡습이없어용착금속의수소함유량을낮추어저온균열발생을줄일수있고, 더불어용접부의웜홀 (Wormhole) 발생도감소시킬수있다. 또한, 기존 Folded type 의경우용접후흡습의우려로일정기간사용후남은와이어을폐기하였다. 이를최소화시키기위해소량의 Folded type 대한용접 접합학회지제 34 권제 6 호, 2016 년 12 월 513
4 임희대 최창현 정재헌 길웅 Diffusible hydrogen(ml/100g) 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 Test method: gas chromatography method-aws A4.3 Welding condition: 230A / 27V / 35cpm Holding time: 72hr Exposure condition: 80% RH, 30 3.01 2.07 4.46 Seamless type 5.65 Folded type 6.34 6.49 2.21 2.13 2.20 2.17 0hr 8hr 24hr 72hr 1week Exposure time Fig. 5 Diffusible hydrogen variation of folded and Seamless type Flux Cored Wire with exposure time 스풀형태로사용하는경우도있지만, Seamless FCW 의경우잔량이남더라도흡습이발생하지않아드럼의대용량형태로사용이가능하고사용자의입장에서는와이어의보관과관리가쉬워지게된다. 물리적특성으로는심부가없으므로, 와이어자체의표면이방성이개선되어용접케이블에서토치로공급된와이어가컨텍트팁 (Contact Tip) 으로일정하게 돌출되는와이어의타겟 (Target) 특성과송급성능이개선되고, 굽힘과비틀림에따른플럭스의유출이없으며, 표면으로흐르는전류가균일하여아크가안정화되므로로봇용접과같은자동용접시스패터 (Spatter) 발생과아크불안정에따른품질불량을개선할수있다. 그러나이러한다양한장점에도불구하고 Seamless type FCW는 Folded type FCW에비해일반화되지못하였는데, 그이유는생산방식이연속적이지못하고, Pipe 내부에플러스를충전후이를다시건조와인발, 구리도금하여권취하는형태 7) 로와이어자체생산비용적인측면에서상당히불리함을가지고있었다 (Fig. 6). 이를극복하기위해 Folded type 으로제조하는과정에서전기저항용접 (Electric Resistance Welding, ERW) 이나 8), 플라즈마 (Plasma), GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 를사용하여심부자체를용접하는프로세스가도입되었으나 (Fig. 7), 용접시내부플럭스가심부용접에의해발생하는열이나아크에노출되어특성이변하거나함께용융되는문제로생산성을높이는것에는한계를가지고있었다. 최근이러한한계를극복한 Seamless 공정이국내에서개발되어특허등록이완료되어있다 9). 이방법은성형된 FCW 를다시한번 Folded 하여이중관형태로제작한후이중 Folded 에의해형성된심부를용접함으로써아크가직접내부 PIPE Flux filling by vibration Drawing Dehydrogenation & annealing Intermediate size Spooling Drawing Copper plating Product size (1.2~2.0φ) Fig. 6 Conventional pipe seamless production process 10) Strip Roll forming Flux filling Seam welding (ERW) Spooling Product size (1.2~2.0φ) Drawing Copper plating Dehydrogenation & annealing Drawing Fig. 7 Seamless production process by Electro Resistance Seam Welding 10) 514 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 6, 2016
Flux Cored Wire의 최신 기술 개발 동향 5 After 80-day s in humidity chamber with 80% RH, 30 Copper free Copper coated Fig. 9 Wire surface rust generation test result for copper free and copper coated seamless Flux Cored Wire 어 표면 처리제 등에 대해 지속적인 연구를 진행하고 있다. 이런 표면 처리 기술은 각 제조사의 비공식적인 노하우로 외부에는 알려져 있지 않지만 경쟁적으로 기 술 개발을 진행 중이다. Welded Seam Fig. 8 Photograph of cross-section for double folded and seam welded Seamless Flux Cored Wire 플럭스에 영향을 미치지 않게 하여 기존의 문제점을 개 선함으로써 생산성을 확보 할 수 있게 한 것이다(Fig. 8). 또한 기존의 Seamless는 표면에 구리를 도금하여 전기전도도와 방청성을 확보하고, 낮은 컨텍트 팁 마모 도를 개선 하였으나, 상기 방식으로 생산된 와이어는 기존 Folded type에서 생산하는 방식과 동일하게 표 면도금 없이 건조타입(Baked Type)이나 비건조타입 (Unbaked type)으로 생산이 가능하고 방청성과 컨텍 트 팁 마모도도 우수하다(Fig. 9, 10). 3.2 Flux Core Wire 표면 처리 기술 FCW는 장시간 고속 용접에 사용되므로, 송급이 원 활 하지 못할 경우 빈번한 작업중단을 가져와 생산성을 저하시킨다. 또한, 용접재료 제조사들은 장시간 보관 시 에도 와이어 표면에 녹이 발생하지 않는 기술 개발을 다양한 방법으로 진행하고 있다. 생산공정의 성형 및 인발 시 사용되는 윤활제와 와이 어의 송급성, 방청성, 표면전기전도 향상을 위한 와이 4. Flux Cored Wire Type 별 개발 동향 4.1 Rutile계 Flux Cored Wire 4.1.1 후열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT)용 일반적인 Rutile계 Flux Cored Wire는 후열처리 후 충격인성이 급격히 감소하는 특징으로 사용이 제한 적 이였으나, 2000년대 초반 AWS A5.20 E71T-9X 계열의 후열처리 전용 FCW가 개발되어 적용되기 시작 하였고, 현재는 국내에서도 범용적으로 생산 판매하고 있다. 최근에는 후열처리용 AWS A5.29 E81T-K2X 와 E91T-K2X계열의 FCW가 개발되어 후열처리 후에 도 -60 까지 충격인성을 보증하고 있다. Drilling Pipe 용으로 사용되는 ASTM A519 Gr. 4130 용으로는 인 장강도 720Mpa이상, NACE(National Association of Corrosion Engineers)의 요구사항인 Max. 1.0%Ni을 만족하면서 -40 충격인성을 보증해야 하는 까다로운 규격을 만족하는 후열처리용 FCW가 국내에서 개발되 어 국내외 조선소에 적용 중이다. Voltage (V) Current (A) Travel speed (cpm) Polarity Shielding gas Total welding time (Min.) 29 270 50 DCRP CO2 100% 60 Before test Copper free Copper coated Fig. 10 Contact tip wear test results of copper free and copper coated seamless Flux Cored Wire 대한용접 접합학회지 제34권 제6호, 2016년 12월 515
6 임희대 최창현 정재헌 길웅 4.1.2 고속 Fillet 용접용보수용접이적고, 고속용접이가능한필릿 (Fillet) 전용용접재료가개발되어사용되고있으며 11), 종래에는싱글오토케리지 (Single Auto-Carriage) 기준 50~80 cpm cm/min) 의속도에서사용되어왔으나, 최근 100~ 20 cpm 의초고속에서도내기공성과양호한등각장을형성하는용접재료의개발이진행되고있다. 특히선박의건조공정에서전체용접부의 70% 정도를차지하는프라이머 (Primer) 도포강판의필렛용접부에대한고속화, 고효율화, 고품질화를요구하고있다. 20 여년전에는단일전극의 Flux Cored Wire 용접재료를이용해 80 cpm 정도에머물렀던용접속도가 TOP (Twin- Tandem One Pool) 12) 용접법의적용을통해 150 cpm 정도로약 2배증가하였으며, 최근에는용접속도를 200 cpm 이상고속으로수평필릿용접이가능하도록용가와이어 (Filler Wire) 를선, 후행전극사이에삽입시켜고용착및용융지안정화를도모한새로운시공법과내기공성이탁월한 Metal Flux Cored Wire 의연구도보고되고있다 13,14). 4.2 Metal Cored Wire 자동차의대표적인표면처리강판은 GI(Galvanized), GA(Galvannealed), EG(Electro-galvanized) 의아연도금강판으로로봇용접공정을통하여용접이진행되고있으며 15). 기존 AWS A5.18 ER70S-X 계열의솔리드와이어를대부분사용중이다. 그러나아연도금강판에용접시 Si island 가발생하여용접후도장을위해 Si island 를제거하는불필요한후속공정이필요하게된다. 이를보완하기위해기존 Soild wire 대비 Si island 발생을저감시킬수있는 Metal Cored Wire 가개발되고있으며, CO 2, Ar +CO 2 혼합가스에서솔리드와이어대비적은스패터발생과고용착속도를가지므로생산성을향상시킬수있다. 조선및중공업분야에있어서는잠수함과같이군사용목적으로고장력, 고인성을요구하는 760Mpa 이상의인장강도를가지는고강도고인성 MCW 를개발이진행중에있다. 또한, 대구경와이어의 MCW로 SAW(Submerged Are Welding) 와이어를대체할수있으며, 솔리드형태의 SAW 와이어와달리까다로운공사요구조건을만족시키기위한성분계조절이비교적용이하다. 현재는하드페이싱 (Hardfcaing) 분야의 wear plate 제조에사용되는 Open Arc type과 SAW Composite Wire 로대구경 MCW가제한적으로사용되고있지만, HRC Wear plate 65 이상의경도를요구하거나, 연주롤보수용접에있어내구성이우수한성분계의개발에초점이맞추어져있다. 4.3 Self-Shielded Flux Cored Wire 자체보호 FCW 는보호가스를사용하지않으므로, 이동이편리하고보호가스노즐이필요하지않아 T, K, Y Joint 와같은 Pipe 용접이나, 협개선 (Narrow Gap) 부위의초층용접용으로적합하다 (Fig. 12). 그러나용접조건의범위가좁고, 흡습에대한저항성이낮아보관상의어려움이있어한정된부위에적용되고있지만, 이런한계를극복하기위한노력이진행되고있고, 향후 Rutile 계 FCW 와 SMAW의 Covered Electrode 를대체해나갈용접재료로예상된다. 5. 강종별, Metal 별 Flux Cored Wire 개발동향 5.1 연강및고장력강 Continuous casting rolls Fig. 11 Photographs of wear plate and continuous casting rolls 일반연강용 Rutile 계용접재료는제조사별로차별화및최적화가되어있고, AWS A5.20 E71T-12X-J 의규격으로 -46 까지충격인성을안정적으로만족시키는용접재료가적용되고있다. 최근건설용으로해외를비롯하여국내에도내진규격인 AWS D1.8 Seismic Supplement 를만족하는용접재료를요구하고있으며, 이를보증하는 AWS A5.20 E71T-9X-J FCW가확대적용될전망이다. 컨테이너선의초대형화 (20,000TEU 이상 ) 에따라하중을가장크게받는 Hatch Coaming 부위에서는두께 80mmt 이상의 EH47 극후판강재가사용되고 16), -10 CTOD(Crack Tip Opening Displacement) 성능을요구하여이를만족하는 AWS A5.29 E81T1- K2X 의 FCW 가적용되고있고, 향후 CTOD 성능을만족하는더높은강도의용접재료수요가예상된다. 또한, HSLA-80, HSLA-100 등의 HSLA강 (High Strength Low Alloy Steel) 과같은미국의 MIL 규격으로규격화되어있는고장력강에 17,18) 대한무예열용접재료가국내에개발되어있다 19). 516 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 6, 2016
Flux Cored Wire 의최신기술개발동향 7 Maximum limit of T-connections TKY joints Gap g Greater Than 10 Narrow gap Narrow gap Gas-Shielded type With gas nozzle Self-Shielded type Without gas nozzle Fig. 12 T.K.Y pipe narrow gap welding by Self-shielded Flux Cored Wire 5.2 Low Alloy 계 5.2.1 저온용강저온용강은근해및온, 열대지역해양에서의자원채굴의한계로심해및한랭지역으로그범위가확대됨에따라고강도, 고인성을요구하면서도강재의두께는더욱얇아지고있으며, 충격인성과 CTOD 성능을보증하기위한방향으로지속적인강재개발이이루어지고있다. 저온용강 FCW 도강재개발과더불어저온충격인성과 CTOD 를보증하는방향으로개발되고있으며, 해양구조물용강재의경우 -40 CTOD 요구성능을만족하는 AWS A5.29 E91T1-Ni2X FCW가상용화되었고, 현재는 -60 를보증하기위한용접재료개발이진행되고있다. 아래 Table 1 20) 에 -40 CTOD 성능강재 의요구특성과최소 CTOD 요구치 ( 값 ) 을나타내었다. 5.2.2 내열강내열강용용접재료는적용부위에따라용접부의충격성능, Step Cooling Test 21), X-factor 22) 값을요구하고있다. 이처럼까다로운요구사항을만족시키기위해현재까지 SMAW와 GTAW, GMAW의용접프로세스가적용되어왔다. FCAW 의경우 MCW와염기성계의 FCW 가일부상용화되어있으나전자세용접성을확보할수없고, MCW 는보호가스로 Ar 또는혼합가스를사용해야하므로사용상에한계를가지고있다. 아직까지 Rutile 계 FCW 는이런까다로운성능을만족시키지못해제한적으로적용되고있다. 일반적으로 375~575 범위에서결정립계에 P, Sb, Sn, As 의불순물이집적, 편석되어입계에서응집 (Co- Table 1 Target properties for the developed steel Steel plate Charpy impact properties Weld joint Charpy impact properties Tensile properties Heat input Welding Method Grade Thickness(mm) Y.S(MPa) T.S(MPa) ve-60* (J) (kj/mm) ve-60(j) YP420 76.2 420~540 517~640 48 Y.S : Yield Strength, T.S : Tensile Strength, ve : Absorbed energy FCAW SAW 0.7 5.0 CTOD properties CTOD value at -40 (mm) 48 0.30 대한용접 접합학회지제 34 권제 6 호, 2016 년 12 월 517
8 임희대 최창현 정재헌 길웅 hesive) 력저하로천이온도가상승 ( 인성저하 ) 하여발생하는 Temper Embrittlement 는아래식 (1) 과같이 X-Factor 로표기되며, P > As > Sb > Sn의순으로화학성분의영향을받는다. (1) 충격인성, X-Factor와 Temper Embrittlement를평가하는 Step Cooling Test 를만족하는 Rutile 계 FCW 는아직상용화되어있지않지만, SMAW를대체적용하기위한 FCW 의개발이진행되고있다. 또한, 강재의개발에맞추어 SA 335 P91, P92 와함께초초임계를넘어서는 P122 강재용 FCW 가상용화되어있지만, X-Factor 만을요구하는부위에한정적으로사용되고있고향후내열강재소재의고급화에따라이들강재용 FCW 의수요는증가할것으로전망된다. 5.2.3 내후성, 내식강내후성강이란 P( 인 ), Cr( 크롬 ), Ni( 니켈 ), Cu( 구리 ) 등의합금원소를첨가하여금속표면에보호층을형성하므로써대기, 비, 해수및황산등에의한대기부식을억제하여부식속도가보통강의수분의 1이하가되도록한저합금강을말한다. 대표적으로고P-Cr-Cu 계와 Cr-Cu 계의강종이주종을이루고있다. 이들강재의용접재료로는 SMAW 프로세스용 AWS A5.9 E7018-W1 과 E8018- W2 가주로사용되었으나, AWS A5.29 E81T1-W2의 FCW 가상용화되어 SMAW 를대체적용하고있다. 또한, 황산및염산에견디는복합부식강재와용접재료개발이최근국내에서진행되었으며건설, 발전설비용으로 Covered Electrode 와 FCW 가상용화되어있다. 5.2.4 Stainless Steel 스테인리스강은구조물의경량화및가혹한조건을만족하는강재의적용을통한수명연장을위해다각도의설계가시도되고있으며, 그에따라강재의개발도기존 Austenite 계 Stainless Steel( 이하 STS) 인 STS 316L 에서 Duplex Stainless Steel( 이하 DSS) 와 Super Duplex Stainless Steel( 이하 SDSS) 로진행되었고, 최근에서는내식성이더욱향상된 Super Austenite Stainless Steel ( 이라 SASS) 과 Hyper Duplex Stainless Steel( 이하 HDSS) 로발전하고있다. Duplex Stainless Steel 은높은인장강도와해수에서우수한내공식 (Pitting Corrosion) 저항성및우수 한내구성을특징으로담수설비, 해양구조물을비롯하여기존 STS 316L 이이용되던영역에활발히대체적용되고있다. 특히해양플랜트공사에 DSS 용접재료를적용하기위해서는 -46 의충격값을보증해야하는데, 기존 Rutile 계 FCW 는 -46 의충격값보증에상당한어려움을가지고있었다. 그러나최근 -46 저온충격인성을만족하는 AWS A5.22 E2209T1-1의 Rutile 계전자세용 FCW 가국내에서개발되어일부대형조선소에 WPS(Welding Procedure Specification) 등재가완료되었다. 더불어공식저항당량지수 (Pitting Resistance Equivalent Number, PREN, 식 (2)) 가최소 45~50 이상인 SDSS인 UNS S32254, S32654의수요가증가하고있으며, 이를위한 SDSS 용 FCW 가최근국내에서개발및상용화되어적용중에있다. (2) SASS 는높은 PREN 값을가지며, Ni 계합금대비저렴하고동등한수준의내공식특성을가지므로원자력발전소의해수계통, 담수설비, 화력발전소의탈황설비및석유화학설비등에적용하고있다. 그러나용접시발생하는내식성저하, 균열발생등의문제로인하여 Ni합금계인 Inconel 625 를용접재료로주로사용하고있으며, 향후 SASS 계강재의소요량이더욱증가할경우 SASS 와동등한성분계를가지는 FCW 의개발에대한수요가증가할것으로예상된다. 마지막으로 400 이상의고온용, 500 이상의후열처리를실시하는강재용으로적용되는 STS FCW 의경우 Bi 함유량을 20ppm 이하로제한하도록 AWS A2.2 에명기되어있다. Bi는 FCW 의슬래그박리성을개선 Table 2 List of commercialized Ni alloy Flux Cored Wire Base Metal AWS A5.34 ISO UNS W86082 ENiCr3T1-1(4) ENi6082 UNS W86133 ENiCrFe2T1-1(4) ENi6092 UNS W86182 ENiCrFe3T1-1(4) ENi6182 UNS W86152 ENiCrFe7T1-1(4) ENi6152 UNS W86625 ENiCrMo3T1-1(4) ENi6625 UNS W80276 ENiCrMo4T1-1(4) ENi6276 UNS W86022 ENiCrMo10T1-1(4) ENi6022 UNS W86026 ENiCrMo14T1-1(4) ENi6686 518 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 6, 2016
Flux Cored Wire 의최신기술개발동향 9 시켜주는원소로일반적으로많이사용되고있으나, 용접후열처리동안 Bi의입계확산에의해재열균열발생의원인으로작용하게된다 23). 미국과유럽등의선진국에서는용접재료의 Bi 함량을표기하도록권장하고있으며, Bi Free 용접재료에대한관심이높아지고있다. 국내에도이미상용화된 Bi free FCW 가생산되고있으며, Bi를첨가하지않고서도동등한슬래그박리성을확보할수있는기술개발을진행중이다. 5.2.5 비철금속 Al, Mg, Cu, Ti합금계와같은비철금속의용접에는아직까지주요용접프로세스로 Solid Wire의용접재료를사용하는 GTAW 와 GMAW 를적용하고있으며, GMAW 는 MIG용접이주를이룬다. 또한, Al, Cu합금계의경우소량의 SMAW 프로세스가적용되고있지만, 현재까지 Solid Wire를대체하고자하는시장의요구가없어이들비철금속용 FCW 의개발은단기간에이루어지지는않을전망이다. Ni합금계는현재까지주요용접프로세스로 SMAW 와 GTAW, GMAW 의 MIG가적용되고있으나, SAMW 와 GTAW 는생산성이낮고, MIG의경우전자세용접이어렵우며, 기공발생률이높아산업현장에서는비용과품질문제로어려움을겪고있다. 이를해결하기위해 Rutile 계의전자세용 FCW 가개발및적용되고있으며꾸준한시장성장이기대된다. 특히펄스 (Pulse) 기능을사용하지않고서도전자세용접이가능하고, 일반적으로 GMAW 의 1.5~2 배, SAMW에비해 2~3배의높은용착속도를가질수있다. 또한보호가스로 Ar, CO 2, 혼합가스모두사용할수있어활용성이더욱높다 24). Table 2에상용화되어있는 Ni계 FCW 의종류를나타내었다. 6. 결론 본논문에서는 Flux Cored Wire의최신기술동향에대해소개하였다. 제조기술측면에서 Seamless type FCW 는기존 Folded Type FCW 에비해여러가지장점을가졌지만비용적인문제로범용화가되지않고있어, 생산비용을낮추기위한연구들을진행하고있다. 대표적인기술로이중관형태로제작한후심부를용접함으로써아크가직접내부 Flux 에영향을미치지않게하여기존의문제점을개선하고, 무도금의형태로더욱생산비용을낮춘프로세스를소개하였다. 또한, FCW type 별로는 Rutile 계에서후열처리후 고인성을만족시키기위한기술개발이지속적으로진행되고있으며, 고속용접용으로는생산성향상을위해싱글오토케리지적용시용접속도 100 cpm 이상, 트윈탄템 200 cpm 까지용접결함없이용접이가능한재료개발이이루고지고있다. MCW 는자동차부분에서내식성을확보하기위해아연도금강판으로대체됨에따라기존솔리드와이어의 Si island 형성을낮추기위한방향으로개발이진행되고있다. 강종별특징으로 -40 CTOD 를넘어 -60 까지 CTOD 성능을보증하는재료개발이진행중이며, 스테인리스강 FCW 는내부식강재의고급화에의해슈퍼오스테나이트계개발을진행중이다. References 1. Charles W. Patrick and William F. Newell, Jr., Understanding Welding Cost, Using Flux-Cored Arc Welding (FCAW) for Cost Reduction and Productivity Improvement, ASME 2014 Pressure Vessels and Piping Conference. American Society of Mechanical Engineers, 6B (2014) 2. Furrakusu iri waiya-no-jisssen, Under the editorship of Japan Welding Engineering Society, A reference book of flux-cored wire in Japanese, (1994) 3. Tea-Hoon Kim, Yoon-Sang Lee and Woo-Hyun Chung, Development of Welding Consumables for GMAW and FCAW, Journal of KWJS, 26 (2) (2008), 103-106 (in Korean) 4. 용접접합편람, (1998), 559 (in Korean) 5. I. K. Pokhodnya, V. N. Shlepakov, PP-An3 Flux-Cored Wire for Welding Low-Carbon and Low-alloy Steels at high Currents, Avtomatecheskaya Svarka, 61 (1) (1964), 66 6. K. D. Kyung, H. J. Chon, J.H, Lee, B. Y. Kang, H. J. Kim, Effect of Shielding gas Composition on Arc Stability and Transfer mode of High deposition GMA Welding, Journal of KWS, 5(1) (1997), 109(in Korean) 7. K.Gloot., et.al, Method for the production of a seamless tubular wire filled with a powder material filed, U.S. Patent 3,533,152, (1967) 8. Araki Nobuo., et.al, Method of manufacturing tube filled with powder and granular material, E.U. Patent EP 0 489 167 B1, (1996) 9. H. J. Kwak, Y. S. Kim, Flux cored wire and manufacturing method thereof and manufacturing device thereof, Korea Patent 10-2013-0132720, (2014) (in Korean) 10. FTRTECH, Seamless Flux Cored welding Material Manufacturing Process, http://www.firtechmarine.com/ seamless-materials.html, (2016) 11. S. I. Lee, Y. M. Kang, METAL-BASED FLUX CORED WIRE HAVING EXCELENT WELDABILITY FOR HIGH TENSILE STRENGTH STEEL, Korea Patent 10-2005-0056366, (2003) (in Korean) 12. Il Wook Han, Young Hwan Park, Gyu Baek An and Young Ho An, Development Trends of Steel Plates for Ship 대한용접 접합학회지제 34 권제 6 호, 2016 년 12 월 519
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