연구논문 급플럭스코어드와이어의스패터 흄 미세조직및기계적성질에미치는 의영향 김민철 정원정 이봉근 공종판 강정윤 세아에삽 부산대학교재료공학부 Effects of Al, Mn and Si Contents on Spatter, Fume, Microstructure and Mechanical Property with 49MPa Grade Flux Core Wire Min-Chul Kim*, Won-Jung Jung*,, Bong-Keun Lee**, Jong-Pan Kong** and Chung-Yun Kang** *ESAB SeAH Corp. Changwon 641-12, Korea **Dept. of Material Science and Engineering, Pusan National University, Busan 69-73, Korea Corresponding author : wonj2@esab.co.kr (Received August 27, 29 ; Revised September 16, 29 ; Accepted January 27, 21) Abstract This paper is concerned with effects of Al, Mn and Si contents on spatter, fume, microstructure and mechanical property with 49MPa Grade Flux Core Wire(FCW). Ten kinds of FCW were fabricated by varying Mn, Si and Al contents and each FCW was weld for check the amount of spatter and fume generations, microstructures and mechanical property. Amount of spatter and fume generations was decreased with the increasing Si contents and decreasing by Al contents in FCW. And, their microstructure of weld metal were changed by Mn, Al and Si contents in FCW. With increasing of Al and Si, acicular ferrite was fine and volume fraction of acicula ferrite was increased. Thereby leading to improvement of Charpy impact property and strength. Key Words : Flux Core Wire(FCW), Fume, Spatter, Microstructure, Mechanical property, 49MPa grade 1. 서론 오늘날기계 조선 건축 전자등거의모든산업분야에서용접은필수적인가공기술로대두되고있으며적용되는기술도다양화되어가고있다 최근산업의발달과작업현장여건의변화로인해대부분의산업이노동집약적인형태에서기술집약적인형태로바뀌어감에따라용접분야에서도고능률화 고품질화를위한용접의자동및반자동화가급속히진전되고있는추세이다 이에따라고능률용접법이개발되고있으며국내에서도플럭스코어드와이어 이하 를중심으로한반자동용접법의적용이급속도로증가하였다 현재조선 건설교량등산업분야에서용접기술은자동화 로봇중심으로한고효율화가계속될것으로전망되므로 고용착화 고속화에대응할수있는용접재료의개발에대한당위성이확실하다 이와더불어선진국의용접재료메이커보다앞서가기위해서는이제까지선진국제품을모방하는방법에서완전히벗어난과학적 합리적 체계적인방법을강구할필요가있다 그러나 현재국내의대부분의용접재료개발은기존의데이터화된자료에바탕을둔것이아니라 개발자의노하우 에의해서개발되고있다 아울러 용접공정이인체에미치는영향에대한연구도최근에진행되고있다 이들연구에서는스패터
급플럭스코어드와이어의스패터 흄 미세조직및기계적성질에미치는 의영향 및흄이인체에미치는영향에대하여연구를진행하였으며 또한 스패터및흄의경우용접특성에밀접한관계를나타냄으로스패터및흄을줄이는연구가최근까지지속적으로연구되고있다 본연구에서는일반강재의용접재로많이사용되는 급 에있어서 및 의함량변화에따른스패터및흄의발생량에미치는영향을조사하였으며 이들원소가용접후용착금속의미세조직및기계적성질에미치는영향을조사하고첨가원소들의영향을비교평가하여 제조에필요한데이터를구축하고자한다 Carrier Torch Base metal Feeder CO 2 gas Welding machine 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 Filter assembly Sampling pump Fume box Feeder 본연구에서사용한모재는조선소에서많이사용되 는일반탄소강인 을사용하였으며 용접재료는 급을기본으로 과같 이 및 의첨가량을변화시키면서각 가스패터 흄 미세조직및기계적성질에미치는영 향을조사하였다 2.2 실험방법 스패터 발생량측정은 과같이용접 속도가조절되는자동이송장치를사용하여실험을실시 하였다 용접후발생되는슬래그를제거하고스패터량 을 회에걸쳐측정한평균을사용하였다 는 스패터측정시의용접조건을나타낸다 용접흄 발생량측정은 와같이흄포 집장치를설계하여측정하였다 모재가회전하면서용 접이진행되며용접시간은 분 용접흄의포집시간은 Torch Base metal Turntable CO 2 gas Welding machine 분이다 은용접흄의측정시용접조건을나 타낸다 흄의측정에서는필터의종류와보관에따라 흄량의변화가심하게나타나게된다 본실험에서사 용되어진필터 는건조기에서 로보관하 였으며 용접후 에서 보관후측정하였다 흄측정에사용된필터는화트만 사의유리 섬유형 을사용하였으며 크기의입자 포집률이 를갖는다 용접부의미세조직및용접성을평가하기위해 과같이인위적으로 간격을갖는 형태의시험편
김민철 정원정 이봉근 공종판 강정윤 2. (a) 1.8 Spatter (g/min) 1.6 1.4 1.2 Al + Si = 1.5 Mn = 2.397 Mn = 2.23 Al + Si = 1.25 1. 에 입향상향 조건으로 용접 가능유무를 평가하였다 용접부의단면을 까지연마후미세 조직은 나이탈 로부식시켜서 으로관 찰하였으며 용착금속의기계적성질변화는 에준하여시험편을제작및인장강도 충격인성 시험편을가공하였다 인장강도의측정은 유압 식만능재료시험기를충격인성은디지털충격시험기 를사용하여평가하였다 는용접실험후용착금속의화학적성분을 나타낸다 3. 실험결과및고찰 3.1 스패터및흄발생량변화 합금원소의첨가량을변화시켜제조한 로용접시스패터와흄의변화를조사하였다 용접시스패터와흄은용융금속내의기포가방출되거나 용접봉끝의용적이폭발될때 아크힘으로비산될때 과대전류 피복제중의수분 긴아크의발생 운봉각도의부적당및모재의온도가낮을때등에많이발생하는것으로알 려져있다 Fume (mg) 9 8 7 6 5 (b) Al + Si = 1.5 Mn = 2.397 Mn = 2.23 Al + Si = 1.25 는 및 의함량변화에따른스패터 및흄 의변화를측정하여나타내었다 스패터는 의첨가량에관계없이 함량이증가하고 상대적 으로 의함량이감소할수록적게발생하였다 그리 고 의함유량이낮으면스패터는적게발생하였다 즉 의첨가량이증가하면스패터의발생이줄어들 고 의첨가량이증가하면스패터가증가하였다 그 리고흄은스패터와마찬가지로 함량의증가및 함량이감소할록적게발생하였다 즉 의첨가 량에의한스패터와흄의발생경향은유사함을확인하 였다 상기결과를정리하면다음과같다 함량이높을수 록스패터및흄의발생량이감소하고있으며 기보고 된연구결과에따르면 및 등을첨 가하는경우고온증기압을낮추어흄이억제된것으로 사료된다 함량이높을수록스패터및흄의발생량이 증가하는이유는 이첨가될경우고온증기압으로 인해스패터및흄이증가한다 이에반해 의첨가 는스패터및흄에영향을적게미치고있으며 이는 를첨가할경우스패터및흄함량에영향을미 치지않는다는연구결과와동일하다 이와는별도로 및 를첨가하게되
급플럭스코어드와이어의스패터 흄 미세조직및기계적성질에미치는 의영향 면스패터의발생량을낮출수있다고알려져있는데 의경우아크발생형태의변화를유도하여용접이 행을안정화시켜스패터의함량을줄이는것으로알려 져있으며 의경우용접이행시용융금속의안정화 를통해서단락횟수를감소시켜스패터가줄어들며 의경우아크의안정화로스패터가줄어든다고보고 됨으로 앞으로도이러한연구도추후에진행되어야할 것으로사료된다 상기결과에서 의함량이낮아질수록 과 총 량은높을수록 그리고 함량이높아질수록스패터 및흄발생량이낮아짐을알수있었다 그러나 및 의경우용접시산화제로작용됨으로 의 설계시일정량의 및 를첨가하여야한다 상 기원소의경우용접후기계적성질에영향을미칠수 있으며 이는상기원소가미세조직의변화를유발하기 때문에미세조직을관찰하였다 3.2 미세조직변화 내의합금원소변화가미세조직에미치는영향 을조사하기위하여용접후미세조직을관찰하였다 본실험에서는용접가능성및미세조직을관찰하기 위해조선사등에서가장가혹한조건으로알려져있는 간격을갖는필렛입향상향 조 건으로용접후거시및미세조직을관찰하였다 은표 의 번과 번 로용접시비드 형상을나타낸것이다 간격을갖는조건에서도 용접이용이하였으며 전조건에서용접크랙등결함은 관찰되지않았다 는 번 로용접한시험편의 미세조직을관찰한결과이며 는 의 영역 는 의 영역을확대한사진이다 및 에서는 이하 이하 이하 가나타나는것을확인할수있다 특히 와 는기계적성질에중대한영향을미치는것으로알려져있다 및 에서보는바와같이 의첨가량이낮은조건 에서미세한 가다량관찰되며 이에반해 의양은많지않은것으로관찰된다 일반적으로오스테나이트안정화원소인 의함량이증가할수록 함량이증가하는경향이나타나게되는것으로알려져있으나 의첨가량이줄어든 번시험편에서 의함량이증가하게되는데 이는 에나타난바와같이용착금속중 의함량이증가하기때문인것으로사료된다 의첨가량이적은 에서높은 의회수율을나타내는이유는아래와같다 일반적으로 에서 은탈산제및슬래그형성제로작용하며 특히 의엘링감도표에나타난것과같이 및 이 에비하여탈산효과가강력하므로상대적으로 이산화제로서의작용이
김민철 정원정 이봉근 공종판 강정윤 Standard free energies ( G) 1 5-5 -1-15 -2-25 -3-35 -4 2Ni+O 2 =2NiO 4/3Cr + O 2 = 3/2CrO3 2 Si+O 2 =SiO2 Ti+O 2 =TiO2 2 2 3 4/3Al + O = Al O 2 2Mg + O = 2MgO 2Mn + O = 2MnO -45 4 8 12 16 2 Temperature ( ) 억제되어회수된용착금속중 함량이증가된것으로사료된다 이들미세조직의변화는용착금속의기계적특성과밀접한상관관계가있으며 미세조직결과와기계적성질을상호비교하고자하였다 3.3 기계적성질변화용접후용착금속의인장강도및충격인성을측정하여미세조직과의상관관계를조사하였다 은 및 변화에따른인장강도를나타내고있다 의용착금속내함류량이높을수록인장및항복강도가높게나타나는것을확인할수있었으며 연신률은저하되지않았다 이러한변화에대해서미세조직결과와비교해보면다음과같다 항복및인장강도는앞서언급한바와같이미세조직에서 의함량은용착금속내 함유량증가에따라 증가하고 이로인해인장및항복강도가증가하며 연신율의저하를발생시키지않는것으로사료된다 그 리고탈산제로서 및 의탈산효과가 에비해 높기때문에용융금속의청정도를높이는효과를나타 낸것으로사료된다 기보고된연구결과에따르면 과 가페라이트내의청정도를높여연성을증가시키며 이로인해연 신율의저하를발생시키지않은것으로사료되며 이러 한 및 의탈산효과는 에대해서도거의동일하 게나타나기때문에상대적으로용착금속내 의함유 량이높은 번시험편의 함량이 번시험편의 함량보다낮게나타나는것으로유추할수있다 는 및 변화에따른충격인성을 에측정한결과이다 용착금속내 의함유량이높은 시험편의충격인성이상대적으로높게나타나고있으 며 용착금속내 의함유량이적은시험편의경우편 차가크며일부용접재료에서는다소낮은충격인성을 나타내고있다 그러나 과 총량이높은용접재료 의용착금속은편차가크지않으며다소높은충격인성 을얻을수있었다 이는앞서언급한바와같이용착금속내 의함유 량이높은시험편의경우다량의미세한 가생성되 기때문이며 아울러 및 에의한청정작용에의 한페라이트의청정도개선효과에기인하는것으로사 료된다 이상의결과들로부터 에첨가된 및 가용접시스패터및흄의발생과용접후미세조직및 기계적성질에미치는영향을조사하였다 그러나 각 각의특성에미치는원소의영향은개별적으로작용하 는것이아니라복합적으로작용함으로실제 제 조시에특히유의해야할것으로사료되며 계속적인 연구와데이터의축적이필요할것으로사료된다 Y.S and T.S (Mpa) 7 6 5 4 3 2 1 T.S Y.S E.L Mn = 2.397: Al+ Si = 1.5 Mn = 2.23: Al+ Si = 1.25 1 8 6 4 2 Elongation (%) Charpy absorbed energy (-2, J) 15 1 5 Mn= 2.397 Mn= 2.23 Al + Si = 1.25 Al + Si = 1.5
급플럭스코어드와이어의스패터 흄 미세조직및기계적성질에미치는 의영향 4. 결론 본연구에서얻어진주요한결론은다음과같다 스패터와흄의발생량은 의함량이증가할수록 의함량이감소할수록감소하며 스패터및흄의발 생량은거의유사하게변화하는것을확인할수있었다 의회수율은 및 의첨가량에따라변화 하며 이로인해 및 의변화를관찰할수있었 으며 특히 의회수율은 및 의함량이증가할 수록크게나타나 의생성량도증가하고있다 항복및인장강도는 의용착금속내함유량이 높을수록높게나타나며 연신율의경우변화가없었다 이는 및 의탈산효과에의해 의회수율증가 와페라이트의청정도가높아지기때문인것으로사료 된다 충격인성은 의함유량이증가할경우높게나 타나며 이는언급한바와같이 및 의탈산효과에 기인하는것으로사료된다 후 기 본연구는교육과학기술부 한국과학재단국가핵심연 구센터사업 지원으로 수행되었습니다 참고문헌 김경중 의특성및사용상의유의점 박대식 스에나가카즈유키 김동수 저 의개발 대한용접학회특별강연및학술발표대회개요 집제 권 허만주 년대한금속 재료학회철강기술강좌