3.6.2 플럭스 코어드 와이어 용접재료

(1) 제조공정
FCW는 금속튜브와 튜브 내에 충진된 플럭스로 구성되어 있는데, 금속튜브의 단면 모양이나 플럭스 조성은 매우 다양하다.
<그림1>는 FCW의 제조공정을 개념적으로 보여주는 것인데, 먼저 10-15mm 폭을 가진 스트립을 U자형으로 성형하고, 성형된 U자형 튜브를 원하는 직경까지 인발 또는 압연하여 생산되고 있다.
<그림2>은 성형 단계에서 플럭스 공급장치에 의해 U자형 금속튜브 내에 충진되는 모양을 보여주고 있으며, <그림3>은 와이어 신선 다이에 의해 신선되는 과정을 보여준다.

< 그림 1 > 플럭스 코어드 와이어의 제조공정


< 그림 2 > 공급벨트에 의한 플럭스 충진 공정


< 그림 3 > 신선 공정

신선단계에서는 다이의 마찰력을 줄이기 위하여 윤활제를 사용하게 되는데, 사용되는 윤활제는 무기질 또는 유기질의 두 가지 종류가 있다. 무기질 윤활제로써는 흑연, MoS2 등이 있는데 이들은 용착금속에 H2가 유입되지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 표면에 묻어 있는 윤활제는 사용 과정에서 라이너에 축적되거나 심하면 팁을 막아서 와이어 송급이 나빠지는 취약점을 가지고 있다. 한편, 유기질 윤활제는 라이너에 축적되는 문제는 없으나, 용착금속에 H2가 유입되기 때문에 철저히 규제된 상태에서 사용되어야 한다.

신선이 끝난 와이어는 재료 표면에 묻은 윤활제를 분해하기 위하여 베이킹 공정이 추가되기도 하는데, 베이킹 공정은 150-370℃의 온도에서 1-10시간 정도로 실시한다. 가공경화가 매우 큰 스테인리스 재료의 경우는 신선 과정 중간에 풀림 공정을 추가한다. 와이어의 최종 직경은 0.8-3.2mm로 상품화되고 있는데, 이 중에서 1.2mm가 가장 많이 쓰인다.

(2) 와이어 단면 형상
FCW는 제조능력, 생산성, 경제성, 용접작업성, 용접품질 등을 극대화하기 위하여 <그림4>와 같이 여러 가지 단면형상을 가지고 있다. 이들 단면 형상은 다음과 같이 크게 3가지 형태로 구분되고 있다.


< 그림 4 > 플럭스 코어드 와이어의 단면 형상

* 튜브형상 : 스트립의 끝이 맞대기 형상을 하고 있는 경우로 이음부가 없거나 스트립의 끝이 겹쳐있는 형상
* 이중겹침 형상 : 튜브 내부에 또는 다른 튜브를 가지고 있는 모양으로, 외부공간에는 플럭스 성분을 채우고 내부공간에는 금속분말을 첨가한다.

와이어 단면 형상은 기계적 성질, 용착금속의 화학성분 등에는 영향을 미치지 않지만 플럭스 충진율, 아크 안정성, 용적이행 현상, 와이어 용융속도 등에 큰 영향을 미친다.

(3) 플럭스 성분계
FCW에서 플럭스가 차지하는 비중은 약 15-50%(무게비)인데, 용착금속의 기계적 물성치와 용접작업성은 플럭스 성분계와 관계가 깊다. 플럭스는 아크 안정제, 슬래그 형성제, 탈산제, 탈질제, 가스 형성제, 그리고 합금성분 등을 포함하며, 이들의 적절한 비율은 플럭스 성분계의 필수적인 요소이다. FCW는 피복 아크 용접봉과 마찬가지로 플럭스 성분계에 따라 분류되며 분류방법은 다음과 같다.

1) 메탈 코어드 와이어
대부분의 메탈 코어드 와이어는 Fe, Fe-Cr, Fe-M, Ni, Cr, Fe-Si, Fe-Mn 등의 금속분말을 중량비로 적어도 95%이상 포함하고 있다. 소량 첨가되는 아크 안정제는 스패터 발생량을 줄이고 아크 안정성을 향상시키는데 도움을 준다. 이 제품은 사용할 때 보호가스로써 Ar 또는 Ar+O2의 혼합가스를 사용하는 것이 보통이다. 이 용접재료에는 슬래그 성분이 없기 때문에 용착효율이 솔리드 와이어와 같은 98% 수준이며, 용착속도는 단면적 감소에 따른 전류밀도 상승으로 솔리드 와이어보다 20-30% 정도 높다.

2) 자체보호 FCW
이 재료는 이름 그대로 자체적으로 보호가스를 방출하는 FCW로써 플럭스의 50%정도가 CaF2, CaCo3와 같은 가스형성제로 구성되어 있다. 그러나, 작업조건 및 용접사 기량에 따라 보호 효과도 충분치 못하기 때문에 공기 중의 질소가 용착금속부에 다량 혼입된다.(표1)

따라서, 이 제품에는 강력한 탈질제(예를 들어 Fe-Al, Fe-Ti 등)가 다량 첨가되어 있다. 그 밖에도 루타일(TiO2)이나 K, Na, Li 등의 아크 안정제는 슬래그 성분계의 근거로서 첨가되며, 약간의 산화물(SiO2, MgO, Al2O3, ZrO2, MnO, Fe3O4 등)은 슬래그 박리, 점도, 표면장력 특성 등의 균형에 도움을 준다. 이러한 화합물은 일반적으로 전체 슬래그 성분계의 25% 이하로 관리한다. 자체보호 FCW에서는 와이어 돌출길이를 보통 25mm이상으로 길게 하여 사용한다. 따라서, 자체보호 FCW의 용융속도와 용착속도는 매우 높은 것이 특징이다. 또, 이 재료의 장점으로는 보호가스를 사용하지 않기 때문에 옥외의 바람이 부는 곳에서도 조작하기 쉬우므로 작업자의 피로도가 적어서 작업 능률이 향상될 수 있다. 탈산제와 탈질제로써 사용되는 Al은 아크 주위의 O2와 질소의 영향을 억제하는 역할을 하지만, 용착금속 중에 Al의 함량이 증가하여 연성과 저온 충격강도를 저하시킨다. 이러한 이유 때문에 자체보호 FCW 방법은 비교적 안정이 크게 요구되지 않은 부위의 용접에 사용한다.

< 표 1 > 용접재료에 따른 가스발생량 및 용착금속의 질소함량
용접재료 가스발생량(ℓ/min) 질소함량(ppm)
설룰로스계 용접봉 5.4 50-80
저수소계 용접봉 1.4 80-150
자체보호 FCW 0.1-0.2 380-480

3) 자체보호 FCW
메탈 코어드 와이어를 사용하여 적정한 용접성을 확보하기 위해서는 고가의 Ar가스를 사용해야 한다는 단점이 있는 반면, 자체보호 FCW에서는 용착금속의 질소량이 용접사의 기량이나 용접조건에 따라 많은 차이가 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 개발된 것이 가스보호 FCW인데, 주로 100% CO2나 혼합가스를 보호가스로 사용한다. 이 재료는 산성 슬래그 조성을 가지기 때문에 작업성이 매우 우수하다. 비드외관이나 슬래그 박리성을 좋게 하기 위해서 소량의 특정 화합물도 첨가되고 있으며, 슬래그의 물리적 성질을 조정하여 수직상진 및 하진 용접성이 우수하도록 제조된 전용 제품도 있다.

(4) FCW의 규격
연강, 고장력강 및 저온용강에 사용되는 FCW는 KS D 7104에 의해 규격화되어 있는데 와이어 종류를 표기하는 방법은 다음과 같다.

실제 용접현장에서는 미국용접학회(AWS)의 규격을 많이 사용하고 있는데, AWS A5.20 규격에 따른 표기방법은 다음과 같다.


< 표 2 > AWS A5.20 규격에 따른 플럭스 코어드 와이어의 분류 및 특성
규 격 특 성
T - 1 - 루타일이 플럭스의 주성분임
- CO2 또는 Ar+CO2의 혼합가스 사용
- 중후판의 다층용접에 적합함
- 아래 보기 전용(EXOT-1), 전자세(EXIT-1)용이 있음
T - 2 - 루타일이 플럭스의 주성분임
- CO2, 아래보기, 단층용접 전용
T - 3 - 자체보호(TiO2계)
- 박판의 고속용접에 적합
- 역극성에서 스프레이 이행
T - 4 - 자체보호(CaF2계)와이어
- 고용착의 단층 또는 다층용접에 적합
- 역극성에서 입상용적 이행
T - 5 - 염기성 계통의 플럭스 조성으로 극저수소계
- CO2 또는 혼합가스 사용
- 고인성(-29℃에서 27J) 고강도 강재에 적용
T - 6 - 자체보호 와이어
- T-5와 동등한 충격인성 확보
- 역극성에서 스프레이 이행
- 용입이 깊고 슬래그 제거성이 양호함
T - 7 - 자체보호 와이어
- 정극성에서 전자세 용접
- T-5와 동등한 충격인성 확보
T - 8 - 자체보호 와이어
- 정극성에서 전자세 용접
- T-5와 동등한 충격인성 확보
T - 10 - 정극성 조건에서 사용
- 기타 특성은 T-3와 동일
T - 11 - 스프레이 이행
- 기타 특성은 T-7과 동일
T - G 기타 재료

T-1 계열은 가장 오래된 재료일 뿐만 아니라, 현재에도 광범위하게 사용되고 있는 재료인데, 루타일이 플럭스의 주성분이다, 보호가스로는 CO2 보호 조건에서는 입상용적 이행을 한다. FCAW 아크는 금속단면에서 발생하고, 내부의 플럭스는 그 복사열 또는 열전도에 의해 용융되므로 내부 플럭스가 금속튜브보다 늦게 녹는다. 따라서, 직경이 굵은 자체보호 FCW는 미용융 풀럭스가 아크 내부에 돌기 형태로 돌출되어 나타난다.


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